Практическая работа № 4 Расчет рассеивания окиси углерода от автомобильной магистрали

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4

РАСЧЕТ РАССЕИВАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА ОТ АВТОМОБИЛЬНОЙ МАГИСТРАЛИ

4.1 Цель работы

Теоретическое исследование автодороги как источника выделения вредных веществ, изучение процессов рассеивания загрязняющих веществ в окружающей среде с помощью определения их концентрации на некотором расстоянии от дороги при продольном и поперечном ветре.

4.2 Теоретические сведения

Значительную долю в загрязнение атмосферы вносят передвижные источники. Основным передвижным источником выбросов вредных веществ в атмосферу является автотранспорт.

Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые при работе двигателя внутреннего сгорания – оксид углерода, углеводороды, оксиды азота. В связи с тем, что отработавшие газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеивания значительно отличается от процесса рассеивания выбросов высоких стационарных источников, вредные вещества находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт относят к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха.

При движении автомобилей по магистрали за транспортными средствами образуется зона механического перемешивания. При этом турбулентность, которая ведет к выравниванию концентрации вредного вещества во всей зоне механического перемешивания, преобладает над параметрами региональных метеорологических условий (скоростью ветра, турбулентность за счет солнечной радиации и др.). Зона механического перемешивания может быть представлена как туннель, в котором воздух тщательно перемешан и концентрация вредных веществ одинакова во всех точках.

Схема формирования концентрации окиси углерода от автомобильной дороги представлена на рис. 1. Величина концентрации окиси углерода складывается из значения фоновой концентрации и значения концентрации, которая зависит от количества вредного вещества, выделяемого автомобилями и от рассеивающей способности атмосферы. При максимальной устойчивости атмосферы (отсутствие ветра и солнца, т. е. темное время суток или сильная облачность) величина концентрации будет максимальной (см. верхнюю кривую концентрации на рис.1). При неустойчивой атмосфере (ветреная, жаркая погода) ее рассеивающее действие будет значительным и концентрация вредного вещества в приземном слое - низкой (нижняя кривая на рис.1).

4.3 Порядок выполнения расчета

1 Получить ширину зоны механического перемешивания W:

, м  (3.1)

где – ширина дороги, м.

2 Рассчитать мощность выброса по формуле (3.2):

Q = (7,33 + 0,026 ∙ N) ∙ К1 ∙ К2 ∙ К3, г/с км  (3.2)

где N - приведенная часовая интенсивность автомобилей с карбюраторными двигателями, авт/час;

К1 - коэффициент, учитывающий влияние состава транспортного потока и его среднетехнической скорости, определяемый по таблице 4.3.1;

К2  - коэффициент, учитывающий влияние продольного уклона дороги

При  i ≤ 10%  К2=1

10%< i ≤ 30%  К2=1,02

30%<i ≤ 50%  К2=1,04

50%<i ≤ 70%  К2=1,06

К3 - коэффициент, учитывающий ожидаемое снижение содержания концентрации СО в отработавших газах,

К3=0,17

Таблица 4.3.1 - Влияние скорости транспортного потока на выброс

Доля грузового потока, %	К1 при скорости транспортного потока, км/час
20	30	40	50	60	70	80
80 70 60 50 40 30 20 10	1,17 1,14 1,12 1,11 1,09 1,08 1,05 1,02	1,11 1,06 1,04 1,04 0,97 0,95 0,91 0,87	1,05 1,00 0,95 0,91 0,86 0,82 0,7 0,72	0,90 0,87 0,83 0,80 0,76 0,73 0,69 0,65	1,02 0,95 0,89 0,84 0,77 0,70 0,62 0,54	1,11 1,04 0,93 0,90 0,78 0,66 0,57 0,46	1,21 1,12 1,03 0,95 0,85 0,75 0,67 0,58

3 Для поперечного ветра, получить отношение:

  (3.3)

4 Определить концентрацию окиси углерода в зоне механического перемешивания по формулам:

Cm 1 = 4,28 ∙ P1 , мг/м3  при P1 ≤ 3  (3.4)

Cm 1 = -0,6829 + 4,3296 ∙ P1 , мг/м3  при P1 ≤ 4,4  (3.5)

Cm 1 = -1,3624 + 3,8648 ∙ P1 , мг/м3  при P1 ≥ 4,4  (3.6)

5 Для продольного ветра получить отношение:

  (3.7)

6 Определить концентрацию окиси углерода в зоне механического перемешивания по формулам:

для сельской местности:  Сm 2=13,47 ∙ Р2 , мг/м3  (3.8)

для городской местности  Сm 2=4,8565 ∙ Р2 , мг/м3  (3.9)

7 По графику рис. 2 определить коэффициент эффективной высоты источника по сравнению с местностью - Кн, используя значение Н - высота дороги над уровнем рельефа, м (или глубина выемки);

8 Найти промежуточный коэффициент:

F1= Сm 1 ∙ Кн  (3.10)

F2= Сm 2 ∙ Кн  (3.11)

9 Найти коэффициент удаления (S1 и S2) расчетной точки от магистрали на расстоянии Х, выбрав нужный график на рис. 3-7.

10 Определить концентрацию окиси углерода в расчетной точке по формуле:

С′1= F1 ∙ S1 , мг/м3  (3.12)

С′2= F2 ∙ S2 , мг/м3  (3.13)

11 Определить концентрацию окиси углерода в расчетной точке с учетом фоновой по формуле:

С1= С'1 + СФ, мг/м3  (3.14)

С2= С'2 + СФ, мг/м3  (3.15)

12 Сравнить полученные по формулам (3.14) и (3.15) значения концентраций с ПДК и сделать вывод при каком ветре рассеивание загрязняющего вещества происходит эффективней.

4.4 Пример расчета

Для сельского проекта автомобильной дороги определить концентрацию окиси углерода в точках, расположенных на расстоянии от дороги 25 и 50 м, при следующих условиях:

-интенсивность движения 1000 авт/час, N;

-доля грузовых автомобилей в потоке 60%;

-ширина дороги 27,5 метра, W/;

-средняя скорость движения 60 км/час;

-дорога расположена в выемке глубиной -6 м, Н;

-значение фоновой концентрации окиси углерода 2 мг/м3, Сф;

-ПДК окиси углерода 5 мг/м3.

1 Определяем ширину зоны механического перемешивания:

= 33,5 м.

2 Рассчитываем мощность выброса:

Q = (7,33 + 0,026 ∙ 1000) ∙ 0,07 ∙ 1 ∙ 0,17 = 0,4 г/с км.

3 Определяем для поперечного ветра отношение Р1:

4 Определяем концентрацию окиси углерода в зоне механического перемешивания:

Сm 1 = 4,28 ∙ 0,023 = 0,098 мг/м3

5 Определяем отношение Р2 для продольного ветра:

Р2 = 1765,52 ∙ 0,4 ∙ (1,05 – 0,00328 ∙ 33,55) / 104 = 0,066

6 Определяем концентрацию окиси углерода в зоне механического перемешивания:

Сm 2 = 13,47 ∙ 0,066 = 0,89 мг/м3

7 По графику рис. 2 для выемки глубиной Н = - 6 м определяем коэффициент эффективной высоты источника по сравнению с местностью:

Кн=0,57

8 Находим промежуточный коэффициент:

F1 = 0,098 ∙ 0,57 = 0,056

F2 = 0,89 ∙ 0,57 = 0,51

9 Находим коэффициент удаления расчетной точки от магистрали по графику (рис. 5) при поперечном ветре и по графику (рис. 7) при продольном ветре.

При поперечном ветре:                                        При продольном ветре:

при х=25  S1=0,68                                        при х=25  S2=0,5

при х=50  S1=0,62                                        при х=50  S2= 0,23

10 Определяем концентрацию окиси углерода при продольном и поперечном ветре на расстоянии 25 и 50 м

При поперечном ветре:                                        При продольном ветре:

при х=25  С'1=0,056 ∙ 0,68 = 0,038 мг/м3                        при х=25  С'2=0,51 ∙ 0,5 = 0,26 мг/м3

при х=50  С'1=0,056 ∙ 0,62 = 0,035 мг/м3                        при х=50  С'2= 0,51 ∙ 0,23 = 0,12 мг/м3

11 Определяем концентрацию окиси углерода при продольном и поперечном ветре с учетом фоновой концентрации

При поперечном ветре:                                        При продольном ветре:

при х=25  С1=0,038 + 2 = 2,038 мг/м3                        при х=25  С2=0,26 + 2 = 2,26 мг/м3

при х=50  С1=0,035 + 2 = 2,035 мг/м3                        при х=50  С2=0,12 + 2 = 2,12 мг/м3

12 Вывод: При поперечном ветре рассеивание окиси углерода лучше, так как при продольном ветре концентрация окиси углерода в тех же расчетных точках больше. Концентрация окиси углерода при продольном и поперечном ветре в расчетных точках не превышает ПДК.

4.5 Задание и исходные данные

В соответствии со своим вариантом (таблица 4.5.1) рассчитать концентрацию окиси углерода в точках, расположенных на расстоянии 10 и 50 м от дороги.

Общие данные для всех вариантов:

-ширина дороги = 27,5м;

-ПДК окиси углерода  = 5 мг/м3;

-Сф = 2 мг/м3.

Таблица 4.5.1 – Варианты заданий

№ Варианта	Интенсивность движения, авт/час	Уклон дороги, %	Скорость потока, км/час	Высота или глубина дороги над уровнем местности, м	Среда	Доля грузового потока, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25	1000 2000 3000 4000 5000 1000 2000 3000 4000 5000 1000 2000 3000 4000 5000 1000 2000 3000 4000 5000 1000 2000 3000 4000 5000	0 10 30 50 70 0 10 30 50 70 0 10 30 50 70 0 10 30 50 70 0 10 30 50 70	20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 50 60 70 80	0 2 4 6 8 10 12 14 -2 -4 -6 -8 0 2 4 6 8 10 12 14 -2 -4 -6 -8 -10	Город Город Село Село Город Город Город Город Город Город Село Село Город Город Город Город Село Село Село Село Город Город Город Город Город	10 20 80 70 30 40 20 10 50 60 50 70 50 40 20 10 60 70 80 50 10 20 30 40 50

4.6 Требования к оформлению работы

В тетради студент должен отразить название работы, цель, номер варианта, исходные данные, расчетную часть, анализ полученных результатов, вывод, дату выполнения работы.

Студент может по своему усмотрению (для облегчения подготовки к защите выполненной работы) в отчет после пункта «Цель работы» выписать необходимые теоретические сведения.

4.7 Контрольные вопросы

1 Что является основным передвижным источником выбросов вредных веществ в атмосферу?

2 Назовите основные загрязняющие вещества, выбрасываемые при работе автомобилей.

3 Почему автомобильный транспорт относят к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха?

4 Какая зона образуется при движении автомобиля по магистрали?

5 За счет чего происходит выравнивание концентрации вредного вещества во всей зоне механического перемешивания?

6 Как распределяется концентрация вредных веществ в зоне механического перемешивания?

7 Из чего складывается величина концентрации окиси углерода?

8 Как влияет на рассеивание окиси углерода состояние атмосферы?

9 При каких атмосферных условиях величина концентрации загрязняющего вещества будет максимальной?

10 Какие условия характерны для максимально устойчивой и неустойчивой атмосферы?

Рис. 1 Схема формирования концентрации окиси углерода от автомагистрали (при поперечном ветре)

Рис. 2 Коэффициент эффективной высоты источника

Рис. 3 Коэффициент удаления при поперечном ветре 1- для дороги на уровне местности и насыпи; 2 - для дороги в выемке

Рис. 4 Коэффициент удаления при продольном ветре 1- для дороги на уровне местности и насыпи; 2 - для дороги в выемке

Рис. 5 Коэффициент удаления при поперечном ветре 1- для дороги на уровне местности и насыпи; 2 - для дороги в выемке

Рис. 6 Коэффициент удаления при продольном ветре для дороги на уровне местности и насыпи

Рис. 7 Коэффициент удаления при продольном ветре для дороги в выемке