Sistema de gases de combustión

El sistema de gases de combustión empieza donde termina la caldera y tiene la misión de evacuar a la atmósfera de forma segura los gases de combustión producidos durante la combustión. Esto incluye los tubos de escape dentro y fuera de la sala de calderas, la chimenea y los componentes adicionales incorporados, como juntas de expansión, silenciadores o compuertas de gases de combustión.

Todos los componentes de un sistema de combustión, desde el quemador con su correspondiente ventilador hasta la chimenea, pasando por la caldera, el economizador, los tubos de escape y los silenciadores, deben estar cuidadosamente adaptados entre sí. Sólo así se puede garantizar un funcionamiento sin problemas a largo plazo en todas las condiciones de funcionamiento. Si los componentes individuales están mal adaptados o ejecutados incorrectamente, se producen vibraciones, ruidos, un aumento de las emisiones o una combustión inestable en todo el sistema.

Los sistemas de gases de combustión deben dimensionarse de acuerdo con la normativa nacional y local y las normas aplicables.

Los conductos de gases de combustión deben estar fabricados con materiales incombustibles y ser resistentes a los efectos de los gases de combustión y el calor. El material de todo el sistema de gases de combustión de la caldera de vapor debe ser adecuado para temperaturas de hasta 350°C. Si la caldera está equipada con un cuarto paso o con una caldera de calor residual para el aprovechamiento del calor residual de los gases de combustión de un módulo de cogeneración o de una turbina de gas, el sistema de gases de combustión debe ser adecuado para la temperatura más alta que pueda darse en cada caso.

Con frecuencia se aplican requisitos adicionales específicos de cada país para el diseño del sistema de gases de combustión y la altura de la chimenea. Por tanto, aquí sólo se describen los principios fundamentales de planificación funcional más importantes.

Tubo de escape

El tubo de escape conecta el extremo de la caldera con la entrada de la chimenea. Debe tenderse lo más directamente posible, ser aerodinámicamente eficiente y tener pocos codos para reducir al mínimo la pérdida de presión y de calor. El tubo no debe estrecharse ni ensancharse bruscamente, sino que debe utilizarse un ángulo de transición máximo de 30°. La conexión del tubo de escape a la chimenea debe establecerse siempre empotrándolo en un ángulo de 30 – 45°.

Requisitos generales de los tubos de escape

Dimensionamiento

Normalmente, el tubo de evacuación con todos sus componentes, como compuertas de gases de combustión, juntas de dilatación y silenciadores, puede continuar hasta la chimenea con el mismo diámetro nominal que el conector de gases de combustión de la caldera.

Al diseñar el sistema, no debe superarse una velocidad recomendada de 16.5 m/s con referencia a la temperatura de salida de la caldera. Dado que la velocidad recomendada se refiere al caudal de funcionamiento, el caudal másico de gases de combustión que se especifica normalmente debe convertirse al caudal de funcionamiento.

Para la conversión puede utilizarse la ley de los gases ideales.

Fórmula: Temperatura y presión normales y temperatura y presión estándar

Ejemplo, gas natural H:

λ = 1.15 Exceso de aire

ṁ_̇FG = 10,000 Caudal másico de gases de combustión [kg/h]

p_n,FG = 1.244 Densidad estándar de los gases de combustión [kg/m³_n]

T_b = 250 / 523.15 Temperatura de los gases de combustión [°C]/[K], después de la caldera y antes del economizador

p_b= p_n = 1.01325 Presión ambiente [bar] (no se tiene en cuenta la desviación de la condición estándar)

El cálculo del tiro del fabricante de la chimenea también puede requerir un diámetro nominal mayor, especialmente en el caso de chimeneas cortas y tubos de escape largos.

Silenciadores de gases de combustión

El objetivo de los silenciadores de gases de combustión es reducir la emisión de ruido de combustión. Para garantizar la eficacia del silenciador, éste debe estar diseñado para las frecuencias emitidas por el quemador, la potencia de la caldera y las emisiones sonoras homologadas especificadas.

Análisis de frecuencia A y nivel de presión acústica total correspondiente con referencia a la potencia de la caldera

El ruido producido durante la combustión se emite como ruido aéreo a través de la superficie del sistema de gases de combustión y emerge en la cabeza de la chimenea. El ruido de un sistema de caldera consiste principalmente en sonidos de baja frecuencia.

Estas emisiones sonoras pueden reducirse eficazmente con un silenciador de gases de combustión. Para cumplir los valores de emisión sonora prescritos, al diseñar un silenciador de gases de combustión debe tenerse en cuenta el espectro de frecuencias del ruido de los gases de combustión a la salida de la chimenea del sistema de caldera.

El gráfico de la figura (Análisis de frecuencia A y nivel de presión acústica total correspondiente con referencia a la potencia de la caldera)

muestra el nivel medio de presión acústica de una caldera, medido a la salida de la chimenea sin silenciador de gases de combustión en el sistema de gases de combustión. Dado que el sistema de combustión (por ejemplo, debido a la construcción del quemador o al perfil de flujo que se produce en la cámara de combustión) y el sistema de gases de combustión (por ejemplo, debido al número de codos, la longitud y el diámetro del tubo de escape) tienen una influencia considerable en los valores resultantes, aquí sólo se pueden especificar valores orientativos para el nivel de presión acústica. En el caso del sistema de varias calderas, deben sumarse los niveles sonoros de todas ellas.

Al planificar el tubo de escape, debe tenerse en cuenta que, para reducir las emisiones sonoras, el silenciador debe ser bastante largo, en función de los requisitos, y debe instalarse dentro o fuera del lugar de instalación antes de la entrada del tubo de escape en la chimenea.

Si los requisitos de emisión sonora son exigentes, por ejemplo en el sector hospitalario, debido a la complejidad del tema, es aconsejable consultar a un experto en acústica sobre el diseño específico del silenciador de gases de combustión.

Chimenea

El objetivo de la chimenea es evacuar los gases de combustión y los contaminantes que contienen de forma inofensiva al entorno, asegurándose de que se eliminan en la corriente de aire libre sin interrupciones y también se diluyen lo suficiente. Debe estar en las inmediaciones de la sala de calderas para evitar conductos de gases de combustión largos y los gases de combustión deben evacuarse verticalmente hacia arriba. No se permite la obstrucción de la corriente de aire libre mediante codos o toldos contra la lluvia.

Altura de la chimenea

La altura mínima requerida para la chimenea viene definida por los requisitos nacionales de control de la contaminación atmosférica.

Sección transversal y tiro de la chimenea

La temperatura de los gases de combustión en la chimenea es superior a la del aire exterior. Esto produce una fuerza de elevación, el llamado "tiro de chimenea", en la chimenea y en las secciones ascendentes del tubo de escape. Esto favorece la evacuación de los gases de combustión y produce una presión negativa en la chimenea y en las secciones del tubo de escape. El tamaño del tiro de la chimenea también está relacionado con la diferencia de temperatura en relación con la atmósfera a través de la densidad.

La sección transversal de la chimenea elegida debe ser lo suficientemente grande para permitir que las fuerzas de elevación superen la resistencia al flujo en la chimenea desde el extremo de la caldera. Por otro lado, la sección transversal no debe ser demasiado grande para garantizar que los gases de combustión sigan saliendo de la chimenea a una velocidad de al menos 6 m/s y para que no exista una presión negativa demasiado elevada en el extremo de la caldera, especialmente con chimeneas muy altas.

El cálculo del conducto de evacuación debe realizarlo siempre un contratista especializado o el fabricante de la caldera.