Este documento trata sobre el diseño de chimeneas industriales. Explica factores como la circulación del gas, el tiro de la chimenea, el cálculo del diámetro y la velocidad de salida del gas, la importancia de la temperatura del gas, los materiales de construcción y los métodos para calcular la altura de la chimenea, incluyendo el método simplificado y el método riguroso basado en modelos de dispersión.

1. TEMA 5
DISEÑO DE CHIMENEAS

2. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
1. Introducción
1.1. Objetivos
• Dilución de contaminantes y dispersión en la atmósfera
Cinmisión ≤ Cnormativa
• Diseño:
- Altura
- Diámetro
- Materiales
- Necesidades de impulsión
1.2. Factores que influyen en la dispersión de Ci y en el diseño de la chimenea
• Normativa: concentraciones máximas de inmisión de Ci
• Factores meteorológicos y topográficos
• Características químicas de los gases
• Caudales de emisión
• Fluidodinámica de la circulación del gas: pérdida de carga
• Temperatura del gas de chimenea

3. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Concepto
• Tiro de la chimenea: Diferencial de presión creado por la diferencia de
densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior
Aire (Ta , ρa)
Gas de chimenea (Tg , ρg)
h ∇P = (ρ a − ρ g )gh [5.1]
(N/m2)
• Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares:
 Ta 
∇P = ρ a 1 - gh [5.2] Casos desfavorables: alta Ta, baja Tg
 T 
 g 

4. 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energía
Tiro natural: ha de garantizar una velocidad mínima de salida del gas
∇P ≥ Ec + Σf [5.3]
a) Energía cinética del gas: velocidad mínima establecida según altura
1
Ec = ρ g Vg2 [5.4]
2
b) Caida de presión por rozamiento: varias ecuaciones propuestas.
Ecuación de Weymouth:
4RTg L
P −P =
1
2 2
2 fG 2 [5.5]
M D
(G=V·ρ)
L: tramo recto, o L+Lequivalentes en codos, etc.
f: Coeficiente de rozamiento

5. 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energía
Aplicabilidad de Weymouth:
-Gas ideal
-Flujo isotermo o ∇T < 10%
-Vgas < 35 m/s
Otras expresiones para Σf:
(Parker, 1983)
L
Σf = 2ρ g fV 2
[5.6]
D
L: Nuevamente tramo recto, o bien L+Lequivalentes en codos, etc.
f: Coeficiente de rozamiento. Datos en tabla siguiente
Bibliografía (Parker, 1983): Mas información complementaria para pérdidas en
codos y accidentes de la conducción

6. 2. Circulación del gas: Tiro de la chimenea
Balance de energía
Tiro forzado: Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia
Aspiración
∇P + τ ≥ Ec + Σf [5.7]
Soplante

7. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
3. Velocidad de salida y diámetro de la chimenea
• Diámetro interno:
Sección = Q/Vg [5.8]
Velocidades mínimas de salida:
Necesarias para
- evitar arrastres hacia abajo,
- pérdida de flotabilidad y altura efectiva
- entrada de aire frío a la chimenea
Altura, h (m) Velocidad (m/s)
Hasta 20 6
20 - 45 9
Mayor de 45 12
Regla sencilla: Vg ≥ 1.5 Vviento
• Diámetro externo: Depende de la estructura (apdo 4)
• Forma habitual: Sección circular ligeramente convergente

8. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimación de Tg
Pérdidas de calor en la chimenea ESTRUCTURA
Salida, T2
Proceso,
caldera, etc
T1
1
2
3
• Se considera flujo casi isotermo y 1. Revestimiento interno
evitar pérdidas 2. Aislante térmico
3. Carcasa exterior
Tg = (T1+T2)/2

9. 4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimación de Tg
• Transmisión de calor a través de la pared de la chimenea
1 1 e e e 1
= + 1 + 2 + 3 +
U h int k 1 k 2 k 3 h ext
Tg
Ta Q = U·A·(Tg − Ta )
Q = m g c P (T1 − T2 )
Tg

10. 4. Temperatura del gas de chimenea
4.1. Estimación de Tg
• Datos necesarios: coeficientes h y k
• h =f(T), cálculo iterativo
• Diseño en la situación mas desfavorable (menor Ta posible)

11. 4. Temperatura del gas de chimenea
4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
• Emisión de hollín ácido
-Baja temperatura en la chimenea (baja T1, aislamiento deficiente,...)
-Azufre en los combustibles gases ácidos (SO2)
Tg inferior al punto de rocío del ácido (130 – 160ºC)
Formación de nieblas de sulfúrico
Condensación de ácido en la cara interna
Consecuencia
Hollín ácido: aglomeración de PS con el ácido líquido.
Deposición ácida sólida en las proximidades

12. 4. Temperatura del gas de chimenea
4.2. Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea.
• Pérdida de flotabilidad
Flotabilidad (m4/s3) : Tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidad
Muy importante en el cálculo de la altura de una chimenea
 Ta 
F = gr v g 1 − 
2 [5.9]
 T 
 g 
• Pérdida de Tiro
 Ta 
∇P = ρ a 1 - gh [5.2]
 T 
 g 
• Disminución de vg y necesidad de mayor vg por descenso del tiro

13. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
5. Materiales de construcción
5.1. Carcasa estructural
• Materiales antiguos: ladrillos.
• Materiales modernos: hormigón o acero. Prefabricadas si h<60 m.
• No tienen propiedad aislante.
5.2. Revestimiento interno
• Ladrillos resistentes a los ácidos
- Ventajas: Resistentes y duraderos
- Inconvenientes: Necesitan mortero resistente a los ácidos
Fragilidad ante choques térmicos
Mucha conducividad térmica
Pesados
• Acero
Planchas de 2 a 5 mm de espesor
Temperatura máxima 500ºC

14. 5. Materiales de construcción
5.3. Aislantes térmicos
• Relleno suelto. • Cámara de aire, con tabiques para
evitar circulación de aire por convección
3 2 1 3 2 1

15. 5. Materiales de construcción
5.3. Aislantes térmicos
• Ladrillos Moler.
Ladrillo poroso, poco denso.
- Ventaja: Baja conductividad
- Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace más frágil
5.4. Materiales nuevos
• Plásticos reforzados con vidrio
Combinación de resina de poliester con fibra de vidrio o fibra de carbón
- Sirven de carcasa para chimeneas no muy altas
- Aguantan hasta 250ºC
- Alta resistencia química
• Tendencias futuras: materiales diseñados para cada caso particular

16. TEMA 5. DISEÑO DE CHIMENEAS
6. Cálculo de la altura de la chimenea
6.1. Requerimientos de la EPA
• Directrices adoptadas en años ’80:
- Mínimo 65 m
- Considerando edificios adyacentes: h = 2.5·z.
Posteriormente se cambió a h=z+1.5·L
- La que resulte de aplicación de un modelo de dispersión
(cálculo riguroso).
6.2. Normativa española
•Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, 3-12-76):
Establece la obligatoriedad de incluir cálculo de la altura de la chimenea en un
proyecto
a) Método SIMPLIFICADO (instalaciones inferiores a 100 MW de
potencia, o con emisiones de gas < 720 kg/h o de PS<100 kg/h)
b) Método RIGUROSO basado en modelos de dispersión

17. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO SIMPLIFICADO
• Requisito:
vg
∆Tmin > 188 S [5.10] ∆Tmin = Tg – Ta, max
h
• Cálculo en función de la máxima concentración permitida de un contaminante:
Am g θ n
h= 3 [5.11]
C max Q g ∆T
• Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h.
• Parámetro climatológico A:
∆Ta,max + 2δ t 80
A = 70 ⋅ I C [5.12] IC = + [5.13]
Tma ϕ
(Necesarios datos climatológicos)

18. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
1. FUNDAMENTOS DEL CÁLCULO (Resumido de Tecnología del Medio Ambiente)
• Dispersión de contaminantes en la atmósfera: coordenadas.
Figura 1

19. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
• Dispersión de contaminantes en la atmósfera: Coeficientes de dispersión
- Significado de los coeficientes de dispersión σy y σz
Figura 2
- Cálculo
σ y = a ⋅ x p [5.14] σ z = b ⋅ x q [5.15]

20. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
Tabla 1. Indices de las ecuaciones [5.14] y [5.15]
Clase de Valor del índice
estabilidad
a b p q
A 0.40 0.91 0.41 0.91
B 0.36 0.86 0.33 0.86
C 0.36 0.86 0.30 0.86
D 0.32 0.78 0.22 0.78
E 0.31 0.74 0.16 0.74
F 0.31 0.71 0.06 0.71

21. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
- Determinación aproximada de las condiciones de estabilidad atmosférica
Tabla 2

22. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
- Alternativa a las ecuaciones [5.14] y [5.15]: Cálculo gráfico de σy y σz
Figura 3

23. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
• Sobreelevación del penacho
-Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea (figura 1)
H = h + ∆h [5.16]
-Cálculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el
de Briggs
a) Estabilidad atmosférica: A,B,C,D:
2/3
1,6F 1/3 x f
∆h = [5.17]
uh
Donde xf =120F0.4 si F≥55 m4/s3, y xf = 50F5/8 si F≤55 m4/s3
b) Estabilidad atmosférica: E,F:
1/3
 F  g  dTa 
∆h = 2,4
u γ
 [5.18] γ=  + Γ [5.19]
 h  Ta  dz 

24. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
• Perfil de velocidades del viento
α
z
u z = u1  
z  [5.20]
 1
Tabla 3
Estabilidad α
A 0.10
B 0.15
C 0.20
D 0.25
E 0.30
F 0.30

25. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
• Modelo de dispersión de contaminantes
Modelo Gaussiano simplificado: Modelo de Pasquill.
mg  − H2 
C(x, H) =  exp 2  [5.21]
u h πσ y σ z 
 2σ z 

Simplificaciones introducidas sobre el modelo de dispersión inicial:
-Perfil de concentracion en la dirección del viento y a nivel del suelo (y=0, z=0)
-No se tiene en cuenta el efecto de la topografía: suelo plano.

26. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
2. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO
Ha de cumplirse que Cmax≤Cpermitida a lo largo de x para una altura dada
Se calcula el máximo C=f(x) y se compara con la normativa
2 ⋅ mg σz
C max (x) = [5.22]
 dC  e ⋅ π ⋅ uh ⋅ H2 σy
  =0
 dx  H
H
σz = [5.23]
2

27. 6. Cálculo de la altura de la chimenea
MÉTODO RIGUROSO
• Tanteo
(9), (17), (18), (19), (20) (22), (23)
h uh, ∆h, H Cmax, xmax
Si.
Aumentar h
Cmax≥Cpermitida?
No
Fin
• Consideraciones finales:
-Diseño para las condiciones de alta estabilidad (situación mas desfavorable)
- Dato Tg fundamental para el cálculo, pero a su vez puede depender de h.
(Asumir flujo prácticamente isotermo)