TEMA 5 DISEÑO DE CHIMENEAS

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1 TEMA 5 DISEÑO DE CHIMENEAS

2 TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS 1. Introducción 1.1. Objetivos Dilución de contaminantes y dispersión en la atmósfera C inmisión C normativa Diseño: - Altura - Diámetro - Materiales - Necesidades de impulsión 1.2. Factores que influyen en la dispersión de C i y en el diseño de la chimenea Normativa: concentraciones máximas de inmisión de C i 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

3 TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea Concepto Tiro de la chimenea: Diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior Aire (T a, ρ a ) Gas de chimenea (T g, ρ g ) P = ( ρ ρ )gh h a (N/m 2 ) g [5.1] Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares: P = ρ a 1- T T a g gh [5.2] Casos desfavorables: alta T a, baja T g

4 Balance de energía 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea Tiro natural: ha de garantizar una velocidad mínima de salida del gas P Ec + Σf [5.3] a) Energía cinética del gas: velocidad mínima establecida según altura b) Caida de presión por rozamiento: varias ecuaciones propuestas. Ecuación de Weymouth: Ec = 1 ρ V 2 g g 2 [5.4] P P = 4RT M g fg 2 L D [5.5] (G=V ρ) L: tramo recto, o L+L equivalentes en codos, etc. f: Coeficiente de rozamiento

5 Balance de energía 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea Aplicabilidad de Weymouth: -Gas ideal -Flujo isotermo o T < 10% -V gas < 35 m/s Otras expresiones para Σf: (Parker, 1983) Σf = 2ρ g fv 2 L D [5.6] L: Nuevamente tramo recto, o bien L+L equivalentes 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

6 Balance de energía 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea Tiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia P + τ Ec + Σf [5.7] Aspiración Soplante

7 TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS 3. Velocidad de salida y diámetro de la chimenea Diámetro interno: Sección = Q/V g [5.8] Velocidades mínimas de salida: Necesarias para - evitar arrastres hacia abajo, - pérdida de flotabilidad y altura efectiva - entrada de aire frío a la chimenea Altura, h (m) Hasta Mayor de 45 Velocidad (m/s) Regla sencilla: V g 1.5 V viento Diámetro externo: Depende de la estructura (apdo 4) Forma habitual: Sección circular ligeramente convergente

8 TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS 4. Temperatura del gas de chimenea 4.1. Estimación de T g Pérdidas de calor en la chimenea ESTRUCTURA Salida, T 2 Proceso, caldera, etc T Se considera flujo casi isotermo y evitar pérdidas T g = (T 1 +T 2 )/2 1. Revestimiento interno 2. Aislante térmico 3. Carcasa exterior

9 4. Temperatura del gas de chimenea 4.1. Estimación de T g Transmisión de calor a través de la pared de la chimenea T g 1 U = 1 h int + e k e k e k h ext T a Q = U A ( ) T g T a Q = m g c P ( T T ) 1 2 T g

10 4.1. Estimación de T g Datos necesarios: coeficientes h y k 4. Temperatura del gas de chimenea h =f(t), cálculo iterativo Diseño en la situación mas desfavorable (menor T a posible)

11 4. Temperatura del gas de chimenea 4.2. Influencia de T g. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea. Emisión de hollín ácido -Baja temperatura en la chimenea (baja T 1, aislamiento deficiente,...) -Azufre en los combustibles gases ácidos (SO 2 ) T g inferior al punto de rocío del ácido ( ºC) Formación de nieblas de sulfúrico Condensación de ácido en la cara interna Consecuencia Hollín ácido: aglomeración de PS con el ácido líquido. Deposición ácida sólida en las proximidades

12 4. Temperatura del gas de chimenea 4.2. Influencia de T g. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea. Pérdida de flotabilidad Flotabilidad (m 4 /s 3 ) : Tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidad Muy importante en el cálculo de la altura de una chimenea Pérdida de Tiro F P = T 1 = 2 a gr vg Tg ρ a 1- T T a g gh [5.9] [5.2] Disminución de v g y necesidad de mayor v g por descenso del tiro

13 5. Materiales de construcción 5.1. Carcasa estructural TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS Materiales antiguos: ladrillos. Materiales modernos: hormigón o acero. Prefabricadas si h<60 m. No tienen propiedad aislante Revestimiento interno Ladrillos resistentes a los ácidos - Ventajas: Resistentes y duraderos - Inconvenientes: Necesitan mortero resistente a los ácidos Fragilidad ante choques térmicos Mucha conducividad térmica Pesados Acero Planchas de 2 a 5 mm de espesor Temperatura máxima 500ºC

14 5.3. Aislantes térmicos 5. Materiales de construcción Relleno suelto. Cámara de aire, con tabiques para evitar circulación de aire por convección

15 5.3. Aislantes térmicos Ladrillos Moler. 5. Materiales de construcción Ladrillo poroso, poco denso. - Ventaja: Baja conductividad - Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace más frágil 5.4. Materiales nuevos Plásticos reforzados con vidrio Combinación 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

16 TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS 6. Cálculo de la altura de la chimenea 6.1. 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) Normativa española Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, ): 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

17 MÉTODO SIMPLIFICADO 6. Cálculo de la altura de la chimenea Requisito: T min > 188 v g h S [5.10] T min = T g T a, max Cálculo en función de la máxima concentración permitida de un contaminante: h = Am C g max θ 3 n Q T g [5.11] Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h. Parámetro climatológico A: A = 70 I C (Necesarios datos climatológicos) Ta,max + 2δ t 80 [5.12] I = + [5.13] C T ϕ ma

18 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO 1. FUNDAMENTOS DEL CÁLCULO (Resumido de Tecnología del Medio Ambiente) Dispersión de contaminantes en la atmósfera: coordenadas. Figura 1

19 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO Dispersión de contaminantes en la atmósfera: Coeficientes de dispersión - Significado de los coeficientes de dispersión σ y y σ z Figura 2 - Cálculo σ y p = a x q σ z = b x [5.14] [5.15]

20 MÉTODO RIGUROSO 6. Cálculo de la altura de la chimenea Tabla 1. Indices de las ecuaciones [5.14] y [5.15] Clase de estabilidad Valor del índice a b p q A B C D E F

21 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO - Determinación aproximada de las condiciones de estabilidad atmosférica Tabla 2

22 MÉTODO RIGUROSO 6. Cálculo de la altura de la chimenea - Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Cálculo gráfico de σ y y σ z Figura 3

23 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO Sobreelevación del penacho -Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea (figura 1) H = h + h [5.16] -Cálculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el de Briggs a) Estabilidad atmosférica: A,B,C,D: h = 1,6F 1/3 u h x f 2/3 [5.17] Donde x f =120F 0.4 si F 55 m 4 /s 3, y x f = 50F 5/8 si F 55 m 4 /s 3 b) Estabilidad atmosférica: E,F: h 1/3 F g dta = 2,4 u γ [5.18] γ = + Γ h Ta dz [5.19]

24 MÉTODO RIGUROSO 6. Cálculo de la altura de la chimenea Perfil de velocidades del viento u z = u 1 z z 1 α [5.20] Tabla 3 Estabilidad A B C D E F α

25 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO Modelo de dispersión de contaminantes Modelo Gaussiano simplificado: Modelo de Pasquill. C(x, H) = u h m πσ g y σ z exp H 2σ 2 2 z [5.21] 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.

26 6. Cálculo de la altura de la chimenea MÉTODO RIGUROSO 2. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO Ha de cumplirse que C max C permitida a lo largo de x para una altura dada Se calcula el máximo C=f(x) y se compara con la normativa dc dx H = 0 C max (x) 2 m g = e π u H h H σ z = 2 2 σ σ z y [5.22] [5.23]

27 MÉTODO RIGUROSO 6. Cálculo de la altura de la chimenea Tanteo (9), (17), (18), (19), (20) (22), (23) h u h, h, H C max, x max Si. Aumentar h C max C permitida? No Fin Consideraciones finales: -Diseño para las condiciones de alta estabilidad (situación mas desfavorable) - Dato T g fundamental para el cálculo, pero a su vez puede depender de h. (Asumir flujo prácticamente isotermo)