Énergie et environnement

Comment les ingénieurs calculent la pollution de SmokeStacks

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Quand nous regardons le monde et examinons ses aspects polluants, nous pourrions considérer que les cheminées sont parmi les pires contrevenants. Bien que cela soit techniquement vrai, les cheminées ont également un objectif important: maintenir l'air au niveau du sol en toute sécurité et aider à gérer la pollution produite.

En repensant aux âges de la révolution préindustrielle passée, nous pourrions romancer la période. Nous pourrions imaginer des collines ondulantes, le manque de centrales au charbon, l'agriculture, l'agriculture et un esprit terre-à-terre auquel nous aspirons parfois aujourd'hui. Bien que cela puisse être vrai à certains égards, il ne faut pas oublier que c'était aussi une période avant la bonne gestion des déchets ou de la pollution atmosphérique.

À l'époque préindustrielle, chaque fois que des gens brûlaient quoi que ce soit, la fumée s'attardait près du sol. Tous les polluants, dont les gens n'étaient absolument pas conscients, s'attarderaient là où les gens respiraient. Même ce que nous considérons comme une pollution naturelle, comme les particules libérées lors de la combustion du bois pour se réchauffer ou pour cuisiner, peut être très dangereux pour le système respiratoire humain.

L'invention des cheminées

Ce n'est vraiment qu'au 12ème siècle, lorsque les cheminées ont été inventées, que les humains ont eu un moyen de gérer cette pollution et de l'éloigner de leur air respirable. Lorsque vous considérez que les maisons du passé étaient souvent éclairées par des lampes à pétrole, des feux de bois ou de tourbe, vous pouvez comprendre à quel point la pollution de l'air intérieur aurait été nocive à l'époque. Certainement pas quelque chose à romancer.

Après l'invention de la cheminée, elle a été progressivement réitérée jusque vers le 18ème siècle, lorsque la révolution industrielle a étendu l'utilisation de la cheminée aux bâtiments industriels comme les usines et les forges.

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Alors que Londres, Paris, New York du XVIIIe siècle - toutes les grandes villes de l'époque - étaient assez polluées, elles auraient en fait été beaucoup plus polluées si les installations de fabrication qu'elles abritaient n'utilisaient pas de cheminées. Les cheminées sont essentielles et nécessaires pour absorber la pollution atmosphérique et les éléments toxiques qui, autrement, se déposeraient près du sol, jusqu'à des altitudes plus élevées afin que ces polluants puissent se disperser dans l'atmosphère. Bien entendu, nous savons également que des niveaux élevés de polluants dans l'atmosphère peuvent également causer de graves problèmes, de sorte que les cheminées modernes sont également équipées de filtres et d'épurateurs.

Les cheminées garantissent que les émissions des usines sont diluées et dispersées. Ils garantissent que les produits chimiques résultants sont dispersés sur une vaste zone où la pollution liée à la combustion est présente, et ainsi, les effets négatifs sont en partie atténués dans le voisinage immédiat.

Les ingénieurs, en particulier les ingénieurs environnementaux et civils, doivent savoir calculer les émissions des cheminées pour les concevoir. Si vous avez une quantité donnée de polluants provenant d'une usine, en fonction de la géographie, de l'emplacement, de l'altitude et du type de polluant, quelle doit être la hauteur ou la largeur de la cheminée pour disperser efficacement les polluants?

Ce sont des questions auxquelles les ingénieurs doivent répondre. Avant de passer à plus de détails techniques de cette solution, examinons d'abord pourquoi la pollution de l'air est si nocive en premier lieu. En d'autres termes, pourquoi faire l'effort de construire des cheminées?

Quel risque posent les polluants atmosphériques toxiques?

La pollution de l'air est l'un des nombreux dangers invisibles de notre ère moderne. Souvent, c'est hors de vue, mais cela peut avoir des effets dangereux sur chacun d'entre nous.

Les polluants atmosphériques pénètrent principalement dans le corps par la respiration, mais certains matériaux, tels que les métaux lourds, peuvent se déposer dans l'air et être absorbés par les plantes, puis ingérés lorsque les plantes sont consommées. D'autres polluants peuvent être absorbés par la peau.

Une fois que ces polluants pénètrent dans le corps, ils peuvent se loger dans les poumons ou la circulation sanguine, pour finir par s'accumuler dans divers organes, en particulier les poumons et le foie. Ceci, à son tour, peut entraîner de graves problèmes de santé.

Une fois que les polluants atteignent une concentration suffisamment élevée dans votre corps, les effets négatifs sur la santé peuvent inclure une interférence avec les fonctions corporelles et chimiques normales. Au niveau le plus élémentaire, les polluants modifient les réactions chimiques dans les cellules individuelles, ce qui peut entraîner la mort cellulaire, une altération de la fonction cellulaire ou conduire au cancer.

Les polluants atmosphériques de cette manière peuvent causer des dommages aux organes internes, des anomalies congénitales et le cancer.

La plupart des polluants ont un certain niveau de relation dose-réponse. Dans la plupart des cas, un peu de polluant au fil du temps ne causera pas de dommages graves. Cependant, des concentrations élevées de polluants sur une courte période de temps ou des concentrations plus faibles mais plus soutenues au fil du temps peuvent causer des problèmes de santé plus graves et durables. Cependant, si vous diluez suffisamment certains polluants, la probabilité statistique qu'ils soient nocifs est réduite, même sur des périodes d'exposition prolongées.

Dans certains cas de cancer dépendant de la pollution, la relation entre l'exposition aux polluants et le risque est généralement supposée linéaire. En d'autres termes, plus vous êtes exposé à un polluant au fil du temps, plus votre risque de cancer augmente, le tout de manière linéaire avec une corrélation directe.

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En ce qui concerne les autres maladies à l'exclusion du cancer, le graphique est plus raffiné. Pour les maladies autres que le cancer, le risque a tendance à être moins élevé à des niveaux d'exposition inférieurs, mais le risque augmente de façon exponentielle lorsque vous atteignez des niveaux d'exposition moyens. La courbe de risque s'aplatit alors quelque peu lorsque l'exposition devient très élevée, ce qui suggère que le risque de dommages à des niveaux moyens et élevés est similaire.

Les scientifiques calculent généralement un risque de cancer à vie lié aux polluants en multipliant l'exposition maximale à vie d'un polluant par la relation dose-réponse. En utilisant des mathématiques qui suivent ces mêmes lignes, les ingénieurs et scientifiques de l'environnement peuvent extrapoler les risques accrus de cancer dans une population vivant à proximité d'une certaine source, par exemple une grande usine.

En général, cependant, il est important de noter que ces calculs de risque ne sont que des estimations. Les niveaux exacts de risque et les résultats de l'exposition à un polluant particulier ont tendance à n'apparaître qu'après examen des données sur la santé et la pollution en réalité.

En général, les ingénieurs et les scientifiques en cours d'évaluation des risques liés aux cheminées ou aux polluants atmosphériques incluront un facteur de sécurité dans leurs calculs.

Calcul de la pollution des cheminées

Maintenant que nous avons discuté un peu du danger des polluants atmosphériques et de la façon dont les ingénieurs pourraient subir des évaluations des risques pour chaque polluant, nous pouvons entrer dans les détails techniques de la façon dont les ingénieurs déterminent la taille d'une cheminée et son effet sur l'air ambiant.

Lorsque la fumée ou l'air sort d'une cheminée, son comportement dépend d'un nombre quelconque de variables. Ceux-ci peuvent inclure la température de la fumée par rapport à l'air, les modèles de vent, le volume, la taille, le débit, l'élévation, etc. Pour cette raison, le comportement de la fumée varie considérablement dans des conditions réelles, mais pour des raisons de simulations et de calculs, les ingénieurs ont catégorisé les panaches de cheminée, ou la fumée qui quitte la cheminée, en plusieurs types de panache différents. Des exemples de ceux-ci peuvent être vus dans l'image ci-dessous, de Benoit Cushman-Roisin, de la Thayer School of Engineering du Dartmouth College.

Ces diagrammes devraient vous donner une brève introduction à la difficulté de calculer et de mesurer la pollution d'une cheminée donnée. Je vais devoir tracer une ligne dans cet article avec une introduction de base de ce que font les cheminées au lieu d'exécuter des calculs réels des cheminées. Parce que cet article n'est pas strictement de nature académique, mais plutôt un article pour l'enseignement général. Je vais me plonger dans le processus de calcul de la cheminée et du panache et m'arrêter juste avant de faire quelque chose de très technique. Si vous voulez en savoir plus, un manuel d'ingénierie environnementale sera nécessaire.

En général, les panaches des cheminées seront gaussiens en flux, ou en d'autres termes, la concentration de fumée prendra la forme d'une courbe en cloche en coupe transversale. Comme la fumée laisse une pile d'une hauteur, h, il finira par se transformer en panache - qui est la traînée de gaz. Cette hauteur d'origine du panache, H, peut être plus haute que la hauteur de la cheminée, h, en raison de la flottabilité des polluants. Cela signifie essentiellement que la fumée montera un peu avant de devenir un panache.

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Alors que la section transversale du panache en un point donné peut prendre diverses formes, la section transversale moyenne du panache finit en fait par être proche de la forme gaussienne, c'est pourquoi les ingénieurs peuvent généralement le supposer.

Jetez un œil au diagramme ci-dessous pour avoir une petite meilleure idée des concepts que nous venons de mentionner. Vous pouvez voir clairement toutes les variables en jeu dans un seul espace.

En général, les ingénieurs seront les plus concernés par la concentration au niveau du sol du panache à une distance donnée. Par exemple, disons qu'il y avait une ville à 25 miles sur la route du panache. Les ingénieurs en environnement voudraient calculer la concentration du panache à un niveau entre le sol et une hauteur donnée, à une valeur de X = 25 miles.

En période de vent fort, les polluants de la cheminée sont dilués à des taux plus élevés, en supposant le même débit de la cheminée. Dans ce cas, les vents violents peuvent aider à diluer les polluants plus rapidement, bien que le vent puisse également provoquer des turbulences, modifiant la forme du panache et altérant les calculs.

Lors de la détermination de la concentration d'un panache au sol en un point donné, la formule peut ressembler à ceci:

Csol étant la concentration, S étant le taux d'émission, u étant la vitesse du vent en hauteur H, σy étant le coefficient de dispersion horizontale,σz étant le coefficient de dispersion verticale, y étant une distance de vent traversier, et H étant la hauteur effective de la pile.

Sans diplôme d'ingénieur, ou au moins une certaine compréhension de cette équation, vous ne voudrez probablement pas essayer les mathématiques. C'est pourquoi j'ai décidé d'arrêter cet article à un point purement introductif.

L'équation peut être utilisée et inversée pour résoudre une variable donnée, et vous pouvez calculer la hauteur dont vous avez besoin pour que votre cheminée soit basée sur une concentration approuvée de polluants atmosphériques à une distance donnée. Les mathématiques et l'ingénierie ne sont-elles pas simplement merveilleuses? C'est presque comme s'il y avait une manière empirique basée sur des données de connaître et de comprendre tout ce qui nous entoure. Ah, l'ingénierie.

Je n'ai vraiment touché que la pointe de l'iceberg dans cet article, en fournissant une équation avec quelques modèles qui soulignent la complexité de la conception et des calculs des cheminées. Je vous ai épargné les courbes de Pasquill utilisées pour déterminer les coefficients de dispersion, les profils de vitesse du vent basés sur les altitudes et une variété d'autres sous-équations nécessaires pour que tout s'équilibre.

Les ingénieurs en environnement ne se contentent pas de s'inquiéter toute la journée de la fonte des glaces, ce sont des professionnels bien formés qui travaillent pour vous protéger contre une grande variété de dangers dans le monde qui nous entoure. Bien que vous ne puissiez probablement pas calculer les équations de cheminée à ce stade, nous espérons que cet article vous a permis de comprendre les vastes complexités de même certaines des choses les plus simples qui nous entourent, même une simple cheminée.


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