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TEMA 5
DISEÑO DE CHIMENEAS
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1. Introducción1.1. Objetivos
TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
• Dilución de contaminantes y dispersión en la atmósfera
Cinmisión ≤ Cnormativa• Diseño:
- Altura- Diámetro- Materiales- Necesidades de impulsión
1.2. Factores que influyen en la dispersión de Ci y en el diseño de la chimenea
• Normativa: concentraciones máximas de inmisión de Ci• Factores meteorológicos y topográficos• Características químicas de los gases• Caudales de emisión• Fluidodinámica de la circulación del gas: pérdida de carga• Temperatura del gas de chimenea
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• Tiro de la chimenea: Diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior
TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
2. Circulación del gas: Tiro de la chimeneaConcepto
h
Aire (T a , ρρρρa)
Gas de chimenea (Tg , ρρρρg) ( )ghρρP ga −=∇(N/m2)
• Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares:
ghT
T-1ρP
g
aa
=∇ Casos desfavorables: alta Ta, baja Tg
[5.1]
[5.2]
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2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energía
Tiro natural: ha de garantizar una velocidad mínima de salida del gas
∇∇∇∇P ≥≥≥≥ Ec + ΣΣΣΣf
a) Energía cinética del gas: velocidad mínima establecida según altura
b) Caida de presión por rozamiento: varias ecuaciones propuestas.
Ecuación de Weymouth:
2ggVρ
2
1Ec =
D
LfG
M
4RTPP 2g2
22
1 =−
(G=V·ρ)L: tramo recto, o L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento
[5.3]
[5.4]
[5.5]
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2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energía
Aplicabilidad de Weymouth:-Gas ideal-Flujo isotermo o ∇T < 10%-Vgas < 35 m/s
Otras expresiones para Σf:(Parker, 1983)
D
LfV2ρΣf 2
g=
L: Nuevamente tramo recto, o bien L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento. Datos en tabla siguiente
Bibliografía (Parker, 1983): Mas información complementaria para pérdidas en codos y accidentes de la conducción
[5.6]
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2. Circulación del gas: Tiro de la chimeneaBalance de energíaTiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia
∇∇∇∇P + ττττ ≥≥≥≥ Ec + ΣΣΣΣfAspiración
Soplante
[5.7]
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• Diámetro interno:Sección = Q/Vg
Velocidades mínimas de salida: Necesarias para
- evitar arrastres hacia abajo, - pérdida de flotabilidad y altura efectiva - entrada de aire frío a la chimenea
TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
3. Velocidad de salida y diámetro de la chimenea
12Mayor de 45
920 - 45
6Hasta 20
Velocidad (m/s)Altura, h (m)
Regla sencilla: Vg ≥ 1.5 Vviento
• Diámetro externo: Depende de la estructura (apdo 4)
• Forma habitual: Sección circular ligeramente convergente
[5.8]
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TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimación de Tg
Pérdidas de calor en la chimenea
Salida, T2
Proceso, caldera, etc
T1
ESTRUCTURA
12
3
1. Revestimiento interno2. Aislante térmico3. Carcasa exterior
• Se considera flujo casi isotermo y evitar pérdidas
Tg = (T1+T2)/2
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4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimación de Tg
• Transmisión de calor a través de la pared de la chimenea
ext3
3
2
2
1
1
int h
1
k
e
k
e
k
e
h
1
U
1 ++++=Tg
Ta ( )ag TTU·A·Q −=
( )21Pg TTcmQ −=
Tg
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4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimación de Tg• Datos necesarios: coeficientes h y k
• h =f(T), cálculo iterativo• Diseño en la situación mas desfavorable (menor Ta posible)
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4. Temperatura del gas de chimenea4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
• Emisión de hollín ácido
-Baja temperatura en la chimenea (baja T1, aislamiento deficiente,...)-Azufre en los combustibles� gases ácidos (SO2)
Tg inferior al punto de rocío del ácido (130 – 160ºC)
Formación de nieblas de sulfúricoCondensación de ácido en la cara interna
Hollín ácido: aglomeración de PS con el ácido líquido. Deposición ácida sólida en las proximidades
Consecuencia
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4. Temperatura del gas de chimenea4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
• Pérdida de flotabilidad
−=
g
ag
2
T
T1vgrF
Flotabilidad (m4/s3) : Tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidadMuy importante en el cálculo de la altura de una chimenea
• Pérdida de Tiro
ghT
T-1ρP
g
aa
=∇
• Disminución de vg y necesidad de mayor vg por descenso del tiro
[5.9]
[5.2]
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TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
5. Materiales de construcción
5.1. Carcasa estructural
• Materiales antiguos: ladrillos.• Materiales modernos: hormigón o acero. Prefabricadas si h<60 m.
• No tienen propiedad aislante.
5.2. Revestimiento interno
• Ladrillos resistentes a los ácidos
- Ventajas: Resistentes y duraderos- Inconvenientes: Necesitan mortero resistente a los ácidos
Fragilidad ante choques térmicosMucha conducividad térmicaPesados
• AceroPlanchas de 2 a 5 mm de espesorTemperatura máxima 500ºC
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5. Materiales de construcción
5.3. Aislantes térmicos
• Relleno suelto. • Cámara de aire, con tabiques para evitar circulación de aire por convección
3 2 1 3 2 1
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5. Materiales de construcción
5.3. Aislantes térmicos
• Ladrillos Moler.
Ladrillo poroso, poco denso.- Ventaja: Baja conductividad- Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace más frágil
5.4. Materiales nuevos
• Plásticos reforzados con vidrioCombinación de resina de poliester con fibra de vidrio o fibra de carbón
- Sirven de carcasa para chimeneas no muy altas- Aguantan hasta 250ºC- Alta resistencia química
• Tendencias futuras: materiales diseñados para cada caso particular
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TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
6. Cálculo de la altura de la chimenea6.1. Requerimientos de la EPA
• Directrices adoptadas en años ’80:
- Mínimo 65 m- Considerando edificios adyacentes: h = 2.5·z.
Posteriormente se cambió a h=z+1.5·L
- La que resulte de aplicación de un modelo de dispersión (cálculo riguroso).
6.2. Normativa española
•Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, 3-12-76):
Establece la obligatoriedad de incluir cálculo de la altura de la chimenea en un proyecto
a) Método SIMPLIFICADO (instalaciones inferiores a 100 MW de potencia, o con emisiones de gas < 720 kg/h o de PS<100 kg/h)b) Método RIGUROSO basado en modelos de dispersión
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO SIMPLIFICADO
• Requisito:
Sh
v188∆T g
min > ∆Tmin = Tg – Ta, max
• Cálculo en función de la máxima concentración permitida de un contaminante:
3
gmax
g
∆TQ
n
C
θAmh =
• Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h.
• Parámetro climatológico A:
CI70A ⋅=ϕ
++
= 80
T
2δ∆TI
ma
tmaxa,C
(Necesarios datos climatológicos)
[5.10]
[5.11]
[5.12] [5.13]
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
1. FUNDAMENTOS DEL CÁLCULO (Resumido de Tecnología del Medio Ambiente)
• Dispersión de contaminantes en la atmósfera: coordenadas.
Figura 1
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
• Dispersión de contaminantes en la atmósfera: Coeficientes de dispersión
- Significado de los coeficientes de dispersión σy y σz
- Cálculo
py xaσ ⋅= q
z xbσ ⋅=
Figura 2
[5.14] [5.15]
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0.710.060.710.31F
0.740.160.740.31E
0.780.220.780.32D
0.860.300.860.36C
0.860.330.860.36B
0.910.410.910.40A
qpba
índiceValor delClase de estabilidad
Tabla 1. Indices de las ecuaciones [5.14] y [5.15]
6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
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- Determinación aproximada de las condiciones de estabilidad atmosférica
Tabla 2
6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
![Page 22: tema5-chimeneas](https://reader033.fdocumento.com/reader033/viewer/2022060112/5571f7b249795991698bd169/html5/thumbnails/22.jpg)
- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Cálculo gráfico de σy y σz
Figura 3
6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
• Sobreelevación del penacho
-Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea (figura 1)
H = h + ∆∆∆∆h
-Cálculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el de Briggs
a) Estabilidad atmosférica: A,B,C,D:
h
2/3f
1/3
u
x1,6Fh =∆
Donde xf =120F0.4 si F≥55 m4/s3, y xf = 50F5/8 si F≤55 m4/s3
b) Estabilidad atmosférica: E,F:
1/3
hγu
F2,4∆h
=
+= Γdz
dT
T
gγ a
a
[5.16]
[5.17]
[5.18] [5.19]
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
• Perfil de velocidades del viento
α
11z z
zuu
=
0.30F
0.30E
0.25D
0.20C
0.15B
0.10A
ααααEstabilidad
Tabla 3
[5.20]
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MÉTODO RIGUROSO
• Modelo de dispersión de contaminantes
Modelo Gaussiano simplificado: Modelo de Pasquill.
6. Cálculo de la altura de la chimenea
σ−
σπσ=
z2
2
zyh
g
2
Hexp
u
mH)C(x,
Simplificaciones introducidas sobre el modelo de dispersión inicial:
-Perfil de concentracion en la dirección del viento y a nivel del suelo (y=0, z=0)-No se tiene en cuenta el efecto de la topografía: suelo plano.
[5.21]
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6. Cálculo de la altura de la chimeneaMÉTODO RIGUROSO
2. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO
Ha de cumplirse que Cmax≤Cpermitida a lo largo de x para una altura dada
0dx
dC
H
=
Se calcula el máximo C=f(x) y se compara con la normativa
y
z2
h
gmax
σ
σ
Huπe
m2(x)C
⋅⋅⋅⋅
=
2
Hσ z =
[5.22]
[5.23]
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MÉTODO RIGUROSO
• Tanteo
6. Cálculo de la altura de la chimenea
h uh, ∆∆∆∆h, H Cmax, xmax
Cmax≥≥≥≥Cpermitida?Si.Aumentar h
No
Fin
(9), (17), (18), (19), (20) (22), (23)
• Consideraciones finales:-Diseño para las condiciones de alta estabilidad (situación mas desfavorable)- Dato Tg fundamental para el cálculo, pero a su vez puede depender de h.
(Asumir flujo prácticamente isotermo)