Control Caldera Pellet
1. Introducción:
La idea nace después de reparar la caldera de una vecina. Nos dimos cuenta que podríamos intentar fabricar una propia.
En un principio queríamos el servicio de calefacción para vivienda, pero poco a poco, este proyecto evoluciona llegando a
ser un sistema eficiente para calefacción y agua caliente acumulada.
El proyecto lo inicia mi amigo Manuel, que se encarga de dirigir el proyecto y es el que tiene realmente mérito por el resultado
final.
2. Empezando:
Para no partir desde cero, decidimos utilizar como base una caldera de gasoil en deshuso, de la que sólo aprovechamos la
estructura (las cámaras de agua).
En la siguiente imagen, se puede ver una caldera como la usada (la he cogido de internet, porque no tengo fotos de la nuestra).
La que conseguimos estaba bastante oxidada por el tiempo:
Después le desmontamos la carcasa, el aislante y los elementos, para quedarnos sólo con la cámara. Tuvimos que raspar bastante y se
sacaron escamas de óxido, pero no nos preocupa porque tiene bastante espesor en buen estado.
Como en la parte superior no tenía cámara de auga, pudimos abrirla completamente; es importante tener un buen acceso para
realizar la limpieza con comodidad:
Para evitar el escape de energía térmica por la chimenea, hay que "dificultar" la salida del humo. Esto lo conseguimos
mediante el uso de esta chapa retenedora:
Más tarde, se hará una ampliación de estas cámaras para aumentar la eficiencia aprovechando la energía que aún tienen los gases.
Es cómo está actualmente, y se nota una mejora en la eficiencia!
3. Esquema instalación y consumos:
Primero empezamos sólo con calefacción:
Pero finalmente, también la usamos para agua caliente sanitaria:
Resultados:
Está instalada en una casa de piedra de dos plantas, con 40m2 por planta y una altura de pisos baja.
4. Partes de la caldera:
En este apartado, trataremos de ir describiendo cada parte.
4.1. Quemador:
Esta es la parte principal. Resultó ser un diseño difícil porque no quisimos ampliar el orificio por miedo a problemas de
filtraciones de la cámara de agua. El hueco de un quemador de gasoil, es mucho más pequeño porque sólo entra la boquilla.
En las siguientes imágenes se puede comparar la abertura que suelen tener las calderas de pellet y gasoil:
En este punto se desarrollaron varias versiones aprovechando la estructura y el ventilador del quemador antiguo de gasoil.
El ajuste de aire, se hace de forma mecánica variando la posición de una trampilla:
La forma de acoplar el quemador es mediante una junta y una brida:
Es una base de hierro perforada que permite el paso de aire para avivar la combustión. El diseño será esencial para:
- Una combustión eficiente.
- Bajos depósito de residuos.
- Comodidad de limmpieza.
Actualmente, cambiamos el sistema por una resistencia fija, que se refrigera mediante el soplador y va bastante bien. Con esto nos evitamos atascos de los elementos, y queda más simplificado.
Como se puede observar, esta va introducida dentro de una vaina sin contacto, y el aire fluye entre ambos elementos. Es curioso, que no hay necesidad de contacto entre la resistencia y el pellet; simplemente con el aire caliente llega a iniciarse la combustión:
Hay calderas que realizan un vaciado del quemador o bien antes de iniciar, o bien al acabar. En nuestro quemador no es necesario pues no hay acumulación de residuos por ese soplado final.
En este aspecto, decir que al tener una tapa superior, la limpieza se realiza de forma cómoda y rápida mediante el uso de una aspiradora de cenizas. Esto debemos hacerlo cada 1 ó 2 semanas.
También interviene en un modo de funcionamiento definido que alimenta según la intensidad lumínica.
Nota: Observamos que las fluctuaciones lumínicas son muy lentas, entonces este método de alimentación según la intensidad no funciona muy bien. Vemos que al alimentar, baja la intensidad y que cuando queda poco pellet en cámara, esta se mantiene alta hasta que casi no queda costando que vuelva a recuperar, haciendo que trabaje en extremos.
4.2. SISTEMAS DE SEGURIDAD:
Este apartado tiene mucha importancia. Debemos asegurarnos no sobrepasar nunca los límites y para esto, añadimos otros sensores independientes al sistema principal, que puedan evitar en caso de fallo, elevar la presión por encima de los límites estructurales de la caldera.
Este es un elemento MUY IMPORTANTE de seguridad, permite liberar presión del circuíto, en caso de sobrepasar un valor (en nuestro caso 3bar). Si por alguna razón fallase el sistema de control, esta válvula independiente, evitará daños.
4.3. Sistema de alimentación:
Manuel diseñó un sistema curioso basado en pistones accionados por un motor de limpiaparabrisas. Estos pistones van empujando
el pellet hacia el hueco de descarga. Para no realizar otro orificio, usamos la apertura de la mirilla, desde la que caen los pellets
hacia el quemador.
Con este sistema, debemos tener el depósito elevado:
4.4. Bombas de recirculación e intercambiador:
El sistema dispone de dos bombas, una para calefacción y otra para hacer recircular el agua del acumulador.
El intercambiador de chapas, permite la transferencia de calor del circuíto de la caldera, al circuíto de agua sanitaria
sin mezclar el agua.
Al usar este tipo de bomba nos surge el siguiente problema por demasiado rápida, aún, a mínima velocidad; al abrir el grifo, el agua que salía estaba fría. Esto se soluciona, detectando demanda de agua caliente y parando la bomba.
Nota IMPORTANTE: Es muy importante no mezclar el agua del circuíto de calefacción con el agua sanitaria, ya que se vuelve tóxica.
4.5. Control:
El control lo realiza un microcontrolador que cuenta con un display y botonera para configuración y monitorización.
5. Materiales y conexiones
Descripción de los materiales. Inicialmente no usé las placas de relé ni triac comerciales, los monté en una placa de
prototipos, pero esta me parece mejor opción.
5.1. Interface:
Este elemento alberga la lógica de control y el interface con el usuario (display con botonera, módulo Wifi).
La idea era hacer que este elemento fuese un módulo, fácil de desconectar. Para esto usamos dos cables FTP, que partirán desde esta caja y terminan en un conector VGA macho (que tiene pines suficientes) para conectar con la caja de control de potencia. De esta forma, aflojando los dos tornillos del conector VGA, podemos retirar la caja, para actulizar la programación por ejemplo.
Nota: Se debe usar cable FTP y la malla se conectará a Tierra eléctrica, puesto que nos protege
de ruídos. Sin la conexión a Tierra, en el display me aparecían símbolos raros.
5.2. Caja potencia:
Este elemento alberga las fuentes de alimentación y la electrónica de potencia para accionar los diferentes elementos.
Para realizar un cambio rápido de la caja de potencia, recomiendo usar los siguientes elementos que nos permiten tener todos los actuadores y sensores embornados en la parte macho. Así, podemos tener otra caja de potencia preparada, en caso de que nos falle y luego revisar con calma.
6. Aplicación
Descripción de los menús y opciones.
6.1. Opciones de arranque de la caldera:
Para programar estos horarios, debe hacerse desde la botonera con display.
6.2. Ciclos de funcionamiento de la caldera:
También activamos el actuador de pellet realizando una carga inicial cuya duración la determinamos en la configuración. En nuestro caso, tenemos 40 segundos. Esto se calcula teniendo en cuenta la capacidad del quemador y la velocidad a la que se vierte el pellet.
Otro elemento a activar, es el soplador. Desde la configuración indicamos a cuántos segundos transcurridos desde la entrada en este ciclo, queremos que se active.
En la versión con la resistencia extraíble, dejábamos un tiempo la resistencia encendida sin el soplador. Actualmente, con la resistencia fija, necesitamos del flujo de aire para trasladar la temperatura al pellet. Por lo tanto, tenemos tiempo 0.
En este punto, con el soplador activo, es cuando obtendremos llama si todo funciona correctamente:
Carga pellet: El tiempo de activación del actuador y el tiempo de espera entre activaciones son tiempos configurables.
Intensidad lumínica: Se usa para gestión de las cargas y para monitorizar el correcto funcionamiento:
Temperaturas: Este valor es usado para arrancar o parar el quemador (el quemador se para, apagando el soplador).
La temperatura baja porque la bomba sigue recirculando el agua a través del circuíto de radiadores. También se define un tiempo máximo de parada (nosotros tenemos 30 minutos); si pasa este tiempo, el quemador arranca aunque esté por encima de los 57ºC.
Esto se hace, para conservar rescaldo, y que podamos iniciar fuego sin necesidad de activar la resistencia.
Bomba recirculación: Al sobrepasar el umbral de temperatura mínimo (en nuestro caso 40ºC), se activa la bomba haciendo que el agua llegue a los radiadores. Si baja por debajo, se para.
Aunque se apague la caldera, la bomba de recirculación sigue funcionando hasta bajar de su umbral mínimo configurado.
7. Opciones del menú
Descripción de los menús y opciones.
8. Página Web:
Para poder monitorizar el estado y hacer arranques o paradas remotas, usamos el ESP8266 como servidor web.
La página embebida es muy básica, y se actualiza refrescando toda la página cada 10 segundos. Más adelante, trataré de mejorarla
puesto que necesito invertir más tiempo.
De todas formas, esta ya es una versión funcional y es la que actualmente está en uso.
Nota: Para ver cómo usar el ESP8266 y poder programarlo, ir al siguiente tutorial:
9. Ajuste:
En la combustión influyen muchos parámetros, como la velocidad del soplador, la capacidad de carga del quemador,
el tiempo de espera, ...
Por eso el menú de configuración permite cambiar todos estos sin necesidad de modificar el firmware.
La forma de ajustar, es ir monitorizando paso a paso:
- Arranque: debemos cargar el quemador y esperar que el sistema detecte fuego antes del tiempo programado; sino dará error.
- Funcionamiento normal: ajustar la cantidad a cargar y el tiempo de espera entre cargas. Si se detecta varias veces consecutivas
una intensidad lumínica por debajo del umbral, dará error. Si llegamos a la intensidad máxima programada, dejará de alimentar hasta que
baje del umbral.
Lo que hay que buscar, es una llama lo más estable posible, sin que baje mucho y luego tenga que recuperar. Se observará, como cada
vez que se recarga, baja la intensidad.
Esta parte es la más laboriosa, pero así comprenderemos el funcionamiento y nos permitirá mejorar el sistema!
10. Vídeos mostrando el funcionamiento:
11. Descargas: