Caldera de condensación

Las calderas de condensación son calentadores de agua que se utilizan habitualmente en sistemas de calefacción alimentados con gas o petróleo. En las condiciones adecuadas, un sistema de calefacción puede alcanzar una alta eficiencia (superior al 90 % en el poder calorífico superior ) al condensar el vapor de agua presente en los gases de escape en un intercambiador de calor para precalentar el agua circulante. De esta forma, se recupera el calor latente de vaporización , que de otro modo se desperdiciaría. El condensado se descarga por el desagüe. En muchos países, el uso de calderas de condensación es obligatorio o se fomenta mediante incentivos económicos.

Para que el proceso de condensación funcione correctamente, la temperatura de retorno del agua circulante debe ser de alrededor de 55 °C (131 °F) o inferior. Por ello, las calderas de condensación suelen funcionar a temperaturas más bajas, alrededor de 70 °C (158 °F) o inferiores, lo que puede requerir tuberías y radiadores de mayor tamaño que las calderas convencionales. No obstante, incluso la condensación parcial resulta más eficiente que una caldera convencional.    

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 la temperatura del agua.

Uno de los gases calientes que se generan durante la combustión es el vapor de agua, que proviene de la quema del hidrógeno presente en el combustible. Una caldera de condensación extrae calor adicional de los gases residuales al condensar este vapor de agua en agua líquida, recuperando así su calor latente de vaporización. El aumento típico de eficiencia puede alcanzar entre un 10 % y un 12 %. Si bien la eficacia del proceso de condensación varía según la temperatura del agua que regresa a la caldera, siempre es al menos tan eficiente como una caldera convencional.

El condensado producido es ligeramente ácido (pH de 3 a 5), ​​por lo que deben utilizarse materiales adecuados en zonas donde haya presencia de líquido. Las aleaciones de aluminio y el acero inoxidable son los más utilizados a altas temperaturas. En zonas de baja temperatura, los plásticos son los más económicos (por ejemplo, uPVC y polipropileno ). ^{[ 1 ]} La producción de condensado también requiere la instalación de un sistema de drenaje de condensado con intercambiador de calor. En una instalación típica, esta es la única diferencia entre una caldera de condensación y una de no condensación.

Para fabricar económicamente el intercambiador de calor de una caldera de condensación (y para que el aparato sea manejable durante la instalación), se prefiere el tamaño más pequeño posible 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 para mover los productos a través de conductos estrechos. Esto también ha tenido la ventaja de proporcionar la energía para el sistema de humos, ya que los gases de combustión expulsados ​​suelen estar por debajo de 100  °C (212  °F) y, por lo tanto, tienen una densidad cercana a la del aire, con poca flotabilidad. El ventilador ayuda a bombear los gases de escape al exterior.

Las calderas de condensación están reemplazando en gran medida a los diseños convencionales anteriores en los sistemas de calefacción central domésticos en Europa y, en menor medida, en Norteamérica . Los Países Bajos fueron el primer país en adoptarlas ampliamente. ^{[ 2 ]}

Los fabricantes de calderas de condensación afirman que se puede alcanzar una eficiencia térmica de hasta el 98% , ^{[ 3 ]} en comparación con el 70%-80% de los diseños convencionales (basado en el poder calorífico superior de los combustibles). Los modelos típicos ofrecen eficiencias cercanas al 90%, lo que sitúa a la mayoría de las marcas de calderas de gas de condensación en las categorías más altas disponibles en cuanto a eficiencia energética. En el Reino Unido, esto corresponde a una clasificación de eficiencia SEDBUK (Eficiencia Estacional de Calderas Domésticas en el Reino Unido) ^{[ 4 ]} de Banda A, mientras que en Norteamérica suelen recibir el logotipo Eco y/o la 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 y la potencia de la caldera y del tamaño y la potencia de los emisores. El diseño y la instalación del sistema son fundamentales. La adecuación de la radiación a la potencia calorífica (Btu/h) de la caldera y la consideración de las temperaturas de diseño de los emisores y radiadores determinan la eficiencia general del sistema de calefacción de espacios y agua sanitaria .

Una razón para la disminución de la eficiencia es que el diseño y/o la implementación del sistema de calefacción produce temperaturas del agua de retorno (fluido de transferencia de calor) en la caldera superiores a 55  °C (131  °F), lo que impide una condensación significativa en el intercambiador de calor. ^{[ 5 ]} Se podría esperar que una mejor capacitación tanto de los instaladores como de los propietarios aumente la eficiencia hacia los valores de laboratorio reportados. Recursos Naturales de Canadá ^{[ 6 ]} también sugiere formas de hacer un mejor uso de estas calderas, como combinar sistemas de calefacción de espacios y agua. Algunas calderas (por ejemplo, Potterton) pueden cambiar entre dos temperaturas de flujo, como 63  °C (145  °F) y 84  °C (183  °F), siendo solo la primera "de condensación completa". Sin embargo, las calderas normalmente se instalan con una temperatura de flujo más alta por defecto porque un tanque de agua caliente sanitaria generalmente se calienta a 60  °C (140  °F), y esto lleva demasiado tiempo para lograrlo con una temperatura de flujo solo tres grados más alta. No obstante, incluso la condensación parcial es más eficiente que una caldera tradicional.

La mayoría de las calderas convencionales podrían funcionar como calderas de condensación mediante simples ajustes en los controles. Si bien esto reduciría considerablemente el consumo de combustible, la naturaleza corrosiva del condensado dañaría rápidamente los componentes de acero dulce o hierro fundido. Por este motivo, la mayoría de los intercambiadores de calor de las calderas de condensación están fabricados en acero inoxidable o aleación de aluminio/silicio. Se pueden instalar economizadores externos de acero inoxidable en calderas convencionales para que alcancen la eficiencia de condensación. Las válvulas de control de temperatura se utilizan para mezclar el agua caliente de suministro con el agua de retorno y evitar así el choque térmico o la condensación dentro de la caldera.

Cuanto menor sea la temperatura de retorno a la caldera, mayor será la probabilidad de que funcione en modo de condensación. Si la temperatura de retorno se mantiene por debajo de aproximadamente 55  °C (131  °F), la caldera debería seguir funcionando en modo de condensación, lo que hace que esta tecnología sea ideal para aplicaciones de baja temperatura, como suelos radiantes e incluso radiadores antiguos de hierro fundido.

La mayoría de los fabricantes de calderas de condensación domésticas nuevas producen un sistema de control básico "para todos los usos" que hace que la caldera funcione en modo de condensación solo durante el calentamiento inicial, tras lo cual la eficiencia disminuye. Este enfoque debería ser superior al de los modelos más antiguos (véanse los siguientes tres documentos publicados por el Building Research Establishment: Documentos informativos 10-88 y 19-94; Folleto informativo general 74; Resumen 339. Véase también el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación del Chartered Institution of Building Services Engineers ). Por el contrario, los sistemas de compensación climática están diseñados para ajustar el sistema en función de las temperaturas interior, exterior, de entrada y de salida de la caldera.

El control de la caldera de condensación doméstica es fundamental para garantizar su funcionamiento de la forma más económica y eficiente en cuanto al consumo de combustible. Los quemadores suelen estar controlados por un sistema integrado con lógica predefinida que ajusta su potencia según la carga, logrando así el mejor rendimiento.

Las calderas de condensación modernas utilizan cada vez más protocolos de comunicación digital, como OpenTherm y sistemas de bus específicos del fabricante, para modular la potencia del quemador, la velocidad de la bomba y la temperatura del flujo en función de la demanda en tiempo real. Estas estrategias de control reducen los ciclos de encendido y apagado, mejoran la estabilidad del confort y aumentan la eficiencia estacional en comparación con el control termostático tradicional.

Casi todas las calderas cuentan con quemadores modulantes. Estos permiten reducir la potencia para ajustarla a la demanda. Las calderas tienen un factor de modulación , que es la relación entre la potencia máxima y la mínima a la que se puede mantener la combustión. Si el sistema de control determina que la demanda cae por debajo de la potencia mínima, la caldera se apagará hasta que la temperatura del agua descienda, momento en el que se volverá a encender y calentará el agua.

Se afirma que las calderas de condensación tienen fama de ser menos fiables y también pueden sufrir daños si las manipulan instaladores y fontaneros que no comprenden su funcionamiento. ^{[ 7 ]} Las afirmaciones de falta de fiabilidad han sido refutadas por una investigación llevada a cabo por el Building Research Establishment, con sede en el Reino Unido (véase Building Research Establishment ).

En particular, el problema de la columna de vapor surgió con las primeras instalaciones de calderas de condensación, en las que una columna blanca de vapor condensado (en forma de minúsculas gotitas) se hacía visible en la salida de la chimenea. Si bien no afectaba al funcionamiento de la caldera, la visibilidad de esta columna de vapor era un problema estético que generó mucha oposición a las calderas de condensación.

Un problema más significativo es la ligera acidez (pH 3-4) del líquido condensado. Cuando este está en contacto directo con el intercambiador de calor de la caldera, especialmente en el caso de láminas delgadas de aluminio, puede provocar una corrosión más rápida que en las calderas tradicionales sin condensación. Las calderas más antiguas también pueden haber 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 gran masa, a cualquier corrosión. La acidez del condensado significa que solo se pueden usar ciertos materiales: el acero inoxidable y el aluminio son adecuados, el acero dulce, el cobre o el hierro fundido no lo son. ^{[ 8 ]} Un diseño o estándares de construcción deficientes pueden haber hecho que los intercambiadores de calor de algunas calderas de condensación antiguas fueran menos duraderos.

Se recomienda encarecidamente realizar pruebas iniciales y un seguimiento anual del fluido de transferencia de calor 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 corroerlo y acortar la vida útil de la caldera. Sin embargo, aún no se dispone de datos estadísticos, ya que las calderas de condensación con intercambiadores de calor de aluminio no llevan el tiempo suficiente en funcionamiento.

El Building Research Establishment , principal organismo de investigación del Reino Unido para el sector de la construcción, elaboró ​​un folleto sobre calderas de condensación domésticas. Según el Building Research Establishment:

• Las calderas de condensación modernas son tan fiables como las calderas estándar.
• Las calderas de condensación no son más difíciles de mantener ni requieren un mantenimiento más frecuente.
• El mantenimiento no es caro; la única tarea adicional (menor) es comprobar el correcto funcionamiento del desagüe de condensación.
• Las calderas de condensación no son difíciles de instalar.
• En todas las condiciones de funcionamiento, las calderas de condensación son siempre más eficientes que las calderas estándar ^{[ 9 ].}

El condensado que expulsa una caldera de condensación es ácido , con un pH entre 3 y 4. Estas calderas requieren un desagüe para el condensado producido durante su funcionamiento. Este consiste en un tramo corto de tubería de polímero con una trampa de vapor para evitar que los gases de escape se expulsen al edificio. La acidez del condensado puede corroer las tuberías de hierro fundido, las tuberías de desagüe y los suelos de hormigón, pero no supone ningún riesgo para la salud de los ocupantes. Se puede instalar un neutralizador, generalmente un recipiente de plástico lleno de agregados o virutas de mármol o piedra caliza (alcalinas), para elevar el pH a niveles aceptables. Si no se dispone de un desagüe por gravedad, también se debe instalar una pequeña bomba de condensado para elevarlo a un desagüe adecuado.

En climas fríos, las tuberías externas de condensado son vulnerables a la congelación durante periodos prolongados de temperaturas bajo cero. Un desagüe de condensado congelado puede provocar el bloqueo de la caldera e impedir su funcionamiento seguro. Las medidas de mitigación incluyen aumentar el diámetro de las tuberías, aislar las tuberías externas, minimizar la longitud de la descarga externa y canalizar el condensado internamente siempre que sea posible. Algunas calderas modernas incorporan sistemas de protección antihielo para reducir el riesgo de congelación del condensado.

Los intercambiadores de calor primario y secundario están construidos con materiales que resisten 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  frente a 204  °C  ), siempre se requiere un ventilador mecánico para expulsarlo, con la ventaja adicional de permitir el uso de tuberías de escape de baja temperatura (generalmente PVC en aplicaciones domésticas) sin aislamiento ni requisitos de chimenea 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 materiales, con la notable excepción del acero inoxidable y el aluminio especialmente clasificados 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 la ventaja adicional de flexibilidad en la ubicación de la instalación, incluyendo la ventilación lateral, evitando perforaciones innecesarias en el techo.

Las calderas de condensación son hasta un 50% más caras de comprar e instalar que los tipos convencionales en el Reino Unido y los EE. UU. Sin embargo, a partir de 2006A precios del Reino Unido, el coste adicional de instalar una caldera de condensación en lugar de una convencional debería recuperarse en unos dos a cinco años gracias al menor consumo de combustible (para su verificación, véanse los siguientes tres documentos publicados por el Building Research Establishment: Documentos informativos 10-88 y 19-94; Folleto informativo general 74; Resumen 339; véanse también los estudios de caso en el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación del Chartered Institution of Building Services Engineers), y de dos a cinco años 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 costes asociados a la nueva instalación y la frecuencia de uso del sistema. El coste de estas calderas está bajando a medida que la adopción masiva impulsada por el gobierno se hace efectiva y los fabricantes retiran los modelos más antiguos y menos eficientes, pero el coste de producción es mayor que el de los tipos antiguos, ya que las calderas de condensación son más complejas.

La mayor complejidad de las calderas de condensación es la siguiente:

• Aumento del tamaño del intercambiador de calor o adición de un segundo intercambiador de calor (Es importante que los intercambiadores de calor estén diseñados para ser resistentes al ataque ácido de los gases de combustión "húmedos").
• La necesidad de una salida de humos con ventilador se debe a que los gases de combustión más fríos tienen menor flotabilidad, aunque muchas calderas no de condensación también tienen esta característica.
• La necesidad de drenar el condensado producido

En lo que respecta a las calderas modernas, no existen otras diferencias entre las calderas de condensación y las que no lo son.

La fiabilidad, así como el coste inicial y la eficiencia, afectan al coste total de propiedad. Una importante empresa independiente de fontanería del Reino Unido declaró en 2005 que había realizado miles de visitas para reparar calderas de condensación y que las emisiones de gases de efecto invernadero de sus furgonetas probablemente superaban el ahorro derivado del cambio a calderas ecológicas. ^{[ 7 ]} Sin embargo, el mismo artículo señala que el Consejo de Información sobre Calefacción y Agua Caliente, junto con algunos instaladores, ha constatado que las calderas de condensación modernas son igual de fiables que las calderas estándar.

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  Caldera de condensación
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  Escape de caldera de condensación
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  Caldera de condensación
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  Escape de acero inoxidable con condensación

• Eficiencia energética en la vivienda británica
• Condensación de gases de combustión : proceso para la recuperación de calor. 
• OpenTherm : protocolo de comunicación para sistemas de calefacción central. 

• Patente de la Oficina Europea de Patentes para la eliminación de condensación sin necesidad de drenaje.
• Página sobre calderas de condensación. Archivada el 25 de enero de 2008 en la Wayback Machine del sitio web de la Fundación Nacional de Energía del Reino Unido.
• Comparaciones de diferentes sistemas de calderas disponibles en Norteamérica en el sitio web de Recursos Naturales de Canadá.
• Diagrama de despiece de una caldera de condensación (Malvern Boilers 30) (archivo pdf - 71 KB)
• Sobre el diseño de calderas de gas de condensación residenciales