Las calderas de condensación son calentadores de agua que se utilizan normalmente para sistemas de calefacción que funcionan con gas o petróleo. Cuando se opera en las circunstancias correctas, un sistema de calefacción puede lograr una alta eficiencia (más del 90 % del valor calorífico más alto ) condensando el vapor de agua que se encuentra en los gases de escape en un intercambiador de calor para precalentar el agua en circulación. Esto recupera el calor latente de vaporización , que de otro modo se habría desperdiciado. El condensado se envía a un desagüe. En muchos países, el uso de calderas de condensación es obligatorio o se fomenta con incentivos económicos.
Para que el proceso de condensación funcione correctamente, la temperatura de retorno del agua en circulación debe ser de alrededor de 55 °C (131 °F) o menos, por lo que las calderas de condensación suelen funcionar a temperaturas más bajas, alrededor de 70 °C (158 °F) o menos. , que pueden requerir tuberías y radiadores más grandes que las calderas sin condensación. Sin embargo, incluso la condensación parcial es más eficiente que una caldera tradicional sin condensación.
En una caldera convencional, se quema combustible y los gases calientes producidos pasan a través de un intercambiador de calor donde gran parte de su calor se transfiere al agua, elevando así su temperatura.
Uno de los gases calientes que se producen en el proceso de combustión es el vapor de agua (vapor), que surge al quemar el contenido de hidrógeno del combustible. Una caldera de condensación extrae calor adicional de los gases residuales condensando este vapor de agua en agua líquida, recuperando así su calor latente de vaporización. Un aumento típico de eficiencia puede ser de hasta un 10-12%. [ cita necesaria ] Si bien la efectividad del proceso de condensación varía según la temperatura del agua que regresa a la caldera, siempre es al menos tan eficiente como una caldera sin condensación.
El condensado producido es ligeramente ácido (pH 3-5), por lo que se deben utilizar materiales adecuados en zonas donde haya líquido. Las aleaciones de aluminio y el acero inoxidable se utilizan con mayor frecuencia a altas temperaturas. En áreas de baja temperatura, los plásticos son más rentables (por ejemplo, uPVC y polipropileno ). [1] La producción de condensado también requiere la instalación de un sistema de drenaje de condensado en el intercambiador de calor. En una instalación típica, esta es la única diferencia entre una caldera de condensación y una caldera sin condensación.
Para fabricar de forma económica un intercambiador de calor de caldera de condensación (y para que el aparato sea manejable en la instalación), se prefiere el tamaño práctico más pequeño para su potencia. Este enfoque ha dado como resultado intercambiadores de calor con alta resistencia en el lado de combustión, que a menudo requieren el uso de un ventilador de combustión para mover los productos a través de pasillos estrechos. Esto también ha tenido el beneficio de proporcionar energía para el sistema de combustión, ya que los gases de combustión expulsados suelen estar por debajo de los 100 °C (212 °F) y, como tales, tienen una densidad cercana a la del aire, con poca flotabilidad. El ventilador de combustión ayuda a bombear los gases de escape al exterior.
Las calderas de condensación están reemplazando en gran medida a los diseños convencionales anteriores en la alimentación de sistemas de calefacción central domésticos en Europa y, en menor grado, en América del Norte . Los Países Bajos fueron el primer país en adoptarlos ampliamente. [2]
Los fabricantes de calderas de condensación afirman que se puede lograr hasta un 98% de eficiencia térmica , [3] en comparación con el 70%-80% de los diseños convencionales (basados en el mayor poder calorífico de los combustibles). Los modelos típicos ofrecen eficiencias de alrededor del 90%, lo que coloca a la mayoría de las marcas de calderas de gas de condensación en las categorías más altas disponibles en cuanto a eficiencia energética. [ cita necesaria ] En el Reino Unido, esta es una calificación de eficiencia SEDBUK (Eficiencia estacional de calderas domésticas en el Reino Unido) [4] Banda A, mientras que en América del Norte generalmente reciben un logotipo ecológico y/o una certificación Energy Star .
El rendimiento de la caldera se basa en la eficiencia de la transferencia de calor y depende en gran medida del tamaño/potencia de la caldera y del tamaño/potencia del emisor. El diseño y la instalación del sistema son críticos. Hacer coincidir la radiación con la salida de Btu/Hr de la caldera y considerar las temperaturas de diseño del emisor/radiador determina la eficiencia general del sistema de calentamiento de agua doméstica y de espacios .
Una razón para una caída de eficiencia es que el diseño y/o implementación del sistema de calefacción da temperaturas del agua de retorno (fluido de transferencia de calor) en la caldera superiores a 55 °C (131 °F), lo que evita una condensación significativa en el intercambiador de calor. [5] Se podría esperar que una mejor educación tanto de los instaladores como de los propietarios aumentara la eficiencia hacia los valores de laboratorio informados. Natural Resources Canada [6] también sugiere formas de hacer un mejor uso de estas calderas, como combinar sistemas de calentamiento de agua y espacios. Algunas calderas (por ejemplo, Potterton) se pueden cambiar entre dos temperaturas de flujo, como 63 °C (145 °F) y 84 °C (183 °F), siendo sólo la primera "completamente condensante". Sin embargo, las calderas normalmente se instalan con una temperatura de flujo más alta de forma predeterminada porque un cilindro de agua caliente sanitaria generalmente se calienta a 60 °C (140 °F), y esto lleva demasiado tiempo lograrlo con una temperatura de flujo de solo tres grados más alta. Sin embargo, incluso la condensación parcial es más eficiente que una caldera tradicional.
La mayoría de las calderas sin condensación podrían verse obligadas a condensar mediante simples cambios de control. Hacerlo reduciría considerablemente el consumo de combustible, pero destruiría rápidamente cualquier componente de acero dulce o hierro fundido de una caldera convencional de alta temperatura debido a la naturaleza corrosiva del condensado. Por este motivo, la mayoría de los intercambiadores de calor de calderas de condensación están fabricados de acero inoxidable o de una aleación de aluminio/silicio. Los economizadores externos de acero inoxidable se pueden adaptar a las calderas sin condensación para permitirles lograr eficiencias de condensación. Las válvulas de control de temperatura se utilizan para mezclar el agua caliente del suministro con el retorno para evitar choques térmicos o condensación dentro de la caldera.
Cuanto menor sea la temperatura de retorno a la caldera, más probable será que esté en modo de condensación. Si la temperatura de retorno se mantiene por debajo de aproximadamente 55 °C (131 °F), la caldera aún debería estar en modo de condensación, lo que hace que las aplicaciones de baja temperatura, como pisos radiantes e incluso radiadores viejos de hierro fundido, sean una buena opción para esta tecnología.
La mayoría de los fabricantes de calderas de condensación domésticas nuevas producen un sistema de control básico "que se adapta a todos" que hace que la caldera funcione en modo de condensación sólo en el calentamiento inicial, después del cual la eficiencia disminuye. Este enfoque aún debería superar el de los modelos más antiguos (véanse los tres documentos siguientes publicados por el Building Research Establishment: Documentos informativos 10-88 y 19-94; Folleto de información general 74; Digest 339. Véase también el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación de Institución colegiada de ingenieros de servicios de construcción ). Por el contrario, los sistemas de compensación climática están diseñados para ajustar el sistema en función de las temperaturas interior, exterior, de entrada y salida de la caldera.
Las bombas de calor son potencialmente tres veces más eficientes que las calderas de condensación. [7]
El control de la caldera de condensación doméstica es crucial para garantizar que funcione de la forma más económica y eficiente en combustible. Los quemadores generalmente están controlados por un sistema integrado con lógica incorporada para controlar la salida del quemador para que coincida con la carga y brinde el mejor rendimiento.
Casi todos tienen quemadores modulantes. Estos permiten reducir la potencia para adaptarse a la demanda. Las calderas tienen una relación de reducción que es la relación entre la potencia máxima y la potencia mínima para la que se puede mantener la combustión. Si el sistema de control determina que la demanda cae por debajo de la potencia mínima de salida, entonces la caldera se apagará hasta que la temperatura del agua baje y luego se volverá a encender y calentará el agua.
Se afirma que las calderas de condensación tienen la reputación de ser menos confiables y también pueden verse afectadas si las manipulan instaladores y plomeros que tal vez no comprendan su funcionamiento. [8] Las afirmaciones de falta de fiabilidad han sido contradichas por investigaciones realizadas por Building Research Establishment, con sede en el Reino Unido (ver Building Research Establishment).
En particular, el problema del "pluming" surgió con las primeras instalaciones de calderas de condensación, en las que una columna blanca de vapor condensado (en forma de minúsculas gotas) se hace visible en la salida de humos. Aunque no era importante para el funcionamiento de la caldera, las tuberías visibles eran una cuestión estética que causaba mucha oposición a las calderas de condensación.
Un problema más importante es la ligera acidez (pH 3-4) del líquido condensado. Cuando está en contacto directo con el intercambiador de calor de la caldera, especialmente en el caso de chapas finas de aluminio, puede provocar una corrosión más rápida que en las calderas tradicionales sin condensación. Es posible que las calderas más antiguas también hayan utilizado intercambiadores de calor de fundición gruesa, en lugar de láminas, que tenían constantes de tiempo más lentas para su respuesta pero también eran resistentes, por su masa pura, a cualquier corrosión. Debido a la acidez del condensado, sólo se pueden utilizar algunos materiales: el acero inoxidable y el aluminio son adecuados, el acero dulce, el cobre o el hierro fundido no. [9] Los estándares deficientes de diseño o construcción pueden haber hecho que los intercambiadores de calor de algunas de las primeras calderas de condensación tuvieran una vida menos larga.
Se recomienda encarecidamente realizar pruebas iniciales y un seguimiento anual del fluido caloportador en calderas de condensación con intercambiadores de calor de aluminio o acero inoxidable. El mantenimiento de un líquido ligeramente alcalino (pH 8 a 9) con agentes anticorrosivos y amortiguadores reduce la corrosión del intercambiador de calor de aluminio. Algunos profesionales creen que el condensado producido en el lado de combustión del intercambiador de calor puede corroer el intercambiador de calor de aluminio y acortar la vida útil de la caldera. Aún no se dispone de pruebas estadísticas, ya que las calderas de condensación con intercambiadores de calor de aluminio no se utilizan desde hace mucho tiempo. [ cita necesaria ]
El Building Research Establishment , que es el principal organismo de investigación del Reino Unido para la industria de la construcción, elaboró un folleto sobre calderas de condensación domésticas. Según el Building Research Establishment:
El condensado expulsado de una caldera de condensación es ácido , con un pH entre 3 y 4. Las calderas de condensación requieren de un tubo de desagüe para el condensado producido durante su funcionamiento. Consiste en un tramo corto de tubería de polímero con una trampa de vapor para evitar que los gases de escape sean expulsados al edificio. La naturaleza ácida del condensado puede ser corrosiva para las tuberías de hierro fundido, las tuberías de desagüe y los pisos de concreto, pero no representa ningún riesgo para la salud de los ocupantes. Se puede instalar un neutralizador, que generalmente consiste en un recipiente de plástico lleno de agregados o "virutas" (alcalinos) de mármol o piedra caliza, para elevar el pH a niveles aceptables. Si no hay disponible un drenaje por gravedad, también se debe instalar una pequeña bomba de condensado para elevarlo hasta un drenaje adecuado.
Los intercambiadores de calor primario y secundario están construidos con materiales que resistirán esta acidez, generalmente aluminio o acero inoxidable. Dado que el escape final de una caldera de condensación tiene una temperatura más baja que el escape de una caldera atmosférica (38 °C (100 °F) vs. 204 °C (400 °F), siempre se requiere un ventilador mecánico para expulsarlo, con el adicional beneficio de permitir el uso de tuberías de escape de baja temperatura (típicamente PVC en aplicaciones domésticas) sin aislamiento ni requisitos de chimeneas convencionales. De hecho, el uso de chimeneas de mampostería convencionales o conductos de humos metálicos está específicamente prohibido debido a la naturaleza corrosiva de los productos de combustión, con la notable excepción de acero inoxidable y aluminio de clasificación especial en ciertos modelos. El material de ventilación preferido/común para la mayoría de las calderas de condensación disponibles en Norteamérica es el PVC, seguido del ABS y el CPVC. La ventilación de polímero permite el beneficio adicional de la flexibilidad en la ubicación de la instalación, incluida la ventilación en la pared lateral, lo que ahorra penetraciones innecesarias en el techo.
Las calderas de condensación son hasta un 50% más caras de comprar e instalar que las convencionales en el Reino Unido y Estados Unidos. Sin embargo, a partir de 2006 [update], a los precios del Reino Unido, el costo adicional de instalar una caldera de condensación en lugar de una caldera convencional debería recuperarse en aproximadamente 2 a 5 años mediante un menor uso de combustible (para verificación, consulte los siguientes tres documentos publicados por Building Research Establishment: Información Artículos 10-88 y 19-94; Folleto de información general 74; Compendio 339; véase también estudios de casos en el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación de Chartered Institution of Building Services Engineers), y de 2 a 5 años [ cita necesaria ] a precios de EE. UU. . Las cifras exactas dependerán de la eficiencia de la instalación original de la caldera, los patrones de utilización de la caldera, los costos asociados con la instalación de la nueva caldera y la frecuencia con la que se utiliza el sistema. El costo de estas calderas está cayendo a medida que la adopción masiva impuesta por el gobierno entra en vigor y los fabricantes retiran los modelos más antiguos y menos eficientes, pero el costo de producción es más alto que el de los tipos más antiguos, ya que las calderas de condensación son más complejas.
La mayor complejidad de las calderas de condensación es la siguiente:
Con respecto a las calderas modernas, no existen otras diferencias entre las de condensación y las de no condensación.
La confiabilidad, así como el costo inicial y la eficiencia, afectan el costo total de propiedad. Una importante empresa independiente de fontaneros del Reino Unido declaró en 2005 que había realizado miles de llamadas para reparar calderas de condensación y que las emisiones de gases de efecto invernadero de sus furgonetas eran probablemente mayores que los ahorros obtenidos gracias al cambio a calderas ecológicas. [8] Sin embargo, el mismo artículo señala que el Consejo de Información sobre Calefacción y Agua Caliente, junto con algunos instaladores, han descubierto que las calderas de condensación modernas son tan fiables como las calderas estándar.
La eliminación gradual de las calderas de gas es un conjunto de políticas para eliminar el uso de gas fósil (o "gas natural") de la calefacción de edificios y su uso en electrodomésticos. Normalmente el gas se utiliza para calentar agua, ducharse o calefacción central. En muchos países, la calefacción de gas es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero y al daño climático , lo que lleva a un número creciente de países a introducir prohibiciones. Las bombas de calor aerotérmicas son la principal alternativa. [11]
La Agencia Internacional de Energía ha dicho que las nuevas calderas de gas (u hornos de gas ) deberían prohibirse a más tardar en 2025. [12] Muchas instalaciones y aparatos tienen una vida útil de 25 años, lo que lleva a pedir que las prohibiciones se produzcan de inmediato. o, a más tardar, para 2025, porque de lo contrario los objetivos de cero emisiones netas para 2050 no pueden o es poco probable que se alcancen. [13] Sin embargo, los cabilderos de los combustibles fósiles se resisten a su eliminación. [14]
