Dimensionamiento de la chimenea de evacuación de los gases quemados en el marco de la modernización de los hornos de fusión del aluminio, para controlar las emisiones y respetar las normas medioambientales.
Lo esencial. En el marco de la ampliación de Aluminium Dunkerque — instalación de un nuevo horno n.º 8 de 65 toneladas — EOLIOS dimensionó mediante simulación CFD la chimenea de evacuación de los gases quemados. El estudio combina el marco reglamentario (Orden del 2 de febrero de 1998, NF EN 13084-1), una auditoría in situ (termografía, ensayos de humo) y simulaciones de los modos de fusión y mantenimiento de los hornos 7 y 8, para garantizar un tiro suficiente, controlar las pérdidas de carga y respetar las normas medioambientales de emisión.
El dimensionamiento de las chimeneas industriales en los sectores que tratan materias primas, como el aluminio, es esencial para optimizar el rendimiento de las instalaciones. Tiene en cuenta criterios técnicos, reglamentarios y medioambientales, para responder a las exigencias de eficiencia energética y de reducción de las emisiones.
Tomando como ejemplo una misión realizada por EOLIOS, este artículo examina las particularidades de diseño necesarias para las chimeneas de hornos de aluminio, subrayando la importancia de las soluciones avanzadas para controlar las emisiones de humos y de gases, respetando a la vez los estándares medioambientales.
La evacuación de los humos de combustión es crucial para el medioambiente, la seguridad y el confort de los operarios. El dimensionamiento de la chimenea se rige por normativas. La chimenea actúa como un aspirador de humo creando una depresión para extraer los humos de la cámara de combustión. Expulsa los humos elevándolos para favorecer su dispersión y reducir su impacto medioambiental.
No existe obligación legal, pero una norma recomienda una verificación cada dos años. Las chimeneas están expuestas a altas temperaturas y a ataques ácidos, lo que requiere una vigilancia regular.
Las principales normativas son el Código de medioambiente y la Orden del 2 de febrero de 1998. Normas como NF EN 13084-1, EN 1990, EN ISO 14122-1 y las fichas técnicas de combustión proporcionan directrices para el dimensionamiento, la seguridad, la conformidad y la gestión de los impactos medioambientales ligados a la evacuación de los humos de combustión.
Seguridad, medioambiente y conformidad. Los humos de combustión son calientes, corrosivos y pueden contener compuestos nocivos (partículas de aluminio, gases tóxicos). Un subdimensionamiento compromete la depresión de extracción, la dispersión de las emisiones y la conformidad con la Orden del 2 de febrero de 1998.
En el marco del proyecto de aumento de la capacidad de producción de lingotes, se contempla la instalación de un nuevo horno (n.º 8) junto al horno existente (n.º 7). Este horno tendrá una capacidad de 65 toneladas y se utilizará para la fusión de metales sólidos, así como para mantener el metal en estado líquido con vistas a la colada en la cadena de producción de lingotes. Los dos hornos funcionan en tándem para garantizar la continuidad de la producción. Esta ampliación requerirá una extracción adicional de los gases quemados hacia la chimenea existente.
El emplazamiento de Aluminium Dunkerque, construido en 1991, contaba inicialmente con 6 hornos de aluminio, 3 unidades de colada de placas y 1 cadena de producción de lingotes. En 2004 se instaló un séptimo horno, y en 2015 se añadió una segunda cadena de producción de lingotes. En 2022 se desmanteló la primera cadena de producción de lingotes. La nave de fundición alberga los hornos alineados a lo largo, con aireadores para la extracción de aire y lamas para la introducción de aire nuevo.
El dimensionamiento de una chimenea industrial para hornos de fusión del aluminio depende de varios factores, en particular:
La altura de la chimenea se determina en función de los niveles de emisiones de contaminantes y de la presencia de obstáculos que podrían dificultar la dispersión de los gases. No puede ser inferior a 10 metros. Esta medida se establece conforme a los artículos 53 a 56 de la orden del 2 de febrero de 1998, o se calcula basándose en los resultados de un estudio de las condiciones de dispersión de los gases adaptado al emplazamiento.
La CFD se utiliza para simular y analizar el comportamiento de los fluidos (aire, agua, gas…) en el interior de un horno, con el fin de comprender los fenómenos de transferencia de calor, de velocidad del flujo y de mezcla. La termografía, por su parte, permite visualizar las variaciones de temperatura mediante cámaras infrarrojas, que convierten las diferencias de temperatura en imágenes térmicas. Estas imágenes proporcionan información valiosa sobre las zonas calientes, frías y las diferencias de temperatura en el horno industrial.
Gracias al uso conjunto de la termografía y de la CFD, los ingenieros pueden tomar medidas correctivas para mejorar la eficiencia energética del horno, optimizar los procesos de producción, reducir los costes operativos y maximizar el rendimiento global. La termografía permite obtener datos en tiempo real, no invasivos, sobre las temperaturas en el interior del horno, lo que facilita la detección de los problemas potenciales (puntos calientes excesivos, zonas de refrigeración insuficiente).
La auditoría térmica tiene por objeto identificar los emplazamientos donde se concentra el calor y crear una cartografía de las zonas calientes y frías. Es importante señalar que las temperaturas facilitadas pretenden dar una estimación general más que una medida precisa.
Los ensayos de humo tienen por objeto visualizar la ventilación alrededor del horno 7. Estos ensayos, al igual que las imágenes térmicas, aportan datos complementarios para la validación de las simulaciones. Dada la presencia de aberturas como la entrada de aire y las aberturas laterales del horno, es esencial considerar el volumen que rodea el horno y las condiciones aeráulicas que prevalecen en él.
El funcionamiento del horno se divide en varias fases distintas: la fusión, el mantenimiento, la subida de temperatura, la apertura de las puertas y otras operaciones. El caudal de los gases varía a lo largo de estas fases y está influido por el número de hornos en funcionamiento. Se contempla añadir el horno 8 en alternancia para alcanzar los caudales de gas necesarios conforme a la normativa.
Uno de los métodos esenciales de nuestro enfoque es la simulación CFD (Computational Fluid Dynamics). Esta técnica puntera permite analizar y modelizar el comportamiento de los fluidos (gases, líquidos, suspensiones) mediante ecuaciones matemáticas complejas resueltas informáticamente. Así proporcionamos predicciones precisas y detalladas sobre los fenómenos aerotérmicos, los flujos de fluido, las transferencias de calor y las pérdidas de carga.
En el caso del dimensionamiento de chimenea para horno industrial, la CFD es especialmente útil para comprender y optimizar el proceso de combustión. Al estudiar las propiedades del fluido (temperatura, velocidad, presión) y su interacción con los distintos componentes de la chimenea, evaluamos las pérdidas de carga, es decir, las presiones perdidas durante el flujo a través del sistema.
La pérdida de carga es la caída de presión que sufre un fluido que circula por un conducto, por efecto de los rozamientos y de las singularidades (codos, cambios de sección). En una chimenea, unas pérdidas de carga demasiado elevadas reducen el tiro y comprometen la evacuación de los humos.
Además, la CFD permite analizar el aumento de presión por tiro térmico natural en la chimenea — esencial para asegurar una extracción eficaz de los humos utilizando la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. Podemos así optimizar el diseño para un tiro máximo minimizando las pérdidas de presión. Por último, estudiamos la erosión por los polvos en los humos: la CFD predice las zonas sensibles a la erosión, identifica los mecanismos de desgaste y propone soluciones de protección adaptadas (revestimientos resistentes, modificaciones de geometría).
El tiro térmico es el movimiento ascendente de los gases calientes en la chimenea, provocado por su diferencia de densidad con el aire exterior más frío. Cuanto mayores son la diferencia de temperatura y la altura, más fuerte es el tiro : es el motor natural de la extracción de los humos.
La estructura de la cubierta debe reforzarse localmente para permitir el paso de la chimenea. Se prevé un refuerzo particular, en forma de viga diagonal, para facilitar este paso. Dadas las limitaciones de espacio en la cubierta, existen cinco opciones posibles para la ubicación de este paso. Las posiciones 1 y 5 se priorizan por su accesibilidad y su idoneidad.
Optimizamos los codos y las conexiones para mejorar la eficiencia del flujo. Nuestro enfoque consiste en limitar cada codo a un máximo de 3 elementos para controlar los costes de ejecución.
Realizamos simulaciones para los dos escenarios más exigentes: el modo de fusión de los hornos 7 y 8, así como el modo de mantenimiento de los hornos 7 y 8. El objetivo principal era evaluar las velocidades de expulsión y los caudales de aire en las entradas de aire situadas por encima del punto de medición.
![Plano de velocidad en el eje y la sección de salida — [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Plano de velocidad en el eje y la sección de salida — [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
Las dimensiones de las entradas de aire eran similares a las de las chimeneas de los hornos 1 a 6. Para la primera chimenea, las simulaciones mostraron que las entradas de aire tenían un impacto limitado en el flujo, con caudales entrantes muy por debajo del objetivo fijado; no obstante, las velocidades a la salida se mantenían conformes a los objetivos. Para la segunda chimenea, las pérdidas de carga causadas por los codos abruptos en el conducto del horno 8 tuvieron un impacto negativo en el tiro, reduciendo el aporte de aire exterior y, en el caso de la fusión de los hornos 7-8, invirtiendo el sentido del flujo. Sin embargo, la diferencia de distribución de temperatura entre las dos chimeneas siguió siendo mínima.
Saber hacer: el dimensionamiento de las chimeneas industrialesDimensionamiento de chimenea, tiro térmico y simulación CFD de las emisiones industriales.
Una chimenea bien dimensionada crea la depresión necesaria para extraer los humos de la cámara de combustión, y luego los expulsa lo bastante alto para favorecer su dispersión y limitar el impacto medioambiental. El dimensionamiento garantiza un tiro suficiente, controla las pérdidas de carga y asegura la conformidad normativa.
Depende de los niveles de emisiones de contaminantes y de los obstáculos que puedan dificultar la dispersión de los gases. No puede ser inferior a 10 metros y se calcula según los artículos 53 a 56 de la orden del 2 de febrero de 1998, o a partir de un estudio de dispersión adaptado al emplazamiento.
El tiro térmico es el movimiento ascendente de los gases calientes, provocado por su diferencia de densidad con el aire exterior más frío. Es el motor natural de la extracción de los humos : la CFD permite optimizar el diseño para maximizar este tiro minimizando las pérdidas de carga. Más detalles en nuestro dosier sobre el efecto de tiro térmico.
La termografía y los ensayos de humo aportan mediciones reales (zonas calientes, ventilación alrededor del horno) que sirven para calibrar y validar las simulaciones. Combinados con la CFD, permiten analizar escenarios imposibles de reproducir in situ y hacer más fiable el dimensionamiento.
Las principales referencias son el Código de medioambiente y la Orden del 2 de febrero de 1998, completados por normas como NF EN 13084-1, EN 1990 y EN ISO 14122-1. Regulan el dimensionamiento, la seguridad, la conformidad y la gestión de los impactos medioambientales.
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Dimensionamiento CFD de la chimenea de evacuación de los gases quemados para la modernización de los hornos de fusión de aluminio (Aluminium Dunkerque): marco reglamentario (Orden del 2 de febrero de 1998, NF EN 13084-1), factores clave (caudal de gas, temperatura, composición de los humos), auditoría in situ (termografía, ensayos de humo), modelo 3D y optimización de los conductos, simulaciones de los modos fusión/mantenimiento de los hornos 7 y 8 y análisis del tiro térmico.
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