Calculando la eficiencia energética de las calderas

ASME PTV 4.1 incluye instrucciones para calcular la eficiencia de la caldera por métodos directos comparando la producción de vapor respecto a la entrada de calor. También calcula la eficiencia de la caldera por métodos de pérdidas indirectas donde las pérdidas de la caldera individual se calculan y totalizan. El método “by losses” requiere solamente la temperatura de la chimenea y el contenido de oxígeno y puede calcularse fácilmente con un analizador de la combustión portátil o controles integrados en la combustión. ANSI Standard Z21.13 perfila los cálculos de eficiencia de las calderas de agua caliente.

La norma utiliza ecuaciones para determinar las pérdidas de la caldera que tienen varios elementos en común que sugieren una estrategia común para reducir las pérdidas de las calderas. Estos elementos son:

• Reducir la temperatura de la chimenea.

• Minimizar los niveles de exceso de aire.

• Elevar la temperatura de agua de la caldera.

• Elevar la temperatura del aire de combustión en el hogar.

La reducción de la temperatura de la chimenea y la elevación del agua de alimentación se consiguen en una caldera ya existente dotándola de un economizador. La norma básica a tener en cuenta es que cada 40 º C que baje la temperatura de los humos de la caldera conseguimos un incremento en la eficiencia de un 1 %. Un economizador típico puede incrementar la eficiencia de la caldera en un 4 – 6 %.

La utilización de un calentador de aire para elevar la temperatura del aire es común en las calderas de mayor tamaño pero no en las compactas. Los trabajos sobre los conductos que deben realizarse son caros y pueden afectar al rendimiento del quemador. Añadir precalentadores de aire a calderas compactas se considera usualmente impracticable. Sin embargo una práctica denominada “air stack” puede incrementar la eficiencia de la caldera. Un “air stack” es simplemente un conducto que va de la admisión de aire de combustión a la parte superior de la sala de calderas, donde el aire puede estar unos 20 ºC más caliente. Esta práctica, puramente mecánica y simple incrementa la eficiencia de las calderas en salad de caldera cerradas.

Los quemadores con bajo exceso de aire ahorran combustibles

Una de las estrategias más efectivas estrategias de ahorro en costes para una caldera compacta es incorporar un quemador de aire con bajo exceso de aire. El quemador estándar típico ofrecido por un fabricante de calderas tiene una garantía de operación de aire en exceso de entre el 15 y el 20 % en altos niveles de ignición. (5 % de aire en exceso supone aproximadamente oxígeno en la chimenea de un 1 %). Debido a que el aire ambiental es inerte al 79 % (nitrógeno, argón y vapor de agua), es importante minimizar la cantidad de combustible derrochado calentando aire mayormente inerte. Un quemador de alto rendimiento repartirá entre el 12.5 % a 15 % del rendimiento desde un quemador de alta ignición. Este rendimiento con bajo rendimiento de aire sobre una caldera mucho más grande transmitirá ahorros de combustible más significativo porque se derrocha menos combustible calentando aire de la combustión principalmente inerte.

Otro problema que surge con los quemadores es que no están en muchas ocasiones ajustados para cumplir las garantías de aire en exceso, y muchos propietarios de calderas no pueden alcanzar estas garantías – especialmente con quemadores con bajas emisiones de NOx, o monóxido de carbono.

Operación de la caldera en el mundo real

Incluso para quemadores que operan dentro de emisiones garantizadas la caldera debe ajustarse para mantener el aire en exceso que se acomode a las temperaturas ambiente mucho más alta, variaciones en la presión del combustible y otros cambios nos esperados que afecten la estequiometría del quemador. Para reducir la cantidad de exceso de aire el nuevo quemador debe estar equipado con un sistema de control de la combustión que pueda compensar cambios en las condiciones ambientales.

Pocas calderas operan bajo estas condiciones en el campo. El objetivo de los controles de la combustión de un buen quemador es operar el quemador en condiciones reales tan próximas a las condiciones óptimas como sea posible – a pesar de las cargas cambiantes de la caldera, temperatura ambiente variable, y otros factores ambientales.

Los sistemas de control de la combustión miden el caudal del combustible y aire y ajustan las válvulas de combustible y conductos de regulación del aire para mantener constante el caudal en el quemador a pesar de las condiciones cambiantes. El ajuste de oxígeno puede añadirse a estos sistemas para asegurar que el punto de ajuste de oxígeno de la chimenea establecido en origen en el quemador se mantiene a lo largo del tiempo. En el pasado, los sistemas de control de la combustión con medición completa están limitados a las grandes calderas acuotubulares debido a su alto coste de capital. Los sistemas de combustión más nueva ofrecen control de la combustión completamente medida con compensación de oxígeno.

Los sistemas de control de la combustión de posicionamiento paralelo ofrecen ajuste de oxígeno sin el gasto de medidores de aire y combustible. Estos sistemas compensan cambios ambientales para condiciones ambientales y mantendrán la operación con el tiempo. Son extremadamente económicas y a menudo se aplican a calderas tan pequeñas como 150 HP (1470 kW).

Plantas de calderas multiples

Las plantas de calderas múltiples pueden ahorrar combustible adicional instalando un controlador moderno. Los sistemas típicos controlan la presión o temperatura del cabezal, y provocan la ignición más eficiente de la caldera para cumplir con la carga de planta, y los quemadores trabajan de la forma más eficiente para minimizar el consumo de combustible.

Bibliografía: David Eoff "Understanding fuel savings in the boiler room". ASHRAE Journal. FindArticles.com. 30 Aug, 2010.