Estrategias prácticas para reconversiones de calderas de condensación

A medida que los edificios envejecen, también lo hace el equipo central, convirtiéndose en una excelente oportunidad para la modernización de un sistema de caldera.

Los sistemas más antiguos generalmente están formados por calderas sin condensación que operan en el rango de 200ºF a 180ºF con retornos de 160ºF a 140ºF. A medida que los diseños de las calderas han avanzado para incluir la tecnología de condensación, es importante comprender cómo implementar calderas de condensación en un sistema para maximizar las eficiencias operativas.

Hay muchos tipos de calderas hidrónicas disponibles en la actualidad, tanto con condensación como sin condensación. Las calderas sin condensación están diseñadas para funcionar con temperaturas de agua de retorno superiores a 140 ° F para evitar la condensación de la humedad en los gases de combustión. Esto se debe a que están construidas con materiales tales como acero al carbono, hierro fundido o cobre, que no pueden resistir el condensado corrosivo producido por la condensación.

Las calderas sin condensación generalmente operan con eficiencias inferiores al 87%, muchas de ellas muy por debajo de este nivel. También pueden tener limitaciones en la tubería del sistema, tanto para mantener la temperatura mínima del agua de retorno como para la delta T o los requisitos mínimos de flujo.

Mientras que las calderas de condensación son más eficientes que las calderas sin condensación, estas últimas generalmente tienen límites de temperatura más altos, a menudo con capacidades de presión de diseño más altas. Además, las calderas sin condensación están disponibles en capacidades más grandes y a menudo incluyen la capacidad de una variedad de combustibles de respaldo, y su costo inicial de equipo es a menudo menor.

Diseño de caldera de condensación

Comprender los conceptos básicos de cómo se diseñan las calderas de condensación y cómo deben controlarse, son los primeros pasos para aplicar calderas de condensación a las aplicaciones de retro adaptación.

Las calderas de condensación pueden lograr eficiencias que superan el 90% porque están diseñadas para funcionar con temperaturas de agua de retorno en frío, que promueven la condensación de la humedad en los gases de combustión. En una caldera de condensación, el agua de retorno debe devolverse a la caldera por debajo de 130 ° F, coincidiendo con el punto de rocío del gas de combustión para el gas natural, y cuanto más frío, mejor es maximizar la condensación. El punto de rocío del gas de combustión se define como la temperatura a la que el vapor de agua presente en el gas de combustión alcanza la saturación y comienza a condensarse.

A continuación, el quemador debe ser capaz de mantener una relación constante entre combustible y aire en todo el rango de modulación de la caldera. Esto es clave para la condensación de calderas porque un aumento en el exceso de aire conduce a una disminución en el punto de rocío de los gases de combustión, lo que significa que el agua de retorno debe volver a la caldera para enfriarla para permitir que la humedad en los gases de combustión se condense. El cambio de fase del vapor de agua a un estado líquido libera la energía latente que se transferirá al proceso, que en este caso es agua de calentamiento. El calor latente de vaporización se recupera dentro de la caldera, aumentando así la eficiencia del sistema.

Finalmente, la caldera debe tener un diseño de intercambiador de calor efectivo que incorpore intercambio de calor a contraflujo para poner las superficies de gases de combustión más frías cerca del agua de retorno más fría y también tener una gran cantidad de superficie de calentamiento junto al fuego para condensar. El condensado se produce en superficies de calentamiento frías, al calor del fuego: cuanta más superficie de calefacción esté disponible, mayor es el potencial de condensación.

Hay dos elementos clave que maximizarán el rendimiento del sistema en un sistema de caldera de condensación: una característica de eficiencia inversa de la caldera de condensación y el mantenimiento de temperaturas de agua de retorno frías. Debido a que las calderas de condensación son más eficientes a menores tasas de combustión, es ventajoso operar múltiples calderas a menores tasas de activación para mejorar la eficiencia general del sistema. Dado que la temperatura del agua de retorno afecta directamente la eficiencia de la caldera, mantener el diseño delta T y mantener la temperatura del agua de retorno lo más fría posible son puntos importantes a recordar al diseñar un sistema de caldera de condensación y estrategia de control.

Pasos clave en una remodelación

Al considerar cualquier reemplazo de caldera, es importante evaluar la carga de diseño del sistema, la carga mínima anticipada y los requisitos de redundancia. Se pueden haber realizado cambios en el edificio y / o el sistema desde el diseño original, y la comprensión de la carga actual puede ayudar a garantizar la mejor selección de calderas.

Junto con la carga, es importante comprender los requisitos reales de suministro y retorno de temperatura del agua del sistema. Si es posible, las temperaturas del agua de suministro (y retorno) deben reducirse tanto como sea posible sin dejar de cumplir los requisitos de calefacción del sistema.

Además, se debe utilizar algún tipo de estrategia de restablecimiento de la temperatura de suministro, más comúnmente reinicio de la temperatura del aire exterior, que varía el punto de ajuste de la temperatura de suministro en función de las cargas de construcción reducidas anticipadas cuando el clima es más cálido. Esto ayuda a disminuir aún más las temperaturas del sistema, especialmente la temperatura del agua de retorno, al tiempo que cumple con los requisitos del sistema.

Para ayudar a reducir la energía de bombeo y mantener el diseño delta T en un sistema de calefacción de agua caliente, se recomienda utilizar bombas de sistema de velocidad variable, a menudo controladas mediante control de presión diferencial, aunque también se pueden usar otras estrategias de modulación de la bomba. Al evaluar las bombas, también observe las válvulas de control en el sistema. Si el sistema existente tenía bombas de velocidad constante, lo más probable es que haya válvulas de control de tres vías en los dispositivos terminales.

Al utilizar el bombeo de velocidad variable, las válvulas de control de tres vías se pueden convertir a válvulas de control bidireccionales, lo que ayuda a reducir la mezcla en la tubería de retorno y mantiene el diseño delta T. Hay varias opciones para convertir a bombeo de velocidad variable. En bombas más pequeñas, el flujo puede variar simplemente «conduciendo» la curva de la bomba. Para bombas más grandes y para maximizar el ahorro de energía, se pueden usar VFD o motores ECM.

El sistema de combustión y el suministro de aire de combustión también deben evaluarse al adaptar un sistema de caldera sin condensación a un sistema de caldera de condensación. Las calderas sin condensación generalmente utilizan un producto de ventilación Categoría I o III, que no está diseñado para manejar el condensado corrosivo producido con calderas de condensación. Las calderas sin condensación a menudo usan aire ambiental para el aire de combustión, mientras que las calderas de condensación pueden ofrecer la oportunidad de dirigir la ventilación o canalizar el aire de combustión desde el exterior directamente a la caldera. Al cambiar a las calderas de condensación, es mejor utilizar un producto de ventilación Categoría IV listado en UL que está diseñado para su uso con calderas de condensación. Las chimeneas de mampostería a menudo necesitan revestirse con un forro de categoría IV para proteger la mampostería de los gases de combustión en condensación.

Muchas calderas de condensación utilizan lo que se conoce como tecnología de quemadores de premezcla. Si bien son excelentes para la condensación de calderas, estos quemadores pueden ser más sensibles a las presiones de gas inconsistentes en comparación con los quemadores de estilo antiguo. Debido a esto, es importante revisar cuál es la presión del gas del sitio y garantizar que los colectores de gas tengan el tamaño adecuado para los requisitos de la caldera.

En general, las calderas de condensación generalmente requieren menos mantenimiento que las calderas sin condensación; sin embargo, también producen condensado ácido que debe tratarse antes de que se descargue en el drenaje para proteger el drenaje del daño. La forma más común de tratamiento es un tanque o tanque de tratamiento de condensado que contiene un medio de neutralización para elevar el pH del condensado cerca de punto muerto. La descarga de condensado del tanque o tubo se debe revisar periódicamente como parte del mantenimiento regular de la sala de calderas para asegurarse de que el medio neutralizador está haciendo su trabajo. Con el tiempo, los medios necesitarán ser reemplazados.

Tipos de calderas de condensación

Hay muchos tipos y tecnologías de calderas de condensación disponibles. Las calderas de condensación se pueden construir de diferentes materiales, típicamente acero inoxidable o aluminio fundido, y tienen requisitos operativos variables. Las calderas de condensación de baja masa, definidas como 20 galones por 1,000 MBH o menos de volumen de agua, a menudo requieren caudales constantes, mientras que las calderas de alta masa con 50 galones por 1,000 MBH o más de volumen de agua generalmente son de bajo flujo tolerante.

Los diseños de baja masa suelen tener altas caídas de presión en el agua que requieren un sistema de bombeo primario-secundario. Las calderas de alta masa a menudo tienen caídas de presión mucho menores, lo que las hace ideales para sistemas de bombeo primario de flujo variable.

Las calderas de condensación también pueden variar ampliamente en su superficie de calentamiento efectiva, arreglos de intercambiadores de calor y tecnologías de quemadores. Por lo tanto, comprender los criterios de selección de la caldera es clave para garantizar un proyecto de adaptación exitoso.

Varias calderas de condensación de alta masa ofrecen conexiones de doble retorno como estándar. Los retornos dobles son ventajosos en situaciones de retro adaptación porque se pueden condensar cuando una pequeña cantidad (generalmente 10% o más) de agua de retorno regresa a la caldera como un circuito separado, con una temperatura inferior a 130 ° F. Cuando se conecta al retorno de temperatura más bajo en lugar de mezclarse en la tubería del sistema, se introduce el agua más fría posible en la caldera, lo que aumenta el potencial de condensación y la eficiencia del combustible del sistema.

Cuando un retorno de temperatura más alto conectado en un lugar más cálido del intercambiador de calor se combina con el retorno de baja temperatura ubicado cerca de los gases de combustión más fríos, la caldera puede lograr un rendimiento de condensación incluso cuando la mayoría del sistema requiere operación a temperaturas sin condensación.

Esta aplicación puede funcionar bien para sistemas heredados que requieren una temperatura de día de diseño más alta, pero puede tener otra carga disponible que pueda funcionar a temperaturas más bajas. Algunos ejemplos de oportunidades de baja temperatura incluyen calentamiento de piscinas, agua caliente sanitaria, nieve derretida y serpentines de calentamiento de aire exterior, entre otros.

Finalmente, es importante entender los requisitos de una caldera de condensación con respecto a las cañerías y las tasas de flujo. Dado que hay una variedad de calderas de condensación disponibles, asegúrese de consultar los requisitos del fabricante para la tubería y la operación. Típicamente, las calderas de condensación de baja masa requieren un flujo constante o altas tasas de flujo mínimo. Las calderas de alta masa a menudo tienen requisitos de flujo mínimo muy bajos y se consideran de bajo flujo tolerante.

Con su gran volumen de agua, las calderas de alta masa pueden soportar condiciones variables de flujo sin problemas. Esto es importante para recordar al evaluar cómo cañer las nuevas calderas. Las calderas de masa baja requerirán tuberías primarias y secundarias y, potencialmente, un tanque intermedio para agregar el volumen del sistema. Las calderas de alta masa se pueden canalizar en una disposición primaria de flujo variable para maximizar la eficiencia general del sistema tanto desde el punto de vista de la caldera como desde el punto de vista de la energía de bombeo.

Escenarios de reconversión

Los siguientes son tres escenarios de retroadaptación, que van desde lo simple a lo más complejo.

Primero, considere un sistema pequeño de caldera única que se ve a menudo en una iglesia o escuela. El sistema existente no condensa con una bomba de velocidad constante y válvulas de control de tres vías. Para maximizar la eficiencia de la caldera de condensación, las temperaturas del sistema deben evaluarse y disminuirse, si es posible, durante todo el año o mediante la implementación de restablecimiento de la temperatura de suministro. Las válvulas de control de tres vías se deben reemplazar con válvulas de control bidireccionales, mientras se mantienen suficientes válvulas de control de tres vías para los requisitos de flujo mínimo para aprovechar el bombeo de velocidad variable. Esto reducirá la energía de bombeo y mantendrá una temperatura de agua de retorno más baja en la caldera de condensación.

Un sistema de tamaño intermedio, que a menudo se encuentra en una escuela, edificio de oficinas u hotel más grande, normalmente consta de dos o tres calderas con bombas de caldera dedicadas de velocidad constante y válvulas de tres vías en los dispositivos terminales del sistema. Hay dos fases para esta modificación.

Inicialmente, una caldera sin condensación será reemplazada por una caldera de condensación de alta masa. En condiciones de baja carga, la caldera de condensación utilizará el reinicio del aire exterior para reducir las temperaturas del sistema y mejorar la eficiencia. A mayores cargas, la caldera sin condensación será la caldera principal y la caldera de condensación será la caldera de retardo. En esta condición, el punto de ajuste del sistema será mayor en el modo sin condensación ya que la carga es mayor en función de las condiciones más frías del aire exterior. Esta estrategia podría lograrse con el control manual, la programación del sistema de gestión del edificio o un controlador híbrido empaquetado.

En la Fase II, la caldera heredada restante será reemplazada por una segunda (o tercera) caldera de condensación, y el sistema se convertirá en primario de flujo variable completo. Al mismo tiempo, las válvulas de tres vías se convertirán en válvulas de control bidireccionales, se puede usar el restablecimiento del aire exterior y se puede implementar una estrategia de control de condensación con múltiples calderas operando a velocidades de encendido inferiores en paralelo.

Por último, considere una modificación de sistema grande donde hay múltiples calderas grandes en una disposición primario-secundario. Para este sistema, hay una variedad de opciones que se pueden explorar según el presupuesto del proyecto y la condición de las calderas heredadas, junto con los otros elementos discutidos anteriormente.

La primera opción es conectar las calderas de condensación aguas arriba de la válvula mezcladora de tres vías, permitiendo que las calderas de condensación vean el agua de retorno más fría del sistema. Esto permitiría que una o todas las calderas sin condensación permanezcan durante días de diseño o redundancia.

Otra opción es reemplazar todas las calderas sin condensación con las de condensación y convertir el sistema a primario de flujo variable.

La última opción es diseñar una planta híbrida completa con las calderas de condensación canalizadas en una disposición primaria de flujo variable y la (s) caldera (s) heredada (s) sin condensación en una disposición primario-secundario para uso en días de diseño o como calderas de respaldo .

Hay algunos puntos clave que recordar para todas las aplicaciones de actualización. En primer lugar, siempre trabaje con el fabricante de la caldera para diseñar un sistema que tenga un mejor rendimiento con el equipo a la vez que proporciona la operación más eficiente y confiable. Dentro del segmento de la caldera de condensación, existe una variedad de tecnologías de calderas, cada una con diferentes requisitos operativos. Comprender los requisitos de operación durante la fase de diseño garantizará la implementación adecuada del modelo de caldera respectivo.

Desde el punto de vista del sistema, es crucial entender la carga del edificio y bajar la temperatura del agua de retorno a la caldera siempre que sea posible. Elimine las válvulas de control de tres vías cuando haga la transición a un bombeo de flujo variable para que el agua más fría posible vuelva a las calderas. Cuando sea práctico, implemente calderas de condensación de alta masa en una disposición primaria de flujo variable para eliminar la mezcla inherente en el desacoplador entre los bucles primario y secundario en condiciones de carga parcial. De nuevo, esto da como resultado que las calderas reciban el agua de retorno más fría posible.

Para realizar eficiencias de condensación, baje el punto de ajuste del sistema durante todo el año o implemente la restauración de la temperatura de suministro según sea necesario. Si existe la posibilidad de recuperar una parte del agua de retorno por debajo de las temperaturas de condensación, agregar un doble retorno al sistema puede mejorar la eficiencia operativa, incluso si todo el edificio no puede soportar las temperaturas de condensación.

Para comprender la característica de eficiencia inversa de las calderas de condensación, es importante controlar las calderas de condensación en modulación paralela con múltiples calderas que operan a tasas de combustión más bajas para obtener las eficiencias operativas más altas posibles del sistema de calefacción de agua caliente.

Alejandro Velandia, es el ingeniero comercial encargado de la línea Cleaver-Brooks para Colombia, Alejandro es ingeniero mecánico quien ha trabajado como ingeniera de consultoría mecánica con experiencia en diseño y soluciones para una variedad de industrias.

Contacto: ventas@gasteco.com.co