Una chimenea de gases , también conocida como chimenea , chimenea o simplemente como chimenea , es un tipo de chimenea , tubería vertical, canal o estructura similar a través de la cual los gases producto de la combustión llamados gases de combustión se expulsan al aire exterior. Los gases de combustión se producen cuando se quema carbón, petróleo, gas natural, madera o cualquier otro combustible en un horno industrial, una caldera generadora de vapor de una central eléctrica u otro dispositivo de combustión de gran tamaño. Los gases de combustión suelen estar compuestos de dióxido de carbono (CO 2 ) y vapor de agua, así como nitrógeno y exceso de oxígeno.restante del aire de combustión de admisión. También contiene un pequeño porcentaje de contaminantes como partículas , monóxido de carbono , óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre . Las chimeneas de gases de combustión suelen ser bastante altas, de hasta 400 metros (1300 pies) o más, para dispersar los contaminantes de escape en un área mayor y, por lo tanto, reducir la concentración de contaminantes a los niveles requeridos por la política ambiental gubernamental y la regulación ambiental. .
Cuando los gases de combustión se descargan de estufas, hornos, chimeneas, hornos de calefacción y calderas, u otras fuentes pequeñas dentro de residencias, restaurantes, hoteles u otros edificios públicos y pequeñas empresas comerciales, sus chimeneas de gases de combustión se denominan chimeneas.
Historia
Las primeras chimeneas industriales se construyeron a mediados del siglo XVII cuando se comprendió por primera vez cómo podían mejorar la combustión de un horno aumentando la corriente de aire hacia la zona de combustión. [2] Como tales, jugaron un papel importante en el desarrollo de hornos de reverberación y una industria metalúrgica basada en carbón, uno de los sectores clave de la Revolución Industrial temprana . La mayoría de las chimeneas industriales del siglo XVIII (ahora comúnmente conocidas como chimeneas de gases de combustión ) se construyeron en las paredes del horno de manera muy similar a una chimenea doméstica. Las primeras chimeneas industriales independientes fueron probablemente las que se erigieron al final de los largos conductos de humos de condensación asociados con la fundición del plomo .
La poderosa asociación entre las chimeneas industriales y los característicos paisajes llenos de humo de la revolución industrial se debió a la aplicación universal de la máquina de vapor para la mayoría de los procesos de fabricación. La chimenea forma parte de una caldera generadora de vapor y su evolución está íntimamente ligada a los aumentos de potencia de la máquina de vapor. Las chimeneas de la máquina de vapor de Thomas Newcomen se incorporaron a las paredes de la sala de máquinas. Las chimeneas industriales independientes más altas que aparecieron a principios del siglo XIX estaban relacionadas con los cambios en el diseño de las calderas asociadas con los motores de "doble potencia" de James Watt , y continuaron creciendo en estatura durante el período victoriano. Los adornos decorativos son una característica de muchas chimeneas industriales de la década de 1860, con tapas de vela y ladrillos estampados.
La invención del tiro forzado asistido por ventilador a principios del siglo XX eliminó la función original de la chimenea industrial, la de introducir aire en las calderas generadoras de vapor u otros hornos. Con el reemplazo de la máquina de vapor como motor principal, primero por motores diesel y luego por motores eléctricos, las primeras chimeneas industriales comenzaron a desaparecer del panorama industrial. Los materiales de construcción cambiaron de piedra y ladrillo a acero y luego concreto reforzado, y la altura de la chimenea industrial fue determinada por la necesidad de dispersar los gases de combustión para cumplir con las regulaciones gubernamentales de control de la contaminación del aire .
Tiro de chimenea de gases de combustión
Los gases de combustión dentro de las chimeneas de gases de combustión son mucho más calientes que el aire ambiente exterior y, por lo tanto, menos densos que el aire ambiente. Eso hace que la parte inferior de la columna vertical de gas de combustión caliente tenga una presión más baja que la presión en la parte inferior de una columna correspondiente de aire exterior. Esa presión más alta fuera de la chimenea es la fuerza impulsora que mueve el aire de combustión requerido hacia la zona de combustión y también mueve los gases de combustión hacia arriba y hacia afuera de la chimenea. Ese movimiento o flujo de aire de combustión y gases de combustión se denomina "tiro natural", "ventilación natural" , "efecto chimenea" o " efecto chimenea ". Cuanto más alta sea la pila, más calado se creará.
La siguiente ecuación proporciona una aproximación de la diferencia de presión, Δ P , (entre la parte inferior y la parte superior de la chimenea de gases de combustión) que se crea por el tiro: [3] [4]
dónde:
- Δ P : diferencia de presión disponible, en Pa
- C = 0.0342
- a : presión atmosférica, en Pa
- h : altura de la chimenea de humos, en m
- T o : temperatura absoluta del aire exterior, en K
- T i : temperatura media absoluta del gas de combustión en el interior de la chimenea, en K.
La ecuación anterior es una aproximación porque supone que la masa molar del gas de combustión y el aire exterior son iguales y que la caída de presión a través de la chimenea de gases de combustión es bastante pequeña. Ambas suposiciones son bastante buenas pero no exactamente precisas.
Caudal de gases de combustión inducido por el tiro
Como aproximación de "primera conjetura", la siguiente ecuación se puede utilizar para estimar el caudal de gas de combustión inducido por el tiro de una chimenea de gas de combustión. La ecuación supone que la masa molar del gas de combustión y el aire exterior son iguales y que la resistencia por fricción y las pérdidas de calor son despreciables :. [5]
dónde:
- Q : caudal de gases de combustión, m³ / s
- A : área de la sección transversal de la chimenea, m² (asumiendo que tiene una sección transversal constante)
- C : coeficiente de descarga (generalmente se toma entre 0,65 y 0,70)
- g : aceleración gravitacional al nivel del mar = 9.807 m / s²
- H : altura de la chimenea, m
- T i : temperatura media absoluta del gas de combustión en la chimenea, K
- T o : temperatura absoluta del aire exterior, K
Además, esta ecuación solo es válida cuando la resistencia al flujo de tiro es causada por un solo orificio caracterizado por el coeficiente de descarga C. En muchas, si no en la mayoría de las situaciones, la resistencia la impone principalmente la chimenea misma. En estos casos, la resistencia es proporcional a la altura de la chimenea H. Esto provoca una cancelación de la H en la ecuación anterior que predice que Q es invariante con respecto a la altura de la chimenea.
El diseño de chimeneas y chimeneas para proporcionar la cantidad correcta de tiro natural implica una gran cantidad de factores, tales como:
- La altura y el diámetro de la pila.
- La cantidad deseada de exceso de aire de combustión necesaria para asegurar una combustión completa.
- La temperatura de los gases de combustión que salen de la zona de combustión.
- La composición de los gases de combustión, que determina la densidad de los gases de combustión.
- La resistencia a la fricción al flujo de los gases de combustión a través de la chimenea o chimenea, que variará con los materiales utilizados para construir la chimenea o chimenea.
- La pérdida de calor de los gases de combustión a medida que fluyen a través de la chimenea o chimenea.
- La presión atmosférica local del aire ambiente, que está determinada por la elevación local sobre el nivel del mar.
El cálculo de muchos de los factores de diseño anteriores requiere métodos reiterativos de prueba y error.
Las agencias gubernamentales en la mayoría de los países tienen códigos específicos que gobiernan cómo se deben realizar dichos cálculos de diseño. Muchas organizaciones no gubernamentales también tienen códigos que rigen el diseño de chimeneas y chimeneas (en particular, los códigos ASME ).
Diseño de pila
El diseño de pilas grandes plantea considerables desafíos de ingeniería. El desprendimiento de vórtices con vientos fuertes puede causar oscilaciones peligrosas en la chimenea y puede provocar su colapso. El uso de trazos helicoidales es común para evitar que este proceso ocurra en o cerca de la frecuencia de resonancia de la pila.
Otros artículos de interés
Algunos equipos industriales que queman combustible no dependen de la corriente natural. Muchos de estos equipos utilizan ventiladores o ventiladores grandes para lograr los mismos objetivos, a saber: el flujo de aire de combustión hacia la cámara de combustión y el flujo del gas de combustión caliente hacia afuera de la chimenea o chimenea.
Un gran número de centrales eléctricas están equipadas con instalaciones para la eliminación de dióxido de azufre (es decir, desulfuración de gases de combustión ), óxidos de nitrógeno (es decir, reducción catalítica selectiva , recirculación de gases de escape , eliminación térmica de NOx o quemadores bajos en NOx) y partículas (p. Ej. , precipitadores electrostáticos ). En tales centrales eléctricas, es posible utilizar una torre de enfriamiento como chimenea de gases de combustión. Se pueden ver ejemplos en Alemania en la central eléctrica Staudinger Grosskrotzenburg y en la central eléctrica de Rostock . Las centrales eléctricas sin purificación de gases de combustión experimentarían una corrosión grave en tales chimeneas.
En los Estados Unidos y varios otros países, se requieren estudios de modelos de dispersión atmosférica [6] para determinar la altura de la chimenea de gases de combustión necesaria para cumplir con las regulaciones locales de contaminación del aire . Estados Unidos también limita la altura máxima de una chimenea de gases de combustión a lo que se conoce como la altura de la chimenea de "Buenas Prácticas de Ingeniería (GEP)". [7] [8] En el caso de las chimeneas de gases de combustión existentes que exceden la altura de la chimenea de GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de la contaminación del aire para dichas pilas debe utilizar la altura de la chimenea de GEP en lugar de la altura real de la chimenea.
Ver también
- Chimenea
- Gas de combustion
- Desulfuración de gases de combustión
- Emisiones de gases de combustión por combustión de combustibles fósiles
- Incineración
- Efecto acumulativo
Referencias
- ^ Diagrama de las 25 chimeneas de gases de combustión más altas del mundo
- ^ Douet, James (1988). Subiendo en humo: la historia de la chimenea industrial , Victorian Society, Londres, Inglaterra. Informes de casos de la sociedad victoriana archivados el 25 de septiembre de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ Conferencia de ventilación natural 2 Archivado el 12 de mayo de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ Perry, RH; Green, Don W. (1984). Manual de ingenieros químicos de Perry (sexta edición (página 9-72) ed.). Compañía de libros McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
- ^ Conferencia de ventilación natural 3 Archivado el 2 de julio de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ Beychok, Milton R. (2005). Fundamentos de la dispersión de gas de chimenea (4ª ed.). publicado por el autor. ISBN 0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com
- ^ Guía para la determinación de la altura de la pila de buenas prácticas de ingeniería (documento de soporte técnico para las regulaciones de altura de la pila), revisada (1985), publicación de la EPA No. EPA-450 / 4-80-023R, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (NTIS No. PB 85 –225241)
- ^ Lawson, Jr., RE y WH Snyder (1983). Determinación de la altura de la chimenea de buenas prácticas de ingeniería: un estudio de demostración para una planta de energía , publicación de la EPA No. EPA – 600 / 3–83–024. Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (NTIS No. PB 83–207407)
enlaces externos
- El manual de fundamentos de ASHRAE está disponible aquí en ASHRAE
- Códigos y normas ASME disponibles en ASME
- Diagrama de las 25 chimeneas de gases de combustión más altas del mundo
- Señalización de chimeneas (luces de advertencia de aviones)