Comprender la eficiencia de la combustión
La eficiencia de combustión mide en qué medida se aprovecha el combustible quemado en el proceso de combustión. Esto difiere del valor de eficiencia que muestra el analizador, que refleja la cantidad total de calor disponible del combustible menos las pérdidas debidas a los gases que se expulsan por la chimenea. La pérdida por la chimenea mide el calor que se lleva consigo los gases de combustión secos y la pérdida de humedad. Es un buen indicador de la eficiencia del aparato. La temperatura de la chimenea es la temperatura de los gases de combustión (secos y vapor de agua) que salen del aparato, y refleja la energía que no se ha transferido del combustible al intercambiador de calor. Cuanto más baja sea la temperatura de la chimenea, más eficaz será el diseño del intercambiador de calor o la transferencia de calor, y mayor será la eficiencia en la conversión del combustible en aire, agua o vapor. El cálculo de la eficiencia de combustión tiene en cuenta tanto la temperatura de la chimenea como las pérdidas netas de calor y humedad. Esto incluiría las pérdidas debidas al gas seco, además de las pérdidas por humedad y las derivadas de la producción de CO.
La combustión transforma el carbono del combustible en CO₂. Para cada tipo de combustible existe un porcentaje máximo de CO₂ que se puede generar. Al seleccionar el combustible en el analizador, el CO₂ se calcula a partir del tipo de combustible y del porcentaje de O₂ restante en los gases de combustión. Normalmente, en el caso del gas natural, el CO₂ máximo es del 11,7 %. Este valor se alcanzaría cuando el O₂ en los gases de combustión fuera del 0 %. Algunos analizadores también permiten que el usuario introduzca el valor máximo de CO₂ si se conoce el poder calorífico del combustible.
Una vez más, la cantidad máxima de CO₂ se produciría durante una combustión estequiométrica, en la que no hay exceso de aire ni de combustible durante el proceso de combustión. En realidad, en el sector de la climatización no buscamos una combustión estequiométrica, sino una combustión completa en la que todo el hidrógeno y el carbono del combustible se oxiden para formar H₂O y CO₂. Para que se produzca una combustión completa, es necesario disponer de aire en exceso, es decir, un suministro de aire superior al necesario, lo que suele deberse a una mezcla deficiente entre el combustible y el aire durante el proceso de combustión. Si no se suministra aire en exceso, no se producirá la conversión completa del carbono en CO₂, y acabaremos con la formación de compuestos parcialmente oxidados, como el monóxido de carbono y los aldehídos. Aunque el rango de funcionamiento ideal de los quemadores no es tan eficiente como la combustión estequiométrica, sí nos proporciona un factor de seguridad adicional.
El porcentaje de exceso de aire necesario depende de varios factores, entre los que se incluyen:
- Aplicaciones de los equipos (comerciales, residenciales, industriales)
- Variaciones previstas en las propiedades del combustible (índices de oscilación)
- Caudales de suministro de aire de combustión y densidad del aire
- Grado de supervisión por parte del operador necesario o disponible (ajustes de verano e invierno)
- Requisitos de control, como el ajuste de O₂
Para lograr la máxima eficiencia de combustión, es recomendable un bajo exceso de aire. En las calderas domésticas suele ser del 50 %; sin embargo, puede ser necesario aire adicional para la dilución, con el fin de evitar la condensación de los gases de combustión. Este aire podría introducirse en el aparato después del punto de combustión a través de un desviador de tiro o como exceso de aire que pasa por todo el proceso de combustión.
Cada tipo de combustible tiene un contenido calorífico específico medible. La cantidad máxima de calor que se puede obtener de un combustible se basa en el uso de oxígeno puro como oxidante en la reacción química y en la optimización de la mezcla de gas combustible. En la práctica, el oxígeno se obtiene del aire, que contiene un 20,9 % de oxígeno, un 78 % de nitrógeno y un 1 % de otros gases. Dado que el oxígeno no se separa del aire antes de la combustión, esto tiene un efecto negativo en la reacción química. El aire está compuesto principalmente por nitrógeno. Aunque el nitrógeno es inerte y no interviene en el proceso de combustión, enfría la reacción química (temperatura de combustión) y reduce el contenido calorífico máximo que puede aportar el combustible. Por lo tanto, es imposible alcanzar eficiencias de combustión superiores al 95 % para la mayoría de los combustibles, incluido el gas natural, cuando se utiliza aire como oxidante en el proceso de combustión.
La eficiencia de combustión o el poder calorífico máximo del combustible dependen, por tanto, de la calidad de la mezcla de combustible y aire, y de la cantidad de aire suministrada al quemador por encima de la necesaria para producir una combustión completa. La eficiencia calculada por el analizador de combustión se basa en una ecuación modificada que tiene en cuenta la eficiencia de combustión y las pérdidas por chimenea. Se trata de un cálculo que combina, en parte, la eficiencia térmica y, en parte, la eficiencia de combustión. La ecuación constituye una estimación razonable de la eficiencia de funcionamiento en régimen estacionario del aparato. Esto es válido para todos los analizadores que se fabrican actualmente.[1]
Es necesario evaluar todo el sistema (horno/caldera, conductos y tuberías) para determinar su eficiencia real. La eficiencia de combustión es un aspecto importante de la evaluación del sistema, pero solo constituye una parte del proceso de evaluación y no puede utilizarse como único motivo o justificación para mantener o sustituir el equipo existente. Si se controla cuidadosamente el exceso de aire, la mayoría de las calderas son capaces de funcionar a niveles superiores a su eficiencia nominal de utilización de combustible anualizada (AFUE); los niveles de AFUE suelen oscilar entre el 80 % y el 97 % [2]
La eficiencia térmica final del aparato se determina dividiendo la tasa de producción de calor del aparato por la tasa de consumo de combustible. Durante el proceso de combustión, todas las calderas que funcionan con la misma eficiencia de combustión producirán la misma cantidad de calor con el mismo consumo de combustible. La eficiencia de combustión no influye en la capacidad del aparato para aprovechar el calor producido una vez finalizado el proceso de combustión. El diseño del intercambiador de calor y su capacidad para transferir el calor sensible [3] y, posiblemente, el calor latente [4] al aire de la estancia determinan en qué medida se aprovecha el calor producido por el proceso de combustión.
Los cálculos de la eficiencia neta de combustión parten de la base de que la energía contenida en el vapor de agua (que se forma como producto de la combustión) se recupera y no se expulsa por el conducto de humos o la chimenea. Por ejemplo: el usuario de un analizador de combustión observará una lectura de eficiencia neta de, digamos, entre el 95 % y el 97 % en una caldera de más de 90, ya que el intercambiador de calor secundario está «exprimiendo» el calor latente de vaporización del vapor de agua al condensarlo de estado gaseoso a líquido. Los cálculos de la eficiencia bruta de combustión parten de la base de que la energía contenida en el vapor de agua no se recupera. En el ejemplo anterior, la eficiencia bruta (solo procedente de la quema del combustible) podría situarse entre el 86 % y el 88 %. Por lo general, la diferencia entre el valor de la eficiencia de combustión neta y el de la eficiencia de combustión bruta en un sistema alimentado con gas natural ronda el 7-9 %, siendo el valor neto superior al bruto.
Durante la combustión, se generan nuevas sustancias químicas a partir del combustible y del oxidante. Estas sustancias se denominan gases de escape. La mayor parte de los gases de escape procede de las reacciones químicas entre el combustible y el oxígeno. Cuando se quema un combustible a base de hidrocarburos (gas natural), los gases de escape contienen agua (hidrógeno + oxígeno) y dióxido de carbono (carbono + oxígeno). Sin embargo, los gases de escape también pueden contener compuestos químicos procedentes únicamente del oxidante. Si el gas natural se quema con aire —que contiene un 21 % de oxígeno, un 78 % de nitrógeno y un 1 % de gases traza—, los gases de escape también pueden incluir monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx, nitrógeno + oxígeno) y, si hay azufre presente en el combustible, dióxido de azufre (SO₂, azufre + oxígeno).
La temperatura de los gases de escape será elevada debido al calor que se transfiere a estos durante la combustión. Debido a su elevada temperatura, los gases de escape suelen presentarse en forma gaseosa, aunque también puede haber productos de combustión en estado líquido o sólido. El agua (H₂O) está siempre presente en la combustión de gas natural y petróleo en las calderas domésticas. El hollín, que es combustible quemado de forma incompleta, es un tipo de producto de combustión sólido que se genera en algunos procesos de combustión.
Durante el proceso de combustión, a medida que el combustible y el oxidante se transforman en productos de combustión, se genera calor. Curiosamente, también se necesita alguna fuente de calor para iniciar la combustión. Tanto la gasolina como el aire están presentes en el depósito de combustible de tu coche; sin embargo, la combustión no se produce porque no hay una fuente de calor. Dado que el calor es necesario para iniciar la combustión y, al mismo tiempo, es en sí mismo un producto de la combustión, podemos entender por qué esta se produce con tanta rapidez. Además, una vez que la combustión se ha iniciado, no es necesario seguir aportando la fuente de calor, ya que el calor producido por el proceso de combustión se encarga de mantenerla en marcha. No hace falta seguir encendiendo una hoguera; simplemente sigue ardiendo.
Los gases de combustión son los gases que se producen al quemar combustible. Estos gases están calientes, pero no han cedido todo su calor durante el proceso de combustión. Dependiendo del tipo de caldera, es necesario que salga una cierta cantidad de calor por el conducto de humos para evitar que los gases se condensen. En el caso de las calderas de alta eficiencia, la condensación es deseable debido al calor adicional que se extrae de los gases de combustión.
Un analizador digital de combustión realiza todos los cálculos matemáticos y mediciones necesarios para determinar la eficiencia, la seguridad, el punto de rocío y la cantidad de contaminación que genera el aparato. Para la mayoría de los técnicos, las lecturas de seguridad (CO) y eficiencia (EFF.) serán los datos más importantes y a los que se recurrirá con mayor frecuencia. Cuando la seguridad o la eficiencia se ven comprometidas, se tienen en cuenta otros aspectos de la reacción química (CO₂, O₂), junto con valores calculados como el exceso de aire, para determinar la causa del problema en el proceso de combustión. Otras variables, como el NOx y el SO₂, se tienen en cuenta y se controlan para mantenerlas en niveles que sean seguros para el medio ambiente y aceptables para la autoridad local competente en la materia. Actualmente, en algunas zonas no se regulan los niveles de NOx y SO₂, y cuando no se controlan, tampoco suelen medirse. Por lo general, las fuentes de gases de escape de mayor tamaño (sistemas con mayor potencia en BTU) son objeto de la normativa sobre NOx y SO₂. (NOTA: Varios fabricantes disponen de una gama completa de productos asequibles para medir las emisiones reguladas.)
Como técnico de servicio, a menos que un componente haya fallado, solo hay tres elementos que se pueden ajustar en un aparato de gas o gasóleo y que influyen en el proceso de combustión.
- Presión del combustible
- Aire primario (en las calderas más modernas, este parámetro no es ajustable)
- Corriente de aire, que afectará al aire secundario
Hay otros factores que pueden afectar al proceso de combustión. Entre ellos se incluyen el impacto, por ejemplo, de un piloto mal colocado; el exceso de aire debido a un intercambiador de calor agrietado; la falta de aire de combustión por una construcción hermética o una ventilación inadecuada; un sistema de ventilación mal instalado; o unos orificios incorrectos. Estos se consideran defectos o problemas de instalación, y requieren una corrección mecánica más que un simple ajuste. Es responsabilidad del técnico de servicio determinar si los problemas de combustión se deben a un ajuste inadecuado, una instalación incorrecta, un fallo de un componente o un defecto del equipo. Por lo tanto, es importante que el técnico comprenda perfectamente cómo afecta cada uno de los subsistemas a la reacción química denominada combustión.
Cabe señalar que no existe una norma industrial nacional para calcular la eficiencia medida con un analizador de combustión. Los fabricantes de analizadores utilizan distintos métodos de cálculo para obtener los valores de eficiencia. A menudo, esta discrepancia se debe a que los valores se han extrapolado al rango de condensación.
El calor extraído de los gases de combustión en una caldera de condensación es calor latente u oculto. Un analizador de combustión que solo mide la temperatura y no el volumen del condensado no puede determinar la cantidad de calor extraída de los gases de combustión durante el proceso de condensación. Aunque los términos «rendimiento térmico» y «rendimiento de combustión» suelen utilizarse indistintamente en las unidades sin condensación, no pueden emplearse de la misma manera en los aparatos de condensación.
La eficiencia térmica de un aparato de condensación y la eficiencia de combustión serán diferentes. La única forma de calcular la eficiencia térmica real de un aparato es medir el caudal de aire exacto que atraviesa el intercambiador de calor y la variación de la temperatura del aire a lo largo del mismo, e introducir los valores medidos en la fórmula del calor sensible para calcular la energía térmica aportada al aire acondicionado. Se producirá una pérdida mínima hacia la carcasa de la caldera por radiación y conducción. Dependiendo de la cantidad de energía térmica que se extrapole del agua contenida en los gases de combustión —una media de 970 BTU por libra—, los valores de eficiencia pueden variar hasta en un 10 %. Esto supone que o bien se extrajo toda la energía térmica latente de los gases de combustión después de que alcanzaran el punto de rocío, o bien no se extrajo nada de dicha energía.
Esta extrapolación de valores es errónea y ha llevado a los fabricantes de aparatos a publicar, sin darse cuenta, cifras de eficiencia térmica superiores a las reales, debido a las lecturas obtenidas en su analizador. (NOTA: Este cálculo no afecta a las cifras de AFUE, que se obtienen por un método diferente). Al no tener en cuenta esta discrepancia, algunos miembros del sector han sugerido que los combustibles se suministran con bajos niveles de BTU. Esto les lleva a proponer que se aumente la presión del combustible para proporcionar la potencia calorífica neta que ha publicado el fabricante. Por este motivo, recomendamos que la presión del combustible se ajuste según las instrucciones del fabricante. La eficiencia de combustión será entonces una función de los gases de combustión secos reales y no de la eficiencia térmica de un aparato de condensación. De este modo se evita el uso de un parámetro calculado en lugar de uno medido. Algunos fabricantes han optado por utilizar un cálculo de combustión que no extrapola los valores de eficiencia térmica de los gases de combustión por debajo del punto de rocío, ya que dichos valores no son representativos del calor que se extrae de los gases de combustión durante el proceso de condensación. Aunque esto pueda dar lugar a que la eficiencia térmica del aparato parezca menor, los principios científicos utilizados para medir la eficiencia de combustión no son artificialmente elevados. Una vez comprendidas las diferencias entre la eficiencia de combustión y la eficiencia térmica del aparato, se puede apreciar y aplicar la metodología de la medición científica frente a la extrapolación de valores medidos, lo que permite a los fabricantes publicar eficiencias de combustión y térmicas que sean representativas de la eficiencia real de su aparato, creando así una norma basada en la medición real en lugar de en una extrapolación.
[1] Los fabricantes utilizan diferentes tipos de ecuaciones de combustión. A esta ecuación modificada se la suele denominar «eficiencia de combustión», aunque, desde un punto de vista puramente científico, no lo es. ↩
[2] El AFUE también se conoce como «eficiencia estacional mínima» del Departamento de Energía ↩
[3] El calor sensible es el calor que se mide con un termómetro ↩
[4] El calor latente es el calor disponible cuando el vapor de agua presente en los gases de escape se ha condensado ↩