Calderas

Las calderas son los elementos que aportan calor a un fluido, agua en las edificaciones, que transmiten la energía hasta las unidades terminales. Existen distintas maneras de clasificarlas en función de criterios variados.

Las calderas son los equipos convencionales para generación de calor y que son imprescindibles para la eficiencia energética. Calientan agua quemando un combustible. En muchas instalaciones, las calderas se utilizan para producir agua caliente para calefacción y ACS.
Existen diferentes definiciones extraídas de la normativa española como la siguiente:

Todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

Tipos de calderas

• Caldera de vapor: la que utiliza como fluido caloriportante o medio de transporte el vapor de agua.
• Caldera de agua sobrecalentada: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110 ºC.
• Caldera de agua caliente: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura igual o inferior a 110 ºC.
• Caldera de fluido térmico: toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua.

También clasifica las calderas como:

• Clase primera: pirotubulares o acuotubulares.
• Clase segunda: Calderas que igualen o superen los valores de presión de la norma.

Si se clasifica por el tipo de combustible nos encontramos con:

• Calderas de tipo sólido: carbón, madera, biomasa.
• Tipo líquida: petróleo y sus derivados (gasóleo y fuel). Los combustibles líquidos requieren quemadores mecánicos, por lo que se utilizan calderas de sobrepresión; las más habituales son de chapa de acero, pirotubulares, aunque también existen numerosos modelos de elementos de hierro fundido.
• Gases: calderas de gas natural y gas licuado de petróleo. Dependen de los quemadores asociados a ellas. Muchas permiten combustibles líquidos o gaseosos, con sólo adaptar el quemador.
• Policombustibles: pueden funcionar con varios combustibles.
• Calderas eléctricas.

Clasificación por la presión del hogar:

• Depresión.
• Atmosféricas: exclusivas para combustibles gaseosos, incorporan quemadores atmosféricos en todas sus variedades.
• Sobrepresión: la mayoría de chapa de acero pirotubular, aunque también las hay de hierro fundido y de acero inoxidable para condensación.

Por la disposición de los fluidos:

• Calderas de tubos de agua o acuatubulares: el agua circula por el interior de los tubos y los productos de la combustión por el exterior.
• Calderas de tubos de humos o pirotubulares: en este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula fuego y gases producto de un proceso de combustión.

Otros criterios para clasificar una caldera:

• El tiro: natural o forzado.
• El sistema de apoyo: apoyadas o suspendidas.
• Mecanismo de transmisión de calor: convección, radiación, radiación‐convección.
• Material de fabricación: chapa de acero, fundición.

Métodos de cálculo de la eficiencia energéticas en calderas

Es un hecho bien conocido que el precio inicial de la caldera es una pequeña parte de los costes totales asociados con la caldera durante su vida útil.

En la vida operacional de una caldera, los costes importantes son principalmente los del combustible. Asegurar un funcionamiento eficiente de la caldera es fundamental para optimizarlos.

No siempre es cierto que una caldera funcionará a su eficiencia nominal. Casi todas las veces, las calderas funcionan a una eficiencia mucho menor que en un inicio y si no se hace un mantenimiento adecuado será bastante menor.

El monitoreo y mantenimiento de la eficiencia de la caldera para la vida operativa total de la caldera es una necesidad para cortar las facturas de combustible y reducir la huella de carbono.

Eficiencia de una caldera

La eficiencia de la caldera de gas natural, por ejemplo, es el resultado de la suma de las eficiencias de diferentes componentes de una caldera.

Una caldera tiene muchos subsistemas cuya eficiencia afecta al rendimiento general de la caldera.

Para ser una caldera eficiente existen un par de eficiencias que contribuyen de manera fundamental a la de la caldera, la de combustión y la térmica.

Aparte de estas eficiencias, hay algunas otras pérdidas que también juegan un papel a la hora de decidir la eficiencia de la caldera y por lo tanto se debe considerar al calcular la eficiencia de la caldera.

Eficiencia de combustión

La eficiencia de combustión de una caldera es la indicación de la capacidad del quemador para quemar combustible.

Los dos parámetros que determinan la eficiencia del quemador son las cantidades de combustible no quemadas en los gases de escape y los excesos de oxígeno en el escape.

A medida que aumenta la cantidad de exceso de aire, la cantidad de combustible no quemado en el escape disminuye.

Esto resulta en la reducción de las pérdidas de combustible sin quemar, pero elevando las pérdidas de entalpía. Por lo tanto, es muy importante mantener un equilibrio entre las pérdidas de entalpía y las pérdidas quemadas. La eficiencia de combustión también varía con el combustible que se está quemando.

La eficiencia de combustión es mayor para combustibles líquidos y gaseosos que para combustibles sólidos.

Eficiencia térmica

Se ve influida de manera directa por el rendimiento del intercambiador de calor de la caldera que transfiere la energía térmica de la chimenea al lado del agua.

Hay que tener en cuenta que la eficiencia térmica se ve gravemente afectada por la formación de hollín en los tubos de la caldera.

Otros factores

La eficiencia general de la caldera depende de muchos más parámetros, aparte de la combustión y la eficiencia térmica. Estos otros parámetros incluyen pérdidas de encendido-apagado, pérdidas de radiación, pérdidas por convección, pérdidas de soplado, etc.

Cálculo en la eficiencia energética en calderas

En la práctica real, dos métodos se utilizan comúnmente para conocer la eficiencia de la caldera, el método directo y método indirecto.

Método directo

Para calcular la eficiencia de la caldera mediante este método, dividimos la producción total de energía de una caldera por entrada total de energía dada a la caldera, multiplicada por cien.

E = [Q (H-h)/q * GCV] * 100

Donde,

Q = cantidad de vapor generado (kg/hr)
H = entalpía de vapor (kcal/kg)
h = entalpia del agua (kcal/kg)
GCV = valor calorífico bruto del combustible.

Hay que tener en cuenta las unidades de medida de la energía para realizar correctamente los cálculos

Método indirecto

La eficiencia indirecta de una caldera se calcula averiguando las pérdidas individuales que se están llevando a cabo en una caldera y restando la suma del 100%.

Este método consiste en averiguar las magnitudes de todas las pérdidas mensurables que se están llevando a cabo en una caldera por medidas separadas.

Todas estas pérdidas se suman y restan del 100% para averiguar la eficiencia final. Este método debe aplicarse según las normativa en vigor.

Comparación entre la eficiencia directa e indirecta

Ambos métodos para conocer la eficiencia de la caldera tienen algunas ventajas y algunas desventajas asociadas con ellos. Siempre existe alguna diferencia en los valores de eficiencias directas e indirectas.

La mayor ventaja del método indirecto es que también habla de las fuentes de pérdidas. Al descubrir la eficiencia indirecta, se puede llegar a saber dónde se encuentran las pérdidas y se pueden reducir.

Por otra parte, los valores de eficiencia directa están más cerca de la realidad en comparación con la eficiencia indirecta a causa de pérdidas descubiertas como pérdidas de radiación, pérdidas de encendido-apagado, etc.

Pero la eficiencia directa sólo nos puede decir acerca de la magnitud de la pérdida global.

Ninguna información sobre pérdidas individuales y sus magnitudes se transmite del cálculo directo de la eficacia.

Circuitos de una caldera

Desde el punto de vista del funcionamiento, una caldera, es básicamente un intercambiador de calor entre dos circuitos, uno de combustión y otro de agua.

El circuito de agua de una caldera consta de los siguientes sistemas:

• Un sistema de alimentación de agua, con dispositivos para mantener el nivel mínimo de agua requerido para el funcionamiento correcto.
• Equipos de tratamiento retirar lodos, controlar la dureza del agua y la mineralización.
• Depósito acumulador: permite el almacenamiento de agua de consumo inmediato.
• Depósito de retorno de condensados, recuperación del vapor para después mezclarlo con el agua de alimentación del circuito.

El circuito de combustión tiene los siguientes componentes:

• Tanques de recepción y preparación.
• Filtros, retienen impurezas del combustible.
• Válvulas de paso, permiten la regulación o interrupción del paso del combustible.
• Bombas de inyección, alimentan el quemador.
• Precalentadores, para bajar la viscosidad de los combustibles pesados.
• Quemador.

Quemadores de calderas

El quemador es un sistema electromecánico para el quemado de combustible con las siguientes funciones:

• Proporcionar el combustible a la cámara de combustión en condiciones de ser quemado.
• Aportar el aire necesario a la cámara de combustión.
• Mezclar en la proporción adecuada y correctamente el aire y el combustible.
• Encender, mantener la llama y quemar la mezcla.
• Desplazar los productos de la combustión hacia la salida de los humos.

Una clasificación muy usada para la aportación de aire en la combustión es:

• Quemadores atmosféricos: únicamente empleados para combustibles gaseosos y combustiones con altos índices de exceso de aire. El aire de combustión se aporta por dos métodos: una parte se induce en el propio quemador por el chorro de gas salido de un inyector (Venturi) y el resto se obtiene por difusión del aire ambiente alrededor de la llama. La energía de activación se logra con encendidos automáticos. La regulación del gas se consigue variando la presión en el inyector y la regulación de aire actuando mediante un válvula sobre la sección de la entrada de aire (aunque habitualmente se fija en la puesta en marcha y no se modifica).
• Quemadores atmosféricos de premezcla: incorporan un ventilador previo al quemador que aporta el aire de combustión, solo o mezclado con el combustible, consiguiendo una mezcla más homogénea, que proporciona una mejor combustión, además de una mayor potencia.
• Quemadores mecánicos o de sobrepresión: se emplean ventiladores o pulverizadores para mezclar el aire con el combustible. La combustión puede ajustarse actuando sobre el gasto de combustible, sobre la cantidad de aire a impulsar y sobre los elementos que producen la mezcla, por lo que es posible obtener un control más ajustado de la combustión.

Se pueden clasificar también por el número de escalones de potencia que producen:

• De una marcha: sin regulación. Se emplean para pequeñas potencias.
• De varias marchas: con dos o más escalones de potencia (pueden producir potencias distintas). Regulan la admisión de aire y combustible para conseguir el mayor rendimiento posible en cada escalón. Se utilizan en potencias intermedias o altas.
• Modulantes: proporcionan un escalonamiento continuo y ajustan continuamente la relación aire/combustible, optimizando su rendimiento.

El RITE (normativa española), fija la regulación mínima de los quemadores en función de su potencia en la tabla 2.4.1.1. de la IT 2.:

Otro concepto relacionado con el quemador es el hogar o cámara de combustión. Este es el lugar donde se desarrolla la combustión, condiciona la forma de la llama y el quemador adaptará la llama a él.

Chimeneas

Se define como el conducto de salida de los gases de combustión rodeado de una envolvente aislante y resistente.

El Tiro es la diferencia de presión que provoca el desplazamiento de los humos por la chimenea hasta el exterior.

Desde el punto de vista energético interesa la clasificación por el tipo de tiro:

• Tiro natural: la diferencia de presión es producida por la diferencia de densidades entre el aire ambiente y los productos de la combustión.
• Tiro artificial: la diferencia de presión es producida por medios mecánicos, a su vez puede ser:
  • Tiro forzado: la evacuación de humos se realiza mediante ventiladores que impulsan los humos desde la parte baja de la chimenea, o extractores que lo extraen desde la parte alta.
  • Tiro inducido: usando un ventilador y aprovechando el efecto Venturi.

Control y medida en la combustión de una caldera

Existes aparatos que indican y controlan el estado de las diferentes variables que permiten conocer y modular la combustión.

• Indicadores de nivel: visualizar el contenido de fluido de los depósitos.
• Termostatos, aparatos para control de temperaturas.
• Modulador: regula el suministro de la mezcla de aire – combustible para una correcta combustión.
• Válvulas de evacuación de lodos y aire (purgadores).
• Fotoceldas, accesorio eléctrico para control de la llama del quemador.
• Flotadores, accesorios para control de nivel.
• Compuertas utilizadas para la regulación del paso del aire o los gases.
• Unidad de programación: sistema electrónico que maneja el funcionamiento del equipo basado en las necesidades del sistema de la caldera.
• Presóstatos, instrumentos para medida y control de presiones.

Eficiencia energética y las calderas

El RITE, norma de referencia en España, en su IT 1.2 define la Exigencia de Eficiencia Energética y, en concreto la IT 1.2.4.1.2 define la caracterización y cuantificación de la exigencia para la generación de calor.

Se destaca lo siguiente para averiguar que tipo de caldera es más eficiente:

• Está prohibida la instalación de calderas atomosféricas y las marcadas con una estrella como prestación energética según el RD 275/1995 (1/enero/2010) y a partir del 1/enero/2012 las de dos estrellas.
• Se dispondrá del número, potencia y tipo de generadores necesarios de acuerdo con la demanda de energía térmica prevista.
• Se establecen criterios de fraccionamiento de potencia.
• Se fija la regulación de los quemadores.

Calderas de condensación y de baja temperatura

La directiva 92/42/CEE define los siguientes tipos de calderas, según criterios de rendimiento:

Caldera estándar: la caldera cuya temperatura media de funcionamiento puede limitarse a partir de su diseño. Este tipo de calderas tan sólo cumplen los requisitos mínimos de aprovechamiento energético.
Son aquellas que no están diseñadas para soportar las condensaciones y que por lo tanto deben trabajar con temperaturas de retorno por encima de aquellas que pueden ocasionar este problema.

Dentro de las mismas se pueden distinguir dos tipos:

• Eficiencia normal: trabajan con temperaturas de humos inferiores a 240º C.
• Calderas de alta eficiencia energética: consiguen temperaturas de humos más bajas, incluso inferiores a 140º C, sin condensaciones.

Caldera de baja temperatura: una caldera que puede funcionar continuamente con una temperatura de agua de alimentación de 35 a 40 °C sin producir condensaciones, aunque en determinadas circunstancias puede producirlas; se incluyen las calderas de condensación que utilizan combustibles líquidos.
Su principal aplicación es en instalaciones donde se pueda trabajar un número elevado de horas a temperaturas bajas, de este modo las temperaturas de la envolvente de caldera y de humos son inferiores, aumentado el rendimiento de generación estacional.
Caldera de gas de condensación: una caldera diseñada para poder condensar de forma permanente una parte importante de los vapores de agua contenidos en los gases de combustión.

se puede decir que el tipo de caldera más eficiente y que mejor se adaptan al RITE son las de condensación

Se busca provocar las condensaciones con el fin de aprovechar el calor latente de vaporización del agua producida en la combustión, y de este modo aumentar el rendimiento.

Por ello su aplicación principal es en instalaciones donde pueden trabajar un número importante de horas a baja temperatura.
El combustible que produce más agua en su combustión es el gas natural, por lo que es el más adecuado para trabajar con calderas de condensación y por eso en la directiva reciben el nombre de calderas de gas de condensación.
Las calderas de baja temperatura y de condensación son denominadas calderas de alto rendimiento.

Cuentan con diseños especiales de las superficies de intercambio entre humos y agua que utilizan paredes dobles o triples con pequeñas cámaras intermedias de aire que hacen que su resistencia térmica sea progresivamente creciente en el sentido de avance de los humos, lo que hace posible temperaturas más bajas de funcionamiento, reduciendo las pérdidas del cuerpo de la caldera por convección y radiación, así como una temperatura inferior de salida de humos, que disminuye las pérdidas de calor sensible.
La tecnología de condensación aprovecha la energía que, en una caldera estándar, durante el proceso de la combustión se pierde por la chimenea, (calor de condensación). Este calor latente contenido en los humos es liberado en la condensación del vapor de agua generado durante la combustión y transferido al agua de la caldera.

En el caso de utilización de gas natural, el rendimiento estacional puede aumentarse hasta un 15% en relación a una caldera de baja temperatura. Además del aumento de rendimiento, se reduce de manera muy significativa la temperatura de los gases de
combustión, limitando las emisiones de gases contaminantes.

Según los fabricantes de este tipo de calderas, en comparación con las calderas convencionales, gracias a esta tecnología se consigue un ahorro de hasta el 30% en el consumo de energía y se reducen, hasta en un 70%, las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2).

Es evidente que no se puede tener un rendimiento superior al 100%, la claves está en el paso de contabilizarlo en función del poder calorífico superior, ya que se aprovecha el calor del vapor de agua.

El cálculo del rendimiento energético

El rendimiento energético del proceso de intercambio que se produce en una caldera es la relación entre la cuantía del calor que ha captado el agua (calor útil) respecto al que poseía el combustible utilizado.
Existen dos formas de efectuar el balance energético para determinar este rendimiento:

El método directo: se obtiene por la medición, por un lado, del calor contenido en el agua antes de entrar y al salir de la caldera y, por otro, del cálculo del producto de la cantidad de combustible por su PCI.
Es un método complicado porque precisa medir el caudal de agua que circula por la caldera y, si no tiene caudalímetro, es muy complicado.

El método indirecto deduce que el calor introducido con el combustible y que no se pierde en el proceso de la combustión, ha sido captado por el agua. Se tienen que considerar tres pérdidas:

• A través del cuerpo de la caldera por conducción en los apoyos de la caldera (poco importantes y no se consideran habitualmente), por radiación y convección a través de la envolvente.
  Se ha determinado por vía experimental que el valor de estas pérdidas está en calderas estándar entre el 1,5% y el 5%, mientras que para las calderas de baja temperatura y condensación se queda entre un 0,5% y 2%. También se ha demostrado que a mayor potencia, menos pérdidas.
• Pérdidas de calor sensible en los humos: dependen de la diferencia entre la temperatura de los humos y la del aire comburente, del calor específico de los humos y del exceso de aire de combustión (que se mide por el porcentaje de
  CO2). Estas pérdidas están entre el 6% y el 10% de la potencia nominal y se incrementan si el mantenimiento no es correcto.
• Pérdidas por inquemados: debidas a la presencia de CO en los gases de combustión. Suelen estar por debajo del 0,5% de la potencia útil. En la práctica, en el sector de la edificación se desprecian las pérdidas por la envolvente y sólo se consideran las asociadas al proceso de combustión.

El nivel de eficiencia energética de una caldera depende tanto del propio proceso de la combustión, como del propio aparato de la caldera que debe favorecer el intercambio de calor:

• Las calderas que consiguen bajar la temperatura de los humos de combustión son más eficientes. Controlar la temperatura de los humos mejora el rendimiento de cualquier caldera.
• En la combustión hay que proporcionar un exceso de aire para favorecer que no se produzcan inquemados. El exceso de aire supone que parte del oxígeno no actuará en la combustión y saldrá por la chimenea junto con los gases de la combustión.
• El rendimiento de la combustión en cada caldera tiene un punto óptimo de exceso de aire. Si a partir de ese punto se reduce el exceso de aire, el rendimiento de la combustión será menor al no lograr oxidarse totalmente los componentes del combustible, originando inquemados como el monóxido de carbono (CO).
• Si, por el contrario, aumenta el exceso de aire por encima de su valor óptimo, el rendimiento también disminuirá, ya que una parte del calor liberado en la combustión se destinará a calentar la mayor cantidad de aire introducido que se evacua, caliente y sin quemar, por la chimenea.
• La importancia del estado de conservación y mantenimiento de la caldera es muy importante, tanto por su correcto grado de puesta a punto como por su nivel de limpieza, sin incrustaciones ni hollines, para maximizar la superficie libre de intercambio.

Las reglas más elementales para vigilar la eficiencia de una caldera son:

• Controlar temperatura de humos.
• Controlar exceso de aire.
• Controlar el aislamiento.
• Comprobar nivel de purgas.
• Controlar limpieza en los quemadores y en el cuerpo de la caldera.

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