Полезные преобразования и формулы для моделирования рассеивания в воздухе - Useful conversions and formulas for air dispersion modeling

Различные правительственные агентства, занимающиеся защита окружающей среды и с охрана труда обнародовали правила, ограничивающие допустимые концентрации газообразного загрязняющие вещества в окружающем воздухе или в выбросах в окружающий воздух. Такие правила включают в себя ряд различных выражений концентрации. Некоторые выражают концентрации как ppmv а некоторые выражают концентрации как мг / м³, в то время как другие требуют корректировки или корректировки концентраций до нормальных условий содержания влаги, содержания кислорода или содержания углекислого газа. В этой статье представлен набор полезные преобразования и формулы для моделирование рассеивания воздуха атмосферных загрязнителей и за соблюдение различных правил, касающихся того, как выражать концентрации, полученные с помощью такого моделирования.^[1]

Преобразование концентраций загрязнителей воздуха

Уравнения преобразования зависят от температуры, при которой требуется преобразование (обычно от 20 до 25 ° C). градусов Цельсия ). При давлении окружающего воздуха 1 атмосфера (101.325 кПа ), общее уравнение:

${\displaystyle \mathrm {ppmv} =\mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}\cdot {\frac {(0.08205\cdot T)}{M}}}$

и для обратного преобразования:

${\displaystyle \mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}=\mathrm {ppmv} \cdot {\frac {M}{(0.08205\cdot T)}}}$

куда:
ppmv	= концентрация загрязнителя воздуха, дюйм частей на миллион по объему
мг / м^3	= миллиграммы загрязнителя на кубический метр воздуха
${\displaystyle T}$	= температура воздуха в кельвины = 273,15 + ° С
0.08205	= Универсальный Постоянная закона газа в атм · л / (моль · К)
${\displaystyle M}$	= молекулярный вес загрязнителя воздуха (безразмерный)

Примечания:

• Нормы загрязнения окружающей среды в США обычно ссылка как указано выше, их уровень загрязнения ограничивается температурой окружающей среды от 20 до 25 ° C. В большинстве других стран эталонная температура окружающей среды для пределов загрязнения может составлять 0 ° C или другие значения.
• 1 объемный процент = 10000 ppmv (т. Е. Частей на миллион по объему).
• atm = абсолютное атмосферное давление в атмосферах
• моль = грамм моль

Корректировка концентраций по высоте

Концентрации атмосферных загрязнителей, выраженные как масса на единицу объема атмосферного воздуха (например, мг / м³, мкг / м³и т. д.) на уровне моря будет уменьшаться с увеличением высота потому что атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты.

Изменение атмосферное давление с высотой можно получить из этого уравнения:^[2]

${\displaystyle P_{a}=0.9877^{a}}$

Учитывая концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере при атмосферном давлении в 1 атмосферу (т. Е. На высоте уровня моря), концентрацию на других высотах можно получить из этого уравнения:

${\displaystyle C_{a}=C\cdot 0.9877^{a}}$

куда:
${\displaystyle a}$	= высота в сотнях метров
${\displaystyle P}$	= атмосферное давление на высоте ${\displaystyle a}$, в атмосферах
${\displaystyle C}$	= Концентрация на высоте уровня моря, в массе на единицу объема
${\displaystyle C_{a}}$	= Концентрация на высоте ${\displaystyle a}$, по массе на единицу объема

В качестве примера приведена концентрация 260 мг / м³ на уровне моря рассчитайте эквивалентную концентрацию на высоте 1800 метров:

C_а = 260 × 0.9877 ¹⁸ = 208 мг / м³ на высоте 1800 метров

Стандартные условия для объемов газа

А нормальный кубический метр (Нм³ ) - метрическое выражение объема газа при стандартные условия и это обычно (но не всегда) определяется как измеренное при 0 ° C и 1 атмосфера давления.

А стандартный кубический фут (scf) - выражение для объема газа в США при стандартных условиях, часто (но не всегда) определяется как измеренное при 60 ° F и давлении 1 атмосфера. Помимо 60 ° F и 1 атмосферы в США используются другие определения стандартных условий для газа.

Это понятно:

1 Нм³ любого газа (измеренного при 0 ° C и 1 атмосфере абсолютного давления) равно 37,326 стандартных кубических футов этого газа (измерено при 60 ° F и 1 атмосфера абсолютного давления).

1 кмоль любого идеального газа равняется 22,414 Нм³ этого газа при 0 ° C и 1 атмосфере абсолютного давления ... и 1 фунт-моль любого идеального газа равняется 379,482 scf этого газа при 60 ° F и 1 атмосфере абсолютного давления.

Примечания:

• кмоль = киломоль или килограмм-моль
• фунт / моль = фунт моль

Коэффициенты преобразования скорости ветра

Метеорологические данные включают скорость ветра, которая может быть выражена как статутные мили в час, узлы, или метров в секунду. Вот коэффициенты преобразования для различных выражений скорости ветра:

1 м / с = 2,237 статутной мили / ч = 1,944 узла
1 узел = 1,151 статутная миля / ч = 0,514 м / с
1 статутная миля / ч = 0,869 узла = 0,447 м / с

Примечание:

• 1 статутная миля = 5280 футов = 1609 метров

Поправка на стандартные условия

Многие агентства по охране окружающей среды издали правила, ограничивающие концентрацию загрязняющих веществ в газообразных средах. выбросы и определить стандартные условия, применимые к этим пределам концентрации. Например, такое регулирование может ограничить концентрацию NOx до 55 ppmv в выхлопных газах с сухим сгоранием, скорректировано до 3 объемных процентов О₂. Другой пример: регулирование может ограничивать концентрацию твердые частицы до 0,1 зерно на стандартный кубический фут (т. е. стандартных кубических футов) сухих выхлопных газов с поправкой на 12 объемных процентов CO₂.

Экологические агентства США часто обозначают стандартный кубический фут сухого газа как «dscf» или «scfd». Точно так же стандартный кубический метр сухого газа часто обозначается как «dscm» или «scmd» (опять же, природоохранными агентствами США).

Поправка на сухую основу

Если при анализе пробы газообразных выбросов обнаруживается, что она содержит водяной пар и концентрацию загрязняющего вещества, скажем, 40 ppmv, то 40 ppmv следует обозначить как концентрацию загрязняющего вещества на «влажной основе». Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации «влажной основы» до «сухая основа "концентрация:^[3]

${\displaystyle dry\;basis\;concentration=(wet\;basis\;concentration)/(1-w)}$

куда:
${\displaystyle w}$	= объемная доля выбрасываемых выхлопных газов, представляющая собой водяной пар

Таким образом, влажная основная концентрация 40 ppmv в газе, имеющем 10 объемных процентов водяного пара, будет иметь сухую концентрацию = 40 ÷ (1-0,10) = 44,44 ppmv.

Поправка к эталонному содержанию кислорода

Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации загрязнителя в выбрасываемом газе (содержащем измеренное значение O₂ содержание) до эквивалентной концентрации загрязняющего вещества в выбрасываемом газе, содержащем указанное эталонное количество O₂:^[4]

${\displaystyle C_{r}=C_{m}\cdot {\frac {(20.9-r)}{(20.9-m)}}}$

куда:
${\displaystyle C_{r}}$	= скорректированная концентрация в сухом газе с указанным эталонным объемом% O2 = ${\displaystyle r}$
${\displaystyle C_{m}}$	= измеренная концентрация в сухом газе с измеренным объемом% O2 = ${\displaystyle m}$

Таким образом, измеренная концентрация NOx 45 ppmv (в пересчете на сухое вещество) в газе, имеющем 5 об.% O₂ является
45 × (20,9 - 3) ÷ (20,9 - 5) = 50,7 ppmv (по сухому веществу) NOx с поправкой на газ, имеющий указанный эталонный O₂ содержание 3% об.

Поправка на эталонное содержание диоксида углерода

Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации загрязнителя в выбрасываемом газе (содержащем измеренный CO₂ содержание) до эквивалентной концентрации загрязняющего вещества в выбрасываемом газе, содержащем указанное эталонное количество CO₂:^[5]

${\displaystyle C_{r}=C_{m}\cdot {\frac {r}{m}}}$

куда:
${\displaystyle C_{r}}$	= скорректированная концентрация в сухом газе с указанным эталонным объемом% CO2 = ${\displaystyle r}$
${\displaystyle C_{m}}$	= измеренная концентрация в сухом газе с измеренным объемом% CO2 = ${\displaystyle m}$

Таким образом, измеренная концентрация твердых частиц 0,1 зерна на кубический фут в газе с 8 об.% CO₂ является
0,1 × (12 ÷ 8) = 0,15 гран на dscf при поправке на газ, имеющий указанный эталонный CO₂ содержание 12% об.

Примечания:

• Хотя в приведенных выше примерах использовались ppmv и зерна на dscf, можно также использовать такие концентрации, как ppbv (т.е. части на миллиард по объему), объемные проценты, граммы на dscm и многие другие.
• 1 объемный процент = 10000 ppmv (т.е. частей на миллион по объему).
• Следует проявлять осторожность с концентрациями, выраженными в ppbv, чтобы различать британский миллиард, равный 10¹² и миллиард США, что составляет 10⁹.

Смотрите также

• Стандартные условия температуры и давления
• Преобразование единиц по метке фактора
• Моделирование атмосферной дисперсии
• Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части
• Библиография моделирования атмосферной дисперсии
• Условия источника случайного выброса
• Забитый поток

Рекомендации

1. Преобразования и формулы моделирования воздушной дисперсии
2. Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы диспергирования дымового газа (4-е изд.). авторское издание. ISBN  0-9644588-0-2.
3. 40 Свод федеральных правил США, Глава I, Часть 60, Приложение A-3, Метод испытаний 4.
4. 40 Свод федеральных правил США, Глава I, Часть 60, Приложение B, Технические характеристики 2.
5. 40 Свод федеральных правил США, глава I, часть 60.

внешняя ссылка

• Дополнительные преобразования и формулы, полезные при моделировании рассеивания в воздухе, доступны в тематических статьях по адресу www.air-dispersion.com.
• Учебный курс Агентства по охране окружающей среды США имеет очень полезную информацию.