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yupanqui-vladimir
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TEMA 5
DISEO DE CHIMENEAS
1. Introduccin1.1. Objetivos
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
Dilucin de contaminantes y dispersin en la atmsfera
Cinmisin Cnormativa Diseo:
- Altura- Dimetro- Materiales- Necesidades de impulsin
1.2. Factores que influyen en la dispersin de Ci y en el diseo de la chimenea
Normativa: concentraciones mximas de inmisin de Ci Factores meteorolgicos y topogrficos Caractersticas qumicas de los gases Caudales de emisin Fluidodinmica de la circulacin del gas: prdida de carga Temperatura del gas de chimenea
Tiro de la chimenea: Diferencial de presin creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimeneaConcepto
h
Aire (Ta , a)
Gas de chimenea (Tg , g) ( )ghP ga =(N/m2)
Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares:
ghTT
-1Pg
aa
= Casos desfavorables: alta Ta, baja Tg
[5.1]
[5.2]
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energa
Tiro natural: ha de garantizar una velocidad mnima de salida del gas
P Ec + f
a) Energa cintica del gas: velocidad mnima establecida segn altura
b) Caida de presin por rozamiento: varias ecuaciones propuestas.
Ecuacin de Weymouth:
2ggV2
1Ec =
DLfG
M4RT
PP 2g222
1 =
(G=V)L: tramo recto, o L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento
[5.3]
[5.4]
[5.5]
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energa
Aplicabilidad de Weymouth:-Gas ideal-Flujo isotermo o T < 10%-Vgas < 35 m/s
Otras expresiones para f:(Parker, 1983)
DLfV2f 2g=
L: Nuevamente tramo recto, o bien L+Lequivalentes en codos, etc.f: Coeficiente de rozamiento. Datos en tabla siguiente
Bibliografa (Parker, 1983): Mas informacin complementaria para prdidas en codos y accidentes de la conduccin
[5.6]
2. Circulacin del gas: Tiro de la chimeneaBalance de energaTiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia
P + Ec + fAspiracin
Soplante
[5.7]
Dimetro interno:Seccin = Q/Vg
Velocidades mnimas de salida: Necesarias para
- evitar arrastres hacia abajo, - prdida de flotabilidad y altura efectiva - entrada de aire fro a la chimenea
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
3. Velocidad de salida y dimetro de la chimenea
12Mayor de 45920 - 45
6Hasta 20 Velocidad (m/s)Altura, h (m)
Regla sencilla: Vg 1.5 Vviento
Dimetro externo: Depende de la estructura (apdo 4)
Forma habitual: Seccin circular ligeramente convergente
[5.8]
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimacin de Tg
Prdidas de calor en la chimenea
Salida, T2
Proceso, caldera, etc
T1
ESTRUCTURA
1 23
1. Revestimiento interno2. Aislante trmico3. Carcasa exterior
Se considera flujo casi isotermo y evitar prdidas
Tg = (T1+T2)/2
4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimacin de Tg
Transmisin de calor a travs de la pared de la chimenea
ext3
3
2
2
1
1
int h1
ke
ke
ke
h1
U1
++++=
Tg
Ta ( )ag TTUAQ =( )21Pg TTcmQ =
Tg
4. Temperatura del gas de chimenea4.1. Estimacin de Tg Datos necesarios: coeficientes h y k
h =f(T), clculo iterativo Diseo en la situacin mas desfavorable (menor Ta posible)
4. Temperatura del gas de chimenea4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
Emisin de holln cido
-Baja temperatura en la chimenea (baja T1, aislamiento deficiente,...)-Azufre en los combustibles gases cidos (SO2)
Tg inferior al punto de roco del cido (130 160C)
Formacin de nieblas de sulfricoCondensacin de cido en la cara interna
Holln cido: aglomeracin de PS con el cido lquido. Deposicin cida slida en las proximidades
Consecuencia
4. Temperatura del gas de chimenea4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
Prdida de flotabilidad
=
g
ag
2
TT1vgrF
Flotabilidad (m4/s3) : Tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidadMuy importante en el clculo de la altura de una chimenea
Prdida de Tiro
ghTT
-1Pg
aa
=
Disminucin de vg y necesidad de mayor vg por descenso del tiro
[5.9]
[5.2]
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
5. Materiales de construccin
5.1. Carcasa estructural
Materiales antiguos: ladrillos. Materiales modernos: hormign o acero. Prefabricadas si h
5. Materiales de construccin
5.3. Aislantes trmicos
Relleno suelto. Cmara de aire, con tabiques para evitar circulacin de aire por conveccin
3 2 1 3 2 1
5. Materiales de construccin
5.3. Aislantes trmicos
Ladrillos Moler.
Ladrillo poroso, poco denso.- Ventaja: Baja conductividad- Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace ms frgil
5.4. Materiales nuevos
Plsticos reforzados con vidrioCombinacin de resina de poliester con fibra de vidrio o fibra de carbn
- Sirven de carcasa para chimeneas no muy altas- Aguantan hasta 250C- Alta resistencia qumica
Tendencias futuras: materiales diseados para cada caso particular
TEMA 5. DISEO DE CHIMENEAS
6. Clculo de la altura de la chimenea6.1. Requerimientos de la EPA
Directrices adoptadas en aos 80:
- Mnimo 65 m- Considerando edificios adyacentes: h = 2.5z.
Posteriormente se cambi a h=z+1.5L
- La que resulte de aplicacin de un modelo de dispersin (clculo riguroso).
6.2. Normativa espaola
Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, 3-12-76):
Establece la obligatoriedad de incluir clculo de la altura de la chimenea en un proyecto
a) Mtodo SIMPLIFICADO (instalaciones inferiores a 100 MW de potencia, o con emisiones de gas < 720 kg/h o de PS
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO SIMPLIFICADO
Requisito:
Shv
188T gmin > Tmin = Tg Ta, max
Clculo en funcin de la mxima concentracin permitida de un contaminante:
3gmax
g
TQn
CAm
h =
Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h.
Parmetro climatolgico A:
CI70A = +
+=
80T
2TI
ma
tmaxa,C
(Necesarios datos climatolgicos)
[5.10]
[5.11]
[5.12] [5.13]
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
1. FUNDAMENTOS DEL CLCULO (Resumido de Tecnologa del Medio Ambiente)
Dispersin de contaminantes en la atmsfera: coordenadas.
Figura 1
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Dispersin de contaminantes en la atmsfera: Coeficientes de dispersin
- Significado de los coeficientes de dispersin y y z
- Clculo
py xa = q
z xb =
Figura 2
[5.14] [5.15]
0.710.060.710.31F0.740.160.740.31E0.780.220.780.32D0.860.300.860.36C0.860.330.860.36B0.910.410.910.40A
qpba
ndiceValor delClase de estabilidad
Tabla 1. Indices de las ecuaciones [5.14] y [5.15]
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
- Determinacin aproximada de las condiciones de estabilidad atmosfrica
Tabla 2
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Clculo grfico de y y z
Figura 3
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Sobreelevacin del penacho
-Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea (figura 1)
H = h + h
-Clculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el de Briggs
a) Estabilidad atmosfrica: A,B,C,D:
h
2/3f
1/3
u
x1,6Fh =
Donde xf =120F0.4 si F55 m4/s3, y xf = 50F5/8 si F55 m4/s3
b) Estabilidad atmosfrica: E,F:
1/3
h u
F2,4h
=
+=
dzdT
Tg
a
a
[5.16]
[5.17]
[5.18] [5.19]
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
Perfil de velocidades del viento
11z
z
zuu
=
0.30F0.30E0.25D
0.20C
0.15B0.10A
Estabilidad
Tabla 3
[5.20]
MTODO RIGUROSO
Modelo de dispersin de contaminantes
Modelo Gaussiano simplificado: Modelo de Pasquill.
6. Clculo de la altura de la chimenea
pi=
z2
2
zyh
g
2H
expu
mH)C(x,
Simplificaciones introducidas sobre el modelo de dispersin inicial:
-Perfil de concentracion en la direccin del viento y a nivel del suelo (y=0, z=0)-No se tiene en cuenta el efecto de la topografa: suelo plano.
[5.21]
6. Clculo de la altura de la chimeneaMTODO RIGUROSO
2. PROCEDIMIENTO DEL CLCULO
Ha de cumplirse que CmaxCpermitida a lo largo de x para una altura dada
0dxdC
H
=
Se calcula el mximo C=f(x) y se compara con la normativa
y
z
2h
gmax
Huem2(x)C
=
2H
z =
[5.22]
[5.23]
MTODO RIGUROSO
Tanteo
6. Clculo de la altura de la chimenea
h uh, h, H Cmax, xmax
CmaxCpermitida?Si.Aumentar h
No
Fin
(9), (17), (18), (19), (20) (22), (23)
Consideraciones finales:-Diseo para las condiciones de alta estabilidad (situacin mas desfavorable)- Dato Tg fundamental para el clculo, pero a su vez puede depender de h.
(Asumir flujo prcticamente isotermo)