Caldeira a gás de condensação: especificidade de funcionamento, prós e contras + diferença dos modelos clássicos

Os vendedores de geradores de calor do tipo condensação afirmam que a eficiência do equipamento inovador que nos é oferecido ultrapassa 100%. Mas, concorde, isso contradiz ligeiramente a lei da conservação de energia, que todos conhecemos do curso escolar de física. Então, qual é o mistério?

Por um lado, tais declarações são um truque dos profissionais de marketing. Por outro lado, – em suas garantias convincentes ao comprador há um grão de verdade. Analisaremos detalhadamente como funciona uma caldeira de condensação: suas vantagens e desvantagens, sua especificidade de funcionamento e construção merecem um estudo detalhado.

Para obter uma visão completa do tipo de equipamento de condensação, vamos compará-lo com o tipo clássico de gerador de energia térmica. Apresentaremos as características de sua instalação e operação. Revelaremos os segredos do rendimento ultra-alto.

Caldeira de condensação a gás

O alto rendimento do gerador de calor a gás de condensação é garantido pela presença de um trocador de calor adicional em sua construção. O primeiro trocador de calor padrão para todas as caldeiras de aquecimento transfere a energia do combustível queimado para o fluido de aquecimento. E o segundo adiciona a isso o calor da recuperação dos gases de exaustão.

As caldeiras de condensação funcionam com 'combustível azul':

• gás canalizado (mistura de gases com predominância de metano);
• gás de reservatório ou engarrafado (mistura de propano e butano com predominância do primeiro ou do segundo componente).

É permitido usar qualquer tipo de gás. O principal é que o queimador seja projetado para funcionar com esse ou aquele tipo de combustível.

As caldeiras a gás de condensação são mais caras do que os modelos de convecção comuns, mas ganham delas em custos de combustível devido à redução do consumo de gás em 20–30%

O gerador de calor de condensação mostra a melhor eficiência na queima de metano. A mistura propano-butano perde um pouco aqui. Além disso, quanto maior a proporção de propano, melhor.

Nesse aspecto, o gás 'de inverno' para o reservatório produz um rendimento um pouco maior na saída do que o 'de verão', pois o componente propano no primeiro caso é maior.

Ao contrário da caldeira a gás de condensação, na de convecção parte da energia térmica vai para a chaminé junto com os produtos da combustão. Portanto, as construções clássicas têm um rendimento em torno de 90%. Pode-se aumentá-lo, mas tecnicamente é muito complexo.

Economicamente, isso não se justifica. Já nas caldeiras de condensação, o calor obtido pela queima do gás é utilizado de forma mais racional e completa, pois o calor liberado durante o processamento do vapor é acumulado e transferido para o sistema de aquecimento. Assim, o fluido de aquecimento é aquecido adicionalmente, o que permite reduzir o consumo de combustível por 1 kW de calor obtido.

Estrutura e princípio de funcionamento

Em termos de construção, a caldeira de condensação é em grande parte semelhante à sua contraparte de convecção, com câmara de combustão fechada. A diferença é que internamente é complementada por um trocador de calor secundário e uma unidade de recuperação.

As principais características do gerador de calor de condensação são a presença de um segundo trocador de calor e uma câmara de combustão fechada com ventilador.

A caldeira de condensação a gás é composta por:

• câmara de combustão de tipo fechado com queimador modulante;
• trocador de calor primário nº 1;
• câmara de resfriamento dos gases de exaustão até +56–57 ⁰C (ponto de orvalho);
• trocador de calor de condensação secundário nº 2;
• chaminé;
• ventilador de entrada de ar;
• reservatório para condensado e sistema de drenagem.

O equipamento em questão é quase sempre equipado com uma bomba de circulação integrada para o fluido de aquecimento. A opção usual com fluxo natural de água pelos tubos de aquecimento é pouco aplicável aqui. Se a bomba não estiver incluída, ela deve ser prevista ao preparar o projeto de conexão da caldeira.

Os percentuais adicionais de eficiência energética em uma caldeira de condensação resultam do pré-aquecimento do retorno através do resfriamento dos gases de exaustão na chaminé.

As caldeiras de condensação disponíveis no mercado são de circuito simples e de circuito duplo, também nas versões de piso e de parede. Nisso, elas não diferem dos modelos de convecção clássicos.

O princípio de funcionamento da caldeira de condensação a gás é o seguinte:

1. A água aquecida recebe o calor principal no trocador de calor nº 1 proveniente da queima do gás.
2. Em seguida, o fluido de aquecimento percorre o circuito de aquecimento, esfria e entra no bloco do trocador de calor secundário.
3. Como resultado da condensação dos produtos da combustão no trocador de calor nº 2, a água resfriada é aquecida pelo calor recuperado (economizando até 30% de combustível) e retorna ao nº 1 para um novo ciclo de circulação.

Para controlar com precisão a temperatura dos gases de exaustão, as caldeiras de condensação são sempre equipadas com um queimador modulante com potência variável de 20 a 100% e um ventilador de entrada de ar.

Nuances de operação: condensado e chaminé

Em uma caldeira de convecção, os produtos da combustão do gás natural CO₂, óxidos de nitrogênio e vapor são resfriados apenas até 140–160 ⁰C. Se forem resfriados abaixo disso, a tiragem na chaminé cairá, começará a se formar condensado agressivo e o queimador se apagará.

Todos os fabricantes de geradores térmicos a gás clássicos procuram evitar esse desenvolvimento da situação, a fim de maximizar a segurança operacional e prolongar a vida útil de seus equipamentos.

Em uma caldeira de condensação, a temperatura dos gases na chaminé varia em torno de 40 ⁰C. Por um lado, isso reduz os requisitos de resistência ao calor do material do tubo da chaminé, mas por outro lado, impõe restrições à sua escolha em termos de resistência a ácidos.

Os gases de exaustão de uma caldeira a gás, ao serem resfriados, formam um condensado agressivo com alta acidez, que corrói facilmente até mesmo o aço.

Os trocadores de calor em geradores térmicos de condensação são feitos de:

• aço inoxidável;
• silumínio (alumínio com silício).

Ambos esses materiais possuem características elevadas de resistência a ácidos. O ferro fundido e o aço comum não são adequados para caldeiras de condensação.

O tubo de chaminé para uma caldeira de condensação só pode ser instalado em aço inoxidável ou plástico resistente a ácidos. Chaminés de tijolo, ferro e outras não são adequadas para esse tipo de equipamento.

Durante a recuperação no trocador de calor secundário, forma-se condensado, que é uma solução ácida fraca e deve ser removido do aquecedor de água.

Durante a operação de uma caldeira de condensação com potência de 35–40 kW, formam-se aproximadamente 4–6 litros de condensado. Simplificadamente, isso equivale a cerca de 0,14–0,15 litros por 1 kW de energia térmica.

Na verdade, trata-se de um ácido fraco, cujo descarte no esgoto autônomo é proibido, pois destruirá as bactérias envolvidas no tratamento de resíduos. Além disso, antes do descarte no sistema centralizado, recomenda-se diluí-lo primeiro com água na proporção de até 25:1. Só então pode ser eliminado sem medo de danificar o cano.

Se a caldeira for instalada em uma casa com fossa séptica ou sistema de tratamento local, o condensado deve primeiro ser neutralizado. Caso contrário, matará toda a microflora do sistema de tratamento autônomo.

O 'neutralizador' é feito na forma de um recipiente com lascas de mármore com massa total de 20–40 kg. Ao passar pelo mármore, o pH do condensado da caldeira aumenta. O líquido torna-se neutro ou levemente alcalino, não sendo mais perigoso para as bactérias da fossa séptica nem para o material do próprio tanque. O enchimento desse neutralizador deve ser trocado a cada 4–6 meses.

De onde vem a eficiência acima de 100%?

Ao indicar a eficiência operacional de uma caldeira a gás, os fabricantes tomam como base o valor do poder calorífico inferior do gás, sem considerar o calor gerado pela condensação do vapor de água. Em um gerador térmico de convecção, este último, juntamente com cerca de 10% da energia térmica, vai todo para a chaminé, por isso não é levado em conta.

No entanto, se somarmos o calor secundário de condensação e o principal do gás natural queimado, obteremos mais de 100% de eficiência. Não há fraude, apenas um pequeno truque nos números.

Ao calcular o rendimento pelo poder calorífico superior, em uma caldeira de convecção ele ficará na faixa de 83–85%, e em uma caldeira de condensação, em torno de 95–97%

Na verdade, o rendimento «incorreto» acima de 100% surge devido ao desejo dos fabricantes de equipamentos de geração de calor de comparar indicadores que são comparáveis.

Simplesmente, no aparelho de convecção, o «vapor d'água» não é considerado de forma alguma, enquanto no de condensação ele deve ser levado em conta. Daí surgem pequenas divergências com a lógica da física básica ensinada na escola.

Prós e contras do aquecedor de condensação

Entre as vantagens da caldeira de condensação, destacam-se:

1. Redução de 60–70% no volume de emissões nocivas (a maior parte do dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio vai para o condensado).
2. Em comparação com os modelos de convecção, economia de até 30% de combustível de gás por 1 kW gerado.
3. Dimensões menores do equipamento de aquecimento a gás para a mesma potência.
4. Baixa temperatura dos produtos de combustão na chaminé (apenas cerca de 40 ⁰C).
5. Possibilidade de instalação em cascata de várias caldeiras.
6. Versatilidade (adequado tanto para radiadores de aquecimento quanto para «pisos aquecidos»).
7. Presença de automação inteligente e total autonomia de funcionamento do gerador de calor a gás sem intervenção humana.

Um sistema em cascata de dois a três geradores de calor permite instalar caldeiras de baixa potência, que produzem menos ruído e vibração durante o funcionamento do que modelos mais potentes.

Isso simplifica a instalação de todo o sistema de aquecimento e permite reduzir as dimensões da caldeira doméstica. Além disso, graças à possibilidade de ajuste mais flexível do processo de geração de calor, aumenta-se a eficiência geral do uso do equipamento de geração de calor.

Os custos de uma caldeira de condensação em comparação com uma caldeira de convecção comum são recuperados em 5–6 anos devido à economia de gás natural.

Entre as desvantagens dos geradores de calor de condensação, deve-se mencionar:

1. Alto preço do equipamento (1,5–2 vezes maior do que modelos de tipo convectivo clássico de potência similar).
2. Problemas com o descarte do condensado.
3. Redução da eficiência ao usar a caldeira em sistemas de aquecimento de alta temperatura.
4. Dependência de energia – o ventilador, a automação e a bomba de circulação precisam de eletricidade para funcionar.
5. Proibição de uso com anticongelantes.

Apesar dos custos iniciais significativos, a caldeira de condensação é totalmente justificada do ponto de vista econômico. Durante a operação, ela recupera com juros todo o dinheiro gasto inicialmente.

Na Rússia, esse tipo de equipamento ainda é pouco difundido. A caldeira a gás com recuperação ainda é muito incomum e pouco estudada em nosso mercado. Mas o interesse por esses geradores de calor está crescendo gradualmente.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como funciona um gerador de calor de condensação:

Estrutura das caldeiras a gás com recuperação de vapor de água:

Todas as vantagens das caldeiras de condensação:

Se analisarmos cuidadosamente como e por quais princípios funciona uma caldeira de condensação a gás, os 108–110% de eficiência, que à primeira vista parecem 'incorretos', tornam-se números completamente compreensíveis e justificados.

O gerador de calor com recuperação de gases de exaustão é realmente mais eficiente em comparação com o projeto clássico. Sua única desvantagem séria é o condensado de alta acidez, que precisa ser descartado em algum lugar.

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