Resumen: Algunas megaciudades del país han implementado políticas para fomentar el uso de calderas eléctricas con el fin de reducir el índice de contaminación atmosférica. En las regiones donde la demanda de electricidad presenta picos y valles, las calderas de calefacción eléctrica pueden almacenar calor durante los periodos de bajo consumo (valle) para suministrarlo durante los picos de demanda diurna, lo que se conoce como «suavizar los picos y llenar los valles». Este artículo presenta principalmente el principio de funcionamiento y el estado actual de aplicación de las calderas de calefacción eléctrica; en particular, se detalla la aplicación de la tecnología de arranque suave en línea de Powtran Technology en estas calderas. Gracias a una tecnología de control totalmente automática e inteligente, se ha logrado un objetivo de modernización con bajas pérdidas, sin contaminación y fácil mantenimiento.

Palabras clave: Arranque suave en línea; Caldera de calefacción eléctrica; PLC; Pantalla táctil

I. Descripción general

La caldera de calefacción eléctrica está compuesta principalmente por la estructura principal de la caldera, una caja de control eléctrico y un sistema de control. Dado que estas calderas no requieren combustión para convertir la energía química en energía térmica, tampoco necesitan suministrar aire ni combustible para la combustión; por lo tanto, no emiten gases nocivos ni cenizas, cumpliendo plenamente con las exigencias medioambientales. A medida que los recursos energéticos limitados (como los recursos de carbón) se reducen y sus precios aumentan considerablemente, la caldera de calefacción eléctrica, como equipo de caldera emergente, goza cada vez de mayor reconocimiento. Sus características principales son ser ecológica, limpia, libre de contaminación, sin ruido y con control totalmente automático.

II. Principio de funcionamiento

Existen muchos tipos de calderas con calefacción eléctrica; su clasificación suele hacerse según la forma del elemento térmico eléctrico, distinguiéndose entre los de resistencia, los de electrodos y los de película eléctrica. A continuación, nos centraremos principalmente en los de resistencia para ilustrar el punto.

El tipo resistivo utiliza elementos calefactores tubulares de alta impedancia. Al conectar la fuente de alimentación, estos elementos tubulares generan un calor intenso que convierte el agua en agua caliente o en vapor. Cada elemento tubular está compuesto por una carcasa metálica, un hilo calefactor y óxido de magnesio. La ventaja de este tipo de elemento es que no conduce electricidad en el agua, lo que lo hace más seguro de usar y no contamina la calidad del agua. Sin embargo, el aumento de la capacidad de la caldera depende del número de elementos tubulares utilizados, y la carga de la caldera se regula según el número de elementos puestos en funcionamiento. Por lo tanto, la capacidad de este tipo de caldera está limitada por la disposición estructural de los elementos calefactores. En el lugar del cliente se emplea precisamente este tipo de elemento calefactor resistivo. Una caldera de 2 toneladas utiliza 48 tubos calefactores eléctricos de 30 kW (3~380 V), mientras que una caldera de 5 toneladas emplea 48 tubos calefactores eléctricos de 75 kW.

Los hornos de calefacción eléctrica, según el método de calentamiento, se dividen en: hornos de calefacción por vapor eléctrico y hornos de calefacción por agua eléctrica; además, los materiales de los tubos de calefacción utilizados también son diferentes.

Caldera eléctrica de vapor plegable: con una cubierta de alambre eléctrico de alta calidad y un tubo de acero inoxidable reforzado; el interior del tubo está relleno de polvo de dióxido de magnesio de alta pureza, lo que garantiza una larga vida útil del elemento calefactor eléctrico. Cada conjunto de elementos calefactores eléctricos cuenta con conexiones por brida, presentando características como una estructura sencilla, alta resistencia mecánica, seguridad y fiabilidad, además de fácil sustitución.

Caldera eléctrica de agua: Utiliza tubos calefactores eléctricos de cerámica de tecnología avanzada, envueltos en tubos de acero sin soldadura de alta calidad, lo que previene eficazmente la formación de incrustaciones y garantiza una larga vida útil. La estructura de absorción de calor está diseñada mediante optimización por computadora, lo que optimiza completamente el coeficiente de intercambio térmico de la superficie calentada, logrando una eficiencia térmica extremadamente alta, superior al 98%. Esto reduce considerablemente las pérdidas de energía eléctrica.

III. Características de control del arrancador suave en línea de Putong Technology (tomando como ejemplo un horno eléctrico de cinco toneladas)

El horno de calefacción eléctrica en el lugar del cliente es un horno de agua caliente eléctrico, y su estructura general se muestra en la figura siguiente:

1. Esta caldera fue modificada, desde su diseño inicial de caldera eléctrica de vacío a caldera eléctrica a presión atmosférica, según las condiciones del lugar.

1) Las calderas de vacío tienen exigencias elevadas en cuanto a la presión de vacío; también requieren una alta estanqueidad en la caldera, así como bombas de vacío y válvulas solenoides de gran calidad. Además, la seguridad del recipiente hermético es de suma importancia. En cambio, las calderas a presión atmosférica están directamente conectadas a la atmósfera y son tan sencillas como hervir agua; por lo tanto, su nivel de seguridad es superior al de las calderas de vacío.

2) En condiciones de buen mantenimiento del equipo de vacío, la eficiencia térmica de las calderas de vacío es comparable a la de las calderas a presión atmosférica; sin embargo, los costos de mantenimiento posteriores son más altos para las calderas de vacío. Por otro lado, las calderas a presión atmosférica son más fáciles de mantener y ofrecen una operación más estable en etapas posteriores. Por ello, teniendo en cuenta factores como el uso actual en escuelas y el mantenimiento posterior, los clientes han decidido cambiar sus calderas a funcionamiento con presión atmosférica.

2. Tecnología de control inteligente y totalmente automática que no requiere vigilancia permanente por parte de personal especializado. El modo de operación es flexible y puede configurarse tanto en modo manual como en modo automático. En el modo manual, es posible encender y apagar individualmente los tubos de calefacción eléctrica, la bomba de circulación y la bomba de reabastecimiento de agua, lo cual facilita la puesta en marcha inicial del equipo. En el modo automático, el sistema recopila señales de temperatura externa y nivel de agua, y mediante la comparación con la temperatura establecida, controla el número de grupos de tubos de calefacción eléctrica que se encienden o apagan. Así, mediante el control del número de grupos de tubos de calefacción eléctrica activados, se logra alcanzar la temperatura deseada para la calefacción.

3. La caldera de calefacción eléctrica cuenta con un total de 48 tubos de calefacción eléctrica (CA 380 V, 75 kW), divididos en 12 grupos de 4 tubos cada uno, controlados por un solo arrancador suave. Al iniciar, se activan primero los grupos iniciales establecidos según los parámetros, y luego, siguiendo el intervalo de tiempo y la temperatura configurados en los parámetros, se encienden los tubos de calefacción eléctrica de manera escalonada.

4. El sistema controla automáticamente la temperatura del suministro de agua y puede encender y apagar automáticamente los tubos de calefacción eléctrica, la bomba de reabastecimiento y la bomba de circulación en función de las variaciones de la temperatura de carga.

5. Cuenta con una gama completa de funciones de protección, incluyendo protección contra fugas de electricidad, protección contra falta de agua, protección de conexión a tierra, protección contra sobrecorriente y protección de la fuente de alimentación; la caldera cuenta con protección automática, garantizando así una seguridad total.

6. Cada conjunto de elementos eléctricos térmicos utiliza una conexión por brida, presentando características tales como estructura sencilla, alta resistencia mecánica, seguridad y confiabilidad, y fácil reemplazo.

IV. Selección de control para calderas de calefacción eléctrica

1. Cada tubo de calefacción eléctrica tiene las siguientes especificaciones: AC 380 V, 75 kW; en total son 48 tubos. Se utilizarán 12 arrancadores suaves en línea PS5300 320G3 de Powtran Technology, con 4 tubos de calefacción eléctrica conectados a cada uno.

2. La bomba de circulación tiene una potencia de 18 kW y cuenta con control por variador de frecuencia; se utiliza el modelo PI500 018G3. La velocidad de rotación de la bomba de circulación se ajusta en función de la temperatura de la red de tuberías, regulando así el caudal de la red. La frecuencia de salida del variador se ajusta mediante un potenciómetro conectado al teclado. En el lugar, los motores son uno de uso y otro de reserva.

3. Dos bombas de rellenado, ambas de 4 kW, con control a frecuencia industrial, destinadas respectivamente al rellenado de la caldera y de las tuberías.

4. El tanque de agua utiliza un interruptor de flotador para rellenar automáticamente el agua.

5. Para facilitar la operación del cliente y lograr un control más flexible de la temperatura de funcionamiento, el sistema de control principal utiliza únicamente en parte una pantalla táctil combinada con un PLC de Siemens. Para realizar la adquisición de señales tales como temperatura y presión, se han empleado módulos de expansión A/D y PT100. Todas las configuraciones de parámetros y los datos de monitoreo en tiempo real de la caldera se manejan y visualizan en la pantalla táctil.

V. Ventajas del uso de control de arranque suave en calderas con calefacción eléctrica

1. Al utilizar un arrancador suave para encender los tubos de calefacción eléctrica, se reduce el impacto que la corriente ejerce sobre la red eléctrica cuando varios tubos de calefacción eléctrica se ponen en marcha simultáneamente, logrando así una corriente más estable. El arranque y parada en línea elimina la necesidad de utilizar contactores de corriente alterna, lo que facilita aún más el mantenimiento.

2. Como fuente de energía, la electricidad utilizada para calentar en calderas no genera ninguna emisión de contaminantes y cuenta con una alta eficiencia térmica, que puede superar el 98%. Algunas grandes ciudades del país ya han implementado políticas que incentivan el uso de calderas eléctricas con el fin de reducir el índice de contaminación atmosférica. En regiones donde la demanda eléctrica presenta picos y valles, las calderas de calefacción eléctrica pueden almacenar calor durante los periodos de bajo consumo (valle) para suministrarlo durante las horas pico de consumo diurno, lo que se conoce como «suavizar los picos y llenar los valles».

3. Funcionamiento ecológico, sin ruido, sin contaminación, alta eficiencia térmica (eficiencia térmica superior al 95%) y pérdidas térmicas mínimas.

4. Tecnología de control inteligente totalmente automática, que no requiere vigilancia humana.

5. La caldera ocupa poco espacio, lo que ahorra terreno.

6. Las calderas eléctricas de calefacción totalmente automáticas son ampliamente adecuadas para hospitales, escuelas, fábricas textiles, fábricas de confección, supermercados de ropa, talleres de costura, tintorerías, restaurantes, hoteles, panaderías, hostales, comedores, restaurantes, fábricas de alimentos, fábricas de bebidas, fábricas de productos de soja, fábricas de productos cárnicos, fábricas de conservas, destilerías, fábricas farmacéuticas, fábricas de embalaje, fábricas de materiales de construcción, fábricas de pinturas, salones de belleza, centros de baño, saunas y cabinas de vapor, entre otros establecimientos.