Wenn wir die Welt betrachten und die verschmutzungserzeugenden Aspekte untersuchen, können wir Schornsteine als einige der schlimmsten Straftäter betrachten. Während dies technisch gesehen der Fall ist, dienen Schornsteine auch einem wichtigen Zweck, die Luft in Bodennähe zu schützenzu atmen und dabei zu helfen, die verursachte Verschmutzung zu bewältigen.
Wenn wir an vergangene Zeiten der vorindustriellen Revolution zurückdenken, könnten wir die Zeit romantisieren. Wir könnten uns sanfte Hänge, den Mangel an Kohlefeuerkraftwerken, Landwirtschaft, Landwirtschaft und eine Bodenständigkeit vorstellen, die wir manchmal haben könntenSehnsucht nach heute. Obwohl es bestimmte Aspekte gibt, die zutreffen mögen, müssen wir uns daran erinnern, dass dies auch eine Zeit vor der ordnungsgemäßen Abfallbewirtschaftung oder Luftreinhaltung war.
In vorindustriellen Tagen verweilte der Rauch jedes Mal, wenn Menschen etwas verbrannten, in Bodennähe. Alle Schadstoffe, die die Menschen überhaupt nicht wahrnahmen, verweilten genau dort, wo die Menschen atmetenDie Partikel, die beim Verbrennen von Holz zum Wärmen oder Kochen freigesetzt werden, können für die menschlichen Atemwege sehr gefährlich sein.
Die Erfindung der Schornsteine
Erst im 12. Jahrhundert, als die Schornsteine erfunden wurden, hatten die Menschen die Möglichkeit, diese Verschmutzung zu bewältigen und von ihrer Atemluft wegzuleiten. Wenn man bedenkt, dass Häuser der Vergangenheit oft mit Petroleumlampen und Holz beleuchtet wurdenBei Torfbränden können Sie sich ein Bild davon machen, wie schädlich die Luftverschmutzung in Innenräumen damals gewesen wäre. Auf keinen Fall romantisierbar.
Nach der Erfindung des Schornsteins wurde dieser schrittweise wiederholt, bis etwa um das 18. Jahrhundert, als die industrielle Revolution die Nutzung des Schornsteins auf Industriegebäude wie Fabriken und Schmieden ausweitete.
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Während London, Paris, New York aus dem 18. Jahrhundert - alle großen Städte der Zeit - ziemlich verschmutzt waren, wären sie tatsächlich weitaus stärker verschmutzt gewesen, wenn in den von ihnen gehosteten Produktionsstätten keine Schornsteine verwendet worden wären. Schornsteine waren wesentlich und notwendig fürNehmen wir Luftverschmutzung und giftige Elemente, die sich sonst in Bodennähe ansiedeln würden, bis in höhere Lagen, damit sich diese Schadstoffe in der Atmosphäre verteilen können. Natürlich wissen wir jetzt auch, dass ein hoher Schadstoffgehalt in der Atmosphäre auch ernsthafte Probleme verursachen kann, die so modern sindSchornsteine sind auch mit Filtern und Gaswäschern ausgestattet.
Schornsteine sorgen dafür, dass die Fabrikemissionen verdünnt und verteilt werden. Sie sorgen dafür, dass die entstehenden Chemikalien über einen weiten Bereich verteilt werden, in dem verbrennungsbedingte Verschmutzungen vorhanden sind, und somit werden die negativen Auswirkungen in unmittelbarer Nähe teilweise gemindert.
Ingenieure, insbesondere Umwelt- und Bauingenieure, müssen wissen, wie Schornsteinemissionen zu berechnen sind, um sie zu entwerfen. Wenn Sie eine bestimmte Menge an Schadstoffen aus einer Anlage haben, basierend auf Geografie, Standort, Höhe und Art des Schadstoffs,Wie hoch oder breit muss der Schornstein sein, um die Schadstoffe effektiv zu verteilen?
Das sind Fragen Ingenieure müssen antworten. Bevor wir uns mit den technischen Details dieser Lösung befassen, wollen wir zunächst untersuchen, warum Luftverschmutzung überhaupt so schädlich ist. Mit anderen Worten, warum sollten wir uns bemühen, Schornsteine zu bauen?
Welches Risiko stellen giftige Luftschadstoffe dar?
Luftverschmutzung ist eine der vielen unsichtbaren Gefahren unserer modernen Zeit. Oft ist sie außer Sichtweite, kann aber gefährliche Auswirkungen auf jeden einzelnen von uns haben.
Luftschadstoffe gelangen hauptsächlich über die Atmung in den Körper. Einige Materialien wie Schwermetalle können sich jedoch aus der Luft absetzen und von Pflanzen aufgenommen und beim Verzehr der Pflanzen aufgenommen werden. Andere Schadstoffe können über die Haut aufgenommen werden.
Sobald diese Schadstoffe in den Körper gelangen, können sie sich in der Lunge oder im Blutkreislauf festsetzen und sich schließlich in verschiedenen Organen, insbesondere in Lunge und Leber, ansammeln. Dies kann wiederum zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen.
Sobald die Schadstoffe eine ausreichend hohe Konzentration in Ihrem Körper erreicht haben, wird die negative gesundheitliche Auswirkungen kann Störungen der normalen körperlichen und chemischen Funktionen beinhalten. Auf der grundlegendsten Ebene verändern die Schadstoffe die chemischen Reaktionen in einzelnen Zellen, die zum Zelltod, zur Beeinträchtigung der Zellfunktion oder zu Krebs führen können.
Luftschadstoffe auf diese Weise können innere Organe, Geburtsfehler und Krebs schädigen.
Die meisten Schadstoffe haben ein gewisses Maß an Dosis-Wirkungs-Beziehung. In den meisten Fällen verursacht ein wenig Schadstoff im Laufe der Zeit keine ernsthaften Schäden. Hohe Schadstoffkonzentrationen über einen kurzen Zeitraum oder niedrigere, aber nachhaltigereKonzentrationen im Laufe der Zeit können schwerwiegendere und länger anhaltende Gesundheitsprobleme verursachen. Wenn Sie jedoch einige Schadstoffe ausreichend verdünnen, verringert sich die statistische Wahrscheinlichkeit, dass sie schädlich sind, auch über längere Expositionszeiten.
In einigen Fällen von verschmutzungsabhängigem Krebs kann die Verhältnis der Schadstoffexposition Das Risiko wird im Allgemeinen als linear angenommen. Mit anderen Worten, je mehr Sie im Laufe der Zeit einem Schadstoff ausgesetzt sind, desto höher steigt Ihr Krebsrisiko, alles linear mit einer direkten Korrelation.
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Wenn es um andere Krankheiten ohne Krebs geht, ist die Grafik verfeinert. Bei anderen Krankheiten als Krebs besteht bei geringerer Exposition tendenziell ein geringeres Risiko, bei mittlerer Exposition steigt das Risiko jedoch exponentiell anDie Risikokurve wird dann etwas flacher, wenn die Exposition sehr hoch wird, was darauf hindeutet, dass das Risiko einer Schädigung bei mittleren und hohen Werten ähnlich ist.
Wissenschaftler berechnen im Allgemeinen ein lebenslanges Krebsrisiko aus Schadstoffen, indem sie die maximale lebenslange Exposition eines Schadstoffs mit der Dosis-Wirkungs-Beziehung multiplizieren. Mithilfe von Mathematik, die in diesem Sinne verläuft, können Umweltingenieure und Wissenschaftler das erhöhte Krebsrisiko in einer lebenden Bevölkerung extrapolierenin der Nähe einer bestimmten Quelle, sagen wir eine große Fabrik.
Im Allgemeinen ist es jedoch wichtig zu beachten, dass es sich bei diesen Risikoberechnungen nur um Schätzungen handelt. Das genaue Risiko und das genaue Ergebnis der Exposition gegenüber einem bestimmten Schadstoff werden in der Regel erst bekannt, nachdem die Daten zu Gesundheit und Umweltverschmutzung tatsächlich untersucht wurden.
Im Allgemeinen beziehen Ingenieure und Wissenschaftler, die Risikobewertungen für Schornsteine oder Luftschadstoffe durchführen, einen Sicherheitsfaktor in ihre Berechnungen ein.
Berechnung der Schornsteinverschmutzung
Nachdem wir nun ein wenig über die Gefahr von Luftschadstoffen und darüber gesprochen haben, wie Ingenieure Risikobewertungen für jeden Schadstoff durchführen können, können wir uns mit den technischen Details befassen, wie Ingenieure bestimmen, wie groß ein Schornstein sein muss und welche Auswirkungen er haben würdeauf die Umgebungsluft.
Wenn Rauch oder Luft aus einem Schornstein austritt, hängt sein Verhalten von jedem ab. Anzahl der Variablen . Dies können die Temperatur des Rauches im Verhältnis zur Luft, Windmuster, Volumen, Größe, Durchflussrate, Höhe und mehr sein. Aus diesem Grund variiert das tatsächliche Verhalten von Rauch unter realen Bedingungen dramatisch, jedoch für dieAus Gründen von Simulationen und Berechnungen haben die Ingenieure die Schornsteinfahnen oder den Rauch, der den Stapel verlässt, in verschiedene Fahnenarten eingeteilt. Beispiele hierfür finden Sie in der Abbildung unten von Benoit Cushman-Roisin von der Thayer School of Engineering am Dartmouth College.
Diese Diagramme sollen Ihnen eine kurze Einführung geben, wie schwierig es ist, die Verschmutzung durch einen bestimmten Schornstein zu berechnen und zu messen. Ich werde in diesem Artikel eine Linie mit einer grundlegenden Einführung dessen ziehen müssen, was Schornsteine tun, anstatt zu laufenTatsächliche Berechnungen von Schornsteinen. Weil dieser Artikel nicht rein akademischer Natur ist, sondern eher für die allgemeine Bildung. Ich werde mich mit dem Prozess der Schornstein- und Federberechnungen befassen und kurz vor dem Ausführen von hochtechnischen Maßnahmen aufhören. Wenn Sie möchtenUm mehr zu erfahren, ist ein Lehrbuch für Umwelttechnik erforderlich.
Im Allgemeinen fließen Fahnen aus Schornsteinen nach Gauß, oder mit anderen Worten, die Rauchkonzentration nimmt im Querschnitt die Form einer Glockenkurve an. Wenn Rauch einen Stapel mit einer Höhe verlässt. h , es wird sich schließlich in eine Wolke verwandeln - das ist die Spur des Gases. Diese Wolkenherkunftshöhe, H kann höher als die Schornsteinhöhe sein, h aufgrund des Auftriebs der Schadstoffe. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass der Rauch ein wenig vor ihm aufsteigt wird zur Wolke.
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Während der Querschnitt der Wolke an einem bestimmten Punkt eine Vielzahl von Formen annehmen kann, hat der durchschnittliche Querschnitt der Wolke tatsächlich eine ähnliche Form wie Gauß, weshalb Ingenieure dies im Allgemeinen annehmen können.
Sehen Sie sich das folgende Diagramm an, um eine bessere Vorstellung von den gerade erwähnten Konzepten zu erhalten. Sie können alle im Spiel befindlichen Variablen klar in einem Raum sehen.
Im Allgemeinen sind Ingenieure am meisten mit der Konzentration des Bodens von der Wolke in einer bestimmten Entfernung befasst. Angenommen, es gab eine Stadt 25 Meilen von der Wolke entfernt. Umweltingenieure möchten die Konzentration der Wolke berechnenWolke auf einer Höhe zwischen dem Boden und einer bestimmten Höhe mit einem Wert von x = 25 Meilen.
In Zeiten starken Windes werden die Schadstoffe aus dem Schornstein mit höheren Raten verdünnt, wobei die gleiche Durchflussrate aus dem Stapel angenommen wird. In diesem Fall können starke Winde dazu beitragen, die Schadstoffe schneller zu verdünnen, obwohl Wind auch Turbulenzen verursachen und die Wolke verändern kannForm und Änderung der Berechnungen.
Bei der Bestimmung der Konzentration einer Wolke am Boden an einem bestimmten Punkt könnte die Formel ungefähr so aussehen :
C Boden als Konzentration S als Emissionsrate u ist die Windgeschwindigkeit in der Höhe H wobei σy der horizontale Dispersionskoeffizient ist, σz als vertikaler Dispersionskoeffizient y Seitenwindentfernung und H ist die effektive Stapelhöhe.
Ohne einen Ingenieurabschluss oder zumindest ein gewisses Verständnis dieser Gleichung möchten Sie wahrscheinlich nicht die Mathematik ausprobieren. Deshalb habe ich beschlossen, diesen Artikel an einem rein einleitenden Punkt zu beenden.
Die Gleichung kann neu erstellt und umgeschaltet werden, um nach einer bestimmten Variablen zu suchen, und Sie können anhand einer zugelassenen Konzentration von Luftschadstoffen in einer bestimmten Entfernung berechnen, in welcher Höhe Ihr Schornstein benötigt wird. Ist Mathematik und Technik nicht einfach wunderbar?"Es ist fast so, als gäbe es eine empirische datengesteuerte Möglichkeit, alles um uns herum zu wissen und zu verstehen. Ah, Technik.
Ich habe in diesem Beitrag wirklich nur die Spitze des Eisbergs getroffen und eine Gleichung mit einigen Modellen bereitgestellt, die die Komplexität des Schornsteindesigns und der Berechnungen unterstreichen. Ich habe Sie von Pasquill-Kurven verschont, die zur Bestimmung der Dispersionskoeffizienten verwendet wurdenWindgeschwindigkeitsprofile basierend auf Höhen und aus einer Vielzahl anderer Teilgleichungen, die erforderlich sind, um alles auszugleichen.
Umweltingenieure sitzen nicht nur den ganzen Tag herum und sorgen sich um das Schmelzen des Eises, sondern sind auch gut ausgebildete Fachkräfte, die Sie vor einer Vielzahl von Gefahren in der Welt um uns herum schützen. Während Sie den Schornstein wahrscheinlich nicht berechnen könnenGleichungen an diesem Punkt, hoffentlich hat dieser Beitrag Sie dazu gebracht, die enorme Komplexität selbst einiger der einfachsten Dinge um uns herum zu verstehen, sogar eines einfachen Schornsteins.