diseño de chimeneas
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TEMA 5
DISEO DE CHIMENEAS
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1. Introduccin1.1. Objetivos
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
Dilucin de contaminantes y dispersin en la atmsfera
Cinmisin Cnormativa Diseo:
- Altura- Dimetro- Materiales- Necesidades de impulsin
1.2. Factores que influyen en la dispersin de Ci y en el diseo de la chimenea
Normativa: concentraciones mximas de inmisin de Ci Factores meteorolgicos y topogrficos Caractersticas qumicas de los gases Caudales de emisin Fluidodinmica de la circulacin del gas: prdida de carga Temperatura del gas de chimenea
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Tiro de la chimenea: Diferencial de presin creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimeneaConcepto
h
Aire (Ta , a)
Gas de chimenea (Tg , g) ( )ghP ga =(N/m2)
Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares:
ghTT
-1Pg
aa
= Casos desfavorables: alta Ta, baja Tg
[5.1]
[5.2]
-
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energa
Tiro natural: ha de garantizar una velocidad mnima de salida del gas
P Ec + f
a) Energa cintica del gas: velocidad mnima establecida segn altura
b) Caida de presin por rozamiento: varias ecuaciones propuestas.
Ecuacin de Weymouth:
2ggV2
1Ec =
DLfG
M4RT
PP 2g222
1 =
(G=V)L: tramo recto, o L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento
[5.3]
[5.4]
[5.5]
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2. Circulacin del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energa
Aplicabilidad de Weymouth:-Gas ideal-Flujo isotermo o T < 10%-Vgas < 35 m/s
Otras expresiones para f:(Parker, 1983)
DLfV2f 2g=
L: Nuevamente tramo recto, o bien L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento. Datos en tabla siguiente
Bibliografa (Parker, 1983): Mas informacin complementaria para prdidas en codos y accidentes de la conduccin
[5.6]
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2. Circulacin del gas: Tiro de la chimeneaBalance de energaTiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia
P + Ec + fAspiracin
Soplante
[5.7]
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Dimetro interno:Seccin = Q/Vg
Velocidades mnimas de salida: Necesarias para
- evitar arrastres hacia abajo, - prdida de flotabilidad y altura efectiva - entrada de aire fro a la chimenea
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
3. Velocidad de salida y dimetro de la chimenea
12Mayor de 45920 - 45
6Hasta 20 Velocidad (m/s)Altura, h (m)
Regla sencilla: Vg 1.5 Vviento
Dimetro externo: Depende de la estructura (apdo 4)
Forma habitual: Seccin circular ligeramente convergente
[5.8]
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TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimacin de Tg
Prdidas de calor en la chimenea
Salida, T2
Proceso, caldera, etc
T1
ESTRUCTURA
1 23
1. Revestimiento interno2. Aislante trmico3. Carcasa exterior
Se considera flujo casi isotermo y evitar prdidas
Tg = (T1+T2)/2
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4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimacin de Tg
Transmisin de calor a travs de la pared de la chimenea
ext3
3
2
2
1
1
int h1
ke
ke
ke
h1
U1
++++=
Tg
Ta ( )ag TTUAQ =( )21Pg TTcmQ =
Tg
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4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimacin de Tg Datos necesarios: coeficientes h y k
h =f(T), clculo iterativo Diseo en la situacin 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.
Emisin de holln cido
-Baja temperatura en la chimenea (baja T1, aislamiento deficiente,...)-Azufre en los combustibles gases cidos (SO2)
Tg inferior al punto de roco del cido (130 160C)
Formacin de nieblas de sulfricoCondensacin de cido en la cara interna
Holln cido: aglomeracin de PS con el cido lquido. Deposicin cida slida 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.
Prdida de flotabilidad
=
g
ag
2
TT1vgrF
Flotabilidad (m4/s3) : Tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidadMuy importante en el clculo de la altura de una chimenea
Prdida de Tiro
ghTT
-1Pg
aa
=
Disminucin de vg y necesidad de mayor vg por descenso del tiro
[5.9]
[5.2]
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TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
5. Materiales de construccin
5.1. Carcasa estructural
Materiales antiguos: ladrillos. Materiales modernos: hormign o acero. Prefabricadas si h
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5. Materiales de construccin
5.3. Aislantes trmicos
Relleno suelto. Cmara de aire, con tabiques para evitar circulacin de aire por conveccin
3 2 1 3 2 1
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5. Materiales de construccin
5.3. Aislantes trmicos
Ladrillos Moler.
Ladrillo poroso, poco denso.- Ventaja: Baja conductividad- Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace ms frgil
5.4. Materiales nuevos
Plsticos reforzados con vidrioCombinacin de resina de poliester con fibra de vidrio o fibra de carbn
- Sirven de carcasa para chimeneas no muy altas- Aguantan hasta 250C- Alta resistencia qumica
Tendencias futuras: materiales diseados para cada caso particular
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TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
6. Clculo de la altura de la chimenea6.1. Requerimientos de la EPA
Directrices adoptadas en aos 80:
- Mnimo 65 m- Considerando edificios adyacentes: h = 2.5z.
Posteriormente se cambi a h=z+1.5L
- La que resulte de aplicacin de un modelo de dispersin (clculo riguroso).
6.2. Normativa espaola
Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, 3-12-76):
Establece la obligatoriedad de incluir clculo de la altura de la chimenea en un proyecto
a) Mtodo SIMPLIFICADO (instalaciones inferiores a 100 MW de potencia, o con emisiones de gas < 720 kg/h o de PS
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6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO SIMPLIFICADO
Requisito:
Shv
188T gmin > Tmin = Tg Ta, max
Clculo en funcin de la mxima concentracin permitida de un contaminante:
3gmax
g
TQn
CAm
h =
Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h.
Parmetro climatolgico A:
CI70A = +
+=
80T
2TI
ma
tmaxa,C
(Necesarios datos climatolgicos)
[5.10]
[5.11]
[5.12] [5.13]
-
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
1. FUNDAMENTOS DEL CLCULO (Resumido de Tecnologa del Medio Ambiente)
Dispersin de contaminantes en la atmsfera: coordenadas.
Figura 1
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6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Dispersin de contaminantes en la atmsfera: Coeficientes de dispersin
- Significado de los coeficientes de dispersin y y z
- Clculo
py xa = q
z xb =
Figura 2
[5.14] [5.15]
-
0.710.060.710.31F0.740.160.740.31E0.780.220.780.32D0.860.300.860.36C0.860.330.860.36B0.910.410.910.40A
qpba
ndiceValor delClase de estabilidad
Tabla 1. Indices de las ecuaciones [5.14] y [5.15]
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
-
- Determinacin aproximada de las condiciones de estabilidad atmosfrica
Tabla 2
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
-
- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Clculo grfico de y y z
Figura 3
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
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6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Sobreelevacin del penacho
-Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea (figura 1)
H = h + h
-Clculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el de Briggs
a) Estabilidad atmosfrica: A,B,C,D:
h
2/3f
1/3
u
x1,6Fh =
Donde xf =120F0.4 si F55 m4/s3, y xf = 50F5/8 si F55 m4/s3
b) Estabilidad atmosfrica: E,F:
1/3
h u
F2,4h
=
+=
dzdT
Tg
a
a
[5.16]
[5.17]
[5.18] [5.19]
-
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Perfil de velocidades del viento
11z
z
zuu
=
0.30F0.30E0.25D
0.20C
0.15B0.10A
Estabilidad
Tabla 3
[5.20]
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MTODO RIGUROSO
Modelo de dispersin de contaminantes
Modelo Gaussiano simplificado: Modelo de Pasquill.
6. Clculo de la altura de la chimenea
pi=
z2
2
zyh
g
2H
expu
mH)C(x,
Simplificaciones introducidas sobre el modelo de dispersin inicial:
-Perfil de concentracion en la direccin del viento y a nivel del suelo (y=0, z=0)-No se tiene en cuenta el efecto de la topografa: suelo plano.
[5.21]
-
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
2. PROCEDIMIENTO DEL CLCULO
Ha de cumplirse que CmaxCpermitida a lo largo de x para una altura dada
0dxdC
H
=
Se calcula el mximo C=f(x) y se compara con la normativa
y
z
2h
gmax
Huem2(x)C
=
2H
z =
[5.22]
[5.23]
-
MTODO RIGUROSO
Tanteo
6. Clculo de la altura de la chimenea
h uh, h, H Cmax, xmax
CmaxCpermitida?Si.Aumentar h
No
Fin
(9), (17), (18), (19), (20) (22), (23)
Consideraciones finales:-Diseo para las condiciones de alta estabilidad (situacin mas desfavorable)- Dato Tg fundamental para el clculo, pero a su vez puede depender de h.
(Asumir flujo prcticamente isotermo)