Resumen acerca de los generadores de vapor, tipos y clasificación, partes, y rendimientos.

1. UNIVERSIDAD FERMIN TORO
DECANATO DE INGENIERIA
ESCUELA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO
TERMODINÁMICA II
V SEMESTRE
GENERADORES DE VAPOR
ING. FRANCISCO VARGAS

2. INTRODUCCIÓN
Aunque las definiciones son algo flexible, se puede decir que los generadores de vapor mayores se denominan
comúnmente calderas y trabajaron a baja a media presión (de 1-300 psi o 6.895-2,068.427 KPa), pero, a
presiones por encima de esto, es más habitual para hablar de un generador de vapor. Un generador de caldera o
vapor se utiliza siempre que se requiera una fuente de vapor. La forma y el tamaño depende de la aplicación:
móviles motores de vapor como las locomotoras de vapor, motores portátiles y los vehículos de carretera a
vapor suelen utilizar una caldera más pequeña que forma parte integrante del vehículo; máquinas de vapor
estacionarias, instalaciones industriales y centrales eléctricas por lo general tener una instalación de generación
de vapor separada más grande conectado al punto de uso por medio de tuberías.
DEFINICIÓN TECNICA
Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción
del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. A la combinación de
una caldera y un sobrecalentador se le conoce como generador de vapor. El principio básico de funcionamiento
de las calderas consiste en una cámara donde se produce la combustión, con la ayuda del aire comburente y a
través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor.
CLASIFICACIÓN.
Existen varias características que dan lugar a varias agrupaciones de las calderas que pueden ser:
1. En función a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de la combustión:
 Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares.
 Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubulares.
2. En función al número de pasos:
 De un paso de recorrido de los gases.
 De varios pasos.
3. En función del tipo de tiro:
 De tiro natural.
 De tiro inducido.
 De tiro forzado.
4. En función de las necesidades energéticas del proceso:
 Calderas de agua caliente.
 Calderas de agua sobrecalentada.

3.  Calderas de vapor saturado.
 Calderas de vapor sobrecalentado.
 Calderas de fluido térmico.
PARTES Y ELEMENTOS
La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de forma generar podemos describir las
siguientes partes:
1. Quemador: sirve para quemar el combustible.
2. Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del combustible
utilizado y la generación de los gases calientes.
3. Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su
superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.
4. Economizador: es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido hasta su
punto de ebullición, sin pasar de él. Hacen uso de la entalpía en fluidos que no están lo suficientemente
calientes como para ser usados en una caldera, recuperando la potencia que de otra forma se perdería, y
mejorando el rendimiento del ciclo de vapor.
5. Recalentador: es un dispositivo instalado en una caldera que recibe vapor súper calentado que ha sido
parcialmente expandido a través de la turbina. La función del recalentador en la caldera es la de volver a
súper calentar este vapor a una temperatura deseada.
6. Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida con los gases aún calientes,
antes de alimentarla a la caldera.
7. Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al
fluido.
8. Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.
GENERADORES-PIROTUBULARES
Como su nombre lo indica, en esta caldera el humo y los gases calientes circulan por el interior de los tubos y el
agua se encuentra por el exterior. Estas calderas también son denominadas también igneotubulares o
pirotubulares y pueden ser verticales u horizontales.
Se caracterizan por disponer de tres partes bien definidas:

4. a. Una caja de fuego donde va montado el hogar. Esta caja puede ser de sección rectangular o cilíndrica, es
de doble pared, por lo que el hogar queda rodeado de una masa de agua.
b. Un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente, por tubos de pequeño diámetro, por cuyo interior
circulan los gases calientes.
c. Una caja de humos, que es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de
pasar por el haz tubular, para salir hacia la chimenea. Estas calderas trabajan, casi siempre, con tiro
forzado, el cual se consigue mediante un chorro de vapor de la misma caldera o utilizando vapor de
escape de la máquina.
Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso, se les instala un estanque de expansión que
permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de las calderas de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20
cm sobre los tubos superiores.
Tabla1. Ventajas –Desventajas de la Pirotubulares
Ventajas Desventajas
 Menor coste inicial, debido a la
simplicidad de diseño en comparación
con las acuotubulares de igual
capacidad.
 Mayor flexibilidad de operación, ya
que el gran volumen de agua permite
absorber fácilmente las fluctuaciones
en la demanda.
 Menores exigencias de pureza en el
agua de alimentación porque las
incrustaciones formadas en el exterior
de los tubos son más fáciles de atacar
y son eliminadas por las purgas.
 Facilidad de inspección, reparación y
limpieza.
 Mayor tamaño y peso que las
acuotubulares de igual capacidad.
 Mayor tiempo para subir presión y
entrar en funcionamiento.
 Gran peligro en caso de exposición o
ruptura, debido al gran volumen de agua
almacenado.
 No son empleadas para altas presiones.

5. Figura 1. Partes de un generador de vapor Pirotubular.
Cortesía de: http://www.sogecal.com/caldera-pirotubular/
GENERADORES ACUOTUBULARES
En estas calderas, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto
con las caras exteriores de ellos. Son de pequeño volumen de agua. Las calderas acuotubulares son las
empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su
extensión. La limpieza de estas calderas se lleva a cabo fácilmente porque las incrustaciones se quitan
utilizando dispositivos limpiadores de tubos accionados mecánicamente o por medio de aire La circulación del

6. agua, en este tipo de caldera, alcana velocidades considerables con lo que se consigue una transmisión eficiente
del calor y por consiguiente, se eleva la capacidad de producción de vapor.
Figura 2. Esquema de un generador Acuotubular.
Cortesía de: http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/acuotubular
En la figura 2se representa una caldera con un solo tubo de agua. Sólo una rama del tubo se calienta, ya que la
otra se encuentra protegida por una pantalla aisladora. n la rama izquierda, el calor calienta el agua, generando
vapor y haciendo que ambos (agua y vapor) se muevan hacia arriba. Esta mezcla entra al colector y el agua fría
pasa a ocupar su lugar en el tubo calentada. El agua fría se encuentra en el tubo no calentado y en la parte
inferior del colector. De esta forma, existe un movimiento continuo de agua-vapor en la dirección que señalan
las flechas, en las que siempre la mezcla de agua caliente y vapor sube al colector, mientras el agua fría del
fondo del colector baja y ocupa el lugar de esta mezcla.

7. Tabla 2. Ventajas –Desventajas de la Acuotubulares
Ventajas Desventajas
 Menor peso por unidad de potencia generada.
 Por tener pequeño volumen de agua en relación
a su capacidad de evaporación, puede ser puesta
en marcha rápidamente.
 Mayor seguridad para altas presiones.
 Mayor eficiencia.
 Son inexplosivas.
 Su coste es superior.
 Deben ser alimentadas con agua de gran pureza,
ya que las incrustaciones en el interior de los
tubos son, a veces, inaccesibles y pueden
provocar roturas de los mismos.
 Debido al pequeño volumen de agua, le es más
difícil ajustarse a las grandes variaciones del
consumo de vapor, siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presión de la requerida
RENDIMIENTO INSTANTANEO Y NOMINAL
En un generador de vapor, la potencia calorífica útil 𝑄̇ 𝑢 es la energía por unidad de tiempo empleada en
transformar el agua líquida de alimentación en vapor. Se expresa como sigue:
𝑄̇ 𝑢 = 𝑚̇ 𝑣(ℎ 𝑣 − ℎ 𝑤)
Donde 𝑚̇ 𝑣 es el caudal másico de vapor producido, no es constante. Depende de las necesidades de la planta o
central de vapor, aunque no es probable que esté sometido a fluctuaciones notables; hv es la entalpía de vapor de
salida y hw es la entalpía del agua de alimentación. La mayoría de los generadores de vapor tienen un punto de
funcionamiento óptimo en el cual el rendimiento es máximo. La potencia calorífica útil, referida a estas
condiciones óptimas de funcionamiento, es la potencia nominal 𝑄̇ 𝑛.
La potencia aportada por el combustible 𝑄̇ 𝑐 es:
𝑄̇ 𝑐 = 𝑚̇ 𝑐 𝑃𝐶𝐼
Siendo 𝑚̇ 𝑐 el flujo másico del combustible y PCI el poder calorífico inferior.
El rendimiento instantáneo 𝜂𝑖 establece la relación entre la potencia calorífica útil instantánea y la potencia
calorífica aportada por el combustible. Así pues:
𝜂𝑖 = (
𝑄̇ 𝑢
𝑄̇ 𝑐
)
𝑖

8. Donde el subíndice i hace referencia a valores instantáneos.
El rendimiento nominal tiene una definición análoga pero utilizando la potencia calorífica nominal de la
caldera:
𝜂 𝑛 = (
𝑄̇ 𝑛
𝑄̇ 𝑐
)
𝑛
Aplicando las definiciones de la potencia útil y la potencia aportada, el rendimiento de la caldera puede
expresarse:
𝜂 =
𝑚̇ 𝑣(ℎ 𝑣 − ℎ 𝑤)
𝑚̇ 𝑐 𝑃𝐶𝐼
Referencias Bibliográficas.
 Martín Llorens, Ángel L Miranda. Ingeniería Térmica. MARCOMBO Ediciones Técnicas. Barcelona,
España 2009.
 ABSORSISTEM, S.L. Barberá del Vallés, Cataluña-España. (Documento en línea), disponible en
http://www.absorsistem.com/