SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 1 SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Masse- og energioverføring - Del 1 Helge Brattebø

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 2 Miljø- og ressursproblemene - “ressurser på avveie” Miljøteknikken skal bidra med bedre tekniske løsninger for en mer effektiv bruk av material- og energiressursene, og mindre miljøskade, i de systemer som iverksettes i samfunnet! Slik effektivitet må vurderes over hele livsløpet (vugge-til- grav) og for systemene i helhetlig forstand (unngå sub- optimalisering) Flere viktige miljøproblemer er direkte forårsaket av energibruken i samfunnet (eks. klima, forsuring, luftkvalitet) Høyt materialforbruk er ensbetydende med høyt energiforbruk En effektiv masse- og energioverføring er derfor et fornuftig forebyggende prinsipp, som sikrer en langsiktig og god miljøeffektivitet, og økonomisk effektivitet Beregninger av masse- og energioverføring i et gitt system er derfor nøkkelen til å forstå mulighetene til forbedringer Masse- og energioverføring i miljøteknikken

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 3 Eks. 1: Vannkvaliteten i Nidelva Hvordan kvantifiserer vi forurensingssituasjonen i en elv, med tilførsler, blandingsforhold og nedbrytning underveis? Bakterier Næringssalter Organisk materiale Tungmetaller etc.

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 4 Eks. 2: Sigarettrøyk i en bar Hvordan vurderer vi tiltak for å unngå plager fra sigarettrøyk i et lokale der vi vet at folk vil komme til å røyke mye? Stoff-typer Konsentrasjoner Nedbrytning Irritasjonsgrenser

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 5 Eks. 3: Støvplager i Prinsensgate Hvordan simulere svevestøv i Prinsensgate i Trondheim? Utslipp pr. bil? Trafikkmengden? Luftutskiftning pga vind? Nedbrytning?

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 6 Eks. 4: Virkningsgraden i et industrianlegg Hvordan beregner vi den samlede virkningsgraden til et industrianlegg for å bedømme om løsningen er god eller ikke? Energiutnyttelse Råstoff-utnyttelse Forurensende utslipp

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 7 Eks. 5: Isolering av yttervegger i hus Hvordan går vi frem for å vurdere hvilken isolasjon som er fornuftig i ytterveggene i et hus for å unngå stort varmetap og unødig høyt energiforbruk? Isolasjonstype og mengde Temperaturgradienter Varmetap Oppvarmingsbehov Miljøbelastning og kostnad

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 8 Termodynamikkens lover gir grunnlaget!

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 9 Åpne, lukkede og isolerte systemer Økosystemer er åpne systemer, som utveksler både masse og energi med omgivelsene Vårt økonomiske system og ulike industrielle systemer er også åpne systemer Jorden med sin atmosfære er i praksis et lukket system, som kun utveksler energi med verdensrommet

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 10 Massebalanse i et system Massebevaringsloven: Inn = Ut + Nedbrytning + Akkumulering (1.11) Konsentrasjon av stoff i systemet: C Mengde stoff i systemet = CV Stasjonære (steady state) forhold: Akkumulering = V·dC/dt = 0 Konserverende (conservative) forhold: Nedbrytning = dC/dt = 0

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 11 Et stasjonært konserverende system I et slikt system kan man rett og slett beregne blandingskonsentrasjonen ut fra de andre kjente størrelsene Forutsetter at systemet er ideelt blandet (CSTR) C s Q s + C w Q w = C m Q m = C m (Q s + Q w ) (1.13)

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 12 Et stasjonært ikke-konserverende system

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 13 Eks.1: Vannkvaliteten i Nidelva Anta kun to samle-overløp Anta stasjonære forhold som øyeblikksbilder ved gitte vannføringer Q 0, Q Ov1, Q Ov2, Q Ra, Q Fj og Q Mu og ved gitte konsentrasjoner C 0, C Ov1, C Ov2, C Ra, C Fj og C Mu Anta 60% rensing ved RA Anta ingen nedbrytning i elva

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 14 Eks. 1…. fortsatt …. Hva dersom vi har nedbrytning i systemet (i elva og i fjorden)?

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 15 Eks. 1…. med nedbrytning …. Forutsetter 1. ordens nedbrytning: I elven: K E I fjorden: K Fj Kan nå beregne videre med gitte verdier for C 0, Q Ra, Q Fj, K E og K Fj

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 16 Eks. 2: En røykfylt bar Forutsetninger: 50 røkere, 2 sigaretter pr time hver 1,4 mg formaldehyd (HCHO) pr sigarett HCHO brytes ned til CO 2 med K=0,40/t Friskluft tilførsel Q=1000 m 3 /t Anta stasjonære forhold i baren Grense for øyeirritasjoner = ca 0,05 ppm Er ventilasjonen tilstrekkelig til å hindre øyeirritasjoner?

SIB5005 BM3 - Miljøteknikk: “Masse- og energioverføring”H. Brattebø, Inst. for vassbygging, NTNU 17 Eks. 2 …. fortsatt …. Formaldehyd-konsentrasjonen er nesten dobbelt så stor som irritasjonsgrensen; dvs. doble ventilasjonskapasiteten!