Diseño y cálculos de pérdidas de carga en conductos de humos de un laboratorio: reducir las pérdidas de carga y eliminar los riesgos de condensación.
El objetivo principal de este estudio es comprender y mejorar el rendimiento de los conductos de humos en los sistemas de combustión, poniendo especial énfasis en la reducción de las pérdidas de carga y la eliminación de los riesgos de condensación. Los conductos de humos, si no están correctamente diseñados, pueden crear barreras en el flujo, aumentando así la necesidad de una potencia adicional para mantener el caudal requerido, lo que conlleva una ineficiencia energética significativa. Este reto es crucial porque afecta no solo a la eficacia operativa sino también a la durabilidad global de los sistemas.
Lo esencial. Para el LNE, EOLIOS dimensionó en CFD una red de conductos de humos de laboratorio. El estudio aborda dos retos acoplados: reducir las pérdidas de carga (codos, deflectores, estrechamientos) para ahorrar energía de extracción, y mantener la pared por encima del punto de rocío para evitar la condensación corrosiva. El trazado se optimizó con curvaturas suaves de diámetro homogéneo para preservar un flujo laminar.
Por otra parte, la acumulación de condensación en el interior de los conductos puede provocar problemas de corrosión, acortando así la vida útil de las infraestructuras. Esto hace necesario el estudio en profundidad de los comportamientos térmicos y dinámicos de los fluidos dentro de los conductos, con el fin de proponer soluciones de diseño adaptadas que consigan minimizar estos efectos indeseados. En definitiva, el proyecto pretende promover la seguridad y la durabilidad de los sistemas de gestión de los humos.
Los conductos de humos presentan una serie de restricciones técnicas y operativas que deben tenerse en cuenta para asegurar un funcionamiento óptimo. Las pérdidas de carga constituyen una preocupación importante, ya que representan la resistencia que el humo debe superar para ser evacuado del sistema, lo que a menudo requiere un consumo adicional de energía. Estas pérdidas pueden estar causadas por elementos estructurales como codos demasiado cerrados, estrechamientos bruscos o dispositivos internos como los deflectores, que perturban el flujo laminar de los humos. Otra restricción crítica es la gestión de la condensación en el interior de los conductos.
La pérdida de carga es la caída de presión que sufre un fluido al circular: cada codo, estrechamiento u obstáculo disipa una parte. Demasiado elevada, obliga a aportar más energía para mantener el caudal. Consulta el dosier pérdida de carga y resistencia hidráulica.
Cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de rocío de los humos, puede producirse un fenómeno de condensación, que provoca una acumulación de líquido potencialmente corrosivo. Esto no solo daña los conductos, sino que también puede comprometer la seguridad de todo el sistema. Las normas industriales y reglamentarias imponen además exigencias estrictas en materia de seguridad y rendimiento duradero para prevenir estos riesgos. Por último, restricciones prácticas como el espacio limitado para la instalación de los conductos, el acceso para el mantenimiento y el respeto de las normativas locales pueden influir considerablemente en el diseño y la instalación de los sistemas.
El punto de rocío es la temperatura a la que el vapor de agua contenido en los humos empieza a condensarse. Si la pared del conducto desciende por debajo de este umbral, se forma un líquido a menudo ácido que corroe el conducto. Se dimensiona por tanto el aislamiento para mantener la pared por encima.
Para asegurar la eficacia y la fiabilidad de los conductos de humos, deben respetarse rigurosamente diversos criterios técnicos y de diseño. En primer lugar, la reducción de las pérdidas de carga requiere un diseño que priorice un flujo de humo lo más suave y constante posible, minimizando los ángulos de los codos y evitando los obstáculos en el recorrido del flujo. Esta optimización estructural permite limitar la necesidad de energía adicional para el desplazamiento de los humos, reduciendo así los costes energéticos.
Por otra parte, un aislamiento térmico adecuado es indispensable para mantener las temperaturas internas de la conducción por encima de los umbrales de rocío calculados para los distintos componentes de los humos. Esto ayuda a impedir cualquier forma de condensación que podría no solo deteriorar los conductos, sino también provocar fugas y daños imprevistos. La elección de los materiales es también crucial, y requiere metales o revestimientos resistentes a la corrosión concebidos para resistir las condiciones ácidas potencialmente causadas por los humos.
El tiro térmico es el motor natural de la evacuación de los humos: más calientes y más ligeros, ascienden por la chimenea y crean una depresión que aspira los gases. Unas pérdidas de carga demasiado elevadas o una pared demasiado fría debilitan este tiro. Consulta el efecto de acumulación térmica.
La modelización numérica por dinámica de fluidos (CFD) resulta ser una herramienta indispensable para este estudio, aportando soluciones analíticas a los retos complejos que plantea la gestión de los humos. La CFD ofrece la posibilidad de recrear con precisión las condiciones internas de los conductos de humos, permitiendo una visualización detallada de los flujos de fluidos. Gracias a esta tecnología, es posible evaluar el impacto de cada elemento del diseño en las pérdidas de carga, optimizar las configuraciones para limitar estas pérdidas y así mejorar la eficiencia energética global del sistema. Las simulaciones también pueden predecir las variaciones de temperatura a lo largo de las paredes de la conducción, identificando las zonas críticas donde el riesgo de condensación es más elevado y permitiendo probar intervenciones sin los costes asociados a la fabricación y la instalación de un prototipo físico.
Al proporcionar datos valiosos sobre el comportamiento dinámico de los fluidos, la CFD permite explorar diferentes escenarios de diseño antes de su ejecución, lo que reduce considerablemente el tiempo y los costes asociados al desarrollo de nuevas instalaciones. Además, la capacidad de modelizar el rendimiento de los conductos bajo diferentes condiciones operativas permite prever y mitigar los posibles fallos antes de que se produzcan, contribuyendo así a la fiabilidad y a la seguridad del sistema.
Durante el diseño de los conductos, se prestó un cuidado particular a la elección del trazado para minimizar las pérdidas de carga. La optimización del recorrido requirió un análisis minucioso de las configuraciones posibles, teniendo en cuenta las restricciones espaciales y las características inherentes a los emplazamientos de instalación. Los codos se limitaron en lo posible, con preferencia por curvaturas suaves en tres segmentos en lugar de ángulos agudos, con el fin de reducir las turbulencias que aumentan la resistencia al flujo. Las secciones de conducción se diseñaron para mantener una homogeneidad de diámetro, evitando los estrechamientos bruscos susceptibles de crear cuellos de botella. Por otra parte, la disposición coherente de los segmentos de conducción permitió optimizar el trazado global, reduciendo así la longitud total de los conductos y disminuyendo las pérdidas de carga asociadas al rozamiento interno.
Al integrar un enfoque basado en la modelización CFD en el proceso de diseño, unas simulaciones permitieron identificar las configuraciones más eficaces, asegurando un flujo laminar y continuo minimizando a la vez la energía necesaria para evacuar los humos. Gracias a estas estrategias de diseño, el sistema propuesto no solo respeta las exigencias reglamentarias sino que también mejora la eficiencia energética global, asegurando así una durabilidad y una eficacia mayores de las instalaciones.
La empresa EOLIOS es reconocida por su pericia técnica avanzada y su capacidad para llevar a cabo proyectos de ingeniería de conductos de humos con rigor. Con una rica experiencia en modelización CFD, EOLIOS utiliza las últimas tecnologías para analizar y optimizar los flujos de humo, garantizando que los conductos sean a la vez eficaces y conformes a las normas más exigentes. Los ingenieros y especialistas de EOLIOS poseen una comprensión profunda de las dinámicas de fluidos y de las restricciones térmicas, lo que les permite proponer soluciones innovadoras y personalizadas que integran las mejores prácticas del sector. Este estudio prolonga nuestro saber hacer en el dimensionamiento de las chimeneas industriales.
A recordar. En una red de humos, dos exigencias tiran en sentidos opuestos: reducir la pérdida de carga empuja a abrir y acortar, mientras que evitar la condensación obliga a aislar y mantener la pared caliente. La CFD sirve precisamente para encontrar el trazado que satisface ambas.
Pérdidas de carga, condensación y optimización del trazado de una red de conductos de humos.
Cada codo, estrechamiento o deflector opone una resistencia al flujo. Cuanto mayor es la pérdida de carga, más energía se necesita para mantener el caudal de extracción, lo que degrada la eficiencia energética y la fiabilidad del sistema. Un reto similar se trató en nuestro proyecto pérdidas de carga del CNIT.
Cuando la pared desciende por debajo del punto de rocío de los humos, el vapor se condensa en un líquido a menudo ácido. Este líquido corroe el conducto y acorta su vida útil; un aislamiento suficiente mantiene la pared por encima del punto de rocío.
Se actúa sobre la geometría del trazado: curvaturas suaves en tres segmentos en lugar de ángulos vivos, diámetro homogéneo sin estrechamiento brusco, longitud total minimizada. Esto preserva un flujo laminar y reduce la resistencia.
Visualiza el flujo real en el conducto, localiza las zonas de turbulencia y de pérdida de carga y predice la temperatura de pared. Se prueban varios trazados en digital antes de fabricar, sin coste de prototipo.
Un ángulo vivo despega el flujo y crea remolinos muy disipativos. Una curvatura suave en tres segmentos guía el humo progresivamente, reduce la turbulencia y por tanto la pérdida de carga local.
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Diseño y cálculo de las pérdidas de carga de una red de conductos de humos en laboratorio (LNE): diagnóstico de las restricciones (codos, deflectores, condensación en el punto de rocío), criterios de diseño (flujo suave, aislamiento, materiales anticorrosión), modelización CFD de los flujos y temperaturas, y optimización del trazado (curvaturas suaves, diámetro homogéneo) para un flujo laminar y un mejor rendimiento energético.
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