Caldeiras

Artigos sobre instalação de caldeiras para instaladores ou para utilizadores destes equipamentos

Caldeiras de Condensação

Descarregue o nosso artigo aqui: Teoria da condensação

 

Como funcionam as Caldeiras de Condensação?

 

  • Princípio de funcionamento

Todos os combustíveis que contém hidrogénio produzem água na sua combustão. Parte do calor produzido pela reacção  de combustão é gasto para vaporizar a água produzida.

Até ao aparecimento das Caldeiras de Condensação, o calor gasto na vaporização da água da reacção era completamente perdido. Este calor, é o somatório do calor latente e sensível do vapor de água e representa aproximadamente 540 Kcal por kg de condensação.

Calor sensível

É o calor libertado apenas pela redução da temperatura dos gases de combustão. É calor ganho, que as caldeiras tradicionais perdiam, mas não é a parcela mais importante, que é a do calor latente.

Os fumos resultantes da combustão das caldeiras tradicionais estão a 130ºC enquanto nas Caldeiras de Condensação estão a cerca de 50ºC. Esta redução de temperatura, de 80ºC, multiplicado pelo calor específico dos fumos e pelo caudal dos mesmos representa o calor sensível recuperado.

Calor latente de condensação

Representa o calor libertado pelo vapor de água na altura da sua mudança de estado para líquido. É a grande parcela de calor, logo a que mais interessa recuperar. Durante este processo de mudança de estado não há alteração de temperatura.

Rendimento das Caldeiras Convencionais VS Caldeiras de Condensação

É necessário perceber qual a base sobre a qual se calcula o rendimento de uma caldeira, para se entender os rendimentos na ordem dos 110% nas Caldeiras de Condensação.

Energia PCI e PCS

Figura 1. Comparação entre a quantidade de energia indicada pelo Poder Calorífico Inferior (PCI) e a indicada pelo Poder Calorífico Superior (PCS).

Tradicionalmente, referimo-nos ao rendimento de uma caldeira tendo por base o poder calorífico inferior (PCI). Isto significa que o rendimento de uma qualquer caldeira é a divisão da sua potência útil sobre o caudal térmico fornecido, conforme indicado na equação 1.

equação 1

Em que:           Pot.útil = Potência fornecida à água em kW

Caudal térmico = PCI do combustível em kW

Nas Caldeiras de Condensação, o calor latente e sensível recuperado pelo abaixamento de temperatura dos fumos de queima e respectiva condensação, é normalmente superior ao valor do calor perdido pela caldeira (perdas térmicas não aproveitadas para a água). Isto significa que normalmente se consegue que a Potência útil seja superior ao PCI, o que se traduz em rendimentos superiores a 100%.

Calor sensível e calor latente

 

Figura 2. Poder Calorífico Inferior (PCI) e Poder Calorífico Superior (PCS) de diferentes combustíveis..

Ponto de orvalho

A condensação acontece no ponto de orvalho. A temperatura do ponto de orvalho aumenta com a elevação do teor de CO2 (ou ao diminuir o excesso de ar primário do queimador).

Pela sua equação química e tipo de reacção, o metano tem temperaturas de orvalho superiores, e assim mais vantajosas, relativamente ao gasóleo.

Ponto de orvalho metano e gasóleo

Figura 3. Gráfico do ponto de orvalho dos gases resultantes da queima de Metano e Gasóleo, em função do teor de dióxido de carbono resultante.

Analisando o gráfico da figura 3, verificamos que para o mesmo teor de dióxido de carbono na ordem dos 9% resultam em pontos de orvalho para gases resultantes da queima de metano na ordem dos 54ºC, enquanto no caso da queima do gasóleo, os gases resultantes apenas condensam aos 41ºC.

Desta analise se conclui que é muito mais fácil recuperar o calor latente de gases provenientes do metano do que dos gases da queima do gasóleo.

  • Funcionamento

O fluxo dos fumos é em “contracorrente” em relação ao da água para permitir que a redução da temperatura dos fumos seja o maior possível. Para os condensar, é necessário que a temperatura de retorno da instalação seja inferior ao ponto de orvalho.

Caldeiras de condensação de permutador único

Pelo cruzamento da informação disponível nas figura 3, 4 e 5, percebemos que para as Caldeiras de Condensação a metano é possível trabalhar em sistemas de aquecimento cujo retorno seja 50ºC, com aproveitamento integral das capacidades da caldeira. São temperaturas que servem quase qualquer tipo de aquecimento, quer de baixa (pavimento radiante, ventiloconvectores, etc), quer de alta temperatura (radiadores, etc.). Apenas é necessário precaver, no caso dos radiadores, um número de elementos compatível com a potência necessária para o local aquecido.

Para as Caldeiras de Condensação a gasóleo o retorno da instalação deverá andar na ordem dos 37ºC. Aqui, claramente, são caldeiras mais adequadas para sistemas de aquecimento de baixa temperatura.

  • Evolução da tecnologia

Apesar de o princípio teórico da condensação ser simples, a construção das caldeiras na prática não foi tão fácil como se poderia supor. E a dificuldade advem de vários problemas técnicos, para os quais houve necessidade de arranjar soluções que não retirassem a viabilidade económica das caldeiras.

 Possíveis problemas técnicos

O problema mais evidente é a corrosão devido à condensação. Os fumos tem sempre na sua composição Nox e Sox, que quando condensam são responsáveis pelo baixo teor de pH do efluente. Os condensados das Caldeiras de Condensação a metano tem um pH entre 3,5 e 5. Os provenientes das Caldeiras de Condensação a gasóleo tem um pH entre 1,8 e 3,5.

Outro dos eventuais problemas prende-se com a má evacuação de fumos. São fumos a baixa temperatura. Quanto menor a temperatura, menor o gradiente de velocidades dos fumos, no limite com consequência de dificuldade de evacuação, e impossibilidade de funcionamento das caldeiras.

A necessidade de recuperar muito mais energia dos gases de combustão obriga à necessidade de superfícies de permuta amplas e eficientes. Normalmente são áreas duas a quatro vezes maiores que as das caldeiras tradicionais.

As caldeiras existêntes no mercado são de dois tipos. Com dois permutadores, ou com apenas um permutador.

Caldeiras com duplo permutador

As caldeiras de duplo permutador, separam em duas zonas a recuperação de calor. São constituídas por um ventilador de evacuação de fumos, um permutador primário, onde recupera o calor da combustão, um queimador Atmosférico e um permutador secundário em alumínio ou inox , que é exclusivo para a condensação.

Caldeiras com permutador único

As caldeiras com apenas um permutador, sã constituídas por um queimador Pré-mistura, um permutador em Alumínio – Silício ou Inox, onde se recupera o calor resultante da queima, o calor sensível da redução de temperatura dos gases e o calor latente da condensação.

Caldeira de condensação de permutador duplo

Figura 6. Esquema do princípio de funcionamento de uma caldeira de condensação de permutador duplo.

Caldeira de condensação de permutador único

Figura 7. Esquema do princípio de funcionamento de uma caldeira de condensação de permutador único.

 

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