Así si se combina 1 m3 de gas natural con 9,31 m3 de aire
teóricamente se produciría una combustión perfecta de aparecer una chispa
(energía de activación).
A esta combustión se le denomina combustión estequiométrica.
Sólo es posible teóricamente, pues los átomos de carbono (C) e hidrógeno (H)
disponen de poco tiempo en un quemador para reaccionar.
Por tanto en los quemadores actuales se forzará la entrada
de un poco más de aire (exceso de aire) respecto del teórico para obtener una
combustión completa.
Principalmente en una combustión aparecerán:
- C + O2 = CO2 (dióxido de carbono).
- H + O2 = H2O (agua, en fase gaseosa al
estar a más de 100 ºC).
Además, debido a que aire
contiene nitrógeno, hay un exceso de aire, la combustión puede no ser perfecta
aparecerán en los productos de la combustión como el Nitrógeno (N), Monóxido de
Carbono (CO), Hollín (C), Oxígeno (O), Óxidos del Nitrógeno (NOx), e incluso óxidos de azufre (SOx)
si el combustible es el gasóleo pues contiene algo de azufre en su composición.
Analizando los productos de la combustión se puede
determinar si la reacción de combustión ha sido completa, o bien hay
inquemados, y la cantidad de calor que no se está aprovechando.
Si una reacción química completa produciría un rendimiento
del 100 %, el rendimiento de la combustión, ηcmb, será:
Donde se tendrán en cuenta las pérdidas de calor que se
producen por:
- Chimenea, qhs.
- Inquemados, por reacciones incompletas, y formación de CO en
vez de CO2.
- Radiación y convección de la caldera.
Descontadas estas pérdidas el resto del calor de la
combustión se transmite al fluido portacalor como el agua (calderas o
calentadores) o el aire (generadores de aire caliente).
La cantidad de calor que produce el combustible dependerá de
su composición química, denominándose poder calorífico del combustible.
Estos valores deben ser contrastados con los indicados en la
factura del suministro de combustible.
La diferencia entre el poder calorífico superior (Hs) y el
poder calorífico inferior (Hi) es la energía del vapor de agua contenido en los
productos de la combustión. Si se logra la condensación de este vapor de agua
el aprovechamiento de esta energía proporcionará unas menores pérdidas y un
mayor rendimiento en el generador.
El consumo calorífico del generador viene referido al poder
calorífico inferior del combustible, y por ello cuando este generador tiene
tecnología de condensación se pueden producir rendimientos superiores al 100 %.
Un analizador de la combustión es un equipo que mide
temperatura de los productos de la combustión y a veces simultáneamente del
ambiente, y además algunos productos de la combustión como el oxígeno (o bien
el dióxido de carbono), y el monóxido de carbono.
Este
instrumento cumplirá las especificaciones de la Norma UNE EN 50.379, y deberá
estar debidamente calibrado por el fabricante o por un laboratorio que cumpla
con los requisitos de la Norma UNE EN ISO 17.025.
La calibración deberá habérsele realizado en los últimos 12
ó 18 meses según la asiduidad de las medidas, y el correcto funcionamiento del
mismo.
Empleando un analizador de la combustión se obtendrá el
rendimiento instantáneo de la combustión, a la vez que se verificará si la
combustión es higiénica.
Con las sondas para medición de gases antes indicada y el
salto térmico entre la entrada de aire al quemador y la temperatura de los
humos valorará las pérdidas de calor por la chimenea. Para ello empleará una
expresión de este tipo:
Donde se observa que:
- A mayor salto térmico (Thumo – Tamb)
mayores pérdidas y menor rendimiento, y,
- A menor porcentaje de CO2, mayores pérdidas y
menor rendimiento.
Por tanto para un buen rendimiento habrá que lograr la
mínima temperatura de humos y el máximo CO2 en los productos de la
combustión.
Del diseño de la
caldera dependerá básicamente la temperatura de humos, pues las calderas con
intercambiadores mayores podrán conseguir temperaturas de humos bajas (calderas
de baja temperatura, y especialmente las calderas de condensación).
De la tecnología del quemador y de la mezcla
aire-combustible, dependerá el porcentaje de dióxido de carbono conseguido (CO2).
Según el combustible hay un diagrama de la combustión, donde
se observa una relación entre el oxígeno y dióxido de carbono presentes en los
productos de la combustión. Así al aumentar uno, disminuye el otro, y
viceversa.
Por
ejemplo, en gasóleo el % de CO2 + % de O2 en zonas
estables está entre un 16 y un 17 %.
En un
ajuste de la combustión de un quemador se debe ajustar:
- La
cantidad de combustible para proporcionar el consumo calorífico que precisa el
aparato.
- La
cantidad de aire para que se produzca una combustión completa del combustible,
minimizando la cantidad de inquemados.
De este modo el CO2 máximo que se
puede obtener en la combustión dentro de las combustiones completas será el
indicado en la siguiente tabla:
Observando que siempre será inferior el CO2 real
de la combustión al CO2 máximo teórico del combustible.
Los fabricantes de grupos térmicos (caldera + quemador) nos
ofrecen varios datos que deberemos observar:
- Consumo calorífico nominal, en kW. (valor referido al Hi del
combustible)
- Rendimiento nominal, en las condiciones de trabajo,
expresado en %.
- Temperatura de humos, en ºC.
- CO2 en %.
- CO en ppm.
- Tiro mínimo, en Pa, mbar, o mmca (1 mbar = 10 mmca = 100
Pa).
Si en un análisis de la combustión obtenemos los valores
indicados por el fabricante, el ajuste del quemador será correcto.
La evolución del CO2 y del
CO al variar la entrada de aire (exceso de aire) tiene la siguiente forma:
Deberemos observar en todo momento el CO de los productos de
la combustión, para localizar la zona de mínimos inquemados. Pues el CO2 al
aumentar reduce las pérdidas pero puede provocar problemas de inquemados si se
produce una combustión incompleta tanto por defecto de aire (zona izquierda), o
por gran exceso de aire con desprendimiento de llama (zona de la derecha).
En primer lugar se revisarán las mangueras y trampa de agua
del analizador para comprobar la ausencia de agua. También se observará que el filtro
esté limpio.
Se conectará la manguera en la toma de humos, y la sonda de
temperatura en la conexión de la temperatura de humos.
Se verificará que el drenaje de la trampa de agua esté
cerrado.
Si se dispone de una sonda con 2 mangueras se conectará la
segunda sonda en la toma correspondiente para medición de la sobrepresión o
depresión de la chimenea.
Se arrancará el analizador en una zona de aire limpio y se
observará que los valores de:
- Oxígeno indica un 20,9 ó 21 %.
- CO indica 0 ppm.
- La temperatura ambiente es correcta.
En los ajustes previos del analizador se comprobará que está
en fecha y hora, así como que el oxígeno de referencia es del 3 %, para que
efectúe correctamente el cálculo del exceso de aire, y el valor del CO
corregido (no diluido). Seleccionando el combustible con el que se van a
realizar las pruebas.
El protocolo de puesta en marcha obliga a tener en marcha el
aparato en máximo potencia, al menos 5 minutos (2 minutos en una revisión o
inspección de gas), antes de introducir la sonda en el centro de la salida de
humos.
La toma de humos estará lo más cerca posible de la caja de
humos del aparato y alejado de zona de turbulencias (codos, tes,…). No existirá
holgura entre la sonda y el orificio de toma de humos.
En cuanto a valores límite la normativa actual no establece
más límite que 500 ppm de CO corregido (no diluido). Algunas Comunidades
Autónomas los establecen en 200 ppm.
Y en cuanto a rendimiento este deberá ser lo más próximo
posible a su rendimiento nominal, no permitiéndose menos de 5 puntos del
indicado en su marcado energético durante la puesta en marcha del generador. Ni
menos del 80 % en una prueba de eficiencia energética.
Recordemos que una buena contrastación es observar los
valores indicados por el fabricante en su manual de puesta en marcha del
aparato y tablas técnicas. Pues cualquier desviación indicará un funcionamiento
anómalo del conjunto caldera-quemador.
Veamos algunos ejemplos de combustión:
En propano el valor de %CO2 aumentará entorno a + 1 %
respecto al gas natural.
Siempre se deberá anotar la temperatura de la caldera en el
momento de la analítica de combustión. Y se habrá dejado la sonda en la
posición de la medida al menos 2 minutos sin que se observen oscilaciones en
los valores medidos. Si se produjera esta oscilación se deberá anotar los
valores máximos observados.
En una prueba de eficiencia energética la caldera deberá
haber alcanzado los 70 ºC o bien estar como mínimo 10 ºC por debajo de la
temperatura de trabajo.
Si quieres cuidar tu analizador, no introducirás la sonda
durante arrancadas y paradas del quemador, y lo extraerás inmediatamente en
caso de subida incontrolada del valor de CO.
Aspectos importantes que influyen en la combustión
En calderas alimentadas con combustibles sólidos, si se
sospecha de una mala combustión (presencia de humo negro, llama muy oscura,
etc) se deberá realizar una determinación previa del índice de bacharach, y
sólo se empleará el analizador si el resultado obtenido está entre 0 y 1.
Realmente con las calderas de última generación no hay
valores idóneos que puedan ser aplicados de unas a otras.
Queda claro que el rendimiento aumentará a medida que se
disminuya la temperatura de humos, y se aumente el porcentaje de CO2 en los
productos de la combustión. Pero el aumento del CO2 puede conllevar un aumento
incontrolado del peligroso CO con los problemas para el hogar de la caldera y
especialmente para la seguridad de las personas.
La tabla siguiente muestra a modo de ejemplo, como varía el
rendimiento de la combustión en función del resultado de la combustión y la
temperatura de los PdC.
Cualquier valor que podemos desear, no será factible si la
cámara de combustión no lo permite, influyendo aspectos importantes como el
diseño del hogar de la caldera, la superficie de intercambio, número de pasos y
su estrechez, uso de turbuladores, sobrepresión que se producirá en la cámara
de combustión al producirse la combustión, etc. Además influye el diseño del
sistema de combustión del quemador, mezcla aire y combustible, la temperatura
de ambos, etc.
Pero otros factores externos también influyen como las
entradas de aire incontroladas, debidas a que las puertas no cierren
correctamente.
Un elemento vital es la chimenea, pues será perjudicial
tanto un exceso, como un defecto de tiro. Si el tiro es excesivo, los gases de
la combustión saldrán demasiado pronto de la cámara de combustión y del
intercambiador de calor aspirados por la chimenea. Y un defecto de tiro creará
problemas de evacuación de los gases de la combustión, ensuciamiento del hogar,
o ahogamiento de la llama.
En calderas con
combustibles sólidos, el hollín depositado en paredes de pasos de humos y el
hogar de la caldera crearán una capa aislante que impedirá la transmisión de
calor al fluido portacalor, aumentando la temperatura de humos y disminuyendo
rápidamente el rendimiento. Si siguiera acumulándose hollín alcanzaría la
chimenea, seguiría aumentando la temperatura de humos, creando problemas de
seguridad a la instalación, bienes y/o las personas.
Por tanto el primer criterio será reducir al mínimo los
inquemados como el hollín (átomos de carbono sin quemar) y el peligroso
monóxido de carbono (CO).
Recordemos que el CO es un átomo de carbono que no ha
terminado de reaccionar para formar CO2 y por tanto queda una parte de la
energía por producirse.
El valor de monóxido de carbono será inaceptable para un
profesional si alcanza las 200 ppm.
Consideraciones sobre las calderas de condensación
actuales
En los generadores actuales no hay más remedio que observar
en el manual técnico los valores nominales indicados por el fabricante del
conjunto caldera-quemador, siendo el ajuste óptimo si se consiguen los valores
indicados por el fabricante en las condiciones que establezca de potencia,
temperatura y situación del aparato (tapas de la caldera abiertas o cerradas).
Habrá que observar:
- Tiro o sobrepresión necesaria a la salida de la caja de
humos del aparato.
- CO.
- % CO2.
- Temperatura de humos.
- Sobrepresión cámara de combustión.
- Rango de potencia de funcionamiento.
- Rendimiento nominal a plena carga y a carga parcial.
No nos engañemos pensando que podemos lograr un rendimiento
superior al declarado por el fabricante, u otros valores de funcionamiento.
Ejemplos de valores específicos de algunas marcas de calderas
de condensación de gas:
WOLF 24 kW.
Cámara abierta y máxima potencia
- Para GN 8,8 ± 0,2 %
de CO2.
- Para GLP 9,9 ± 0,3 %
de CO2.
Cámara cerrada y máxima potencia
- Para GN 9 ± 0,2 %
de CO2.
- Para GLP 10,1 ± 0,3 %
de CO2.
Cámara abierta y mínima potencia
- Para GN 8,8 ± 0,2 %
de CO2.
- Para GLP 10,8 ± 0,5 %
de CO2.
Cámara cerrada y máxima potencia
- Para GN 9 ± 0,2 %
de CO2.
- Para GLP 11,1 ± 0,5 %
de CO2.
Si observan uno a uno esos valores, podrán ver que cambian.
Pero si tomamos otro modelo de Wolf u otro generador del mismo modelo pero
distinta potencia, también cambiarán.
Si atendemos a los que nos indica otro fabricante como
Viessmann, dice que su caldera de GN de 24 kW a potencia máxima deberá producir
un CO2 entre 7,5-10,5 %, pero dejando estos valores donde se consiga el menor
valor de CO, que puede alcanzar 1 ppm.
Una vez realizado el ajuste a potencia máxima (mínimo CO),
en el caso de Viessmann nos pide que volvamos a comprobar los valores a
potencia mínima donde será aceptable una reducción del porcentaje de CO2 entre
0,3 a 0,9 % por debajo del porcentaje a potencia máxima.
Para calderas de gasóleo de Wolf se nos indica que habrá que
lograr unas determinadas temperaturas de humos, en el ajuste de la combustión,
en función de la etapa de funcionamiento de un quemador de gasóleo. Y se nos
indica que deberán lograrse con una presencia de oxígeno entorno al 5 %.
Otros fabricantes como Weisthaupt le dan mucha importancia a
la sobrepresión de la cámara de combustión que deberá medirse con una columna
de agua o un manómetro digital.
Recordemos que las calderas de condensación proporcionan un
extra de rendimiento debido al aprovechamiento del calor latente al condensar
los vapores de agua contenidos en los productos de la combustión.
En calderas de condensación se deberá utilizar la opción de
medir la mejora del rendimiento debido al calor latente del vapor de agua
condensada en el hogar de la caldera. Muchos analizadores disponen de esa
opción (caldera de condensación).
Si el analizador no dispusiera de la opción condensación, se
deberá añadir un complemento por condensación, αcond, en función del
combustible, porcentaje de oxígeno y la temperatura de humos.
El complemento, αcond, a añadir al rendimiento de
la combustión obtenido será:
Lógicamente, si a la salida de la caldera existiera un
recuperador de calor, el análisis de la combustión se realizaría a la salida
del mismo.
Observamos que cada combustible tiene distinto poder
fumígeno (cantidad de productos de la combustión), y en función de la
proporción de los productos de la combustión (oxígeno o exceso de aire), una
temperatura de rocío distinta que facilitará o evitará que se produzca la
condensación del vapor de agua contenida en los productos de la combustión.
Así el ajuste de un quemador propiciará o evitará la
condensación, al variar el punto de rocío del vapor de agua contenida en los
productos de la combustión.
Es importante realizar una última prueba de combustión antes
de dar por concluido el trabajo asegurándose que las puertas y ventanas del
local que alberga el aparato están cerradas, y por supuesto las chapas de
caldera y quemador cerradas.
En este artículo han colaborado los apreciados José Manuel Alfaro, José Pascual Moreno, Roque Cutanda, Javier Martínez, Angel López y Agustín Rufino, entre otros.