Caldeiras de Condensação

Caldeira de condensação

As Caldeiras de condensação, são caldeiras que produzem água quente, mas ao contrário das comuns caldeiras que libertam os gases de combustão livremente para a atmosfera, estas ditas caldeiras de condensação permitem a utilização da energia contida nestes gases, o que se traduz num maior rendimento energético do equipamento, visto que aproveitam quase integralmente o poder calorífico do combustível utilizado.

História e desenvolvimento notório:

As primeiras caldeiras de condensação modernas foram desenvolvidas por Richard Vetter em 1982 (para gás) e 1984 (para óleo) sendo que desde da década de 90 a tecnologia de caldeiras de condensação é considerada a tecnologia de preferência ganhando terreno no mercado a meio da década 90. Richard Vetter é um dos maiores inventores da Alemanha sendo actualmente detentor de mais de 100 patentes alemãs e internacionais das quais 22 estão implementadas na caldeira de condensação total VERITHERM ^[1].

O trabalho de Richard Vetter na tecnologia de caldeiras de condensação é notório, devido ao facto de ter sido o primeiro a desenvolver a tecnologia de modo a aproveitar quase na integridade o poder calorífico dos combustíveis (gás e óleo). Isto foi possível através do aproveitamento do calor latente de condensação dos gases de escape resultantes da combustão nas chamadas caldeiras de condensação total.

Funcionamento da caldeira de condensação:

Primeiramente o combustível (gás ou óleo) é injetado no queimador da caldeira de modo a aquecer a água circulante na rede de tubos do permutador primário (Figura 1), após a queima do combustível os gases de escape gerados passam pelo permutador secundário aproveitando-se o calor latente de condensação do vapor de água contido nos gases de escape, isto traduz-se num aumento da eficiência na ordem dos 10-12%, quando comparada com uma caldeira convencional^[2].

Figura 1: Caldeira de condensação dependente da carga e temperatura do retorno,retirado de [2]

A evolução do comportamento dinâmico da transferência de calor entre os gases de combustão (que se encontram à temperatura da chama logo após saírem do queimador) e a água circulante no sistema da tubagens, como representado na figura 2, pode ser descrito pelas seguintes equações^[2]:

A equação 1 apenas descreve a transferência de calor entre a corrente de gases de combustão e a segunda já trata da transferência de calor com a corrente de água das tubagens da caldeira. Em (1) C_g é o calor específico dos gases de combustão e C_w da água em [kJ/Kg °C], w_g o caudal mássico dos gases de combustão e w_w o da corrente de água em [kg/s], ρ_g a densidade dos gases de combustão e ρ_w da água em [kg/m³], sendo que as temperaturas ( T_g e T_s ) se encontram em [°C]. As constantes h_s e h_t representam os coeficientes de transferência de calor em [KW/m²°C], D_s e D_t são os perímetros da superfície onde ocorre transferência de calor em [m], A_s e A_t são as áreas de superfície onde ocorre transferência de calor em [m²].

O primeiro termo do lado direito de (3) descreve a troca de calor com água e o segundo termo vem da troca de calor com as tubagens da caldeira. Em (3), ρ_t é a densidade em [kg / m³], C_t é o calor específico em [kJ / kg °C] da parede da tubagem do permutador.
As constantes d_t, d_s e R_ts e D_m são, respectivamente, a espessura da parede da tubagem em [m], a espessura da parede em [m], e a resistência térmica entre a parede da tubagem e a extensão do núcleo da tubagem em [kW / m²°C].
O primeiro termo do lado direito de (4) descreve a troca de calor com gás e o segundo termo descreve a troca de calor com a parede da tubagem. Em (4),ρ_s é a densidade em [kg / m³], e C_s calor específico em [kJ / kg °C] de material da superfície da tubagem.
Na tecnologia de caldeiras de condensação existem duas alternativas, as caldeiras de condensação dependentes da carga e temperatura da corrente de retorno e as caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno. Nas caldeiras dependentes da carga e temperatura da corrente de retorno só é possível ocorrer condensação dos gases de escape e consequente aproveitamento do calor latente de condensação se a corrente de água de retorno, que passa pelo permutador secundário está abaixo da temperatura de orvalho dos gases de escape, daí ser crucial a existência de uma regulação eficaz da temperatura da corrente de retorno através de bombas de recirculação reguladas por pressão diferencial^[3], bem como um dimensionamento adequado do sistema (caldeira e utilizadores). Nas caldeiras de condensação dependente da carga e temperatura da corrente de retorno geralmente ocorre só uma condensação parcial dos gases de escape. Nas caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno, desenvolvidas por Richard Vetter, os gases de escape são totalmente condensados num permutador de calor polimérico qual é arrefecido através do ar fresco da alimentação do queimador, condição necessária para tal ocorrer é uma temperatura de gases de escape suficientemente baixa para que não se dê a degradação térmica deste permutador. Só nas caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno é possível aproveitar ao máximo o calor latente da condensação dos gases de escape, visto que só nestas ocorre a condensação total^[4]. O condensado resultante tem carácter ácido^[5] e como tal as superfícies do permutador secundário bem como chaminé de evacuação devem ser resistentes à corrosão isto é possível através da aplicação de revestimentos com materiais cerâmicos, aço inoxidável ou polímeros (PTFE ou PPS), sendo o condensado efluente resultante evacuado da caldeira, poderá ainda ser neutralizado ou diretamente evacuado para a rede de esgoto. O gás de escape resultante, já arrefecido é evacuado através duma bomba de exaustão (“power exhaust”), isto é necessário visto que o efeito chaminé não é predominante às baixas temperaturas a que se encontram os gases de escape na etapa final.