1. PROYECTO DE SUSTITUCION DEL QUEMADOR DE GASOIL DE LA CALDERA ACTUAL. ( ACTUALMENTE INSTALADO Y FUNCIONANDO EN LA CALDERA EL PROTOTIPO 2 )

Debido al incremento incesante de precio del combustible para calefacción vamos a diseñar y construir un quemador de pellets para liquidar el que tiene la caldera de gasoil actual.

La idea es la siguiente.

Placa electrónica con microcontrolador dotado de pantalla táctil ( smartglcd de Mikroelktronika ) para un control completo de alimentación de pellets o biomasa, control del caudal de aire por sonda lambda para una combustión perfecta y control de las temperaturas de la caldera y de la vivienda.

Como la placa electrónica tiene algunas limitaciones que no figuraban en el manual he tenido que ir modificando algunas cosas.

El conversor A/D será externo, de 12 bits con tensión de refencia a 4,096V. Esto dá una resolución de 1 mV, perfecto para los sensores de temperatura y la sonda lambda.

Este es el quemador de partida.

PROTOTIPO NUMERO 1



Este es el esquema de todo el circuito.




Trabajos actuales.


La temperatura de humos es exagerada porque no tiene todavía el sensor conectado...
Las temperaturas de los sensores vivienda y caldera son reales. La lambda la ajusto con el potenciómetro de la placa ADC para ver que funciona en los parámetros grabados y muestra
los datos correctos sugún la tensión que mide.

Esta siguiente foto muestra la pantalla para la configuración del sistema. Poquito a poco que aún falta...





Vamos añadiendo cosas ... y haciéndolas funcionar.

Control de velocidad del ventilador OK ( de velocidad mínima a máxima en 735 niveles ( Timer 0, 16 bits, prescaler a 128, carga inicial registro a 64800 para velocidad mínima) totalmente estable. No existe problema de falta de linealidad de funcionamiento porque es la sonda la que solicita mayor o menor velocidad.
Se ha realizado un sencillo detector de paso por cero para disparar el triac de control de velocidad donde toca. Se controla la velocidad para que lambda siempre sea 1.2, es decir, combustión perfecta + un pequeño aporte de aire adicional.
Los controles para la resistencia calefactora de encendido y la de la sonda lambda se han realizado con mosfet Canal P para evitar relés y contactos mecánicos. Funcionan perfectamente y la fuente de alimentación no tiene problema alguno en suministar 10 - 15 Amp. ( puede suministrar 52 Amp. a 12V)

El control de combustión es una mezcla de control difuso ( fuzzy ) y de control matricial para no sobrecargar demasiado el microcontrolador con procesos matemáticos demasiado complejos ( ... todo depende de los valores de temperatura de caldera, humos y temperatura de vivienda y se sube un poco, bastante, mucho o se baja un poco, bastante, mucho o se mantiene la situación de control tal y como está. La matriz de control tiene 125 niveles de decisión.)
( ...Ya veremos como funciona ... )
De momento se trabaja en el prototipo, con sondas reales y con otras ajustables para ver como se va procesando cada situación.

... Hay mucho cable suelto pero no pasa nada, en la realidad todo quedará bastante mejor.


El alimentador de pellets es de la casa Ecoforest. ( Motor + reductora + serpentín + tubo ) y trabaja a 8 rpm. No me he querido complicar más las cosas.


Julio/ Agosto 2012...
Ahora toca construir la parte mecánica ( vamos progresando )
He optado por dos tubos, uno de 110mm y otro de 154mm en inox. Hay que ir haciendo piezas.
La entrada de los pellets será con un codo de 2" inox debidamente mecanizado. ( NO UTILIZAR CODO, SE ATASCAN LOS PELLETS )( LO TENGO MODIFICADO )




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soldando ...








Y por fin las primeras pruebas ...




CARACTERISTICAS IMPLEMENTADAS EN ESTE PROTOTIPO ( ...Y FUNCIONANDO ...)

PROGRAMACION ( .... hay hasta ahora 875 líneas de programa de usuario + 3000 lineas que pone el VisualGLCD para la gestión de la pantalla táctil )

Desde el menu de usuario de la pantalla táctil se pueden ajustar  ( en caliente, es decir, en cualquier momento de funcionamiento del sistema ) los siguientes parámetros.
1. Temperatura deseada de la vivienda
2. Temperatura máxima del agua de la caldera
3. Temperatura máxima de los humos de salida
4. Potencia máxima que queremos que entregue el quemador ( entre 5 y 25 Kw en saltos de 1 Kw)
5. Gramos por minuto de pellets entregados por el sinfin ( dato muy importante para gestionar la potencia y el arranque ya que los cálculos se basan en este dato ) ( 4.9 Kw/h / Kg pellets)

PROCESO DE ENCENDIDO

1. El encendido se realiza a lo largo de 120 segundos.
Durante los 45 primeros segundos se deja el aire del soplador a la mínima velocidad para que los pellets que tocan la resistencia se vayan tostando. A veces hasta se encienden.
Del segundo 46 al 60 se acelera el soplador hasta el nivel máximo ( ajustado para un máximo de 25 Kw ) . Aquí la llama ya es segura.
Del segundo 60 al 75 se deja el soplador a velocidad media y del segundo 76 al 120 se acelera un poco más. Al finalizar este proceso se apaga la resistencia.

PROCESO DE ALIMENTACIÓN.

La alimentación de pellets se realiza en el inicio del encendido de forma progresiva, en saltos del 5% de la potencia máxima programada, durante 20 períodos de 20 segundos.
Es decir, la potencia máxima no se logra hasta acabar el ciclo completo ( 6 minutos y pico ) por lo que no se produce en ningún caso alimentación excesiva de pellets durante el arranque.

FASE DE CONTROL ( en eso estamos ...)

Hasta la fecha he tenido varias veces encendido el sistema a potencia máxima y con potencia regulada durante períodos de 30 minutos para ver los fallos.
De momento se han ido retocando la entrada de pellets ( NO UTILIZAR CODOS DE 90º ), las velocidades del soplador y se han ido tapando agujeros del tubo interior para adecuar la entrada de aire y lograr una buena llama.
La llama actual es en forma de doble hélice hacia el interior ( Mirando de frente el lado izquierdo en sentido horario y la otra de la parte derecha en sentido antihorario ) juntándose en el centro.


pequeño vídeo de las primeras pruebas

Con algunas mejoras ...

Vídeo del encendido

Vídeo de la llama a 25 Kw


PROTOTIPO NUMERO 2

Visto que la cosa sale bien ahora toca hacer el prototipo 2, con algunas mejoras mecánicas y de software respecto a este primero.
Se ha retocado la entrada de pellets para eliminar el retorno de llama y se ha modificado alguna cosilla para evitar los pellets " escapistas", ( esos que salen disparados a pesar de haber colocado multitud de trampas para que se queden en el sitio adecuado )
Se ha cambiado totalmente la parte central del quemador realizando una especie de jarrón. Todas las partes son redondeadas para no dejar zonas con mala combustión. Todo el elemento es en inox de 3mm de espesor para evitar desgaste por oxidación. La entrada de pellets es a través de un codo de 45º.

Material del quemador----> Todo en INOX.

La foto del despiece...


Las fotos de la pantalla principal ( ... todo es táctil ...)


Las fotos de los menus de configuración del sistema

Este es para ajustar donde quiero la temperatura de la vivienda. ( lo del reset All es para limpiar las alarmas. Si se produce una alarma y el sistema se para y no se puede arrancar de nuevo  hasta que no se limpien las alarmas ( fallos de encendido, pellets atascados, etc... ), lo que nos obliga a mirar que ha pasado y arreglar el fallo.


Este ajusta la temperatura máxima del agua de la caldera.


Escojo la temperatura máxima de los humos ( cada caldera es un mundo y no hay que quemar más de lo necesario )


La potencia máxima a la que se desea hacer trabajar el quemador ( ...  De este modo ajusto entre 5 y 25 Kw )


La configuración de los gramos de pellets por minuto que entrega el sinfin ( dato muy importante, los cálculos de potencia salen de aquí )


... Vamos progresando.

Le he provocado casi de todo, atascos forzados de pellets, apagado de corriente cuando está a plena potencia ( la subida de temperatura es alta en todo el cuerpo central pero la llama se apaga muy rápido debido a la falta total de aire ), etc...
...Tendré que conectar un SAI de los de ordenador para evitar una parada no deseada y programar una parada de seguridad para casos como este...


Vídeo entregando 20 kw.

Vídeo entregando 25 Kw.


Y por fin, tras algunos pequeños problemas con la lectura de la sonda ( he tenido que hacer un circuito conversor de señal negativa a positiva ) la buscada conexión a la caldera, con sonda de temperatura de humos, sonda de caldera, sonda de temperatura ambiente y sonda Lambda conectada.

Falta terminar de programar el sistema de control pero esto ya puede entregar calor sin problemas.

El sistema quema perfectamente, sin humos ( solo en los primeros minutos de arranque se genera humo blanco, luego nada de humos)
Para potencias continuas de 15-20 Kw todo funciona OK. El tubo de alimentación se puede tocar con la mano ya que la temperatura no es excesiva.

El encendido sigue siendo impecable ( dentro de los primeros 120 segundos ) y sin fallos. ( llevo consumidos 3 paquetes de pellets de 15 Kg con las pruebas )


Hoy ( 9 de octubre de 2012 ), por fin, he implementado todo el control al sistema . Funciona como un reloj, en saltos múltiples de 500 watios.
He dejado la potencia mínima en 7 Kw. El sinfín entrega los pellets a veces un poco a rachas y a baja potencia he tenido un par de paradas por no detectar bien la llama.
He mejorado el software de detección de llama y filtro los pequeños instantes por falta de pellets o por entrega de alimentación de pellets a rachas. Deben pasar 10 segundos desde el último fallo de llama para que sea tomado como alarma de fallo de llama.

IMPLEMENTADO Y FUNCIONANDO EN EL PROTOTIPO 2.

Encendido muy rápido, en menos de 60 segundos desde inicio de calentamiento, pero se deja conectada la resistencia un total de 120 segundos para mayor seguridad.
Arranque con alimentación progresiva. 20 pasos de 20 segundos incrementando el combustible hasta 100%.( de 0% a 100% en saltos de 5% )

Potencia minima por defecto y no modificable 7 Kw.
Potencia máxima por defecto 20 Kw. (Se puede modificar esta potencia máxima en la pantalla de configuración entre 8 y 25 Kw en cualquier momento, independientemente de lo que está haciendo el quemador.) He dejado la potencia a 20 Kw porque mi caldera, ( Junkers ), por encima de 20 Kw saca los humos a más de 190ºC y eso quiere decir que está desaprovechando una enorme cantidad de calor ya que no es capaz de absorber toda esa potencia.

Control automático de potencia entre 7 Kw y potencia máxima, ( la que tengamos ajustada ).
A cada nivel de potencia le corresponde una velocidad del ventilador +/- cierta desviación que controla la sonda lambda ( dentro de unos márgenes ) para que se quede siempre en Lambda = 1,1.
He ido retocando los parámetros hasta encontrar una buena respuesta a los desvíos indicados por la sonda.

Alarmas por fallo de llama y por exceso de temperatura de caldera ( 90ºC ).
Las alarmas paran el quemador y bloquean un nuevo encendido. Hay que resetearlas para mirar que ha pasado.
La parada ( por alarma o manual ) se realiza en dos fases. La primera fase se corta la alimentación de pellets pero se sigue dando el aire necesario hasta la detección de fallo de la llama.
A partir de aquí se pasa a modo " refrigeración " donde se pone el ventilador a una velociad preajustada y se deja durante 5 minutos para refrigerar el cuerpo del quemador.
Al final se queda en reposo para nuevo arranque o bloqueado con indicacion de " HAY ALARMAS " si ha sido un paro por alarma.

Control implementado el dia 22/10/2012 )

Control de la bomba de la caldera. El circuito controla la bomba de la caldera con un pequeño circuito que hace la función de un relé de estado sólido ( optotriac + triac ) y la pone en marcha cuando la temperatura de la misma supera los 50ºC y la para cuando baja de 40ºC, independientemente de la fase en la que se encuentra el quemador.

Ajuste de la velocidad de respuesta del control. Se calcula cada minuto que hay que hacer sugún los parámetros de temperaturas de vivienda, caldera, humos ( ver detalle matriz de contol ) y se realizan saltos de 0,1, 0,2 o 0,3 Kw ( antes eran múltiplos de 0,5 Kw ), o se deja como está, en la entrega de potencia del quemador, lo que da una respuesta y una regulación muy suave dejando la temperatura de la vivienda muy estable cuando se ha alcanzado la temperatura programada.
Del mismo modo la temperatura de los humos no se deja que sean superiores a 200ºC ya que al alcanzar este nivel el control baja la potencia ( ... la caldera ya no absobe tanto calor ... ) y la temperatura del agua de la caldera solo se deja que supere en 5ºC su temperatura programada, ya que en este caso también se reduce la potencia al no poder radiar tanto calor los radiadores de la vivienda ( actualmente ajustada a 65ºC ).
Es decir, el quemador se adapta al entorno y a la caldera, autoajustando el nivel de potencia para quedar siempre estable dentro de unos límites. prefijados por el usuario.

Ahora vamos a por lo del SAI por si se va la luz, ( continuará ) . ( Aquí nos encontramos con algún problema... la forma de onda de los SAI es habitualmente pseudosenoidal y eso choca con la regulación del ventilador que es recortando la forma de onda senoidal de la red ...)


Pantallas definitivas.

REGULANDO


CON ALARMA


Vídeo del quemador instalado en la caldera.

Se muestra la fase de inicio con limpieza, alimentación y con arranque de llama potente al cabo de 1 minuto y 20 segundos de empezar la fase de encendido, la fase de regulación bajando la potencia ya que la temperatura ambiente es mayor que la temperatura ambiente programada y se muestra la llama dentro del hogar de la caldera.
También se muestra la salida de humos donde se puede apreciar que la combustión, una vez estabilizado el sistema, es sin generación de humos.

Dejo una copia de como realizo el control de potencia.
Cada valor de temperatura se analiza y se determina en que posición se encuentra, de la 0 a la 4. ( de extremadamente baja a extremadamente alta )
Esto da las coordenadas de una matriz de 5x5x5 elementos donde cada punto indica el ajuste a realizar ( en 7 niveles de actuación )
Ahora solo falta que haga frío y ajuste el nivel de respuesta para que sea mas o menos rápido en actuar y de paso comprobaremos la linealidad del mismo.



Esta es la curva del sensor Lambda digitalizada y empleada para el control.




Este es el esquema con los componentes externos a la pantalla táctil.


Modificación 01/12/2012

La ola de frío polar ya está por aquí.
Problema detectado. La resistencia de encendido del quemador es un cortocircuito cuando está muy fría y provoca el bloqueo y desconexión de la fuente de alimentación por sobreintensidad en el primer instante de conexión, a pesar de ser una fuente capaz de entregar casi 30 Amp. a 12 V.
Modificación software realizada.
Durante los 10 primeros segundos de encendido se alimenta la resistencia con pulsos activos de 2 mseg y 8 mseg inactivos durante los segundos 0 a 2, es decir se hace conducir solo un 20% del tiempo ( a 100 Hz ). Durante los segundos 2 a 10 se hace conducir con impulsos de 5mseg, ( conduce al 50 % también a 100 Hz ) logrando de esta forma un precalentamiento inicial de la resistencia que evita la sobreintensidad hacia la fuente de alimentación. Posteriormente se conecta al 100% hasta el segundo 120.

COMENTARIOS A 21 DE ENERO DE 2013.

Esto sigue funcionando sin problemas. Llevo quemados unos 60 sacos de 15 kg de pellets, es decir unos 900 kilos de pellets.

Cosas buenas.

El encendido no falla. La resistencia sigue siendo la primera.
Regula perfectamente.
Quema los pellets sin humo.
No se aprecia desgaste de material del cuerpo del quemador a pesar de ser solo de 3mm de espesor.
No se produce retorno de llama hacia atrás por lo que la temperatura del tubo de alimentación nunca es elevada y se puede tocar con la mano.

Cosas no tan buenas.

Los de Mikroelektrónica han dejado de fabricar las pantallas táctiles. Me han comentado que hasta dentro de 5 meses no tendrán un producto similar. ( ... muy mala noticia... tendré que adaptar el programa a lo que saquen como sustitución ...)
Hay que limpiar la caldera COMPLETAMENTE cada semana ( sonda lambda incluida ). La ceniza es extremadamente fina y se necesita un aspirador. No es que sea muy laborioso pero es el precio que hay que pagar. Son 30 minutos cada semana que no se pueden evitar.
Hay un alambre de 3mm por dentro del cuerpo del quemador que sirve como retenedor de pellets que SI sufre desgaste por corrosión al estar totalmente en contacto con las llamas. He tenido que hacer el segundo hace poco.

FOTO DESPIECE PARTE QUEMADOR ( 25 Enero 2013 )



CUERPO DE QUEMADOR. ( no se aprecian desgastes ni oxidaciones )


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