Instalaciones

Se definen como Chimeneas Industriales a los conductos construidos para dar salida a la atmosfera libre a gases resultantes de una combustion –o de una reaccion quimica («gases de cola») – para su dispersion en el aire ambiente.

En la definicion de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los siguientes elementos:

• 1.-Seccion interior, o de paso de gases

• 2.-Altura
  • 2.1.-Para dispersion de gases en la atmosfera libre
  • 2.2.-Para la obtencion de una depresion minima determinada en su base

• 3.-Tipo de material estructural (o externo)
  • 3.1.-Resistencia a las acciones externas
    • 3.1.1.-Viento
    • 3.1.2.-Sismos
  • 3.2.-Cimentacion

• 4.-Tipo de material de revestimiento interior
  • 4.1.-Resistencia a la temperatura y ataque fisico-quimico de los gases

Para determinar las caracteristicas de una chimenea es imprescindible conocer el tipo de fluido que se espera que circule por ella.

Normalmente se trata de humos producto de la combustion de combustibles fosiles (carbon, derivados liquidos o gaseosos del petroleo), madera, etc., en aire ambiente.

Sin embargo, aun en estos casos, hay que tener en cuenta la posible «contaminacion» de estos humos con sustancias desprendidas de los procesos en los que intervienen, como por ejemplo, los hornos de reverbero.

En el caso frecuente de combustibles liquidos (fuel-oil, gasoil, etc.) o gaseosos (hidrocarburos gaseosos o «gas natural»), estos humos se componen de:

• N₂:procedente del aire comburente.
• CO₂ y H₂O (vapor): procedentes de la combustion de los hidrocarburos, junto con pequenas cantidades provenientes de la propia composicion de aire comburente.
• O₂: procedente del aire comburente en exceso respecto al necesario para una combustion estequiometrica.
• NO_X: si la temperatura alcanzada por la llama supera los 1.300ºC en alguna zona, la combinacion del nitrogeno del aire (o de los compuestos nitrogenados presentes en el combustible) con el oxigeno se realiza a velocidades apreciables, contaminando los humos con oxidos de nitrogeno en proporciones suficientes como para sobrepasar las normativas de ciertos paises.
• SO_X: algunos combustibles, especialmente los liquidos, contienen azufre en proporciones que pueden variar entre menos de un 1% (combustibles B.T.S.) hasta algo mas de un 5% (fueles pesados) que combinado con el oxigeno del aire, da lugar a diferentes compuestos de azufre, todos ellos considerados como contaminantes por las administraciones de diferentes paises
• CO: resultado de una combustion incompleta
• Radicales libres, particulas solidas (fundamentalmente de carbono) y otros productos, procedentes de impurezas en el combustible (metales pesados), aunque todos ellos en muy pequenas proporciones.

A titulo de ejemplo, en la tabla adjunta puede verse composiciones tipicas de humos producidos por la combustion estequiometrica de un combustible liquido y un «gas natural» en aire, comparadas con la del aire ambiente (con una humedad relativa de un 50%).

Las propiedades de los humos se asemejan a las del aire ambiente (con un 50% de humedad relativa).

Normalmente, la combustion se realiza en ambientes con exceso de aire comburente respecto de la proporcion estequiometrica, llegandose a duplicar o triplicar esta proporcion. En estos casos con mas motivo, las propiedades de los humos se acercan a las del aire. Por estas razones, y a efectos de calculos tecnicos –y en una primera aproximacion– se pueden tomar como propiedades de los humos de la combustion de derivados del petroleo, las del aire.

Para mayor informacion sobre la combustion, consultar [1] Capitulo IV.

La velocidad minima de evacuacion de los humos por la coronacion de la chimenea suele venir fijada por la normativa correspondiente de la Administracion Publica del lugar.

A modo de orientacion, puede decirse que las velocidades medias deberian oscilar entre un minimo de 5 m/s y los 17 m/s. Una velocidad media de 10 m/s suele considerarse como adecuada.

Dados el volumen de gases (caudal masico Q Kg/s y su temperatura ${\displaystyle T_h}$C) y su velocidad (V = 10 m/s), resulta sencillo determinar la seccion de paso (o su diametro) de los humos por la chimenea:

Seccion = ${\displaystyle \frac{Q(273,16+T_H)}{273,16.V.d_0}}$

${\displaystyle d_0}$ = densidad de los humos en Condiciones Normales (0ºC, 1 atm.) = 1,29 Kg/Nm³

La altura minima de una chimenea emitiendo gases considerados por la legislacion U.E. como contaminantes, viene determinada por la normativa correspondiente del lugar en el que se ubique.

En el caso del territorio espanol, esta legislacion esta basada fundamentalmente en los siguientes Decretos y Órdenes Ministeriales:

• Decreto 833/1975, del 6 de Febrero, por el que se desarrolla la Ley 38/1972, del 22 de Diciembre, sobre Proteccion del Medio Ambiente Atmosferico.
• ANEXO IV del citado Decreto: Niveles de Emision de Contaminantes a la Atmosfera para las Principales Actividades Industriales Potencialmente Contaminadoras de la Atmosfera.
• Orden Ministerial del 18 de Octubre de 1976 (B.O.E. nº 290 del 3 de Diciembre de 1976) sobre Prevencion y correccion de la contaminacion Industrial de la Atmosfera.
• ANEXO II de la citada Orden Ministerial: Instrucciones para el Calculo de las Alturas de Chimeneas de Instalaciones Industriales Pequenas y Medianas.
• Real Decreto 1613/1985, del 1 de Agosto, por el que se modifica parcialmente el Decreto 833/1975, del 6 de Febrero, y se Establecen Nuevas Normas de Calidad del Aire en lo Referente a Contaminacion por Dioxido de Azufre y Particulas.
• ANEXO del Decreto anteriormente citado: Valores Limite para el Dioxido de Azufre y las Particulas en Suspension.
• Real Decreto 717/1987, del 27 de Mayo, por el que se modifica parcialmente el Decreto 833/1975, del 6 de Febrero, y se Establecen Nuevas Normas de Calidad del Aire en lo Referente a la Contaminacion por Dioxido de Nitrogeno y Plomo.
• Real Decreto 1321/1992, del 30 de Octubre, por el que se modifica parcialmente el Real Decreto 1613/1985, del 1 de Agosto, y se Establecen Nuevas Normas de Calidad del Aire en lo Referente a la Contaminacion por dioxido de azufre y Particulas .

Posteriormente, cada una de las Comunidades Autonomas espanolas, a medida que se les transferian las competencias de proteccion medioambiental, han ido legislando en funcion de otros criterios, tales como el analisis de la dispersion de los humos por simulaciones numericas de los contaminantes en funcion de vientos dominantes y orografia del terreno circundante, asi como otras consideraciones de orden ecologico.

Ademas de dispersar los humos en la atmosfera, corrientemente las chimeneas tienen por objeto la creacion, en su base, de una depresion o aspiracion, que permite la circulacion de estos humos desde su origen (hogar, horno, caldera, etc.) hasta su salida a la atmosfera libre, a unas velocidades determinadas.

Esto exige la creacion, dentro del circuito completo, de un diferencial de presiones que compense tanto las perdidas de carga de los humos dentro de los aparatos en los que se generan (ΔP₁), como en la propia chimenea (ΔP₂) y proporcionarles la energia cinetica para su salida por la coronacion de la chimenea a la velocidad V ${\displaystyle (\mathrm{\Delta }{P}_c=\frac{d_H.V^2}{2})}$.

El valor de ΔP₁ vendra determinado por el tipo de instalacion de que se trate, y no es tema a tratar en este articulo.

La perdida de carga ΔP₂ en la chimenea puede expresarse como un factor de la energia cinetica de los humos y de su altura relativa H/D:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }{P}_2=f\frac{d_H.V^2}{2}\frac{H}{D}}$.

siendo ${\displaystyle f}$ el factor adimensional de «Fanning», que a su vez es una funcion del «numero de Reynolds». A esta presion hay que anadir el valor de la presion dinamica en la coronacion de la chimenea:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }{P}_c=\frac{d_H.V^2}{2}}$.

El valor total de la depresion necesaria es:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }P=\frac{d_H.V^2}{2}.(1+f\frac{H}{D})+\mathrm{\Delta }{P}_1}$.

A efectos practicos, puede decirse que para chimeneas ya en uso (rugosidad media) la expresion anterior puede quedar asi:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }P=\frac{18}{273+T_H}.V^2.(1+0,035.\frac{H}{D})+\mathrm{\Delta }{P}_1}$.

ΔP = presion, mm c.a.

V = velocidad media de los humos, m/s.

H = altura de la chimenea, m.

D = diametro interior, m.

Esta depresion puede obtenerse al pie de la chimenea por diferentes procedimientos, de entre los cuales cabe destacar tres:

Para ello se aprovecha el efecto de empuje de Arquimedes que sufren los gases calientes rodeados por otros, mas frios.

La chimenea contiene una columna de humos calientes, rodeada de aire a una temperatura ambiente, inferior. El empuje, o tiro, se calcula por la diferencia del peso de ambas columnas, de altura igual a la de la chimenea.

La forma mas sencilla de estimar esta diferencia consiste en considerar las dos columnas como de aire a temperaturas distintas pero uniformes: Para la columna caliente, la temperatura sera la de entrada de los humos en la chimenea, menos una cantidad por perdidas, que puede estimarse en unos 0,08 ºC/m. Para el aire ambiente, la de este a nivel del suelo:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }P=d_0.H.273.(\frac{1}{273+T_a}-\frac{1}{273+T_H})\frac{P}{P_0}}$ mm.c.a.

d₀ = Densidad de los humos a 0ºC y 1 atm, Kg/Nm³

H = Altura de la chimenea, m

Ta = Temperatura ambiente, ºC

T_H = Temperatura de los humos en la base, menos 0,08•H, ºC

P = Presion atmosferica en la base de la chimenea

Po = Presion atmosferica a la altura del mar (~10.331 mm c.a.)
que puede quedar asi:

${\displaystyle \mathrm{\Delta }P=352.H(\frac{1}{273+T_a}-\frac{1}{273+T_H}+0,08.H)\frac{P}{P_0}}$ mm.c.a

El calculo exacto puede realizarse mediante la aplicacion del conjunto de ecuaciones que se exponen el Anexo I.

Las diferencias entre la formula aproximada anterior y el calculo mas preciso, no superan en ningun caso el 2%.

En este caso los humos son aspirados por un ventilador especial, resistente a las temperaturas y agresiones de los componentes de los humos, e impulsados a la chimenea, cuya altura ahora depende exclusivamente de los condicionantes de contaminacion impuestos por la legislacion del lugar.

Este sistema presenta la ventaja de no precisar mas altura de chimenea que la impuesta por la legislacion acerca de la contaminacion atmosferica del lugar, pero consume energia motriz (electrica) y esta sujeto a las paradas del ventilador por mantenimiento o averia. Precisa, por lo tanto, de un doble ventilador.

La definicion del ventilador es inmediata, conociendo las caracteristicas de los humos y de la instalacion: caudal de humos, su temperatura y la depresion ΔP.

En la base o en un punto cualquiera de la chimenea, se instala una boquilla que inyecta aire ambienta, impulsado por un ventilador normal, que induce el tiro (se le suele llamar efecto Venturi).

Tiene las mismas ventajas e inconvenientes del caso anterior, aunque suele consumir mas energia que aquel, si bien la inversion en ventiladores es inferior, puesto que no se trata de ventalidores especialmente resistentes a temperatura y agresiones quimicas.

La definicion del ventilador, es algo mas complicada. Sera objeto, en su momento, de un articulo especialmente dedicado a ella.

Hasta mediados del siglo XX, la mayor parte de las chimeneas se construian de ladrillo, conservandose hoy en dia, verdaderas obras maestras de este tipo de arquitectura industrial de ladrillo. Posteriormente, se utilizaron bloques prefabricados de hormigon, huecos, que se iban rellenando de hormigon y con las varillas correspondientes de acero, para armar el conjunto a medida que se iba subiendo en altura.

Por ultimo, las tecnicas actuales utilizan los encofrados deslizantes para la construccion de chimeneas (y silos) de hormigon armado.

Tambien se han utilizado y siguen usando, las chimeneas metalicas de chapa de acero, que resultan ser en muchas ocasiones, mas economicas y faciles de instalar.

En algunos casos, y en funcion de la calidad de los humos, se recubren interiormente con materiales refractarios resistentes al ataque quimico de ciertos productos que acompanan a los humos. Ampliaremos este punto mas adelante.

Las chimeneas deben estar provistas de un conjunto de pasarelas para mantenimiento y acceso a los elementos de control de contaminantes, balizado de la coronacion y mantenimiento general, con sus accesos reglamentarios.

Salvo indicaciones particulares, unas cargas sobre estas pasarelas se deberan considerar excentricas y con valores puntuales de 1.000 N, que se sumaran a una carga uniforme y simetrica de 2.000 N/m² en cada pasarela.

NOTA: En la definicion de las cargas propias (masa de la estructura) no debe olvidarse la masa correspondiente al revestimiento interior de la chimenea.

Una chimenea debe ser considerada, a los efectos del calculo de la resistencia mecanica a las acciones externas, como una viga empotrada en una de sus extremos.

La primera accion mecanica a tener en cuenta es la del viento.

Para ello debera aplicarse la NORMA NBE-AE-88 para Construcciones cilindricas de baja rugosidad, sin olvidar el Factor eolico de esbeltez, importante en estos casos.

Puesto que las chimeneas deben llevar un conjunto de pasarelas para mantenimiento y acceso a los elementos de control de contaminantes, tambien debe ser considerada la influencia del empuje del viento sobre estos elementos, de acuerdo con la NORMA ya citada.

• Formula de Blenk, Fuchs y Liebers

Un viento, aun siendo uniforme, puede dar lugar a empujes periodicos que pueden establecer vibraciones que entren en resonancia con la frecuencia propia de la estructura.

Este fenomeno debido a los llamados vortices de Karman, produce frecuencias de vibracion que se deducen de la formula de Blenk, Fuchs y Liebers:

${\displaystyle \eta =0,207\frac{V_V}{D_e}}$, en la que:

η : es la frecuencia de la vibracion producida por el viento, seg^–1

V_V: la velocidad del viento, m/s

D_e: diametro exterior de la chimenea, m

Para paliar este peligroso fenomeno, deberan adoptarse medidas, tales como envolver la parte superior de la chimenea con unas bridas en forma de helice rodeando la superficie externa (que pretenden romper la formacion de estos vortices), o masas de agua, etc., que alejen la frecuencia propia de la estructura de los valores debidos al efecto Karman.

De acuerdo con la NORMA NCSE-02, se tomaran las precauciones adecuadas en su construccion.

Atendiendo a las acciones citadas anteriormente, se definira la cimentacion de la chimenea en funcion de estas y muy particularmente de las condiciones geologicas del terreno. Para su calculo es aconsejable utilizar el sistema ofrecido por Área de Calculo (ver Enlaces Externos).

Un punto importante en el diseno de la cimentacion es la union de esta con el conducto de humos y la parte cilindrica de la chimenea. Esta union debe realizarse mediante una zona de transicion en la que se practiquen aberturas especialmente disenadas para el entronque de la chimenea con la llegada de los humos, asi como para su inspeccion y limpieza por la parte inferior.

En el caso de chimeneas de hormigon armado, el entronque se realizara «segun las reglas del arte».

Se si trata de chimeneas metalicas, el entronque con la parte metalica –que debera realizarse en hormigon armado, como la cimentacion– se efectuara mediante la introduccion en el hormigon del entronque de los pernos adecuados, en los que atornillara la primera brida de la chimenea, reforzada con las cartelas que los calculos aconsejen.

De acuerdo con la composicion y temperaturas de los humos, el interior de la chimenea debera revestirse con materiales adecuados, y sujetos convenientemente al material estructural que lo sostendra.

Estos materiales suelen ser de naturaleza refractaria, silicoaluminosos o similares.

Comunmente los humos, por debajo de cierta temperatura, en el ambiente oxidante y humedo propio del exceso de comburente, toman un caracter acido (formacion de acidos sulfurosos, nitrosos, etc.) que pueden atacar el interior de la chimenea. En el caso de humos muy acidos, se recomiendan materiales borosilicatados. Si se trata de humos producidos por la combustion en aire de gas natural, pueden utilizarse aceros especiales, no muy caros, que se usan como material estructural y resisten bien la agresion de estos humos, con lo que se abarata considerablemente la construccion del conjunto.

La presion atmosferica disminuye con la altura sobre el nivel del mar. Suponemos que esta presion es igual a 760 mm Hg. En otras unidades, esta presion vale: ${\displaystyle P_0}$=

1 atmosfera

101.330 Pascales = 101.330 N/m²

1,033 Kp/cm² = 1,033 bares

10.333 mm c.a.

El valor de la presion nominal a una altura h valdra:

${\displaystyle P(h)=P_0.e^{\frac{-M_a.g.h}{R.T}}}$

Ma: peso molecular equivalente del aire, funcion de su humedad relativa (≈ 28,9 g/mol)

g: 980,65 cm/s²

h: altura, cm

R: constante de los gases perfectos = 0,082054 atm•l/ºK/mol
= 8,31434•10⁷erg/ºK/mol

T: temperatura absoluta del aire = ºC + 273,16

Cota geografica del pie de la chimenea : h₀

Cota geografica del la coronacion: h_H

Altura de la chimenea: H = h_H – h₀

Temperatura absoluta del aire: T

${\displaystyle \mathrm{\Delta }{P}_a=P_0.(e^{\frac{-M_a.g.h_0}{R.T}}-e^{\frac{-M_a.g.h_H}{R.T}})}$

Siendo:

Ta: temperatura absoluta de los humos en el pie de la chimenea

Tb: temperatura absoluta de los humos en la coronacion

Mh: peso molecular equivalente del humo, funcion de su composicion. Consultar [2] Capitulo IV.

${\displaystyle \mathrm{\Delta }{P}_H=P_0.(1-(\frac{T_b}{T_a}{)}^{\frac{M_h.g.H_h}{R(T_a-T_b)}})}$

• Temperatura de los Humos en la Coronacion

${\displaystyle Tc=(T-Ta).e^{\frac{-\pi .U.Dc.H}{q.Cp}}+Ta}$

en la que:

Tc: temperatura de los humos en la coronacion de la chimenea, ºC

T : temperatura de los humos en la base de la chimenea, ºC

Ta: temperatura del aire ambiente, ºC

Dc: diametro exterior maximo de la chimenea, m

H : altura de la chimenea, m

q : caudal de los gases, Kg/h

Cp: calor especifico de los humos, Kcal/Kg/ºC

U : coeficiente global de transmision calorifica humos / aire ambiente,
Kcal/h/m²/ºC

• El valor de U a su vez se determina a partir del conocimiento de:
  • h_h: coeficiente de transmision calorifica humos / pared interior de chimenea
  • h_a: coeficiente de transmision calorifica aire ambiente / pared exterior de la chimenea
  • ${\displaystyle \frac{\lambda }{e}}$: (conductividad termica / espesor), de la pared de la chimenea
    • ${\displaystyle U=\frac{1}{1/h_h+1/h_a+e/\lambda }}$

Para el calculo de los coeficientes de transmision calorifica entre pared y fluidos, se proponen las formulas aproximadas siguientes:

h_h (Kcal/h/m²/ºC) = 10,9.Cp (Kcal/Kg•ºC)· [V (m/s)•d(Kg/m³)]^0,8/[Di(m)]^0,2

h_a (Kcal/h/m²/ºC) = 3,53·[V_aire (m/s)]^0,6)]/[De(m)]^0,4)]

• Marks Mechanical Engineers Handbook, by Baumeister & Marks.
• Elements of Chemical Engineering by W. L. Badger & W. L. McCabe, (McGraw-Gill N.Y).
• Chemical Engineers Handbook by John H. Perry.

• Area de Calculo
• Verificacion de Diseno de Chimenea Industrial
• Productos para Chimeneas en Catalogo multi-fabricante de Productos y Materiales de la Construccion
• Precios de Chimeneas en Bedec/ITeC

• Real Decreto 997/2002, de 27 septiembre, por el que se aprueba la Norma de Construccion Sismorresistente: Parte General y Edificacion (NCSR-02)

• Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Codigo Tecnico de la Edificacion.