Chimenea para sala de calderas: cálculo de altura y sección según normas técnicas

La función principal que debe cumplir la chimenea para la sala de calderas es evacuar a la atmósfera los gases de combustión de las calderas y dispersarlos en ese espacio. También tiene una función adicional: deben crear un tiro natural, que se produce por la diferencia entre la temperatura en la cámara de combustión y el exterior.

Le presentaremos las variedades de conductos de humos, cuya clasificación se realiza según las características constructivas y el material de las tuberías. Aquí aprenderá cómo se realiza el cálculo de los parámetros geométricos en un ejemplo concreto. Nuestros consejos le ayudarán a decidir el tipo y las dimensiones del conducto de humos.

Tipos de chimeneas

En las grandes salas de calderas, el tiro natural no puede proporcionar una combustión completa; aquí se crea de forma forzada mediante extractores de humos. El proceso de combustión y la descarga de sus productos a la atmósfera deben causar el menor daño posible al medio ambiente y no provocar situaciones de emergencia debido a la aparición de una presión en las cámaras de combustión que supere la norma.

Estructuralmente, las tuberías para calderas difieren mucho entre sí tanto en el tipo de estructura portante como en el material de fabricación. Según la primera característica, se distinguen varios tipos de tuberías.

Tuberías autoportantes de salas de calderas

Estas estructuras verticales pueden ser de uno o varios troncos. Conducen los productos de combustión desde las calderas y la sala de calderas.

Se utilizan independientemente del tipo de combustible, pero cumpliendo ciertos requisitos:

1. La temperatura de los gases de combustión que pasan por las chimeneas autoportantes no debe superar los 350 grados Celsius.
2. Los productos de combustión no deben ser químicamente agresivos.
3. La carga de nieve óptima para estructuras autoportantes es de 250 kg por cm², la carga de viento es de 30 kg por cm² en condiciones de la zona eólica II.

La tubería autoportante se instala en el techo y se fija dentro del edificio. Sus características estructurales permiten el transporte y montaje in situ, ya que consta de secciones individuales que son tuberías sándwich de tres capas. La estructura se fija a la base mediante anclajes.

En el interior de la chimenea hay una capa fabricada de acero resistente que no se ve afectada por las sustancias liberadas durante la combustión. La capa exterior protege contra las inclemencias del tiempo.

Las chimeneas para grandes calderas suelen ser autoportantes. Es una estructura construida según un proyecto individual y con su propia infraestructura.

Los parámetros de las estructuras de humo deben cumplir con los requisitos establecidos en los documentos normativos. Su cálculo se basa en factores como el número de calderas, la potencia y el tipo de combustible. Deben tenerse en cuenta obligatoriamente las normas de emisiones a la atmósfera. En algunos casos, las chimeneas se equipan con una plataforma, escalera, trampilla de inspección y balizamiento luminoso.

Estructuras de chimeneas de columna

La chimenea de este tipo consta de una carcasa exterior de acero de alto carbono y conductos internos de diferentes diámetros de acero inoxidable insertados en ella para la evacuación de gases. La estructura se fija en una cesta de anclaje embebida en la cimentación. Puede haber uno o varios conductos. Para evitar la condensación en el interior, se utiliza aislamiento térmico.

Parte de una chimenea de columna. Aquí en sección se puede ver que en el interior hay varios conductos de diferentes diámetros de acero inoxidable.

La ventaja de esta solución constructiva es una larga vida útil y la posibilidad de conectar varias calderas. El espesor del acero y la calidad se eligen en función de la temperatura y la agresividad de los productos de combustión.

El diámetro de cada conducto puede alcanzar hasta un metro y medio, y si se planea utilizar el conducto de gases común para varias calderas, entonces se requiere un diámetro de aproximadamente 3 m. Para evitar la condensación, los conductos se recubren con aislamiento térmico.

Características de los conductos de humos de fachada y adosados a la fachada

Las chimeneas adosadas a fachada se instalan para calderas adjuntas a la casa o integradas. Se fijan a la pared del edificio mediante soportes. Los componentes de la chimenea son los conductos y el marco o fijaciones de anclaje.

El conducto tiene 3 capas: interior de acero inoxidable, luego aislamiento térmico y acero galvanizado. Los tubos están diseñados para calderas que funcionan con gas o combustible líquido.

Con mayor frecuencia, los tubos de fachada se colocan a lo largo de la pared exterior del edificio. Al elegir la marca de acero y el espesor de la pared del tubo, se tiene en cuenta la composición química de los gases de escape y su temperatura.

Los tubos adosados a fachada y de fachada transmiten la carga de peso a través de una cimentación inferior adicional y la carga de viento a través de fijaciones aislantes de vibraciones. Este tipo de conductos de humos, desde el punto de vista de los costos de materiales, es el más económico debido a la ausencia de estructuras de soporte y una cimentación sólida.

El sistema modular utilizado en la creación de conductos de gases permite reemplazar fácilmente las partes dañadas.

Chimeneas de tipo cercha

Esta estructura metálica consiste en tubos fijados sobre una columna autoportante sólida de tipo armadura. La armadura, a su vez, está fijada en una canasta de anclaje embebida en la cimentación. Las chimeneas de tipo armadura son adecuadas para su uso en regiones con condiciones sismológicas peligrosas.

La estructura de tipo armadura incluye de 1 a 6 conductos. La columna está fabricada con tubos de acero laminado. El perfil del tubo puede ser cuadrado o triangular en sección transversal. Esto depende de la cantidad de conductos.

Para prevenir la corrosión, los conductos de gases se recubren con una imprimación y luego se pintan.

El conducto para la evacuación de gases está compuesto por módulos que constan de 3 capas:

• interior, en contacto directo con los productos de combustión y fabricada en acero inoxidable de calidades especiales;
• de 5-6 cm de espesor, que actúa como aislamiento térmico;
• exterior, que protege la capa aislante térmica de los efectos negativos del entorno.

Para el recubrimiento anticorrosión se utilizan pinturas con un alto contenido de zinc. En algunas estructuras, dentro de la columna pueden haber escaleras y plataformas que facilitan el mantenimiento. Los elementos estructurales de este tipo de tubos son relativamente livianos, lo que facilita tanto su transporte como los trabajos de montaje.

Chimeneas de tipo mástil

El elemento central de un tubo de mástil es la torre de soporte – de tres o cuatro mástiles – a la que se fijan los conductos de humos. Todos los componentes de la estructura se ensamblan sobre una base en forma de cojín de hormigón, comenzando desde abajo y avanzando gradualmente hacia arriba. En el ensamblaje se utilizan uniones remachadas o tornillos autorroscantes.

La estructura de soporte de la chimenea de mástil se ensambla a partir de perfiles de acero unidos entre sí mediante riostras y ángulos. Su columna se apoya en la cimentación y se fija con anclajes.

Generalmente, los elementos individuales se transportan al lugar de montaje y se ensamblan como un juego de construcción. Este proceso lleva muy poco tiempo: unas pocas horas. La altura de la chimenea puede alcanzar un máximo de 28,5 m. La estabilidad de la chimenea está garantizada por nervaduras de refuerzo: tirantes de acero con una sección de 1,6 a 2 cm. Compensan la acción de las fuerzas transversales.

Materiales para la construcción de tuberías de salas de calderas

Los sistemas de evacuación de humo se construyen con diferentes materiales – ladrillo, acero, cerámica, polímero. La chimenea de ladrillo, construida sobre estufas y chimeneas de ladrillo, se caracteriza por una buena resistencia mecánica, excelente capacidad térmica y un grado bastante alto de seguridad contra incendios.

Estas construcciones también tienen muchas desventajas, por lo que en la construcción moderna las chimeneas completamente de ladrillo son cada vez más raras. Los documentos normativos limitan la altura de las chimeneas de ladrillo a 30-70 m y el diámetro a 0,6-8 m.

En las paredes de una chimenea de ladrillo con muchas protuberancias y depresiones en su interior, siempre se deposita mucha condensación y hollín que contiene óxidos de azufre. Estos, al reaccionar con el agua, forman ácidos que destruyen activamente el ladrillo.

Las irregularidades de la superficie y el estrechamiento del paso debido a la acumulación gradual de hollín provocan una disminución de la velocidad de paso del humo y el vuelco del tiro en el conducto de humos.

Son más resistentes al condensado y a los factores externos las chimeneas de cerámica, tienen una alta resistencia al fuego. Pero este sistema tiene un gran peso, ya que en su interior hay varillas metálicas que le confieren resistencia adicional. De ahí surgen los requisitos de disponer obligatoriamente una base y soportes separados, lo que aumenta la mano de obra y el costo de instalación.

Las tuberías de polímero para evacuación de humo son adecuadas en salas de calderas con una temperatura máxima de 250 grados centígrados, al instalar calentadores de gas. Son ligeras, flexibles y duraderas, pero solo son relevantes para equipos de gas.

El dispositivo de evacuación de humo de acero inoxidable es un conjunto compuesto por elementos individuales de la chimenea unidos entre sí mediante piezas especiales: tes, boquillas, deflectores, tes, codos. Las chimeneas de acero se utilizan principalmente para calderas de gas.

El montaje de dicha chimenea se puede realizar incluso después de la construcción del edificio en poco tiempo. Existe una amplia gama de piezas de conexión, por lo que se le puede dar cualquier configuración al tubo.

El conducto de humos modular se puede desmontar y trasladar a otro lugar sin mucha dificultad. La ventaja de la construcción es también su peso ligero, lo que permite prescindir de los cimientos, la resistencia a la humedad, la escasa deposición de hollín en las paredes internas y la alta velocidad de paso de los gases de combustión.

Las normas sanitario-técnicas permiten utilizar tubos de acero para la construcción de chimeneas de más de 30 m de altura; solo es posible una excepción cuando se consumen menos de 5 t de combustible con alto contenido de cenizas al día. La razón es que la vida útil de estas construcciones es de 10 años, y si se utiliza combustible con alto contenido de azufre, se reduce significativamente.

Entre las variedades cuyo cuerpo está hecho de aleación de acero se encuentran las chimeneas coaxiales, cuya especificidad constructiva y características de funcionamiento recomendamos conocer.

Cálculo de los parámetros de la tubería

Para determinar la altura y el diámetro de la chimenea de la sala de calderas, es necesario realizar un cálculo aerodinámico de la estructura. El diámetro depende de la potencia de las calderas individuales o de toda la sala de calderas.

El tiro influye enormemente en la combustión del combustible y en la eliminación eficaz del humo, para lo cual es necesario un suministro constante de aire al hogar. Esto se consigue tanto de forma natural como artificial.

Si el sistema incorpora un extractor de humos, la altura de la chimenea no tiene una importancia decisiva. Este parámetro es importante principalmente para tener en cuenta las emisiones nocivas a la atmósfera. Para determinar el tiro natural, es necesario calcular tanto la altura como la sección de la chimenea.

Determinación de la altura de la chimenea con tiro natural

Para crear un tiro natural normal, es necesario cumplir la condición de igualdad entre la fuerza de tiro y la resistencia total que se produce durante el avance de los gases de combustión por los conductos de gas de la caldera y el conducto de la chimenea. Es posible conseguir ese tiro con una resistencia de gas pequeña, cuando la altura de la chimenea no supere los 60 m.

Este esquema simplificará el proceso de cálculo de los parámetros principales de la chimenea para la evacuación de los productos de combustión de cualquier combustible en los hogares de la sala de calderas

Los documentos normativos que regulan la ubicación y el cálculo de las chimeneas según la altura son SNiP 41-01-2003, SP 7.13130.2009.

También se deben tener en cuenta las recomendaciones indicadas en las instrucciones de la caldera, en particular, los siguientes requisitos:

1. La distancia desde los parrillas hasta el punto superior de la chimenea no debe ser inferior a 5 m.
2. Sobre un tejado plano sin barandilla alta, la chimenea debe sobresalir al menos 0,5 m.
3. Con respecto a la altura de la barandilla y la cumbrera del tejado, la chimenea debe superar su nivel en 0,5 m si se encuentra a menos de 1,5 m de estas estructuras.
4. Cuando el conducto de humos se encuentra a una distancia de entre 1,5 y 3 m del parapeto y la cumbrera, su punto superior debe coincidir con su nivel de altura.

Si la altura del conducto de humos se calcula incorrectamente, pueden surgir muchos problemas, y el principal son las turbulencias de aire o la zona de presión del viento. Las fuertes ráfagas de viento pueden apagar el fuego en el hogar.

Al instalar una chimenea, es necesario considerar la estructura del tejado, el espesor de la capa de cubierta, la distancia a los elementos de cerramiento y la cumbrera, así como las normas de seguridad contra incendios (+)

El cumplimiento de las normas de seguridad contra incendios también es una condición obligatoria al diseñar la chimenea de la sala de calderas. Es necesario aislar las estructuras adyacentes a la chimenea.

Para evitar que las chispas de las aberturas de ventilación de la chimenea caigan sobre el tejado cuando este está hecho de material combustible, la altura de la estructura se aumenta en 0,5 m. La chimenea de la sala de calderas debe estar alejada al menos 2 m de edificios altos y árboles.

La altura de la chimenea se determina según la estructura del tejado. Si el tejado es de varios niveles, se tienen en cuenta los desniveles en el cálculo, pero la base en todos los casos es la misma: la altura de la cumbrera (+)

Dado que el tiro óptimo se produce por la diferencia entre la densidad total de los gases que salen por el conducto y la columna de aire exterior de igual altura, el cálculo se realiza mediante la fórmula:

La altura del conducto de humos se calcula de forma independiente con esta fórmula. Todos los valores se pueden tomar de la documentación que acompaña al equipo de calefacción.

El cálculo es bastante complejo, es mejor que lo realicen especialistas. Parámetros que influyen en la altura de la chimenea:

1. El coeficiente A caracteriza la situación meteorológica de la región.
2. Mi – masa de los gases de combustión que pasan a través de la chimenea por unidad de tiempo.
3. F – velocidad a la que sedimentan las partículas formadas durante la combustión.
4. Spdki y Sfi – indicadores de concentración de diferentes sustancias en el gas de combustión.
5. V – volumen del gas.
6. T – diferencia entre las temperaturas del aire que entra y sale de la chimenea.

Si la sala de calderas está ubicada en un anexo a la casa, esta última se convierte en un obstáculo. Es necesario que en este caso la cabeza de la tubería se encuentre por encima de la zona de presión del viento. De lo contrario, el equipo de calefacción no podrá funcionar correctamente.

Para determinar en qué medida se debe alargar la chimenea, se encuentra el punto más alto de la casa y se traza a través de él una línea recta que forma un ángulo de 45 grados con la superficie del suelo. El espacio debajo de esta línea es la zona de presión del viento, y el conducto de humos debe estar por encima de ella.

Cálculo del diámetro de la tubería

Para calcular el diámetro de la chimenea existe la fórmula:

S = m/(ρr x w),

Aquí, m – consumo de combustible por hora, w – velocidad de movimiento de los gases de combustión, ρr – densidad del aire en condiciones de trabajo, se determina mediante la fórmula: pv = pVnu x 273⁄273 x tos. Donde to – temperatura del aire exterior, pVnu – densidad del aire en condiciones normales = 1,2932 kg/m3.

La tabla ayudará a determinar el valor de la densidad del aire ρg en condiciones de trabajo sin realizar cálculos complejos. Para simplificar los cálculos, el valor de la densidad de los gases de combustión se considera igual a la densidad del aire (+)

Supongamos que en una caldera se queman 50 kg de combustible sólido por hora, entonces por segundo serán 50 : 3600 = 0,013888 kg. La velocidad de los gases de combustión es de 2 m por segundo. A una temperatura del aire de -4 grados Celsius, la densidad del aire es 0,6881 kg por 1 metro cúbico. Entonces S = 0,013888 : (0,6881 x 2) = 0,010092 m² = 92 cm². Para una sección circular, d = √4 x 92 : 3,14 = 10,83 cm.

El diámetro de una chimenea cilíndrica también se puede calcular con otra fórmula: d = 1000/1,163 x (r x Q√H), donde r es un coeficiente que depende del tipo de combustible utilizado. Para carbón es 0,03, para leña 0,045, para gas 0,016, para combustible líquido — 0,024.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video con una demostración visual del proceso de cálculo de la altura del conducto de humos para el acondicionamiento de una sala de calderas:

Aquí el autor del video compartió su propia experiencia en el cálculo e instalación de una chimenea para una caldera de combustible sólido:

Otro video en ayuda del diseñador aficionado:

No es tan importante qué combustible utilizan las calderas en la sala de calderas. En cualquier caso, no se puede prescindir de un sistema de evacuación de gases de combustión. Los principales requisitos que deben cumplir los conductos de humos son un buen tiro y capacidad de paso, así como estándares ecológicos respetados.

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