Una chimenea de gases de combustión , también conocida como chimenea , chimenea o simplemente chimenea , es un tipo de chimenea , una 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, la caldera generadora de vapor de una planta de energía 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 de nitrógeno y el exceso de oxígeno que queda del aire de combustión de admisión. También contiene un pequeño porcentaje de contaminantes como partículas en suspensión , monóxido de carbono , óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre . Las chimeneas de gases de combustión suelen ser bastante altas, hasta 420 metros (1380 pies), para aumentar el efecto de chimenea y la dispersión de contaminantes.
Cuando los gases de combustión provienen de estufas, hornos, chimeneas, hornos y calderas de calefacción, 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.
Las primeras chimeneas industriales se construyeron a mediados del siglo XVII, cuando se entendió por primera vez cómo podían mejorar la combustión de un horno aumentando la entrada de aire en la zona de combustión. [2] Como tales, desempeñaron un papel importante en el desarrollo de los hornos de reverbero y una industria metalúrgica basada en el 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 forma muy parecida a una chimenea doméstica. Las primeras chimeneas industriales independientes fueron probablemente las que se erigieron al final de los largos conductos de condensación asociados con la fundición de plomo .
La poderosa asociación entre las chimeneas industriales y los paisajes llenos de humo característicos 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 más altas e independientes que aparecieron a principios del siglo XIX estaban relacionadas con los cambios en el diseño de las calderas asociados con los motores de "doble potencia" de James Watt , y continuaron creciendo en estatura durante todo el período victoriano. Los adornos decorativos son una característica de muchas chimeneas industriales de la década de 1860, con tapas superiores 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 aspirar aire hacia las calderas generadoras de vapor u otros hornos. Con la sustitución de la máquina de vapor como motor principal, primero por motores diésel y luego por motores eléctricos, las primeras chimeneas industriales comenzaron a desaparecer del panorama industrial. Los materiales de construcción cambiaron de piedra y ladrillo al acero y más tarde al hormigón armado, y la altura de la chimenea industrial estuvo determinada por la necesidad de dispersar los gases de combustión para cumplir con las regulaciones gubernamentales de control de la contaminación del aire .
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. Esto hace que el fondo de la columna vertical de gases de combustión calientes tenga una presión más baja que la presión en el fondo de la 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 fuera 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 es la pila, más borrador se crea.
La siguiente ecuación proporciona una aproximación de la diferencia de presión, Δ P , (entre la parte inferior y la superior de la chimenea de gases de combustión) que se crea por el tiro: [3] [4]
dónde:
La ecuación anterior es una aproximación porque supone que la masa molar de los gases de combustión y la del 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 exactas.
Como aproximación de "primera suposición", se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el caudal de gases de combustión inducido por el tiro de una chimenea de gases de combustión. La ecuación supone que la masa molar de los gases de combustión y la del aire exterior son iguales y que la resistencia por fricción y las pérdidas de calor son despreciables:. [5]
dónde:
Además, esta ecuación sólo es válida cuando la resistencia al flujo de tiro es causada por un único orificio caracterizado por el coeficiente de descarga C. En muchas, si no en la mayoría de las situaciones, la resistencia la impone principalmente la propia chimenea. En estos casos, la resistencia es proporcional a la altura de la chimenea H. Esto provoca una cancelación de H en la ecuación anterior que predice que Q será invariante con respecto a la altura del conducto de humos.
El diseño de chimeneas y chimeneas para proporcionar la cantidad correcta de tiro natural implica muchos factores, tales como:
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 rigen 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 ).
El diseño de grandes chimeneas plantea considerables desafíos de ingeniería. La formación de vórtices con vientos fuertes puede provocar oscilaciones peligrosas en la chimenea y provocar su colapso. El uso de tracas helicoidales es común para evitar que este proceso ocurra en o cerca de la frecuencia de resonancia de la pila.
Algunos equipos industriales que queman combustible no dependen del tiro natural. Muchos de estos equipos utilizan grandes ventiladores o sopladores para lograr los mismos objetivos, a saber: el flujo de aire de combustión hacia la cámara de combustión y el flujo de los gases de combustión calientes fuera de la chimenea o chimenea.
Muchas 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 , deNOx térmico o quemadores de bajo NOx) y partículas (es decir, , precipitadores electrostáticos ). En este tipo de centrales eléctricas es posible utilizar una torre de refrigeración 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 sufrirían una corrosión grave en dichas 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 sobre contaminación del aire . Estados Unidos también limita la altura máxima de una chimenea de gases de combustión a lo que se conoce como altura de chimenea de "Buenas Prácticas de Ingeniería" (GEP). [7] [8] En el caso de chimeneas de gases de combustión existentes que exceden la altura de la chimenea GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de la contaminación del aire para dichas chimeneas debe utilizar la altura de la chimenea GEP en lugar de la altura real de la chimenea.
