Un concepto que revolucionó la tecnología de las calderas de vapor, la inversión de llama en el hogar.
Todavía se fabrican las calderas de vapor que no son sino adaptaciones de arcaicas calderas de carbón a las que se les ha retirado la parrilla del hogar, colocando un quemador por donde antes se echaban paladas de carbón.
Se comprendió que igualmente que había sufrido una profunda evolución la generación de calor, primero carbón, luego los quemadores primitivos y posteriormente los quemadores a sobre presión. Era necesario que el elemento receptor de calor se adaptara a la evolución tecnológica.
El hallazgo del principio de transmisión calorífica por inversión de llama no fue fruto de la casualidad.
El complemento ideal de un quemador moderno, debe ser una caldera cuyo diseño contribuya positivamente a mejorar el rendimiento de la combustión.
Después de años de experimentación y años de servicio, está científicamente demostrado que la mejor adaptación se consigue en los hogares de inversión de llama
Solo recientemente, utilizando técnica de mecánica estadística, ha sido posible la elaboración de modelos matemáticos, que interpretan los fenómenos de combustión en alto régimen turbulento. Sin pretender alcanzar el nivel de un libro de texto, a continuación, se describen los principios básicos a que nos referimos.
En la figura, podemos apreciar el recorrido de los gases de combustión.
Dos circuitos en el tubo hogar.
Un circuito en los tubos de humos.
La llama penetra profundamente en el tubo del hogar. Los gases envuelven la llama en toda su longitud, evitando su contacto directo con la superficie del hogar.
En el caso de combustible líquido o gaseoso, hay 2 premisas fundamentales para conseguir una combustión perfecta:
1.) La combustión se realiza mejor, cuando más turbulenta sea.
Puesto que el combustible y el comburente (aire) entran juntos en el hogar de la caldera, pero deben mezclarse en el instante de la combustión, cuanto mayor sea la turbulencia de la combustión mayores probabilidades tendrá cada partícula de combustible de combinarse con la cantidad apropiada de oxígeno (aire).
En condiciones ideales, la combustión perfecta (estequeométrica), se consigue cuando cada partícula de combustible encuentra la cantidad justa de oxígeno (aire). Como esto es irrealizable en la práctica, se inyecta una cantidad mayor de oxígeno (de ahí el término de exceso de aire), de forma que cada partícula de combustible dentro de la de llama, encuentre el oxígeno (aire) necesario.
Es evidente que cuando más turbulenta sea la combustión, mayores probabilidades que la mezcla combustible/comburente sea lo más perfecta posible. Esto es precisamente una de las ventajas del principio de inversión de llama, con lo que la garantía de una combustión perfecta está asegurada.
En los hogares sin retorno de llama calderas convencionales, de un paso de gases en el hogar, al no haber tantas turbulencias, la solución consiste en incrementar la cantidad (o exceso) de aire, con objeto de asegurar que se queme cada partícula de combustible.
Este aire en exceso no hace más que empeorar el rendimiento de la combustión.
Se puede entonces concluir que, en una caldera de inversión de llama en el hogar, la combustión se realiza con menor exceso de aire, con lo que el rendimiento mejora, al no tener que calentar más el aire que el estrictamente necesario.
Esta mejora de rendimiento es fácilmente demostrable midiendo el % de CO2 en la combustión.
2.) La combustión de combustibles líquidos se realiza pulverizándolos finalmente. Solo los hogares de inversión de llama, garantizan una combustión sin inquemados, ni depósitos sólidos en el hogar, aun cuando la pulverización del quemador no sea óptima.
Examinemos el proceso de combustión de fuel-oil (para diésel, el proceso es idéntico, sin precalentamiento).
El fuel, para facilitar el proceso, llega ya caliente al quemador, donde sufre un último calentamiento hasta 120°C.
Los combustibles líquidos como el fuel o el diésel no arden sino cuando han sido transformados en gas. De ahí que el quemador los pulverice lo más finamente posible.
A partir del gas que desprenden esas partículas pulverizadas se origina la llama. Con el calor de esa llama se contribuye a que las partículas desprendan más gas, hasta consumirse por completo. Así se realiza la combustión en el hogar de una caldera.
El tiempo que tarda en gasificar y por lo tanto en combustionar cada partícula de fuel (o diésel) es:
to= tiempo de combustión
to=Do²/K
Do= diámetro de la partícula
K
K= constante dependiente del combustible.
Para que esta combustión sea completa, necesitaremos que cada partícula (en función de su diámetro) permanezca dentro de la llama un tiempo igual a to.
En las calderas de un solo paso en el hogar, las partículas que no se gasifican mientras pasan por la zona de llama, ya no tiene oportunidad de combustionar, razón por la que en estas calderas son tan frecuentes los depósitos de sólidos en el fondo del hogar, ensuciamiento de los tubos, emisión de cenizas contaminantes, etc. en cuanto el quemador presente la menor deficiencia de pulverización. Por el contrario, en una caldera de inversión de llama en el hogar, cada partícula tiene al menos el doble de tiempo para combustionar, ya que recorre al menos dos veces la longitud de la llama, al salir y al volver.
Conviene puntualizar que la longitud del hogar no tiene nada que ver con el tiempo en que cada partícula puede gasificar.
Lo único que cuenta es la longitud de la llama, que es a la misma en todas las calderas de vapor, pudiendo alterarse solo en función del ángulo del pulverizador, o el deflector del quemador.
Gracias a la inversión de la llama en el hogar, las calderas consiguen una perfecta combustión, sin combustible no quemado.
Una vez examinado lo anterior, queda claro que, puesto que los principios de combustión y transmisión calorífica se desarrollan bajo circunstancias diferentes, las calderas de inversión de llama no tienen por qué ajustarse a los ratios clásico de superficie de intercambio, volumen de agua, pesos, etc. que siguen otros fabricantes.
AUMENTO DE RENDIMIENTO.
Una vez que todas las medidas de un correcto mantenimiento están siendo aplicadas, sólo hay una forma de aumentar el rendimiento de la caldera; disminuir la temperatura de emisión de humos.
Es decir, se trata de arrebatar parte del calor residual que se pierde por la chimenea, transfiriendo dicha energía a otro medio; aire; agua; etc., de forma que este calor aprovechado, implique directamente una disminución del consumo de combustible de la instalación.
Los economizadores, cuyos gráficos de rendimiento se describen, son unos intercambiadores de calor de tubos que se intercalan entre la salida de humos de la caldera y la chimenea. Se utilizan, bien para precalentar el agua de alimentación a caldera, o para calentar agua con destino a otros usos.
DOS CONCEPTOS A LA HORA DE HABLAR DE RECUPERACION DE CALOR:
Si se trata de elevar la temperatura de agua de alimentación de la caldera, en el caso de que exista un retorno de condensados, que mantengan al estanque de alimentación y condensando por encima de 40° C, entonces garantizamos una reducción del consumo de combustible como mínimo del 5%.
Si se trata de una instalación de vapor sin retorno de condensado o de calentar agua fría, entonces garantizamos un ahorro del 15%.
En este caso, al pasar agua fría por el intercambiador de calor, se llega a condensar el vapor de agua contenido en los humos con lo que el rendimiento de la combustión supera el 100% sobre el poder calorífico inferior.
CURVAS DE RENDIMIENTO CALDERAS CON INVERSION DE LLAMMA SIN ECONOMIZADORCON ECONOMIZADOR-INTERCAMBIADOR A CONDENSACION
VER TABLA DE CALDERAS SHP – PIROTUBULAR – INVERSION DE LLAMA
