tema5 chimeneas

TEMA 5

DISEÑO DE CHIMENEAS

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

• Tiro de la chimenea: Diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior


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]

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]

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]

2. Circulación del gas: Tiro de la chimeneaBalance de energíaTiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia

∇∇∇∇P + ττττ ≥≥≥≥ Ec + ΣΣΣΣfAspiración

Soplante

[5.7]

• 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


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]


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

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

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)

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

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]


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


5.3. Aislantes térmicos

• Relleno suelto. • Cámara de aire, con tabiques para evitar circulación de aire por convección

3 2 1 3 2 1


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


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

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]

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


• 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]

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]


- Determinación aproximada de las condiciones de estabilidad atmosférica

Tabla 2


- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Cálculo gráfico de σy y σz

Figura 3



• 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]


• 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]

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]


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]

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)

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