Introducción al control de calderas de biomasa en sistemas de calefacción

Abstract

Este trabajo es el punto de partida de un estudio más amplio cuyo objetivo final es el diseño de un sistema de control que permita optimizar el proceso de combustión e intercambio de calor en una caldera de biomasa. Este control tendrá que corregir los parámetros del sistema para adaptarse a las características del combustible que se introduzca a la cámara de combustión. El desarrollo de una caldera de este tipo está motivado tanto por la utilización de recursos renovables como son los biocombustibles como por ser rentables por sí mismas en muchos casos. Por contra, los combustibles procedentes de la biomasa son exigentes y muy poco homogéneos, y precisan dispositivos sofisticados. La certificación de pellets y astillas, que son los combustibles para los que se ha pensado en un inicio el futuro diseño de caldera, presentan pese a ello una gran variabilidad en sus características de unas partidas a otras. Existen ya numerosas marcas, muchas de ellas austriacas, que comercializan calderas de gran calidad. Estudiando varias de ellas se comprenden los elementos básicos que las componen y que servirán para comenzar con el diseño de un prototipo. Los dos elementos básicos que componen una caldera de este tipo son la cámara de combustión y el intercambiador de calor. Para facilitar el análisis se puede realizar un estudio termodinámico de cada una de estas partes por separado pero el funcionamiento no se puede entender sin la construcción de un modelo completo que incluya a ambas. Teniendo en cuenta los numerosos factores que afectan al funcionamiento de una caldera y su versatilidad de adaptación a numerosas instalaciones se propone el diseño del control de una caldera de 200 KW, policombustible, con parrilla móvil, intercambiador vertical y limpieza automática de tubuladores. Entre los distintas posibilidades de control que se desarrollará en el futuro se optará por un control predictivo combinado con una sensorización avanzada que permita alcanzar los objetivos finales. Se construyó un modelo simplificado con dos tubos del intercambiador con Ansys Fluent y se realizaron varios experimentos que permitieron identificar modelos de comportamiento. La relación de la temperatura de salida del agua respecto a la de entrada se identificó como un sistema de segundo orden. La de la temperatura de salida del agua respecto a la de humos con uno de tercer orden. Este análisis y la identificación de modelos en discreto se realizó con programas escritos en lenguaje Python.