cálculo de chimenea de evacuación de humos según la norma en

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INDICE
1.-
CÁLCULO DE CHIMENEA DE EVACUACIÓN DE HUMOS SEGÚN LA NORMA EN
13384-1. ................................................................................................................................ 2
1.1.-
DATOS DE PARTIDA. ............................................................................................. 2
1.2.-
CAUDAL DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN. ............................................ 2
1.3.-
DENSIDAD MEDIA DE LOS HUMOS...................................................................... 3
1.4.-
TEMPERATURAS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN. ............................. 3
1.5.-
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR. ..................................... 4
1.6.-
DIÁMETRO HIDRÁULICO. ...................................................................................... 6
1.7.-
CAÍDA DE PRESIÓN POR RESISTENCIA AL MOVIMIENTO. ............................... 6
1.8.-
TIRO NATURAL. ...................................................................................................... 7
1.9.-
VELOCIDAD MEDIA DE LOS HUMOS.................................................................... 7
1.10.-
CALOR ESPECÍFICO A PRESIÓN CONSTANTE DE LOS HUMOS. ..................... 7
1.11.-
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO. .......................................................................... 7
1.12.-
RESULTADOS PARA LAS CALDERAS DE 60 KW. ............................................... 9
1.13.-
RESULTADOS PARA LAS CALDERAS DE 45 KW. ............................................. 11
Anexo: Cálculos de las chimeneas de extracción de humos
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1.-
CÁLCULO DE CHIMENEA DE EVACUACIÓN DE HUMOS SEGÚN LA NORMA
EN 13384-1.
El cálculo de chimeneas para la evacuación de los humos de las calderas según la norma
EN 13384-1.
1.1.-
DATOS DE PARTIDA.
La chimenea será de doble pared acero-acero inox AISI 304/316 ya que se trata de
combustibles gaseosos. El aislamiento será de lana de roca de alta densidad.
El combustible empleado es gas natural.
1.2.-
CAUDAL DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN.
Se calcula mediante la expresión:
•
m = 12
. ⋅ ( PF + e ⋅ PC) ⋅
P
η ⋅ PCI
donde:
•
m Æ Caudal másico en kg/s.
PF Æ Poder fumígero del combustible, en Nm3/ Nm3.
PC Æ Poder comburívero del combustible, en Nm3/ Nm3.
η Æ Rendimiento total del generador, referido al PCI del combustible.
PCI Æ Poder Calorífico Inferior del combustible, en kJ/Nm3.
P Æ Potencia térmica útil del generador, en kW.
e Æ Exceso de aire.
El exceso de aire se calcula a partir de la siguiente expresión:
⎛ CO 2 MAX
⎞
e= ⎜
− 1⎟ ⋅ CC
⎝ CO 2
⎠
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donde:
CO2
MAX
Æ Contenido máximo teórico de CO2 en los humos en función del tipo de
combustible.
CO2 Æ Contenido medio de CO2 en los humos en función del régimen de funcionamiento
del generador.
CC Æ Coeficiente corrector del exceso de aire.
1.3.-
Tipo de Combustible
CC
Gaseoso
0.91
DENSIDAD MEDIA DE LOS HUMOS.
Se calcula a partir de la expresión:
ρ HM =
101325 ⋅ (1 − 0.00012 ⋅ A)
kg/m3
R ⋅ THM
donde:
A Æ Altitud sobre el nivel del mar, en m.
R Æ Constante de elasticidad de los humos, en J/kg K.
THM Æ Temperatura media de los humos, en K.
1.4.-
TEMPERATURAS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN.
Dado un tramo específico de chimenea, conocida la temperatura de entrada de los
humos en el tramo (THE), la temperatura de salida de los humos (THS) y la temperatura
media de los humos en el tramo (THM) puede calcularse por la expresión:
THS = TA + (THE − TA ) ⋅ e − f E
THM = TA +
THE − TA
⋅ (1 − e − f E )
fE
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donde:
fE Æ Factor de enfriamiento. Se calcula mediante la expresión:
fE =
U ⋅ SI
•
CP ⋅ m
donde:
U Æ Coeficiente global de transmisión de calor de la pared de la chimenea, en W/m2K.
SI Æ Superficie interior de la chimenea, en m2.
CP Æ Calor específico a presión constante de los humos, en m2.
1.5.-
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR.
El coeficiente global de transmisión de calor de la pared de la chimenea, se calcula
mediante la expresión:
U=
1
⎛
1
D 1⎞
+ β ⋅ ⎜ R + hi ⋅ ⎟
hi
Dhx hx ⎠
⎝
donde:
hi es el coeficiente superficial interior, expresado en W/(m2 K) y se calcula a partir de:
hi =
λ h ⋅ NU
, en la que:
Dhi
λH Æ Conductividad térmica de los humos, en W/(m K). Aproximadamente
responde a la ecuación:
λ H = 0.023 + 8.5 ⋅ 10−6 ⋅ (THM − 273)
Nu Æ Número de Nusselt, cuya expresión responde a (siendo r la
rugosidad del material en mm):
Nu = 0.0354 ⋅ a ⋅ ( Re 0.75 − 180) ⇒ a = 1011665
.
+ 0152502
.
⋅ r − 0.0014167 ⋅ r 2
y el nº de Reynolds (Re) responde a la expresión:
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Re =
v ⋅ Dhi
, donde:
νC
v Æ velocidad media de los humos en la chimenea, en m/s.
DHI Æ Diámetro hidráulico interior, en m.
νC Æ Viscosidad cinemática de los gases, en m2/s. Se calcula a partir de:
2
υ C = − 6.631⋅ 10−6 + 4.426 ⋅ 10−8 ⋅ THM + 7.523 ⋅ 10−11 ⋅ THM
R es la resistencia térmica de la pared de la chimenea, en (m2 K)/W. Se calcula a partir
de:
⎡ 1
⎛ D + 2⋅ε N ⎞ ⎤
⎟ ⎥ , donde n indica el valor de la capa enésima y el
R = s ⋅ Dhi ⋅ ∑ ⎢
⋅ Ln⎜ hin
Dhin
⎝
⎠⎦
⎣ 2⋅ λN
coeficiente s depende de la forma y la sección.
Sección
s
Circular
1
hX es el coeficiente superficial exterior, medido en W/(m2 K)
Ubicación chimenea
hX (W/m2K)
Interior
8
Exterior
25
Para chimeneas que circulen tanto en el interior como en el exterior de la edificación, se
utilizará la expresión:
hX =
8 ⋅ S INT + 25 ⋅ S EXT
S INT + S EXT
β es un coeficiente que tiene en cuenta las variaciones de temperatura debidas a la
regulación del quemador en el caso de chimeneas de calderas.
Chimenea
Todo-Nada
Todo-Poco-Nada
Modulante
Metálica
0.5
0.6
0.8
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1.6.-
DIÁMETRO HIDRÁULICO.
El diámetro hidráulico (DH) medido en m, es igual a cuatro veces el área de la superficie
transversal del conducto dividido por el perímetro. Para la chimenea circular que se
proyecta DH = D.
1.7.-
CAÍDA DE PRESIÓN POR RESISTENCIA AL MOVIMIENTO.
La ΔP por resistencia al movimiento de los humos en las chimeneas, medido en Pa, se
calcula a partir de:
⎛
⎞
⎡
⎞⎤
v 2M ⎛
L
⎜
Δ P = ⎜ ∑ ⎢ ρ HM ⋅
⋅⎜ f ⋅
+ Σ ξ ⎟ ⎥ + Δ PD ⎟⎟ ⋅ f S
DH
2 ⎝
⎠⎦
⎝ TRAMOS ⎣
⎠
donde:
ρHM Æ Densidad media de los humos en el tramo, en kg/m3.
vM Æ Velocidad media de los humos en el tramo considerado, en m/s. Se calcula a partir
de la ecuación:
•
vM =
m
ρ HM ⋅ S
, siendo S el área de la sección transversal de la chimenea (m2).
F Æ Factor de fricción. Puede obtenerse por la fórmula de Colebrook o por cualquier
fórmula empírica existente.
L Æ Longitud del tramo considerado, en m.
Σξ Æ Suma de los coeficientes de pérdida de presión localizadas (accesorios).
ΔPD Æ Variación de presión dinámica desde la entrada a la salida de la chimenea. Se
calcula a partir de la siguiente expresión:
v 2MS − v 2ME
Δ PD = ρ HM ⋅
2
fS Æ Factor de seguridad para contrarrestar imperfecciones, condiciones atmosféricas
adversas, anormalidades de funcionamiento, etc..Se considera en este cálculo 1.2.
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1.8.-
TIRO NATURAL.
El tiro natural se produce por la diferencia de densidad entre los humos en el interior de la
chimenea y el aire exterior. Se calcula mediante la siguiente expresión:
t = g ⋅ H ⋅ ( ρ A − ρ HM ) Pa.
donde:
H Æ Altura eficaz; distancia vertical entre la salida de humos del generador y la boca de
salida de la chimenea. Para el cálculo H se divide en HH (tramo horizontal) y HV
(tramo vertical). H = HH + HV.
1.9.-
VELOCIDAD MEDIA DE LOS HUMOS.
Aproximadamente se puede calcular en función del caudal másico de acuerdo con la
expresión:
v = 7.1 + 2.03 ⋅ x + 0.25 ⋅ x 2 − 0.526 ⋅ 10−3 ⋅ x 3 − 3109
.
⋅ 10−3 ⋅ x 4
⎛ •⎞
siendo x = Ln⎜⎝ m⎟⎠
1.10.-
CALOR ESPECÍFICO A PRESIÓN CONSTANTE DE LOS HUMOS.
Para un porcentaje de CO2 del 8%, se puede calcular mediante la expresión:
2
CP = 1074 + 0166
. ⋅ THM − 1548
.
⋅ 10−4 ⋅ THM
donde THM es la temperatura media de los humos.
1.11.-
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.
Para el cálculo de la sección transversal de la chimenea se utiliza el siguiente
procedimiento:
a) Tramo Horizontal
Determinación de la geometría de la chimenea, del nivel de aislamiento térmico y
acabado interior, velocidad media de los humos, temperatura de humos a la salida
del generador, densidad de los humos, caudal volumétrico de los humos y del CP de
los humos
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Se calcula el área de la sección transversal a partir de la ecuación:
•
v
AS =
v
Se calcula el coeficiente global de transmisión de calor U utilizando una temperatura
media de la pared de la chimenea igual a la media entre la temperatura media de los
humos y la temperatura exterior del aire.
Se calcula el área interior de la chimenea SI, el factor de enfriamiento fE,la
temperatura media de los humos THM, la temperatura de los humos THS a la salida de
la chimenea, la caída de presión en el tramo horizontal, la densidad del aire exterior y
el tiro natural horizontal.
La depresión requerida a la base de chimenea se calcula teniendo en cuenta la
presión de salida del generador ΔPGEN, la caída de presión por resistencia al
movimiento ΔPHORIZ (<0), el tiro natural horizontal tHORIZ (<0 o >0) y la depresión
necesaria para conducir el aire comburente al quemador atmosférico.
b) Tramo vertical
Determinación de la geometría de la chimenea, del nivel de aislamiento térmico y
acabado interior.
Se escoge un área de la sección transversal igual o inferior a la del tramo horizontal y
se asume una THM igual a la de salida del tramo horizontal.
Se calcula la densidad media de los gases, el caudal volumétrico, el CP, el coeficiente
global de transmisión de calor U, el área de la superficie interior de la chimenea SI, el
factor de enfriamiento fE, la temperatura media de los humos THM y la temperatura de
salida de los humos a la salida de la boca de la chimenea.
Se calcula la caída de presión por resistencia al movimiento de los humos ΔPVERTI y el
tiro natural tVERTI. Finalmente la depresión disponible a la base de la chimenea:
Δ P = tVERTI − Δ PVERTI
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1.12.-
RESULTADOS PARA LAS CALDERAS DE 60 KW.
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1.13.-
RESULTADOS PARA LAS CALDERAS DE 45 KW.
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