Valores Óptimos Combustión

Los mantenedores de generadores de calor, que obtienen la energía térmica mediante combustión, deben evaluar periódicamente este rendimiento de la combustión.

La reacción de oxidación entre el hidrocarburo y el oxígeno del aire producirá unos productos de la combustión y una energía en forma de calor y luminosidad.

Cada combustible tiene una composición química distinta con una proporción diferente de átomos de carbono y de hidrógeno, por lo que el resultado de los productos de la combustión será distinto, así como la cantidad de oxígeno necesaria para su combustión.

Los valores de aire teórico necesario para la combustión (poder convuriboro) son:

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 (NO_x), e incluso óxidos de azufre (SO_x) 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, η_cmb, 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 (T_humo – T_amb) 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, α_cond, en función del combustible, porcentaje de oxígeno y la temperatura de humos.

El complemento, α_cond, 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.