Tubo de lámpara

Una chimenea es una estructura arquitectónica de ventilación, construida con mampostería, arcilla o metal, que aísla los gases de escape calientes y tóxicos, o el humo producido por una caldera , estufa , horno , incinerador o chimenea, de las áreas habitables. Las chimeneas suelen ser verticales, o lo más verticales posible, para asegurar que los gases fluyan sin problemas, atrayendo aire hacia la combustión en lo que se conoce como efecto chimenea . El espacio dentro de una chimenea se llama conducto de humos . Las chimeneas se encuentran junto a grandes refinerías industriales , instalaciones de combustión de combustibles fósiles o forman 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, incluyendo la industria eléctrica en sus inicios. El término «chimenea» (coloquialmente, «stack ») también se usa para referirse a las chimeneas de locomotoras o barcos , y también puede emplearse el término «embudo» . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La altura de una chimenea influye en su capacidad para transferir los gases de combustión al exterior mediante el efecto chimenea . Además, la dispersión de contaminantes a mayor altura puede reducir su impacto en el entorno inmediato. La dispersión de contaminantes en una zona más amplia puede disminuir sus concentraciones y facilitar el cumplimiento de los límites reglamentarios.

El uso de chimeneas industriales se remonta a los romanos , quienes extraían el humo de sus panaderías con tubos empotrados 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 se conserva de una chimenea inglesa se encuentra en la torre del homenaje del castillo de Conisbrough en Yorkshire , que data del año 1185 d. C., ^{[ 3 ]} pero no se generalizaron en las casas hasta los siglos XVI y XVII. ^{[ 4 ]} Las campanas extractoras de humo fueron un método primitivo para recoger el humo en una chimenea. Estas solían ser mucho más anchas que las chimeneas modernas y comenzaban relativamente altas sobre el fuego, lo que permitía que escapara más calor a la habitación. Debido a que el aire que subía por el conducto era más frío, se podían fabricar con materiales menos resistentes al fuego. Otro paso en el desarrollo de las chimeneas fue el uso de hornos empotrados que permitieron a los hogares hornear en casa. Las chimeneas industriales se generalizaron a finales del siglo XVIII.

Las chimeneas de las viviendas comunes se construían originalmente de madera y yeso o barro. Desde entonces, tradicionalmente se han construido de ladrillo o piedra, tanto en edificios pequeños como grandes. Las primeras chimeneas eran de ladrillo sencillo. Las posteriores se construían colocando los ladrillos alrededor de revestimientos de tejas. Para controlar las corrientes de aire descendentes, a veces se colocan en la parte superior de las chimeneas sombreretes de ventilación (a menudo llamados remates de chimenea ) con diversos diseños.

En los siglos XVIII y XIX, los métodos utilizados para extraer plomo de su mineral producían grandes cantidades de humos tóxicos. En el norte de Inglaterra, se construían largas chimeneas casi horizontales, a menudo de más de 3  km (2  millas) de longitud, que generalmente terminaban en una chimenea vertical corta en un lugar remoto donde los humos causaran menos daño. En el interior de estas largas chimeneas se formaban depósitos de plomo y plata, y periódicamente se enviaba a trabajadores a lo largo de ellas para raspar estos valiosos depósitos. ^{[ 5 ]}

Debido a la limitada capacidad del ladrillo para soportar cargas transversales, las chimeneas de las casas solían construirse en hilera, con una chimenea en cada piso que compartía una sola, a menudo con una hilera en la parte delantera y trasera de la vivienda. 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 sorteando obstáculos y a través de las paredes.

La mayoría de los modernos sistemas de calefacción de alta eficiencia no requieren chimenea. Estos aparatos suelen instalarse cerca de una pared exterior, y un pasamuros no combustible permite que el tubo de ventilación atraviese directamente la pared.

En un tejado inclinado donde una chimenea atraviesa el techo, se utiliza un tapajuntas para sellar las juntas. La pieza que queda en la parte inferior de la pendiente se llama delantal, los laterales llevan tapajuntas escalonados y se utiliza un canalón para desviar el agua alrededor de la parte superior de la chimenea, debajo del tapajuntas. ^{[ 6 ]}

Las chimeneas industriales, comúnmente conocidas como conductos de gases de combustión , suelen ser estructuras externas, a diferencia de las que se integran en la pared de un edificio. Generalmente se ubican junto a una caldera generadora de vapor o un horno industrial, y los gases se transportan a ellas mediante conductos. Actualmente, el 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 ácidos. Las chimeneas industriales modernas a veces constan de una pantalla de hormigón con varios conductos en su interior.

La chimenea de la planta de vapor de 300 m (980 pies) de altura en la planta de combustible sintético de Secunda CTL en Secunda, Sudáfrica, consta de una pantalla protectora de 26 m (85 pies) de diámetro con cuatro conductos de hormigón de 4,6 metros de diámetro, revestidos con ladrillos refractarios y construidos sobre anillos de ménsulas espaciadas a intervalos de 10 metros. El hormigón armado se puede moldear con encofrado convencional o deslizante. La altura está diseñada para garantizar que los contaminantes se dispersen en un área más amplia y así cumplir con los requisitos legales y 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 sobredimensionado. Desde la década de 1950, los códigos de construcción en muchos lugares exigen que las chimeneas de nueva construcción tengan un revestimiento. Las chimeneas construidas sin revestimiento generalmente pueden instalarse, pero el tipo de revestimiento debe coincidir con el tipo de aparato al que da servicio. Los revestimientos de chimenea pueden ser de baldosas de arcilla o concreto, metal o concreto vertido in situ.

Los revestimientos de chimenea de tejas de arcilla son muy comunes en Estados Unidos, aunque son los únicos que no cumplen con la aprobación 1777 de Underwriters Laboratories y con frecuencia presentan problemas como tejas agrietadas e instalación incorrecta. ^{[ 7 ]} Las tejas de arcilla suelen tener unos 61 cm (2 pies) 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 , pellets de madera y aparatos de aceite no condensable , los tipos 316 y 321 con carbón, y el tipo AL 29-4C se utiliza con aparatos de gas condensable 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. Las de clase A son tubos de acero inoxidable de doble pared aislados o tubos de triple pared con aislamiento de aire, a menudo conocidos por su nombre comercial genérico Metalbestos. Las de clase B son tubos de doble pared sin aislamiento, a menudo llamados B-vent, y solo se utilizan para ventilar aparatos de gas no condensable. Estos pueden tener una capa interior de aluminio y una capa exterior de acero galvanizado.

Los revestimientos de hormigón para conductos de humos son similares a los de arcilla, pero están fabricados con un cemento refractario y son más duraderos que estos últimos.

Los revestimientos de hormigón vertido in situ se fabrican vertiendo hormigón especial en la chimenea existente con la ayuda de un encofrado. Estos revestimientos son muy duraderos, compatibles con cualquier aparato de calefacción y pueden reforzar una chimenea debilitada, pero su instalación es irreversible.

Se coloca un remate en la parte superior de la chimenea para extenderla a bajo costo y mejorar su tiro . Una chimenea con más de un remate indica que varias chimeneas en diferentes pisos comparten la misma chimenea.

Se coloca un sombrerete en la parte superior de la chimenea para evitar que las aves y otros animales aniden en ella. A menudo, incorporan un protector contra la lluvia para impedir que la lluvia o la nieve se filtren por la chimenea. Con frecuencia, se utiliza una malla metálica como pararrayos para minimizar la propagación de cenizas y evitar que salgan de la chimenea y lleguen al tejado. Si bien la mampostería del interior de la chimenea puede absorber una gran cantidad de humedad que posteriormente se evapora, el agua de lluvia puede acumularse en la base. En ocasiones, se colocan orificios de drenaje en la parte inferior de la chimenea para evacuar el agua acumulada.

Un sombrerete de chimenea o tapa direccional de viento es una tapa de chimenea con forma de casco que gira para alinearse con el viento y evitar que el humo y el viento desciendan por la chimenea.

Una tapa de chimenea en forma de H es una pieza construida con tubos de chimenea con forma de letra H. Es un método antiguo para regular el tiro en situaciones donde los vientos predominantes o las turbulencias provocan corrientes descendentes y retroceso de humo. Aunque la tapa en H tiene una clara ventaja sobre la mayoría de las demás tapas de tiro descendente, cayó en desuso debido a su diseño voluminoso. Se encuentra principalmente en uso marítimo, pero ha recuperado popularidad debido a su funcionalidad de ahorro de energía. La tapa en H estabiliza el tiro en lugar de aumentarlo. Otras tapas de tiro descendente se basan en el efecto Venturi , solucionando los problemas de tiro descendente al aumentar constantemente el tiro ascendente, lo que resulta en un consumo de combustible mucho mayor.

Un regulador de chimenea es una placa metálica que se puede colocar para cerrar la chimenea cuando no está en uso e impedir que el aire exterior entre en el interior, y se puede abrir para permitir la salida de los gases calientes cuando hay fuego. Un regulador superior o de tapa es una compuerta metálica con resorte ubicada en la parte superior de la chimenea, con una cadena metálica larga que permite abrirla y cerrarla desde la chimenea. Un regulador de garganta es una placa metálica en la base de la chimenea, justo encima del hogar, que se puede abrir y cerrar mediante una palanca, engranaje o cadena para sellar la chimenea. La ventaja de un regulador superior es el sellado hermético que proporciona cuando está cerrado, lo que impide que el aire frío del exterior circule por la chimenea hacia el interior de la vivienda; una característica que rara vez se iguala con el sellado metal sobre metal que ofrece un regulador de garganta. Además, debido a que el regulador de tiro está sometido al intenso calor del fuego que se encuentra justo debajo, es común que el metal se deforme con el tiempo, lo que reduce aún más su capacidad de sellado. Sin embargo, la ventaja de un regulador de tiro es que aísla el espacio habitable del aire que entra por la chimenea, el cual, especialmente en chimeneas ubicadas en la pared exterior de la vivienda, suele ser muy frío. En la práctica, es posible utilizar tanto un regulador de tiro superior como uno inferior para obtener los beneficios de ambos. Los dos diseños de reguladores de tiro superior disponibles actualmente en el mercado son el Lyemance (puerta pivotante) y el Lock Top (puerta deslizante).

A finales de la Edad Media, en Europa Occidental, surgió el diseño de hastiales escalonados para facilitar el acceso de mantenimiento a la parte superior de la chimenea, especialmente en estructuras altas como castillos y grandes casas señoriales .

Cuando se quema carbón, petróleo, gas natural, madera o cualquier otro combustible en una estufa, horno, chimenea, caldera de agua caliente o horno industrial, los gases calientes resultantes de la combustión se denominan gases de combustión. Estos gases generalmente se expulsan al exterior a través de chimeneas o conductos de humos industriales (a veces llamados chimeneas industriales).

Los gases de combustión dentro de las chimeneas o conductos son mucho más calientes que el aire ambiente exterior y, por lo tanto, menos densos . Esto provoca que la parte inferior de la columna vertical de gases calientes tenga una presión menor que la de la parte inferior de una columna correspondiente de aire exterior. Esta mayor presión fuera de la chimenea es la fuerza impulsora que mueve el aire de combustión necesario hacia la zona de combustión y también impulsa los gases de combustión hacia arriba y fuera de la chimenea. Este movimiento o flujo de aire de combustión y gases de combustión se denomina "tiro natural", "ventilación natural" , "efecto chimenea" o " efecto de conducto ". Cuanto más alta sea la chimenea, mayor será el tiro. Pueden darse casos de rendimientos decrecientes: si una chimenea es demasiado alta en relación con el calor que expulsa, los gases de combustión pueden enfriarse antes de llegar a la parte superior. Esta situación puede provocar un tiro deficiente y, en el caso de aparatos de leña, el enfriamiento de los gases antes de su emisión puede causar la condensación de creosota cerca de la parte superior de la chimenea. La creosota puede restringir la salida de los gases de combustión y suponer un riesgo de incendio.

El diseño de chimeneas y conductos de humos para proporcionar la cantidad correcta de tiro natural implica una serie de factores de diseño, muchos de los cuales requieren métodos iterativos de ensayo y error.

Como primera aproximación, se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el caudal de tiro natural, suponiendo que la masa molecular (es decir, el peso molecular) de los gases de combustión y del aire exterior son iguales y que la presión por fricción y las pérdidas de calor son despreciables: $${\displaystyle Q=C\,A\,{\sqrt {2\,g\,H\,{\frac {T_{i}-T_{e}}{T_{e}}}}}}$$ dónde:

• Q = tiro de la chimenea / caudal de tiro, m³ ^/ s
• A = área de la sección transversal de la chimenea, m² ⁽ suponiendo que tiene una sección transversal constante)
• C = coeficiente de descarga (generalmente se considera que está entre 0,65 y 0,70)
• g = aceleración gravitatoria , 9,807  m/ ^s²
• H = altura de la chimenea, m
• T _i = temperatura media dentro de la chimenea, K
• Te ₌ temperatura del aire exterior, K.

Combinando dos flujos hacia la chimenea: A _t + A _f < A , donde A _t =7,1 pulgadas ² es el área de flujo mínima requerida del tanque del calentador de agua y A _f =19,6  pulgadas ² es el área de flujo mínima de un horno de un sistema de calefacción central.

Los aparatos que funcionan con gas deben tener una campana extractora para enfriar los productos de la combustión que entran por la chimenea y evitar corrientes ascendentes o descendentes. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Para las aeronaves que operan cerca de chimeneas, los gases de escape o las columnas de humo pueden causar turbulencia , visibilidad reducida, disminución del oxígeno, contaminación del motor, exposición a óxidos gaseosos y formación de hielo . Estos efectos son más pronunciados en aire frío, tranquilo y estable cuando la columna de humo está caliente. Se instruye a los pilotos para que vuelen a barlovento, alejándose de la chimenea, para minimizar el impacto. ^{[ 11 ]}

Un problema característico de las chimeneas es la acumulación de creosota en sus paredes cuando se utilizan con leña como combustible . Estos depósitos pueden interferir con el flujo de aire y, lo que es más importante, son combustibles y pueden provocar incendios peligrosos si se incendian en la chimenea.

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. Las conexiones de la chimenea desconectadas o sueltas causadas por la corrosión con el tiempo pueden representar graves peligros para los residentes debido a la fuga de monóxido de carbono en el hogar. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, se recomienda —y en algunos países incluso es obligatorio— que las chimeneas se inspeccionen anualmente y se limpien de forma regular para prevenir estos problemas. Los trabajadores que realizan esta tarea se llaman deshollinadores o limpiadores de chimeneas . Este trabajo solía ser realizado en gran medida 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 hastial escalonado , en parte para proporcionar acceso a las chimeneas sin el uso de escaleras.

Las chimeneas de mampostería (ladrillo) también han demostrado ser particularmente propensas a derrumbarse durante los terremotos . Las autoridades de vivienda de ciudades sísmicas como San Francisco , Los Ángeles y San Diego recomiendan ahora construir casas nuevas con chimeneas de entramado de madera alrededor de un conducto metálico. El refuerzo o la sujeción de las antiguas chimeneas de mampostería no ha resultado muy eficaz para prevenir daños o lesiones por terremotos. Actualmente es posible adquirir revestimientos que imitan el ladrillo para cubrir estas modernas estructuras de chimenea.

Otros problemas potenciales incluyen:

• El desprendimiento de ladrillos se produce cuando la humedad se filtra en el ladrillo y luego se congela, provocando que se agriete, se desprendan trozos del ladrillo y se aflojen los sellos de mortero.
• Cimientos móviles, que pueden degradar la integridad de la mampostería de la chimenea.
• Anidación o infestación por animales no deseados como ardillas, mapaches o vencejos.
• fugas en la chimenea
• problemas de diseño, que pueden permitir la entrada de humo al edificio ^{[ 13 ]}
• Los problemas con la chimenea o el aparato de calefacción pueden causar un deterioro no deseado o riesgos para la chimenea.

En algunas centrales eléctricas equipadas con sistemas para la eliminación de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno , es posible utilizar la torre de refrigeración como chimenea. Estas torres de refrigeración se pueden observar en Alemania, en la central eléctrica de Großkrotzenburg y en la de Rostock . En las centrales eléctricas que no disponen de sistemas para la eliminación de dióxido de azufre, este uso de las torres de refrigeración podría ocasionar graves problemas de corrosión, difíciles de prevenir.

• CICIND – Comité Internacional de Chimeneas Industriales
• Instituto de Seguridad de Chimeneas de América
• Central eléctrica Konakovskaya GRES , cuyas chimeneas funcionan como torres de alta tensión.
• Artículo sobre la eliminación de la chimenea
• Información sobre el mantenimiento de chimeneas
• Asociación Europea de Chimeneas (ECA); para obtener más información sobre chimeneas.
• Asociación Nacional de Ingenieros de Chimeneas; asociación comercial del Reino Unido para la industria de la ingeniería de chimeneas.
• Colección de chimeneas utilizadas como torres de alta tensión en Skyscraperpage.com