Chimenea de gases de combustión

Una chimenea , también conocida como conducto de humos o simplemente chimenea , es un tipo de chimenea , un tubo vertical, canal o estructura similar a través del cual se expulsan los gases de combustión al exterior. Los gases de combustión se producen cuando se quema carbón, petróleo, gas natural, madera o cualquier otro combustible en un horno industrial, una caldera generadora de vapor de una central eléctrica u otro dispositivo de combustión de gran tamaño. Los gases de combustión también pueden producirse a partir de procesos químicos o físicos que no implican combustión, como el procesamiento de gas natural . ^{[ 2 ]}

Los gases de combustión suelen estar compuestos de dióxido de carbono (CO₂ ₎ y vapor de agua, así como nitrógeno y exceso de oxígeno proveniente del aire de combustión. También contienen un pequeño porcentaje de contaminantes como partículas , monóxido de carbono , óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre . Las chimeneas de los gases de combustión suelen ser bastante altas, hasta 420 metros (1380 pies) , para aumentar el efecto chimenea y la dispersión de los contaminantes. 

Cuando los gases de combustión se expulsan de estufas, hornos, chimeneas, calderas y hornos de calefacción, u otras pequeñas fuentes en viviendas, restaurantes, hoteles u otros edificios públicos y pequeñas empresas comerciales, sus conductos 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 al aumentar el tiro de aire hacia la zona de combustión. ^{[ 3 ]} De este modo, 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 primera Revolución Industrial . La mayoría de las chimeneas industriales del siglo XVIII (ahora comúnmente denominadas chimeneas de gases de combustión ) se construían en las paredes del horno, de forma muy similar a una chimenea doméstica. Las primeras chimeneas industriales independientes fueron probablemente las erigidas al final de los largos conductos de condensación asociados con la fundición de plomo .

La fuerte 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 en la mayoría de los procesos de fabricación. La chimenea forma parte de una caldera generadora de vapor, y su evolución está estrechamente ligada al aumento de la potencia de la máquina de vapor. Las chimeneas de la máquina de vapor de Thomas Newcomen se integraban en 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 a las máquinas de doble potencia de James Watt , y continuaron aumentando de tamaño durante el período victoriano. Los adornos decorativos son una característica de muchas chimeneas industriales de la década de 1860, con remates salientes y mampostería decorada.

La invención del tiro forzado con 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 paisaje industrial. Los materiales de construcción cambiaron de piedra y ladrillo a acero y, posteriormente, a hormigón armado, y la altura de la chimenea industrial se determinó por la necesidad de dispersar los gases de combustión para cumplir con las normativas gubernamentales de control de la contaminación atmosférica .

Los gases de combustión dentro de las chimeneas 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 equivalente 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 chimenea ". Cuanto más alta sea la chimenea, mayor será el tiro generado.

La siguiente ecuación proporciona una aproximación de la diferencia de presión, Δ P , (entre la parte inferior y superior de la chimenea de gases de combustión) que se crea por el tiro: ^{[ 4 ] [ 5 ]}

${\displaystyle \Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}}$

dónde:

• Δ P : diferencia de presión disponible, en Pa
• C =0,0342  K/m
• a : presión atmosférica, en Pa
• h : altura de la chimenea de gases de combustión, en m
• T _o : temperatura absoluta del aire exterior, en K
• Ti _: temperatura media absoluta de los gases de combustión dentro de la chimenea, en K.

La ecuación anterior es una aproximación, ya que 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 es bastante pequeña. Ambas suposiciones son bastante válidas, pero no del todo precisas.

Como primera aproximación, se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el caudal de gases de combustión inducido por el tiro de una chimenea. La ecuación supone que la masa molar de los gases de combustión y del aire exterior es igual y que la resistencia por fricción y las pérdidas de calor son despreciables: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle Q=CA{\sqrt {2gH{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}}$

dónde:

• Q : caudal de gases de combustión, 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 entre 0,65 y 0,70)
• g : aceleración gravitatoria a nivel del mar = 9,807  m/s²
• H  : altura de la chimenea, m
• Ti _:  temperatura media absoluta de los gases de combustión en la chimenea, K
• T _o  : temperatura absoluta del aire exterior, K

Además, esta ecuación solo es válida cuando la resistencia al flujo de tiro se debe a un único orificio caracterizado por el coeficiente de descarga C. En muchos casos, si no en la mayoría, la resistencia la impone principalmente la propia chimenea. En estos casos, la resistencia es proporcional a la altura de la chimenea H. Esto provoca que la H se cancele en la ecuación anterior, prediciendo que Q es 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, tales como:

• La altura y el diámetro de la pila.
• La cantidad deseada de exceso de aire de combustión necesaria para asegurar una combustión completa.
• La temperatura de los gases de combustión que salen de la zona de combustión.
• La composición de los gases de combustión, que determina la densidad de dichos gases.
• La resistencia por fricción al flujo de los gases de combustión a través de la chimenea o conducto, que variará según los materiales utilizados para construir la chimenea o conducto.
• La pérdida de calor de los gases de combustión a medida que fluyen a través de la chimenea o conducto.
• La presión atmosférica local del aire ambiente, que está determinada por la altitud local sobre el nivel del mar.

El cálculo de muchos de los factores de diseño mencionados anteriormente requiere métodos iterativos de ensayo y error.

En la mayoría de los países, los organismos gubernamentales cuentan con códigos específicos que rigen la forma en que deben realizarse dichos cálculos de diseño. Muchas organizaciones no gubernamentales también tienen códigos que regulan el diseño de chimeneas y conductos de humos (en particular, los códigos ASME ).

El diseño de grandes chimeneas plantea importantes desafíos de ingeniería. El desprendimiento de vórtices con vientos fuertes puede provocar oscilaciones peligrosas en la chimenea y, potencialmente, su colapso. El uso de aletas helicoidales es habitual para evitar que este proceso se produzca a 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 grandes ventiladores o sopladores para lograr los mismos objetivos: el flujo de aire de combustión hacia la cámara de combustión y la salida de los gases calientes de combustión por la chimenea.

Muchas centrales eléctricas están equipadas con sistemas 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 , desnitrificación térmica o quemadores de bajas emisiones de NOx) y partículas (es decir, precipitadores electrostáticos ). En estas centrales, es posible utilizar una torre de refrigeración como chimenea de gases de combustión. Ejemplos de ello se pueden observar en Alemania, en la central eléctrica de Staudinger Grosskrotzenburg y en la de Rostock . Las centrales eléctricas sin purificación de gases de combustión sufrirían una corrosión grave en dichas chimeneas.

En Estados Unidos y otros países, se requieren estudios de modelado de dispersión atmosférica ^{[ 7 ]} para determinar la altura de la chimenea de gases de combustión necesaria para cumplir con las regulaciones locales de 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). ^{[ 8 ] [ 9 ]} En el caso de chimeneas de gases de combustión existentes que superen la altura de chimenea GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de la contaminación del aire para dichas chimeneas debe utilizar la altura de chimenea GEP en lugar de la altura real de la chimenea.

• Tubo de lámpara
• gases de combustión
• desulfuración de gases de combustión
• Emisiones de gases de combustión procedentes de la combustión de combustibles fósiles
• Incineración
• Efecto de pila
• Lista de las chimeneas más altas

• El Manual de Fundamentos de ASHRAE está disponible aquí en ASHRAE.
• Los códigos y estándares de ASME están disponibles en ASME.