- Una campana extractora de humo en los Países Bajos
- Chimeneas de Londres vistas desde la torre de la catedral de Westminster
- Una gaviota se posa sobre una chimenea de enfriamiento de gas caliente en The World of Glass en St. Helens , Reino Unido
Una chimenea es una estructura de ventilación arquitectónica hecha de mampostería, arcilla o metal que aísla los gases de escape tóxicos calientes o el humo producido por una caldera , estufa , horno , incinerador o chimenea de las áreas habitadas por personas. Las chimeneas suelen ser verticales, o lo más verticales posible, para garantizar que los gases fluyan suavemente, atrayendo aire hacia la combustión en lo que se conoce como la chimenea o efecto chimenea . El espacio dentro de una chimenea se llama conducto de humos . Las chimeneas están adyacentes a grandes refinerías industriales , instalaciones de combustión de combustibles fósiles o parte de edificios, locomotoras de vapor y barcos.
En Estados Unidos , el término industria de chimeneas se refiere a los impactos ambientales de la quema de combustibles fósiles por parte de la sociedad industrial, incluida la industria eléctrica durante sus inicios. El término chimenea (coloquialmente, chimenea ) también se utiliza para referirse a las chimeneas de locomotoras o de barcos , y también se puede utilizar el término embudo . [1] [2]
La altura de una chimenea influye en su capacidad de transferir gases de combustión al ambiente exterior a través del efecto chimenea . Además, la dispersión de contaminantes a mayor altitud puede reducir su impacto en el entorno inmediato. La dispersión de contaminantes en un área mayor puede reducir sus concentraciones y facilitar el cumplimiento de los límites reglamentarios.
El uso de chimeneas industriales se remonta a los romanos , que extraían el humo de sus panaderías con tubos incrustados en las paredes. Sin embargo, las chimeneas domésticas aparecieron por primera vez en grandes viviendas del norte de Europa en el siglo XII. El ejemplo más antiguo que sobrevive de una chimenea inglesa se encuentra en el torreón del castillo de Conisbrough en Yorkshire , que data del año 1185 d. C., [3] pero no se volvieron comunes en las casas hasta los siglos XVI y XVII. [4] Las campanas extractoras de humo fueron un método temprano para recoger el humo en una chimenea. Por lo general, eran mucho más anchas que las chimeneas modernas y comenzaban relativamente alto por encima del fuego, lo que significa que podía escapar más calor a la habitación. Debido a que el aire que subía por el eje era más frío, podían estar hechas de materiales menos ignífugos. Otro paso en el desarrollo de las chimeneas fue el uso de hornos empotrados que permitían a la familia hornear en casa. Las chimeneas industriales se volvieron comunes a fines del siglo XVIII.
Las chimeneas de las viviendas comunes se construían primero con madera y yeso o barro. Desde entonces, las chimeneas se han construido tradicionalmente con ladrillo o piedra, tanto en edificios pequeños como grandes. Las primeras chimeneas eran de construcción sencilla de ladrillo. Las chimeneas posteriores se construyeron colocando los ladrillos alrededor de revestimientos de tejas. Para controlar las corrientes descendentes, a veces se colocan tapas de ventilación (a menudo llamadas chimeneas ) con una variedad de diseños en la parte superior de las chimeneas.
En los siglos XVIII y XIX, los métodos utilizados para extraer el plomo de su mineral producían grandes cantidades de humos tóxicos. En el norte de Inglaterra se construían chimeneas largas casi horizontales, a menudo de más de 3 km de longitud, que normalmente terminaban en una chimenea vertical corta en un lugar remoto donde los humos causaran menos daño. En el interior de estas chimeneas largas se formaban depósitos de plomo y plata, y periódicamente se enviaban trabajadores a lo largo de las chimeneas para raspar estos valiosos depósitos. [5]
Como resultado de la capacidad limitada para soportar cargas transversales con ladrillos, las chimeneas de las casas solían construirse en forma de "chimenea", con una chimenea en cada piso de la casa que compartía una sola chimenea, a menudo con una chimenea de este tipo en la parte delantera y trasera de la casa. Los sistemas de calefacción central actuales han hecho que la ubicación de la chimenea sea menos crítica, y el uso de tuberías de ventilación de gas no estructurales permite instalar un conducto de gases de combustión alrededor de obstrucciones y a través de las paredes.
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La mayoría de los aparatos de calefacción de alta eficiencia modernos no requieren una chimenea. Dichos aparatos se instalan generalmente cerca de una pared exterior y un manguito de pared no combustible [ aclaración necesaria ] permite que un tubo de ventilación pase directamente a través de la pared exterior.
En un techo inclinado donde una chimenea penetra en el techo, se utiliza un tapajuntas para sellar las juntas. La pieza que va en pendiente se llama faldón, los lados reciben un tapajuntas escalonado y se utiliza un canalón para desviar el agua alrededor del lado superior de la chimenea debajo del tapajuntas. [6]
Las chimeneas industriales, comúnmente llamadas chimeneas de humos , son estructuras generalmente externas, a diferencia de las que se construyen en la pared de un edificio. Suelen estar ubicadas junto a una caldera generadora de vapor o un horno industrial y los gases se conducen hasta ellas mediante conductos. Hoy en día, el uso de hormigón armado ha sustituido casi por completo al ladrillo como elemento estructural en la construcción de chimeneas industriales. Los ladrillos refractarios se utilizan a menudo como revestimiento, especialmente si el tipo de combustible que se quema genera gases de combustión que contienen ácidos. Las chimeneas industriales modernas a veces consisten en un parabrisas de hormigón con una serie de conductos en el interior.
La chimenea de la planta de vapor de 300 m (980 pies) de altura de la planta de combustible sintético de Secunda CTL en Secunda, Sudáfrica, consta de un parabrisas de 26 m (85 pies) de diámetro con cuatro conductos de humos de hormigón de 4,6 metros de diámetro que están revestidos con ladrillos refractarios construidos sobre anillos de ménsulas espaciados a intervalos de 10 metros. El hormigón armado se puede verter mediante encofrado convencional o encofrado deslizante. La altura es para garantizar que los contaminantes se dispersen en un área más amplia para cumplir con los requisitos legales u otros requisitos de seguridad.
Un revestimiento de chimenea es una barrera secundaria que protege la mampostería de los productos ácidos de la combustión, ayuda a evitar que los gases de combustión entren en la casa y reduce el tamaño de un conducto de humos demasiado grande. Desde la década de 1950, los códigos de construcción de muchos lugares exigen que las chimeneas de nueva construcción tengan un revestimiento de chimenea. Las chimeneas construidas sin revestimiento normalmente pueden tener uno añadido, pero el tipo de revestimiento debe coincidir con el tipo de aparato al que da servicio. Los revestimientos de chimeneas pueden ser de arcilla o baldosas de hormigón, metal o hormigón vertido en el lugar.
Los revestimientos de chimeneas de tejas de arcilla son muy comunes en los Estados Unidos, aunque es el único revestimiento que no cumple con la aprobación de Underwriters Laboratories 1777 y con frecuencia presentan problemas como tejas agrietadas e instalación incorrecta. [7] Las tejas de arcilla suelen tener alrededor de 2 pies (0,61 m) de largo, están disponibles en varios tamaños y formas y se instalan en construcciones nuevas a medida que se construye la chimenea. Se utiliza un cemento refractario entre cada teja.
Los revestimientos metálicos pueden ser de acero inoxidable, aluminio o hierro galvanizado y pueden ser tubos flexibles o rígidos. El acero inoxidable se fabrica en varios tipos y espesores. El tipo 304 se utiliza con leña , combustible de pellets de madera y aparatos de aceite sin condensación , los tipos 316 y 321 con carbón, y el tipo AL 29-4C se utiliza con aparatos de gas de condensación de alta eficiencia. Los revestimientos de acero inoxidable deben tener una tapa y estar aislados si dan servicio a aparatos de combustible sólido, pero siguiendo cuidadosamente las instrucciones del fabricante. [7] Las chimeneas de aluminio y acero galvanizado se conocen como chimeneas de clase A y clase B. La clase A son tuberías de acero inoxidable de doble pared aisladas o tuberías de triple pared aisladas con aire, a menudo conocidas por su nombre comercial genérico Metalbestos. La clase B son tuberías de doble pared sin aislamiento, a menudo llamadas B-vent, y solo se utilizan para ventilar aparatos de gas sin condensación. Estas pueden tener una capa interior de aluminio y una capa exterior de acero galvanizado.
Los revestimientos de conductos de humos de hormigón son como los de arcilla, pero están hechos de cemento refractario y son más duraderos que los de arcilla.
Los revestimientos de hormigón vertidos en el lugar se fabrican vertiendo hormigón especial en la chimenea existente con un encofrado. Estos revestimientos son muy duraderos, funcionan con cualquier aparato de calefacción y pueden reforzar una chimenea débil, pero son irreversibles.
Se coloca un sombrerete sobre la chimenea para ampliar la longitud de la misma de forma económica y mejorar el tiro . Una chimenea con más de un sombrerete indica que varias chimeneas en diferentes pisos comparten la chimenea.
Se coloca una chimenea en la parte superior para evitar que los pájaros y otros animales aniden en ella. A menudo, cuentan con un protector contra la lluvia para evitar que la lluvia o la nieve caigan por la chimenea. A menudo se utiliza una malla metálica como parachispas para minimizar que los residuos quemados salgan de la chimenea y lleguen al techo. Aunque la mampostería dentro de la chimenea puede absorber una gran cantidad de humedad que luego se evapora, el agua de lluvia puede acumularse en la base de la chimenea. A veces, se colocan orificios de drenaje en la parte inferior de la chimenea para drenar el agua acumulada.
Una chimenea o tapa direccional del viento es una tapa de chimenea con forma de casco que gira para alinearse con el viento y evitar una corriente descendente de humo y viento por la chimenea.
Un tapón tipo H es una parte superior de chimenea construida a partir de tubos de chimenea con la forma de la letra H. Es un método antiguo para regular el tiro en situaciones en las que los vientos predominantes o las turbulencias provocan corrientes descendentes y reflujos. Aunque el tapón tipo H tiene una clara ventaja sobre la mayoría de los demás tapones de tiro descendente, cayó en desuso debido a su diseño voluminoso. Se encuentra principalmente en uso marino, pero ha ido recuperando popularidad debido a su función de ahorro de energía. El tapón tipo H estabiliza el tiro en lugar de aumentarlo. Otros tapones de tiro descendente se basan en el efecto Venturi , que resuelve los problemas de tiro descendente al aumentar la corriente ascendente de manera constante, lo que da como resultado un consumo de combustible mucho mayor.
Una compuerta de chimenea es una placa de metal que se puede colocar para cerrar la chimenea cuando no está en uso y evitar que el aire exterior ingrese al espacio interior, y se puede abrir para permitir que los gases calientes se escapen cuando hay un fuego encendido. Una compuerta superior o compuerta de tapa es una puerta de resorte de metal colocada en la parte superior de la chimenea con una cadena de metal larga que permite abrir y cerrar la compuerta de la chimenea. Una compuerta de garganta es una placa de metal en la base de la chimenea, justo encima de la caja de fuego, que se puede abrir y cerrar con una palanca, engranaje o cadena para sellar la chimenea desde la chimenea. La ventaja de una compuerta superior es el sello hermético a prueba de intemperie que proporciona cuando está cerrada, lo que evita que el aire frío del exterior fluya por la chimenea y hacia el espacio habitable, una característica que rara vez puede ser igualada por el sello de metal sobre metal que brinda una compuerta de garganta. Además, debido a que la compuerta de garganta está sujeta al intenso calor del fuego que se encuentra directamente debajo, es común que el metal se deforme con el tiempo, degradando aún más la capacidad de sellado de la compuerta de garganta. Sin embargo, la ventaja de una compuerta de garganta es que aísla el espacio habitable de la masa de aire en la chimenea, que, especialmente en el caso de las chimeneas ubicadas en una pared exterior de la casa, generalmente es muy fría. En la práctica, es posible utilizar tanto una compuerta superior como una compuerta de garganta para obtener los beneficios de ambas. Los dos diseños de compuerta superior que se encuentran actualmente en el mercado son el Lyemance (puerta pivotante) y el Lock Top (puerta traslacional).
A finales de la Edad Media, en Europa occidental, surgió el diseño de frontones escalonados para permitir el acceso de mantenimiento a la parte superior de la chimenea, especialmente en estructuras altas como castillos y grandes mansiones .
Cuando se quema carbón, petróleo, gas natural, madera o cualquier otro combustible en una estufa, horno, chimenea, caldera de agua caliente o caldera industrial, los gases calientes que se forman como resultado de la combustión se denominan gases de combustión. Por lo general, esos gases se expulsan al aire exterior a través de chimeneas o conductos de gases de combustión industriales (a veces denominados chimeneas).
Los gases de combustión que se producen en el interior de las chimeneas o conductos de humos son mucho más calientes que el aire exterior y, por lo tanto, menos densos que el aire ambiente. Esto hace que la parte inferior de la columna vertical de gases de combustión calientes tenga una presión inferior a la presión en la parte inferior de una columna correspondiente de aire exterior. Esa mayor presión fuera de la chimenea es la fuerza impulsora que mueve el aire de combustión necesario 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 chimenea, más tiro o corriente se crea. Puede haber casos de rendimientos decrecientes: si una chimenea es demasiado alta en relación con el calor que se envía fuera de la chimenea, los gases de combustión pueden enfriarse antes de llegar a la parte superior de la chimenea. Esta condición puede dar lugar a un tiro deficiente y, en el caso de los aparatos de combustión de leña, el enfriamiento de los gases antes de la emisión puede hacer que la creosota se condense cerca de la parte superior de la chimenea. La creosota puede restringir la salida de gases de combustión y puede representar un peligro de incendio.
El diseño de chimeneas y conductos de humos que proporcionen la cantidad correcta de tiro natural implica una serie de factores de diseño, muchos de los cuales requieren métodos iterativos de prueba y error.
Como aproximación de "primera estimación", se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el caudal de tiro natural/tasa de flujo suponiendo que la masa molecular (es decir, el peso molecular) del gas de combustión y el aire exterior son iguales y que la presión de fricción y las pérdidas de calor son insignificantes: donde:
Combinando dos flujos en la chimenea: A t + A f < A , donde A t = 7,1 pulgadas 2 es el área de flujo mínima requerida desde el tanque del calentador de agua y A f = 19,6 pulgadas 2 es el área de flujo mínima desde un horno de un sistema de calefacción central.
Los aparatos a gas deben tener una campana extractora para enfriar los productos de combustión que ingresan a la chimenea y evitar corrientes ascendentes o descendentes. [8] [9] [10]
Un problema característico de las chimeneas es que se forman depósitos de creosota en las paredes de la estructura cuando se utilizan con madera como combustible . Los depósitos de esta sustancia pueden interferir con el flujo de aire y, lo que es más importante, son combustibles y pueden provocar incendios peligrosos en la chimenea si los depósitos se encienden en ella.
Los calentadores que queman gas natural reducen drásticamente la cantidad de acumulación de creosota debido a que el gas natural se quema de manera mucho más limpia y eficiente que los combustibles sólidos tradicionales. Si bien en la mayoría de los casos no es necesario limpiar una chimenea de gas anualmente, eso no significa que otras partes de la chimenea no puedan deteriorarse. Los accesorios de chimenea desconectados o sueltos causados por la corrosión con el tiempo pueden representar graves peligros para los residentes debido a la fuga de monóxido de carbono en el hogar. [11] Por lo tanto, se recomienda, y en algunos países incluso es obligatorio, que las chimeneas se inspeccionen anualmente y se limpien de manera regular para prevenir estos problemas. Los trabajadores que realizan esta tarea se denominan deshollinadores o steeplejacks . Este trabajo solía ser realizado en gran parte por mano de obra infantil y, como tal , aparece en la literatura victoriana . En la Edad Media , en algunas partes de Europa, se desarrolló un diseño de frontón escalonado , en parte para proporcionar acceso a las chimeneas sin el uso de escaleras.
También se ha demostrado que las chimeneas de mampostería (ladrillo) son especialmente propensas a desmoronarse durante los terremotos . Las autoridades de vivienda del gobierno en ciudades propensas a terremotos como San Francisco , Los Ángeles y San Diego ahora recomiendan construir nuevas casas con chimeneas con marcos de montantes alrededor de un conducto de humos de metal. El apuntalamiento o sujeción de chimeneas de mampostería antiguas no ha demostrado ser muy eficaz para prevenir daños o lesiones por terremotos. Ahora es posible comprar fachadas de "ladrillo falso" para cubrir estas estructuras de chimenea modernas.
Otros problemas potenciales incluyen:
Se construyeron varias chimeneas con miradores, que se muestran en la siguiente lista, posiblemente incompleta.
En varias centrales térmicas se utiliza al menos una chimenea como torre de transmisión eléctrica. La siguiente lista, posiblemente incompleta, las muestra.
Casi todas estas estructuras existen en una zona que antiguamente formaba parte de la Unión Soviética. Aunque este uso tiene la desventaja de que los cables conductores pueden corroerse más rápidamente debido a los gases de escape, también se pueden encontrar este tipo de estructuras en países que no están bajo la influencia de la antigua Unión Soviética. Un ejemplo de ello es una chimenea de la central eléctrica de Scholven en Gelsenkirchen, por la que circula un circuito de una línea de salida de 220 kV.
Las chimeneas también pueden llevar un depósito de agua en su estructura. Esta combinación tiene la ventaja de que el humo caliente que sale por la chimenea evita que el agua del depósito se congele. Antes de la Segunda Guerra Mundial, este tipo de estructuras no eran infrecuentes, sobre todo en los países de influencia alemana.
Las chimeneas pueden llevar en su estructura antenas para servicios de retransmisión de radio, transmisiones de telefonía móvil, radio FM y televisión. También se pueden fijar en las chimeneas antenas de alambre largo para transmisiones de onda media. En todos los casos se debe tener en cuenta que estos objetos pueden corroerse fácilmente, especialmente si se colocan cerca del escape.
En algunas centrales eléctricas que disponen de instalaciones para la eliminación de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno , es posible utilizar la torre de refrigeración como chimenea. En Alemania, se pueden ver torres de refrigeración de este tipo en la central eléctrica de Großkrotzenburg y en la central eléctrica de Rostock . En las centrales eléctricas que no disponen de instalaciones para la eliminación de dióxido de azufre, el uso de torres de refrigeración de este tipo puede provocar graves problemas de corrosión que no son fáciles de prevenir.
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