Una chimenea de gases de combustión , también conocida como chimenea de humos , chimenea de humos o simplemente como chimenea , es un tipo de chimenea , un tubo vertical, canal o estructura similar a través del cual los gases de 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 central eléctrica u otro dispositivo de combustión de gran tamaño. Los gases de combustión suelen estar compuestos de dióxido de carbono (CO2 ) y vapor de agua, así como nitrógeno y exceso de oxígeno que queda 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, hasta 420 metros (1380 pies), para aumentar el efecto chimenea y la dispersión de contaminantes.
Cuando los gases de combustión salen de estufas, hornos, chimeneas, hornos de calefacción y calderas u otras pequeñas fuentes dentro de viviendas, 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 comprendió por primera vez cómo podían mejorar la combustión de un horno aumentando la corriente de aire en la zona de combustión. [2] Como tales, desempeñaron un papel importante en el desarrollo de los hornos de reverbero y de 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 conocidas comúnmente como chimeneas de gases de combustión ) se construyeron en las paredes del horno, de forma muy similar 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 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 es parte de una caldera generadora de vapor, y su evolución está estrechamente vinculada a los aumentos en la 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 calderas asociados con las máquinas 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 las chimeneas industriales, la de introducir aire en 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 paisaje industrial. Los materiales de construcción cambiaron de piedra y ladrillo a acero y más tarde a hormigón armado, y la altura de las chimeneas industriales estuvo determinada por la necesidad de dispersar los gases de combustión para cumplir con las normas gubernamentales de control de la contaminación del aire .
Los gases de combustión que se producen en el interior 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 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 se crea.
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 la corriente de aire: [3] [4]
dónde:
La ecuación anterior es una aproximación porque supone que la masa molar de los gases de combustión y 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 del todo precisas.
Como aproximación de "primera estimación", se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el caudal de gases de combustión inducido por la corriente de aire de una chimenea de gases de combustión. La ecuación supone que la masa molar de los gases de combustión y del aire exterior son iguales y que la resistencia por fricción y las pérdidas de calor son despreciables: [5]
dónde:
Además, esta ecuación solo es válida cuando la resistencia al flujo de aire es causada por un solo orificio caracterizado por el coeficiente de descarga C. En muchas situaciones, si no en la mayoría, la resistencia es impuesta principalmente por la propia chimenea. 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, lo que predice que Q será invariable con respecto a la altura de la chimenea.
El diseño de chimeneas y conductos de humos para proporcionar la cantidad correcta de tiro natural implica muchos factores, como:
El cálculo de muchos de los factores de diseño mencionados anteriormente requiere métodos reiterativos de prueba y error.
Los organismos gubernamentales de la mayoría de los países tienen códigos específicos que rigen cómo deben realizarse dichos cálculos de diseño. Muchas organizaciones no gubernamentales también tienen códigos que rigen el diseño de chimeneas y conductos de humos (en particular, los códigos ASME ).
El diseño de chimeneas de gran tamaño plantea considerables desafíos de ingeniería. El desprendimiento de vórtices en caso de fuertes vientos puede provocar oscilaciones peligrosas en la chimenea y provocar su colapso. El uso de tracas helicoidales es habitual para evitar que este proceso se produzca en la frecuencia de resonancia de la chimenea o cerca de ella.
Algunos equipos industriales que queman combustible no dependen del tiro natural. Muchos de estos equipos utilizan ventiladores o sopladores de gran tamaño 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 hacia afuera de la chimenea o el conducto de humos.
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 , desNOx térmico o quemadores de bajo NOx) y material particulado (es decir, precipitadores electrostáticos ). En dichas 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 de Staudinger Grosskrotzenburg y en la central eléctrica de Rostock . Las centrales eléctricas sin purificación de gases de combustión experimentarían una corrosión grave en dichas chimeneas.
En los Estados Unidos y en otros países, se requieren estudios de modelado 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 la altura de chimenea de "Buenas Prácticas de Ingeniería" (GEP, por sus siglas en inglés). [7] [8] En el caso de chimeneas de gases de combustión existentes que excedan la altura de chimenea de GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de contaminación del aire para dichas chimeneas debe utilizar la altura de chimenea de GEP en lugar de la altura de chimenea real.
