Informe técnico

Informe técnico
Sistema de Caldera
Calderas de condensación
Dipl.-Ing. Hardy Ernst, LOOS INTERNATIONAL
Ventajas competitivas gracias a las calderas de condensación
Mediante la tecnología disponible y probada de las
calderas de condensación, las centrales de calefacción
local pueden reducir sus costes operativos y contribuir
2.
Las calderas de condensación
favorecen la economía y la
ecología
En las calderas de condensación es
necesario extraer tanto del gas de
calefacción el calor perceptible como
también en parte del vapor de agua el
calor de vaporización que contiene para
reconducirlos al sistema de calefacción.
El gas de combustión se enfría por
debajo de su punto de rocío mediante un
sistema de intercambio de calor con el
agua de retorno fría para conseguir así su
condensación. La tabla 2 muestra la
Potencia
calorífica
(Hu)
[KWh/m³/kg]
Poder
calorífrico
(Ho)
[kWh/m³/kg]
Ratio
Punto de
Condensado
rocío de
teórico
gases de
Ho/Hu [%] cobustión °C kg/kWh
Gas natural
10,35
11,46
110,7
55,6
0,16
Gas natural
8,83
9,78
110,8
55,1
0,16
Gas propano
25,89
28,12
108,6
51,4
0,13
Gas butano
34,39
37,24
108,3
50,7
0,12
Gasóleo LFO* 11,90
12,72
106,9
47,0
0,10
Tabla 1: indicadores de los diferentes combustibles
Influencia de la temperatura de retorno sobr e el rendimiento de
la caldera y el volumen de condensado, gas natural
condensado
gas natural H
razón de aire: 1,1
rendimiento
punto de rocío
volumen del condensado en g/kWh
El poder calorífico es la cantidad de calor
liberada durante la combustión total del
combustible. Este valor incluye también
la parte de calor contenida en el gas de
combustión en forma de vapor, como
calor de vaporización. En los sistemas de
calderas convencionales esta parte del
calor no se aprovecha sino que se elimina
con los gases de combustión a través de
la chimenea. Por eso se suele hablar de la
potencia calorífica de un combustible, lo
que indica únicamente la cantidad de
calor perceptible contenida en el gas,
pero no la cantidad contenida en el
vapor de agua. De la misma forma, las
indicaciones sobre el rendimiento se
refieren siempre a la potencia calorífica.
En la tabla 1 se detallan los indicadores
de los diferentes combustibles.
Combustible
rendimiento de la caldera en %
1.
Las calderas de condensación
permiten alcanzar un
rendimiento superior al 100 %
además de modo activo a la preservación del medio
ambiente. Con una caldera de condensación adecuada se
amortizarán los gastos en menos de dos años.
temperatura de retorno en ºC
Tabla 2: influencia de la temperatura de retorno sobre el rendimiento de la caldera y el volumen
de condensado, gas natural (Ruhrgas)
influencia que el punto de rocío del gas
de combustión y la temperatura del agua
de retorno ejercen sobre el vapor de agua
que se condensa y sobre el rendimiento
de la caldera.
Las calderas de condensación permiten
aumentar considerablemente los
beneficios tanto en la economía nacional
como en las plantas productoras. En
comparación con las calderas
co nv en ci on al es la s ca ld er as de
cond ensa ción per mite n redu cir el
volumen de combustible y las emisiones
de contaminantes en más del 10 %.
3.
El gas natural mejora el
rendimiento de las calderas de
condensación
Si co mp ar am os lo s in di ca do re s
relevantes de los combustibles, el gas
natural ofrece el mayor potencial de
aprovechamiento, ya que tiene el mayor
contenido de agua y el punto de rocío
más alto de los gases de combustión. En
compara ción con el gasóle o LFO
dispone de más calor de condensación y
además en un nivel de condensación más
elevado. Estos gases de combustión
están prácticamente exentos de hollín y
azufre. Además, resultan mínimos los
gastos de limpieza de las superficies de
calef acció n suci as, nec esari os par a
mantener el rendimiento y los de
eliminación del condensado. El hecho
de utilizar como combustible gasóleo
LFO supone dedicar a este tema una
mayor atención, si bien incluso en este
caso se han impuesto las calderas de
condensación, sobre todo si se utilizan
gasóleos con reducido contenido de
azufre. Se puede decir, por lo tanto, que
en la actualidad se trata de una tecnología
consolidada.
4.
Ámbitos de aplicación
Hasta ahora las calderas de
condensación se han utilizado cuando se
trataba de calderas pequeñas o de
calderas murales para calefacción central
y agua sanitaria caliente para viviendas y
bloques de pisos. Las centrales de
calefac ción local y las plantas de
calefacción para edificios extensos o
para toda una manzana con una potencia
de varios MW no utilizan todavía estas
calderas con la frecuencia que pudiera
esperarse.
5.
Sistemas de calefacción
adecuados
Lo s cr it er io s de ci si vo s pa ra el
re nd im ie nt o s on el si st em a d e
calefacción y las temperaturas de
servicio reales. Básicamente han de ser
sistemas donde el agua de la calefacción
circule directamente por la caldera y los
radiadores. Además, debería utilizarse
un mando de caldera que opere en
función de las condiciones atmosféricas
y que proporcione la regulación gradual
del agua de la caldera. Los sistemas de
suelo radiante de nueva proyección y los
radiadores de baja temperatura y gran
superficie se adaptan singularmente a la
utilización de calderas de condensación
y al funcionamiento con condensación
d u r a n t e t o d o e l a ñ o. M u ch a s
instalaciones que funcionan hace años
es tá n eq ui pa da s co n ra di ad or es
sobredimensionados que durante la
mayor parte del período de calefacción
tienen un rendimiento adecuado incluso
con temperaturas de servicio más bajas;
son, por lo tanto, aptas para el empleo de
calderas de condensación. También en
los sistemas de calefacción con zonas
térmicas diferenciadas que trabajan con
bajas temperaturas cabe utilizar calderas
de condensación. En muchos edificios
se ha realizado a posteriori el aislamiento
térmico, por lo que el sistema de
calefacción de estos edificios admite
tem per atu ras más baj as. Ade más,
durante la mayor parte del año se pueden
aprovechar las temperaturas de retorno
para mejorar el rendimiento.
Normalmente no se recomienda la
utilización de calderas de condensación
en sistemas de calefacción a distancia
con circuitos de calefacción primarios
para el calentamiento de centrales
domésticas conectadas a circuitos
secundarios para el calentamiento de
edificios. Los circuitos de calefacción
primarios conectados a las calderas de
ca le fa cc ió n f un ci on an co n u na s
temperaturas de retorno que no
permiten la condensación de los gases
de combustión.
aislamiento
tubos de humo
2º y 3er pasos
1er paso del hogar
conexión para salida
de gases de
combustión
conexión para
condensado de gases
de combustión
economizador
conexión para
condensado de gases
de combustión
conexión de
vaciado
Fig 3: sección de la caldera de calefacción UNIMAT, con economizador integrado
9.
6.
Calderas de calefacción con
tecnología para aumentar el
rendimiento
Las calderas de condensación y los
calentadores de gas para rendimiento
reduci do se fabric an casi siempr e
totalmente en acero inoxidable. Las
cald eras de cale facc ión de mayor
rendimiento pensadas para calentar
grandes edificios y manzanas enteras no
se fabrican en acero inoxidable; esto se
debe a motivos técnicos y a los elevados
costes que ello implica. Las calderas de
cond ensa ción se equi pan con un
economizador especial hecho de acero
inoxidable e integrado en la caldera o
bien instalado como módulo externo
(fig. 3 y 4).
El ec on om iz ad or ex te r no es tá
especialmente adecuado para
adaptaciones posteriores. La caldera de
calefacción representada en la fig. 3 está
concebida como caldera pirotubular con
hogar y tres pasos, con cámara trasera de
invers ión de l gas de com busti ón,
ref rig era da. Su dis eño fun cio nal ,
retorno con temperaturas bajísimas
circula primero por el economizador de
condensación; justo antes de pasar a la
caldera se mezcla en el módulo de
mantenimiento de la temperatura de
retorno con el agua de avance (fig. 5)
para conseguir la requerida temperatura
de entrada mínima de 50 º. Gracias a un
inyector especial en el vértice de la
caldera se obtiene una circulación eficaz
y el aumento de la temperatura por
encima del punto de rocío del gas de
co mb us ti ón . La s su pe rf ic ie s de
calefacción de la caldera permanecen
secas en cada funcionamiento a carga
parcial, y la gama de regulación de los
correspondientes quemadores, así como
los quemadores modulantes, pueden
aprovecharse en su totalidad. Incluso
con este modo de funcionamiento - a
baja potencia y con carga reducida - se
obtienen largos tiempos de servicio de
los quemadores con bajas temperaturas
de los gases de combustión y un óptimo
rendimiento de las calderas.
Si se trabajase con temperaturas del agua
de caldera inferiores al punto de rocío de
los gases de combustión se requeriría
mantener en seco el lado del gas y
determinar la carga mínima requerida
del quemador para evitar corrosiones en
el punto de rocío. En tal modo de
funcionamiento se producen, incluso
con quemadores modulantes con carga
mínima decreciente, tiempos de servicio
más cortos y paradas más largas de los
quemadores, lo que reduce
considerablemente el rendimiento de las
calderas.
8.
Fig. 4: economizador para colocación externa
o adaptación posterior
redondo, permite acoplar, en el 2º y 3er
pasos de los tubos de humo, la extensa
superficie de calefacción por convección
a la gran superficie de calefacción
radiante del hogar. Esto proporciona
una eficacia superior al 95 %, incluso sin
que existan una superficie giratoria en
los tubos de humo ni superficies de
calefacción acopladas.
7.
Aumento óptimo del
rendimiento de las calderas
El máximo aumento del rendimiento de
las calderas se obtiene con temperaturas
de retorno lo más bajas posible. El
Funcionamiento combinado
con gasóleo LFO
Existen muchas razones para equipar
una caldera de calefacción con un
sistema combinado de combustibles
porque permite utilizar indistintamente
gas natural o gasóleo LFO. Por ejemplo,
cuando se ha suscrito un contrato de
desconexión del gas en períodos de
fue rte s hel ada s el sis tem a pue de
fu nc io na r te mp or al me nt e co n el
combustible sustitutivo, el gasóleo LFO.
Para ello se utiliza un economizador de
condensación con bypass para los gases
de combu stión y provis to de un
dispositivo de chapaletas motorizado.
Con el conmutador-selector se pasa
automáticamente del funcionamiento
con bypass, en el g asóleo, al de
co nd en sa do, en el ga s n at ur al .
Conductos resistentes a la
corrosión y herméticos para
los gases de combustión
Todos los conductos que entren en
contacto con los gases de combustión
condensados han de ser resistentes a la
corrosión y herméticos para los gases de
combustión. Las partes de la carcasa del
condensador de los gases de combustión
expuestas a la corrosión, así como los
conductos de los gases de combustión y
las chimeneas, se fabrican normalmente
de acero inoxidable. Gracias a las
calderas de condensación se consigue
reducir las temperaturas de los g ases de
combustión a niveles muy bajos que casi
no superan los 50 ºC. El tiro natural de la
chimenea no basta para evacuar de
ma ne ra ec on óm ic a lo s ga se s de
combustión mediante vacío en los
conductos, tal y como normalmente se
pro ced e. El equ ipo de g ase s de
combu stión , inclu ida la chime nea,
debería diseñarse, por tanto, hermético
para los gases de combustión y apto para
el funcionamiento a sobre presión en el
lado de gases, para posibilitar secciones
tr an sv er sa le s m ás re du ci da s. El
quemador y/o ventilador del aire de
combusti ón de la caldera han de
diseñarse de tal forma que superen todas
las resistencias en el lado de gases. Esto
requiere una planificación, verificación y
sintonización integrales.
Evacuación y neutralización
10. del
condensado
El condensador y las tuberías de gases de
combustión, así como la chimenea,
deben equiparse con los
correspondientes dispositivos de
drenaje para evacuar el condensado. Las
cantidades de condensado teóricas se
pueden ver en la tabla 1. Las cantidades
de condensado reales dependen del
grado de condensación y suelen oscilar
entre el 40 y el 60 %, de las cantidades
teóricas, tal como figuran en la tabla 1.
Medido con el valor pH, como grado de
acidez para líquidos, el condensado de
los gases resultante de la combustión del
gas natural, tiene un valor pH entre 3,5 y
4,5. Las temperaturas de condensado
son inferiores a 50 °C. Las autoridades
lo ca le s en ca rg ad as de la s ag ua s
residuales son el órgano competente en
materia de vertidos a la red pública de
aguas residuales. La Asociación Técnica
de Ag ua s Re si du al es (A TV ) ha
publicado una hoja técnica en la cual
recomienda para calderas de
condensación alimentadas con gas
retorno
avance
avance
PI
M
retorno
PSH
M
42
42
TC
40
M
TE
LSL
41
TSH TC
TSL
TI
TC
46
PI
TI
47
44
TI
TI
44
gas de
combustión
Fig. 5: conmutación hidráulica para optimizar el poder calorífico
natural y con una producción de energía
térmica superior a los 200 kW, un equipo
de neutralización y la observación del
valor pH de > 6. Para cumplir con esta
exigencia, las calderas de condensación
con un rendimiento de unos 2000 kW
pueden equiparse con cajas de granulado
o, si se trata de mayores potencias, con
sistemas de neutralización líquida que
aumentan el valor pH en la misma
proporción.
sobre la
11. Consideraciones
rentabilidad
Para determinar el tiempo de
amortización y la cantidad de
combustible ahorrado cada caso
requiere un cálculo individual, realizado
con los métodos conocidos. Resulta
poco razonable establecer resultados
genéricos. Cuando se compara la
inversión necesaria para una caldera
convencional con la de una caldera de
condensación, deberán tenerse en
cuenta los aspectos siguientes:
• Los costes del economizador
integrado y, en el caso de un quemador
combinado, los del bypass y de la
conexión hidráulica.
• Los costes de la evacuación del
condensado y la neutralización en
calderas con una producción superior
a los 200 kW.
• En su caso, los costes de las tuberías de
acero inoxidable, dado que la chimenea
suele ser casi siempre de este material.
• Los quemadores no suelen provocar
costes adicionales, ya que el
incremento de las resistencias en el
lado de gases queda compensado por
el menor caudal de gases de
combustión, como consecuencia del
ahorro de combustible.
Si se tienen en cuenta estos aspectos, la
inversión adicional necesaria para una
caldera de condensación de 2,5 MW
respecto a una caldera convencional,
ambas sin chimenea, asciende a 20.000,€. Con una carga media del 60 %, estos
costes adicionales se recuperan al cabo
d e 6 6 0 0 h o r a s d e s e r v i c i o,
apr oxim ada men te. Com o bas e de
cálculo se ha tomado un rendimiento de
la caldera de condensación sólo un 7,5 %
superior y un precio medio del gas
natural de 26 cents/m3.
Las centrales de calefacción local con
conexión directa con todos los
consumidores ofrecen grandes
posibilidades, todavía no
suficientemente explotadas, a las
calderas de condensación. Un mayor
número de análisis de rentabilidad y
viabilidad de la condensación de los
gases de combustión realizado en las
centrales de calefacción local
demostraría que el calor requerido
durante la mayor parte del período de
calefacción se puede producir con un
nivel de temperatura más bajo, lo que en
muchos casos permitiría aumentar el
rendimiento de las calderas. Las
empresas suministradoras de calor
podrían mejorar su competitividad y
contribuir además activamente a
preservar el medio ambiente.