Diseño de Chimeneas

TEMA 5

DISEO DE CHIMENEAS

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

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


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]

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]

2. Circulacin del gas: Tiro de la chimeneaBalance de energaTiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia

P + Ec + fAspiracin

Soplante

[5.7]

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


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]


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

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

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)

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

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]


5. Materiales de construccin

5.1. Carcasa estructural

Materiales antiguos: ladrillos. Materiales modernos: hormign o acero. Prefabricadas si h


5.3. Aislantes trmicos

Relleno suelto. Cmara de aire, con tabiques para evitar circulacin de aire por conveccin

3 2 1 3 2 1


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


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

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


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]


- Determinacin aproximada de las condiciones de estabilidad atmosfrica

Tabla 2


- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Clculo grfico de y y z

Figura 3



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]


Perfil de velocidades del viento

11z

z

zuu

=

0.30F0.30E0.25D

0.20C

0.15B0.10A

Estabilidad

Tabla 3

[5.20]

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]


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)

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