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CALCULO DE GEOMETRIA DE CHIMENEAS Y TIRO DE LA CALDERA Santiago A. Montalvo García, Rorigo !"la !"la #"r"$ Univ"r%ia T"cnol&gica " 'olívar, (ac)lta Ing"ni"ría, #rogra*a " Ing"ni"ría *"c+nica *"catronica. S"-ti"*r" /0 " /10 R"%)*"n
#alara% clav"2 A%tract. 3"4or%2
1. INTRODUCCI5N INTRODUCCI5N En muchos proyectos de calefacción no vienen inclui incluidas das las especi especific ficaci acione oness técnic técnicas as del cálculo y diseño diseño de la chimenea de caldera. Esto es debido a que no existen normativas sobre el particular y con frecuencia la elaboración e instalación de ella se lleva a cabo de acuerdo a lo que proponga el fabricante, proveedor o instalador de las calderas, muchas veces basado sólo en sus experiencias laborales, especialmente en el caso de las calderas a leña. En este trabajo, describimos un procedimiento de cálculo de las chimeneas, se estudia los distintos distintos tipos constructi constructivos vos de chimen chimeneas, eas, tanto tanto en sus sus concepciones generales forma, materiales!.
viviendas y demás construcciones urbanas suelen cons constr trui uirs rsee inte interi rior orme ment nte, e, salv salvoo esca escasa sass exce excepc pcio ione nes# s# en la indu indust stri ria, a, en camb cambio io,, generalmente se construyen construyen aisladas y al exterior. exterior. $eg% $eg%nn sean sean los los gase gasess de la comb combus usti tión ón,, se dist distin ingu guen en las las chim chimen enea eass para para hu humo moss y las las chimeneas para escapes de gases. &as chimeneas para humos sirven para lan'ar hacia arriba los productos de la combustión de materias sólidas y l(quid l(quidas as combus combusti tible bles, s, como como leña, leña, la turba, turba, el lign lignit ito, o, la hu hull lla, a, el coqu coque, e, y los aceit aceites es combus combustib tibles les,, mient mientras ras que las chimen chimeneas eas de escape o salida de gases sirven para expulsar al exterior los gases residuales de los combustibles gase gaseos osos os qu quem emad ados os.. &as &as cond conduc ucci cion ones es de ventil ven tilaci ación ón no son verdad verdadera erass chimen chimeneas eas,, aun cuando la misión que desempeñan es parecida.
/. DEFINICI ÓN DE LA CHIMENEA
0. ESTADO E STADO DEL ARTE
"on el nombre de chimenea se designa cualquier clase de tubo o hueco destinado a conducir los gases de la combustión dándoles salida al exterior por encima de cubiertas. En las casas de
0.1.6 INTRODUCCI5N INTRODUCCI5N El tiro tiro natu natura rall de un unaa chim chimen enea ea,, tamb tambié iénn denominado )epresión Estática, es la depresión que se origina en su base, como consecuencia de
/ la diferencia de presiones creadas por los gases contenidos en ella y la columna de aire exterior de la misma altura que la chimenea. El tiro disponible *d!, es la diferencia entre el tiro natural *n!, creado por la chimenea y las pérdidas de carga +! que se producen en el derrame de los humos por el interior del conjunto del sistema de evacuación de los productos de combustión. -icardo arc(a, /001! *iro artificial es el creado por elementos mecánicos que se diseñan en cada caso de manera adecuada a las necesidades, por ello no dependen tan directamente de las temperaturas exteriores o de humos, ni de las circunstancias de presión atmosférica y humedad ambiente. El método de cálculo es idéntico al de chimenea con tiro natural, pero teniendo en cuenta que una diferencia negativa entre el tiro creado por la chimenea y las pérdidas de carga total es compensado por la creación de un tiro adicional por sistemas mecánicos ventiladores, extractores, etc.!, esto permite tener chimeneas con secciones interiores más pequeñas para la misma potencia!, que en el caso de chimeneas de tiro natural. -icardo arc(a, /001! -especto de las chimeneas instaladas en calderas sin tiro mecánico, el proceso es el siguiente2 $e produce una corriente gaseosa siempre que en dos puntos ubicados a la misma altura, uno al interior de la chimenea y el otro en el medio ambiente, exista una diferencia de presión, que al tratar de nivelarse, ocasiona un movimiento de los gases. or esta ra'ón, la velocidad de corriente depende de la magnitud de dicha diferencia de presiones, que var(a con la velocidad de la misma. El caudal de gases que evacua la chimenea es el producto de esta velocidad por su sección. En la chimenea, la circulación de los gases se produce por la depresión debida, en los casos normales, al tiro de los gases del humo y, eventualmente, también a la acción del viento# en casos excepcionales se produce artificialmente por medio de ventiladores o máquinas soplantes. $i la chimenea es suficientemente hermética y el aire puede entrar a través de las instalaciones reguladas del hogar, este aire es el que alimenta con su ox(geno el proceso de la combustión. $eg%n el principio de 3rqu(medes, la columna gaseosa experimenta en la chimenea un empuje hacia arriba igual al peso del aire desalojado. "omo todos los gases tiene la propiedad de dilatarse al crecer la temperatura o disminuir la presión, haciéndose espec(ficamente más ligeros, seg%n sea la diferencia de temperaturas entre los gases del humo y el aire exterior pueden producirse en la chimenea diferentes proceso de
circulación o de corrientes de los gases. $i el aire exterior y los gases del humo tienen igual peso espec(fico, no se produce despla'amiento alguno. $i el humo tiene mayor densidad que el aire, descenderá por la chimenea, atravesará el hogar e invadirá el local. &a diferencia de presión que se produce crece al aumentar la altura de la columna gaseosa y al crecer la diferencia entre los pesos espec(ficos diferencia de temperatura! entre el aire exterior y los gases. &a altura efica' de la columna gaseosa se calcula desde la parrilla del hogar hasta la desembocadura de la chimenea, aun cuando los gases del humo pueden seguir subiendo una ve' fuera de la chimenea.
0./.6 #7RDIDAS EN LA CORRIENTE DE GASES &a depresión que reina al pie de la columna de humo, desgraciadamente, no puede aprovecharse en su altura total como presión dinámica para producir velocidad de circulación del mismo, ya que una parte importante de la misma se pierde como presión estática a causa del ro'amiento y otras resistencias opuestas a la circulación. 4o solamente la depresión va disminuyendo a medida que los gases suben por la chimenea, aun cuando se mantuviesen constante la temperatura de los mismos, sino que el humo va enfriándose al subir y se vuelve, por consiguiente, mas pesado y mas lento!, sin contar que, además se encuentra con resistencias que retardan su circulación. &a altura de la presión dinámica altura de velocidad! se obtiene restando de la altura de la depresión efectiva, las alturas correspondientes a las pérdidas debidas a las resistencias ofrecidas a la corriente de gases y a la resistencia en el hogar. 3 base de la presión dinámica restante se puede determinar la velocidad de corriente de gases que, junto con la sección, determina la capacidad efectiva de tiro de la chimenea. 5einrich 6 $chmitt, 7889!. "omparando esa capacidad efectiva de tiro con la capacidad aparente que seria teóricamente posible si se dispusiera de la depresión total, se obtendrá el grado de rendimiento o de eficacia de la chimenea, que caracteri'a el valor de la instalación tanto desde el punto de vista térmico como en el aspecto técnico de la circulación de los gases. 3umenta al reducirse las pérdidas de presión y depende, por consiguiente, de la construcción de la chimenea. 3 igualdad de condiciones de instalación y de funcionamiento, ofrece un término de comparación utili'able de los diferentes sistemas de chimeneas mismos, sino que el humo va enfriándose al subir y se vuelve,
0 por consiguiente, mas pesado y mas lento!, sin contar que, además se encuentra con resistencias que retardan su circulación. &a altura de la presión dinámica altura de velocidad! se obtiene restando de la altura de la depresión efectiva, las alturas correspondientes a las pérdidas debidas a las resistencias ofrecidas a la corriente de gases y a la resistencia en el hogar. 3 base de la presión dinámica restante se puede determinar la velocidad de corriente de gases que, junto con la sección, determina la capacidad efectiva de tiro de la chimenea. 5einrich 6 $chmitt, 7889!. "omparando esa capacidad efectiva de tiro con la capacidad aparente que seria teóricamente posible si se dispusiera de la depresión total, se obtendrá el grado de rendimiento o de eficacia de la chimenea, que caracteri'a el valor de la instalación tanto desde el punto de vista térmico como en el aspecto técnico de la circulación de los gases. 3umenta al reducirse las pérdidas de presión y depende, por consiguiente, de la construcción de la chimenea. 3 igualdad de condiciones de instalación y de funcionamiento, ofrece un término de comparación utili'able de los diferentes sistemas de chimeneas.
0.0.6 EN(RIAMIENTO DE LOS GASES &a influencia de las infiltraciones de :aire falso; puede determinarse con toda exactitud cuando se trata de instalaciones existentes, pero sólo es posible preverla de manera algo aproximada en los proyectos, porque depende en gran parte de la ejecución de los mismos. uede, en cambio, determinarse teóricamente con bastante seguridad el descanso de la temperatura del humo. Esta determinación se efect%a a base de la cantidad de gases que circula, de su temperatura de entrada y de la protección térmica que ofrecen las paredes de la chimenea. ara una determinada longitud de tubo y una sección constante, el descenso o ca(da de temperatura crece al disminuir la cantidad de gases y al aumentar la permeabilidad térmica. Este cap(tulo ha sido extractado esencialmente de 5einrich 6 $chmitt, 7889! &a transmisión, permeabilidad o fuga del calor de las paredes de la chimenea comprende2 el paso del calor de los gases del humo de la superficie interior de la pared de la chimenea, la conducción de ese calor a través de las materias de dicha pared, pasando de la cara interior a la cara exterior de la misma, y el paso o intercambio del calor de la superficie exterior de la pared al aire ambiente. El paso o intercambio de calor se efect%a parte por convección arrastre o transporte de calor! y parte por radiación. "omo los gases sólo irradian calor a base de grandes densidades y altas
temperaturas por ej., por encima de 1<= > ?@00A"B!, sólo es necesario ordinariamente tener en cuenta, para la transmisión del humo por las paredes de la chimenea, la fracción correspondiente a la convección. Esta es mayor en el caso de paredes de superficie áspera que en el caso de superficie lisa, y también es mayor para corrientes turbulentas que para corrientes laminares y asimismo es mayor en corrientes for'adas viento, ventiladores! que con el tiro natural. El intercambio de calor entre los gases del humo y el aire exterior no tiene lugar con la misma intensidad en todos los puntos de la chimenea# sin embargo, cuando sólo se persigue una vigilancia y control, se suele hacer referencia a la pérdida media por metro de longitud del tubo. "rece al aumentar las dimensiones de la superficie interior de la chimenea y tiene que alimentarse a expensas del calor de los gases que por ella circulan. Esto explica que, a igual temperatura de entrada de los gases del humo, una gran masa de los gases ve mermado su contenido de calor, que es considerable, en una cantidad que representa un tanto por ciento mucho menor cuando la masa de gases es más pequeña# en este %ltimo caso, la cantidad de calor de los gases es menos importante y la pérdida producida la afecta de tal manera que el calor residual es ya suficiente para la producción de la depresión necesaria. En consecuencia, y aun cuando la chimenea vaya poco cargada o sea de dimensiones excesivas, como ocurre a menudo en la construcción de chimeneas domésticas, los gases del humo a los pocos metros de altura se han enfriado tanto que no sólo se encuentran por debajo del punto de roc(o de la me'cla, sino que incluso a veces vuelven a descender por la chimenea y penetran de nuevo en el local a que está conectada. $eg%n indican los estudios comparativos, en las chimeneas poco cargadas la depresión crece con la altura dentro de muy estrechos limites. 3parte de que cuando ésta es excesiva perjudica más de lo que beneficia. or consiguiente, todas las chimeneas deben calcularse de manera que el contenido de calor de los gases se halle en una relación lo más favorable posible con la superficie del tubo que los contiene. $e escoge para ello, una sección de chimenea que no sea mayor que la que realmente exija la carga de humo. Estas consideraciones también inclinan la elección a favor de la chimenea de sección circular cuyo per(metro que corresponde a la superficie interior de la chimenea! viene a ser una quinta parte menor que el que corresponde a una sección cuadrada equivalente desde el punto de vista de la
8 técnica de la corriente de los gases. &as secciones rectangulares resultan aun más desfavorables. &a relación entre sus lados no puede superar la proporción 727,C, siquiera por motivos técnicos de circulación. Dna instalación de calefacción :antigua; puede mantener caliente la chimenea hasta la salida si la temperatura del humo es suficientemente alta. &os modernos sistemas de caldera tienen un grado de eficacia de combustión superior al 80 y los gases de combustión a una temperatura inferior a 700A". $i se conecta una calefacción moderna de estas caracter(sticas a una chimenea sin aislar, el calor
0.8.6 RESISTENCIA O#UESTAS A LA CIRCULACI5N DE LOS GASES &as resistencias opuestas a la circulación son de diversa magnitud, seg%n sean las caracter(sticas de la corriente gaseosa. El que ésta sea laminar ordenada! o turbulenta desordenada! depende de la naturale'a de la sección y de las dimensiones de la misma en el tubo por donde circulan los gases, as( como de la velocidad media de circulación y de la viscosidad cinemática de los gases. &a corriente laminar puede producirse en chimeneas poco cargadas y en los tubos de estufas de mayólica de grandes dimensiones, pero en la práctica casi siempre se produce una corriente turbulenta en los conductos de humos. El paso del régimen de corriente laminar al de "orriente turbulenta se produce al alcan'ar la :velocidad cr(tica :. El tipo de corriente en los gases o humo reviste gran importancia para la transmisión del calor de los mismos a la superficie interior de la chimenea. $eg%n su modo de actuar, hay que distinguir, en las resistencias ofrecidas al paso de la corriente gaseosa, las resistencias de ro'amiento y las resistencias aisladas. 0.9. RESISTENCIAS AISLADAS O DE SINGULARIDADES $on las ocasionadas por los cambios de la sección en los conductos y las variaciones bruscas de dirección de los mismos. roducen remolinos en la corriente y dan lugar a pérdidas de presión. El valor de éstas se expresa en función de la altura de velocidad presión dinámica!. &os diferentes valores de las resistencias aisladas se consignan en la tabla siguiente, expresados por el coeficiente de la presión dinámica2
*abla 72 -esistencias aisladas de los conductos de aire y de gases
0.:. ALTURA DE LA CHIMENEA &a altura de la chimenea queda determinada, en general, por la altura del edificio y la situación de la chimenea en planta. $eg%n 5einrich 6 $chmitt 7889!, la altura m(nima son @m hogares abiertos @,C0m!. &a altura de la chimenea no puede ser superior en ning%n caso a 79<,C veces su diámetro. or lo tanto, dada la altura del edificio, es tarea del especialista dimensionar la chimenea como sistema global en base a los requisitos citados y a la influencia de la instalación de combustión. &a altura m(nima se determina en base a la resistencia de la instalación de combustión la :necesidad de tiro; se encuentra entre C y @0 a!, el tipo de combustibles y la superficie a calentar, por lo que a veces también calderas pequeñas necesitan chimeneas altas. &as chimeneas :tiran; mejor cuando son verticales y abandonan el edificio por la cumbrera o cerca de ella, ya que aqu( es donde la succión aerodinámica de los gases de combustión es óptima. $ituar la chimenea cerca de la cumbrera tiene además la ventaja de que el agua de lluvia que se ha de desviar es m(nima.
9
8. TI#OS DE CHIMENEAS $e distingue entre los siguientes tipos de chimeneas2 H "himeneas de obra de fábrica. H "himeneas de una hoja, de pie'as prefabricadas. H "himeneas de varias hojas, de pie'as prefabricadas. H "himeneas de varias hojas resistentes a la humedad. H "himeneas aisladas.
Figura 72 3ccion del viento sobre el tipo de chimeneas
0.:. SECCI5N DE LA CHIMENEA Dna ve' fijada la altura de la chimenea y la cantidad de gas a extraer considerando la capacidad de la caldera y el tipo de combustible! y conocidas las pérdidas que se producirán, se puede calcular la sección de la chimenea para un intervalo determinado de temperatura de los gases de combustión. or ejemplo2 3 mayor sección hay menor perdida por roce, pero la chimenea es mas cara ya que la superficie de las paredes es mayor y adquiere una mayor necesidad de aislación para evitar exceso de perdida de calor y disminución del tiraje. El cálculo de la sección de una chimenea a través de reglas emp(ricas no es suficiente, ya que no se tiene en cuenta algunos factores que ejercen gran influencia. Gstos son2 H *ipo de combustible. H *ipo de construcción de la chimenea. H 3ltura efica' de la chimenea. H resión de succión necesaria tiro!. H *emperatura de los gases de combustible a la salida del generador de calor. H "aracter(sticas de la transmisión entre el generador de calor y la chimenea. H -endimiento nominal del generador de calor. &os fabricantes de chimeneas prefabricadas proporcionan diagramas que permiten al arquitecto hacer un pre dimensionado para el proyecto, el dimensionado exacto lo hace después el ingeniero especiali'ado.
Figura /2 3ntiguos aparejos de chimeneas.
Figura =2 chimenea de una hoja de pie'a prefabricada.
:
Figura @2 "himenea de una hoja de planta de altura.
Figura 12 "himenea de pared doble de acero inoxidable.
9. METODOLOGIA &os datos necesarios para proceder al cálculo de la sección de una chimenea o, alternativamente, a la comprobación de un sistema existente con condiciones de funcionamiento diferentes, son los siguientes2
Figura C2 chimenea de varios conductos.
H "aracter(sticas geométricas del tra'ado de la chimenea longitud, tipo y n%mero de pie'as especiales, limitaciones en altura y ancho!. H Iateriales de constitución de la chimenea y sus caracter(sticas térmicas conductividad a la temperatura media de funcionamiento y espesor! e hidráulicas rugosidad!. H 3ltitud sobre el nivel del mar del lugar de empla'amiento de la central térmica o presión barométrica!. H *emperatura seca del aire del ambiente exterior, como media de las máximas durante el periodo de funcionamiento de la central. H )irección de los vientos predominantes, con el fin de posicionar correctamente la boca de salida de la chimenea. H "aracter(stica del combustible empleado poder combur(vero, poder fum(geno, poderes calor(feros inferiores y superiores!. H otencia térmica %til del generador y rendimiento por generador entenderemos el conjunto formado por la caldera y los quemadores!.
; H "audal másico de los productos de la combustión. H *emperatura de los gases de combustión a la salida del generador. H "ontenido de anh(drido carbónico de los gases. H resión disponible a la salida del generador negativa, nula o positiva!. &a potencia %til, el rendimiento, la temperatura de los gases, el contenido de y la presión disponible son datos que debe suministrar el fabricante del generador yJo quemador. El caudal másico podrá ser calculado como se indicará mas adelante o podrá ser también un dato suministrado por el fabricante. $i la chimenea es de tipo prefabricado, el fabricante de la misma deberá suministrar la resistencia térmica de su pared es decir, sin considerar los coeficientes superficiales de transmisión de calor, interior y exterior!, a diferentes temperaturas, as( como la rugosidad de la pared interior. En el caso, no recomendado, de que la chimenea este al servicio de más de un generador, la potencia a considerar en los cálculos será la suma de las potencias de los generadores. "uando sea previsible el uso de dos combustibles, l(quido y gaseoso generalmente, el cálculo de la chimenea se llevará a cabo para los dos combustibles, se adoptara la sección más grande resultante de los cálculos y se hará la comprobación con el otro combustible.
2 Es la potencia térmica %til del generador, expresada en LN. e2 Es el exceso de aire que se calcula con la expresión2
C.C.H *EIE-3*D-3$ )E &O$ -O)D"*O$ )E "OIPD$*KQ4 "onocida la temperatura de entrada de los humos en un tramo de una chimenea *he, pueden calcularse la temperatura a la salida del tramo en cuestión * y la temperatura media *hm en el tramo, mediante las ecuaciones2
)onde2 las temperaturas pueden expresarse en L o en R". El factor de enfriamiento fe se calcula con2
5.1. CAUDAL DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
)onde2 D Es el coeficiente global de transmisión de calor de la pared de la chimenea, . Donde:
)onde2 . m 2 Es el caudal másico, expresado en >g.Js. F2 Es el poder fum(gero "2 Es el poder combur(vero. Ƞ2
Es el rendimiento total del generador, referido al "K del combustible adimensional!. "K2 Es el poder calor(fico inferior del combustible, medido en LM J >g. o LMJ4m.
C.1.H "OEFK"KE4*E &OP3& )E *-34$IK$KQ4 )E "3&OEl coeficiente global de transmisión de calor de la pared de la chimenea se calcula mediante la conocida expresión2
< 9./. RESISTENCIA T7RMICA DE #ARED R
LA
&a resistencia térmica de la pared de la chimenea -, expresada en m se calcula como suma de la relación entre espesores equivalente del material y conductividad térmica de cada capa que constituye la pared de la chimenea, seg%n la siguiente expresión2
f Es el factor de fricción, que podrá obtenerse, de forma exacta, de la ecuación de "olebrooL o, también, con su suficiente precisión, mediante ecuaciones aproximadas de solución directa en función de la rugosidad que es la siguiente2
& &ongitud del tramo considerado m!. C.70.H "O4)E4$3"KO4E$ )onde2 El sub(ndice :n; indica los valores de la capa enésima, mientras que el coeficiente :s; depende de la forma de la sección2
&a temperatura de la pared interior en la boca de salida de la chimenea se calculará mediante la expresión2
1. *3P&3$ 3-3 "5KIE4E3$. 1.7 "ombustibles gaseosos. *abla /2 coeficiente de forma de sección.
9.0. CA=DAS DE #RESI5N RESISTENCIA AL MO!IMIENTO
#OR
&a ca(da de presión por resistencia al movimiento de los humos en las chimeneas, expresadas en a se calcula con la siguiente ecuación2
1./ "ombustible l(quidos. En la que el primer sumatorio se refiere a los diferentes tramos de la chimenea. En la ecuación anterior los diferentes parámetros que entran en juegos tienen el siguiente significado2 Shm Es la densidad media de los humos Tm se calcula mediante la ecuación2 .
$iendo $ el área de la sección transversal de la chimenea
1.= "ombustibles sólidos.
>
1.9 "alor especifico de humos a presion constante 1.@ -endimiento
1.C "ontenido en volumen de "O/ en los humos ! y relación "O/máxJ"O/
;. E?EM#LO DE CALCULO diseño y cálculo de una chimenea para caldera de calefacción de 7/0.@00 LcalJhr. )esarrollaremos un ejemplo práctico con una caldera de calefacción de petróleo de caracter(sticas inmediatamente detalladas, esta caldera se utili'ará en un edificio de nueve m. de altura .
<.7. "alculo seccion transversal2 1.1. "ontenido corrector de exceso de aire
*abla =2 caracteristicas del generador 1.< *emperatura de salida de humos de generador
"araceristicas del combustible empledo. E& rendimiento del generador es del 9/ , calculamos el contenido de "O/2
1 )eterminacion de las caracter(sticas geométricas del conjunto
"alculo del exceso de aire2
(
e=
C O2 max C O2
Iedida máxima transversal2 0,3 m &ongitud máxima2 2 m Dna pie'a de unión al generador endiente ¿ 3 Dna *es con flujo convergente de diámetros distintos )eterminacion del nivel de aislamiento térmico
)
•
−1 ∗Cc
• •
e =( 1,37 −1 )∗0,94 e =0,35 ( adimensional ) *emperatura de los humos2
• •
)E &3 *3P&32 *U /=0 A"
lancha de acero de espesor 4 mm -ugosidad de la plancha de acero2 0,7 mm 50 kg ρ= &ana mineral , espesor2 3 m 50 mm
)eterminación del caudal másico de los humos2 1,2∗( PF + e∗ PC )∗ P m ´= n∗ PCI PF =12,3 kJ / Nm # 3 PC =11,5 kJ / N m n =82 ; e =0,35 # U 7@0 >N# "K U @/.=00 LMJ4m
3sumiremos, en primera aproximación una velocidad media de los humos en función del caudal masico de acuerdo a la relación siguiente2 2 3 3 3 4 v =7,1+ 2,03 x + 0,25 x −0,526 x 10 x −3,109 x 10 x
-eempla'amos en la ecuación anterior, tenemos2 m ´=
1,2∗( 12,3 + 0,35∗11,5 )∗140 0,82∗42300
m ´ =0,079
kg seg
)eterminacion de la presión disponible a la salida del generador ∆ p gen 2 P=140 kW *enemos que 120 < P < 700 kW ∆ p gen=39,2 log ( P − 51,4 )
-eempla'amos en la ecuación anterior y nos da que2 ∆ p gen=32,73 Pa )eterminacion de la temperatura de aire exterior T a y altitud sobre el nivel del mar cartagena esta ubicada a 7 metros sobre el nivel del mar A =1 m
)onde x =ln ( ´ m )=−2,54 -eempla'amos x en la ecuación anterior y nos da que v =3,43 m/ s $e asumirá, una temperatura media de los humos igual a la de la salida del generador. T hm=503,15 K $e calcula la densidad media en función de 3 y - cte de elasticidad de los gases!
=290
A =1 # T hm=503,15 K
J # kg∗ K
101,325∗( 1−1,2 x 10 A ) −4
ρhm=
∗T hm
ρhm=0,69 kg / m
3
$e calcula el caudal volumétrico 3 ´ 0,079 m m v´ = = =0,114 ρ hm 0,69 s
)iseñaremos la chimenea para una temperatura de T a=283,95 K <./ "alculo del tramo hori'ontal
$e calcula el área de la sección transversal de la chimenea mediante la expresión v´ 0,114 A s = = = 0,033 m2 v 3,43 $e determina los lados o diámetro de la chimenea se usara sección transversal circular!
11
A s =0,033 m
ℜ=
()
2
A s =!
d
2
$e calcula el calor especifico a presión constante, sabiendo que el petróleo tiene un 7C,9 de C O2 −4
2 hm
Cp=1,036 + 0,0906 T hm−1,166 x 10 T
-eempla'amos T hm=503,15 K J Cp=1052,05 kg∗ K $e calcula el coeficiente global de transmisión de calor D seg%n la 3E4O-, /00=!, asumiendo que la temperatura media de los materiales es igual al promedio de la temperatura media de los humos y del aire exterior 1
" = 1
hi
(
+ # +
$ hi $ hx
−
1
h x
)
"alculo del coeficiente superficial interior hi 0,024∗83,06 W hi= =9,96 2 0,2 m ∗ K "alculo de la resistencia térmica de la pared -
= s∗ $hi∗ (
%n ( ace'o )=45
( T hm−273 ) ; 0.75 N&=0,0354 a ( e −180 ) a =1,011665+ 0,152502 ' −0,014167 '
[
(
$ + 2∗) n 1 ∗ln hin 2 % n $hin
)]
vc −8
v c =−6,361 x 10 + 4,426 x 10 T hm + 7,523 "alculo de conductividad térmica %h 503,15 + 283,95 =393,55 K 2
W %h =0,023 + 8,5 x 10 ( T hm−273 ) =0,024 m∗ −6
"alculo de la viscosidad cinematica de los gases
vc 2
−5 m
s
"alculo del n%mero de -eynolds
W m∗ K
2
v∗ $hi −6
W m∗ K
%n ( lanamine'al )= 0,042
' = 0,7 mm rugosidad del material!
v c = 2,27 x 10
"alculo del numero de 4usselt 4u 0.75 N& =0,0354 ( 1,111 ) ( 30220,26 −180 ) N&=83,06
"onductividades térmicas2 −6
T hm=
"alculo del coeficiente a 2 a =1,011665+ 0,152502 ( 0,7 )− 0,014167 ( 0,7 ) a =1,111
$hi =0,2 m s =1 sección circular!
%h =0,023 + 8,5 x 10
ℜ=
=30220,26
)onde2
)onde2 % h∗ N & hl= # $hl
#
−5
2,27 x 10
2
d =0,2 m
3,43∗0,2
Espesor equivalente ) n ( ace'o )= 4 mm ) n ( lanamine'al ) = 50 mm -eempla'ando en la ecuación de - tenemos que 2 K =14,8 m W "alculo del coeficiente global de transmisión de calor D, teniendo ya todos los términos donde2 # =0,8 # h x =8 #
hi= 9,96 2
m K # =14,8 W $hx =0,204 m # Entonces,
W 2
m K $ hi =0,2 m #
1/
" = 0,083
W 2
m K
"alculo del área de la superficie interior de la chimenea * i=2 !d+ / 2
( )
* i=2 !
0,2 2
∗1,5 =0,94 m2
"alculo del factor de enfriamiento " ∗* i , e = ´ Cp∗m
, e =
, e
0,083∗0,94 =9,38 x 19−4 1052,05∗0,079
"alculo de la temperatura media de los humos en el tramo de conductos en consideración −(, ) 1 −e T he−T a T hm=T a + ¿ , e )onde2 T he=503,15 K # T a=283,95 K # e =0,35 # −4 , e =9,4 x 10 e
-eempla'ando en la ecuación anterior tenemos que T hm=53,71 K "alclas la temperatura de los humos a la salida de la chimenea T hs AENOR, UNE 123-001-94
9. An+li%i% concl)%ion"%.
:. R"@"r"ncia%. H5Vtte. 78C<. Ianual del ingeniero# roducción de tiro. / Ed. Parcelona, Editorial ustavo ili, $.3. ág. @<7,@