Ciclos Térmicos - Combustibles y Combustión - Generadores de Vapor - Tratamiento de Agua - Turbinas de Vapor - Condensadores - Torres de Enfriamiento - Compresores - Turbina de Gas

1. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
1
Máquinas
Térmicas
Resumen
UTN Facultad Regional San Francisco – Córdoba – Argentina
Andretich, Andrés Sebastián
8-1-2016

2. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
2
Índice
Ciclos térmicos ...........................................................................................................5
Introducción ..........................................................................................................................6
Ciclo de Carnot ......................................................................................................................9
Ciclo de Rankine .................................................................................................................10
Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento.........................................................................10
Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio............................................................11
Ciclo de Rankine regenerativo con extracciones múltiples................................................11
Ciclo binario........................................................................................................................12
Ciclo combinado .................................................................................................................12
Combustibles y combustión...........................................................................14
Fuentes de energía térmica................................................................................................15
Combustibles......................................................................................................................16
Análisis de los gases de la combustión...............................................................................18
Corrosiones a baja temperatura – Punto de rocío ácido - Prevención..............................19
Generadores de vapor .......................................................................................23
Introducción .......................................................................................................................24
Clasificación de los generadores de vapor.........................................................................25
Partes elementales de una caldera ....................................................................................30
Calderas especiales.............................................................................................................32
Operación y mantenimiento de calderas...........................................................................35
Introducción .......................................................................................................................39
El hogar...............................................................................................................................40
Rendimiento térmico y Precalentamiento del aire de la combustión ...............................41
Temperatura teórica de la llama y Temperatura media del horno....................................43

3. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
3
Elección entre precalentador de aire y economizador ......................................................44
Superficies convectivas y radiantes....................................................................................44
Equipos de combustión ......................................................................................................45
Equipos auxiliares en la caldera .........................................................................................50
Tiro......................................................................................................................................54
Tratamiento de agua .........................................................................................57
Introducción .......................................................................................................................58
Componentes, características y requerimientos para el agua...........................................58
Problemas derivados por el agua de alimentación y Objetivos de limpieza......................60
Métodos y equipos para el tratamiento del agua..............................................................65
Turbinas de vapor................................................................................................69
Introducción .......................................................................................................................70
Derrame de fluidos.............................................................................................................71
Turbinas de acción..............................................................................................................72
Turbinas de reacción ..........................................................................................................76
Realizaciones prácticas.......................................................................................................77
Condensadores........................................................................................................82
Introducción .......................................................................................................................83
Tipos de condensadores.....................................................................................................84
Expulsión del aire y gases no condensables.......................................................................88
Condensadores con refrigeración por aire.........................................................................90
Operación y pruebas en condensadores............................................................................91
Torres de enfriamiento.....................................................................................92
Introducción .......................................................................................................................93
Tipos de torres de enfriamiento.........................................................................................93
Teoría de torres de enfriamiento .......................................................................................94

4. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
4
Compresores.............................................................................................................98
Introducción .......................................................................................................................99
Teoría de funcionamiento - Compresiones........................................................................99
Tipos de compresores......................................................................................................101
Secado y filtrado de aire comprimido u otros gases.......................................................105
Turbinas de gas...................................................................................................107
Introducción ....................................................................................................................108
Estudio teórico de la turbina de gas................................................................................109
Construcción de la turbina de gas ...................................................................................110
Tipos de turbinas de gas..................................................................................................112
Bibliografía............................................................................................................113

5. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
5
Capítulo I
Ciclos Térmicos

6. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
6
Ciclos térmicos
Introducción
A continuación se muestra una instalación térmica la cual está compuesta por un conjunto de
máquinas y equipos con el objetivo de generar un tipo de trabajo, en general, energía
eléctrica.

7. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
7
1) Caldera o Generador de vapor: Es el dispositivo destinado a transformar agua líquida en
vapor de agua saturado o sobrecalentado para su aprovechamiento en generación de
energía o procesos industriales. En este equipo se producen dos transformaciones:
 La energía potencial del combustible en energía térmica.
 La energía térmica en energía potencial del vapor.
2) Sobrecalentador por radiación: Sistema compuesto por un conjunto de tubos en forma de
haces expuestos a la acción del calor que recibe fundamentalmente por radiación y por
ello su ubicación física es cercana al hogar a fin de recepcionar el máximo calor posible de
esta forma. Proporciona al vapor producido por la caldera un cierto grado de
sobrecalentamiento manteniendo el valor de la presión prácticamente constante.
Ver transmisión de calor en: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.htm
3) Sobrecalentador por convección: De las mismas características que el anterior tanto
constructivas como funcionales, pero en este caso, la transmisión del calor se realiza por
convección lo que hace que se encuentre ubicado físicamente a continuación del
sobrecalentador por radiación en el sentido de circulación de los gases de la combustión.
4) Turbina: Es una máquina rotativa en la que la energía adquirida por el vapor de la caldera
es convertida en trabajo eléctrico. Poseen una parte fija que constituye el órgano
distribuidor y una parte móvil llamada rotor o rodete; ambas compuestas por álabes.
Cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en las
toberas o álabes directrices (parte fija) la turbina es de acción, cuando el mismo proceso
se produce en los álabes móviles (rotor) la turbina es de reacción.
5) Condensador: La finalidad de este equipo es la de extraer el calor latente de vapor de
escape de la turbina. Se distinguen dos tipos de condensadores refrigerados por agua:
 Condensadores de superficie: Son verdaderos intercambiadores de calor de casco
y tubo. El agua de refrigeración circula por el interior de los tubos y el vapor se
condensa exteriormente a los mismos. Esta separación de ambos fluidos permite
el uso de agua de enfriamiento de calidad inferior a la de alimentación reduciendo
el costo de la misma, esto y su sencillez operativa hace que sea el más
comúnmente empleado en las instalaciones actuales.
 Condensadores de mezcla: Se mezcla el vapor de escape con el agua de
refrigeración, lo que implica contar con agua de refrigeración de igual calidad que
el agua de alimentación de la caldera o bien, utilizar agua de refrigeración de
menor calidad si reutilizar la mezcla en la caldera.
Ver en:
 https://www.youtube.com/watch?v=cvBXrdgBWOs
 https://www.youtube.com/watch?v=O_n2lq4cwcs
6) Precalentadores de baja y alta presión: Consisten en intercambiadores de calor, en este
caso de mezcla, alimentados por vapor extraído en determinadas etapas de la turbina,
provocando el aumento del rendimiento del ciclo. El condensado que se produce como
consecuencia de su calor perdido y entregado al agua se introduce nuevamente en el ciclo
por medio del condensador o desgasificador.
Los precalentadores de alta presión son constructivamente diferentes ya que son de
superficie en donde el condensado (agua) circula por el interior de los tubos y
exteriormente a ellos, el vapor que se condensa entrega su calor al agua de alimentación
de la caldera.

8. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
8
7) Tanque de alimentación con desgasificador: Forman un solo conjunto, ingresando el
condensado proveniente de los precalentadores de baja por el desgasificador ubicado
sobre el tanque como para eliminar los incondensables (gases indeseables como el
monóxido de carbono o el anhídrido carbónico) el agua debe calentarse, éste elemento
cumple también la función de precalentador de agua ya desgasificada la cual
posteriormente es almacenada en el tanque de alimentación.
Ver desgasificador en:
 https://www.youtube.com/watch?v=v_vXj1bKllY
 https://www.youtube.com/watch?v=E0gN71OvD7I
 https://www.youtube.com/watch?v=4zYeURXxVoM
8) Bomba de alimentación: Es la bomba más importante de la instalación por el caudal que
desarrolla y por la presión que lo hace, ya que actualmente es común hablar de
instalaciones que deben generar 500 𝑡𝑜𝑛/ℎ (toneladas de vapor por hora) a presiones
que alcanzan los 190 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
, esta bomba debe soportar los picos de caudales e
inyectarlos en el domo de la caldera a una presión un poco mayor para vencer las
pérdidas de carga del circuito entre la bomba y el domo.
9) Economizador: Consiste en un elemento intercambiador de calor compuesto por haces
tubulares, por cuyo interior circula el agua de alimentación y exteriormente rodeados por
los gases de la combustión antes de su extracción hacia la chimenea. Esto provoca un
precalentamiento del agua antes de su ingreso para aumentar el rendimiento del ciclo y
evitar un choque térmico en la caldera peligrando estructuralmente.
10) Precalentador de aire: Instalados al final del circuito, los gases de la combustión ceden su
calor al aire el cual se dirige hacia los quemadores cuyo precalentamiento contribuye al
aumento del rendimiento de la instalación.
11) Ventilador de tiro forzado: Impulsan grandes cantidades de aire con la finalidad de
suministrar el oxígeno necesario para la combustión y a la vez circular los gases calientes a
través de las superficies de intercambio.
12) Ventilador de tiro inducido: Cumple las mismas funciones que el ventilador de tiro forzado
con la diferencia de que lo hace creando depresión o presión negativa en el circuito. Está
sometido a solicitaciones mayores debido a las temperaturas de los gases y los sólidos en
suspensión.
13) Reguladores: Equipos que controlan las variables del sistema en donde reciben la señal
de un elemento sensor adecuado, la comparan con el valor deseado y en función del error
emiten una señal al órgano de acción final por medio del cual mantienen los parámetros
de funcionamiento acorde a las necesidades.
14) Torre de enfriamiento: En este equipo se evacúa todo el calor extraído del vapor de
escape de la última etapa de la turbina para su condensación como así también el calor
intercambiado en todos los equipos enfriadores de la instalación térmica.
15) Generador eléctrico: Máquina eléctrica rotante que convierte al trabajo mecánico
desarrollado por la turbina en energía eléctrica. Debido a que el sistema de refrigeración
del generador es un sistema cerrado, éstos están equipados con intercambiadores de
calor de anhídrido carbónico.

9. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
9
Ciclo de Carnot
Desde el punto de vista del
rendimiento, el ciclo de
Carnot está constituido por
dos transformaciones
adiabáticas y dos
transformaciones
isotérmicas, por esta
razón, es el ciclo con mayor
rendimiento posible. Este
ciclo puede enunciarse de
la siguiente forma:
“El rendimiento de una
máquina térmica reversible
depende únicamente de
las temperaturas de ambas
fuentes de calor y aumenta con el incremento de la temperatura de la fuente caliente y/o con
la disminución de la temperatura de la fuente fría (temperatura ambiente)”.
D
El ciclo está compuesto por:
 Una caldera, en donde se realiza la vaporización (C-D).
 Una turbina, en donde se obtiene trabajo (D-A).
 Un condensador, en donde se condensa parcialmente el vapor (A-B).
 Un compresor húmedo o bomba hidráulica, en donde se eleva la presión (B-C).
Este ciclo no es técnicamente realizable debido a:
 La expansión (D-A) y la compresión (B-C) serían irreversibles con lo cual disminuye el
trabajo de la turbina y aumenta el del compresor, disminuyendo el rendimiento.
 Es difícil controlar la condensación (A-B) manteniendo un cierto título a la salida del
condensador.
 Un compresor húmedo resultaría de difícil construcción y muy bajo rendimiento.
Se puede expresar el rendimiento del ciclo de Carnot de la siguiente forma:
𝜂 = 1 −
𝑇𝑓
𝑇𝑐

10. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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Ciclo de Rankine
Debido a que el ciclo de Carnot es imposible de llevar a cabo, se tuvo que idear un ciclo cuya
evolución se ajuste al funcionamiento de una máquina real, lo cual viene representado por el
ciclo de Rankine. Vale aclarar que lo desarrollado hasta la actualidad en instalaciones térmicas,
estuvo orientado bajo la tendencia de aproximación al ciclo de Carnot.
En el ciclo de Rankine ideal no existen pérdidas por rozamiento en la caldera y el condensador,
el fluido de trabajo pasa a través de estos equipos a presión constante. También, en ausencia
de irreversibilidades y sin transferencia de calor al entorno, los procesos en la turbina y la
bomba son isoentrópicos. En la salida del condensador hay líquido saturado por lo cual la
bomba de alimentación trabaja sin vapor aumentando su rendimiento.
En este ciclo se pueden apreciar los siguientes procesos:
 Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina desde
vapor saturado en el estado 1 hasta la presión del condensador.
 Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo cuando fluye a presión
constante por el condensador, siendo líquido saturado en el estado 3.
 Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona
de líquido.
 Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presión
constante a través de la caldera, completándose el ciclo.
Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento
Con el objetivo de mejorar el rendimiento global del ciclo, se introducen modificaciones, en
este caso la modificación es el sobrecalentamiento.
El sobrecalentador cumple la función de elevar la temperatura del vapor provocando una
mayor temperatura media de absorción de calor que el ciclo sin sobrecalentamiento, por lo
tanto el rendimiento térmico es mayor. Además, el título del vapor que sale de la turbina es
mayor disminuyendo el problema de bajo título el cual provoca erosión en los álabes.
A) Caldera con sobrecalentador
B) Turbina
C) Condensador
D) Bomba
G) Generador

11. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio
Además de tener un sobrecalentamiento, este ciclo está compuesto por un recalentamiento
intermedio en donde el vapor se expande en una segunda etapa de la turbina hasta la presión
del condensador. La principal ventaja del recalentamiento es el incremento del título del vapor
expulsado de la turbina.
La temperatura del vapor de entrada de la turbina está restringida por las limitaciones
metalúrgicas impuestas por los materiales usados para fabricar el sobrecalentador, el
recalentador y la turbina. Las altas presiones en la caldera también requieren tuberías que
puedan soportar grandes esfuerzos a elevadas temperaturas. Es por ello que en la actualidad
se desarrollan mejoras en materiales y métodos de fabricación incrementando la temperatura
máxima y la presión de trabajo de la caldera mejorando notablemente el rendimiento térmico
del ciclo.
Ciclo de Rankine regenerativo con extracciones múltiples
Otro método usado para aumentar el rendimiento térmico del ciclo es el calentamiento
regenerativo del agua o simplemente regeneración.
La adición de calentadores, mejora la eficiencia térmica del ciclo en proporción al número de
calentadores del ciclo regenerativo de la figura precedente. La mayor parte del vapor entrante
en la turbina, sale al condensador, pero una pequeña parte del vapor se extrae de la turbina en
etapas o saltos sucesivos, con el objetivo de que en los calentadores aumente la temperatura
del agua de alimentación lo cual implica una menor necesidad de combustible para alcanzar las
mismas condiciones de presión y temperatura en el vapor además el vapor se condensa
mezclándose con el agua. El condensado resultante, llamado drenajes, se recircula igualmente
al agua de alimentación por medio de bombas de impulsión o por calentadores en cascada
hacia calentadores de baja presión, retornando al pozo del condensador.
Como resultado, la cantidad de trabajo perdido en la turbina por no expansionar por completo
una parte del vapor es menor a la cantidad de calor ahorrado en la caldera para vaporizar el
fluido. Ver más en: Ciclos Térmicos – Página 16

12. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
12
Ciclo binario
En un ciclo de potencia binario se utilizan dos fluidos de trabajo, uno con buenas
características a altas temperaturas y otro con buenas características para las temperaturas
más bajas dentro del intervalo de operación. En la figura se muestra un diagrama esquemático
de un ciclo binario que utiliza mercurio y agua, acompañado de un diagrama T – s. En esta
disposición se combinan dos ciclos Rankine ideales, de modo que el calor cedido por el ciclo de
alta temperatura (ciclo superior) se utiliza como energía absorbida por el ciclo a baja
temperatura. Esta transferencia de energía se realiza en un intercambiador de calor, que sirve
como condensador para el ciclo de mercurio y de caldera para el ciclo de agua. Puesto que el
incremento de entalpia específica del agua a su paso por el intercambiador de calor es varias
veces mayor que el descenso de la entalpia especifica del mercurio, deben circular varias
unidades de masa de mercurio en el primer ciclo por cada unidad de masa de agua en el otro
ciclo. El ciclo de potencia binario puede trabajar con una temperatura media de absorción de
calor más alta que el ciclo convencional que utiliza agua solamente y puede dar rendimientos
mayores. Así, este mayor rendimiento puede justificar el aumento de los costes de
construcción y operación de esta configuración de ciclo más compleja.
Ciclo combinado
Los ciclos de potencia combinados se
basan en la unión de dos ciclos de
potencia tales que el calor descargado
por uno de los ciclos se utiliza parcial o
totalmente como calor absorbido por
el otro ciclo. El ciclo binario visto
anteriormente es un ejemplo de un
ciclo de potencia combinado. En este
caso, se considera el ciclo combinado
turbina de gas-ciclo de vapor.
La corriente de escape en la salida de
una turbina de gas está a una
temperatura relativamente alta. Una
forma de aprovechar este flujo de gas,
para mejorar la utilización del
combustible, es mediante el uso de un
regenerador que permite precalentar
el aire entre el compresor y el

13. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
13
combustor con el gas de escape de la turbina. Otro método lo proporciona el ciclo combinado
que se muestra en la figura, constituido por un ciclo de turbina de gas y un ciclo de potencia de
vapor. Los dos ciclos de potencia se acoplan de tal manera que el calor absorbido por el ciclo
de vapor se obtiene del ciclo de turbina de gas, denominado ciclo superior.
El ciclo combinado tiene la absorción de calor a la alta temperatura media de la turbina de gas
y la cesión de calor a la temperatura baja del ciclo de vapor, y así el rendimiento térmico es
mayor que el de cualquiera de los ciclos individuales. Los ciclos combinados resultan
económicamente rentables para muchas aplicaciones y están siendo utilizados en todo el
mundo por las compañías eléctricas.
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=TuL3nI_3X6g
Diagrama T – S

14. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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Capítulo II
Combustibles y
Combustión

15. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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Combustibles y combustión
Fuentes de energía térmica
Las cantidades de calor cuyo suministro posibilita el funcionamiento de las máquinas térmicas
pueden obtenerse de distintas maneras, pero su origen en todos los casos no puede ser otro
que los cambios que tienen lugar en la materia, bajo determinadas circunstancias, ya que la
materia y energía pueden ser mutuamente convertidas.
Bajo este concepto, resulta interesante tomar contacto con los principales procedimientos que
pueden ser utilizados para obtener energía aplicando el uso de máquinas térmicas.
Combustión
Es la reacción química según la cual una molécula de un combustible se combina con el
oxígeno (21 % en el aire) produciendo nuevas moléculas con desprendimiento de calor. Se
puede decir que se verifica un reordenamiento de los electrones del oxígeno y del elemento
combustible, el cual se traduce en liberación de energía.
Vale aclarar que, debido a que en algunos casos el desprendimiento de calor puede ser
sumamente lento de tal modo que el fenómeno no vaya acompañado de una elevación de
temperatura apreciable, por lo tanto, la combustión además es la reacción química que
produzca una elevación de la temperatura la cual permita ser aprovechada con fines prácticos.
Para que la combustión se efectúe, además de tener la presencia del combustible y
comburente en contacto mutuo, es necesario que el combustible adquiera cierta temperatura
para que la combustión se inicie, cada combustible tiene una temperatura de inflamación, que
es la mínima temperatura que debe tener el combustible para iniciar la combustión. Cuando el
combustible adquirió esta temperatura, permite que la combustión lenta (imperceptible) se
transforme en una combustión propiamente dicha. Cuanto más íntima sea la unión de
combustible y comburente, más efectivo resulta el proceso de combustión.
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=pvUlIeJCKM0
Ecuación química
Combustible (CH) + O2 = H2O + CO2
Fisión nuclear
Es un fenómeno que se verifica sobre núcleos pesados que siempre son frágiles, el núcleo
absorbe el neutrón y bajo el efecto de la inestabilidad así creada y de las enormes fuerzas en
acción en el núcleo pesado, el mismo se distiende y luego se rompe brutalmente dando origen
a dos núcleos de masa media. Además, en el mismo momento se emiten neutrones, en donde,
mediante éste hecho, se producen enormes cantidades de energía.
Resulta interesante decir que la energía que proporciona la fisión de un gramo de uranio 235
(𝑈235) equivale a la combustión de 2,5 toneladas de carbón en donde también exigen casi 7
toneladas de oxígeno, es decir, 35 toneladas de aire, además de que éste ejemplo que
considerando un 0,1 % del rendimiento del proceso de fisión. Si la transformación del gramo
de materia fuera total, equivaldría a 2500 toneladas de carbón.
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=hKZoThmpbD0
Fusión nuclear
Son reacciones nucleares de núcleos ligeros que se unen y forman un núcleo más pesado con
desprendimiento de un rayo gamma único y generalmente más de un protón o de un neutrón.
Se debe tener en cuenta que los núcleos están cargados eléctricamente con el mismo signo y
por ello se sólo pueden fusionarse si una energía suficiente vence su repulsión electrostática.
Esa energía requerida será menor cuanto más débil sea su carga, es por ello que se utilizan

16. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
16
isótopos de hidrógeno. Esa energía necesaria se obtiene en forma de agitación térmica, ésta
agitación se obtiene calentando la mezcla densa de núcleos a fusionar con el objeto de
acelerar el ritmo de fusiones hasta el agotamiento de la mezcla. La temperatura necesaria para
generar una fusión nuclear es de muchos millones de grados centígrados, por lo tanto, en la
práctica esta forma de obtención de energía no se utiliza debido a que:
 El inicio de la generación requiere mucha energía.
 Ningún material de la Tierra resiste la temperatura necesaria para generar una fusión
nuclear.
 Reacciones muy inestables.
 El rendimiento térmico es muy bajo, es económicamente no rentable.
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=l9HXAXXyU0U
Combustibles
Es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con
desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía
de enlace) a una forma utilizable sea directamente energía térmica o energía mecánica
(motores térmicos) dejando como residuo calor, dióxido de carbono, vapor de agua y algún
otro compuesto químico.
Los combustibles utilizados como fuente de energía calórica en las máquinas térmicas se
clasifican en función de su origen y estado físico:
 Combustibles naturales
 Sólidos: Básicamente lo constituye la madera, cuyo componente principal es la
celulosa con un 25% de carbón fijo. La madera se clasifica según su descomposición,
en donde existe la turba, lignito, hulla y antracita.
Ver más en: http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/carbon/carbon.html
 Líquidos: Lo constituyen el petróleo y sus derivados obtenidos por procesos de
refinado mediante destilación. Están constituidos por hidrocarburos en distintas
proporciones, los principales derivados son, el éter del petróleo, nafta, kerosene, gas
oíl y fuel-oíl.
 Gaseosos: Lo constituyen todos los hidrocarburos obtenidos en ese estado, como el
metano𝐶𝐻4 o gas natural que se presenta mezclado con etano 𝐶2𝐻6.
 Combustibles artificiales
 Sólidos: Lo constituyen:
 Carbón de leña: Se obtiene por una carbonización de la madera
calentándola fuera del contacto del aire a una temperatura superior a los
340 ºC quedando el carbón como residuo.
 Carbón de turba: Proviene de realizar la misma operación anterior
utilizando turba.
 Coque: Es el carbono fijo obtenido por la destilación de la hulla con lo cual
se eliminan las materias volátiles.
 Aglomerados: Son los mismos combustibles sólidos los cuales se las ha dado
forma de, por ejemplo, ladrillos.
 Líquidos: Lo constituyen los alquitranes que se tienen de la destilación de los lignitos
bituminosos, además el alquitrán de hulla que se obtiene como subproducto de la
elaboración del coque.
 Gaseosos: Lo constituyen todos los que provienen de procesos de destilación del
petróleo y combustiones incompletas en que el combustible se obtenga en ese
estado.

17. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
17
A los efectos de poder juzgar sobre el grado de aprovechamiento del combustible,
independientemente del origen y del estado en el que se encuentra, las características que
deben ser determinadas en todo combustible son:
Poder calorífico
Se define como la cantidad de calor medida en calorías que proporciona la combustión
completa de un kilogramo de combustible.
Resulta interesante aclarar que el vapor de agua que aparece en la combustión tiene un doble
origen:
 Por la vaporización de la humedad contenida en el combustible
 Por la oxidación del hidrógeno al producirse la reacción de combustión
Existen dos tipos de poder calorífico en función de la forma en que se origina el vapor de agua:
 Poder calorífico superior: Se define como la cantidad de calor que proporciona la unidad
de peso del combustible más el calor que aporta la condensación del agua de formación
(calor latente).
 Poder calorífico inferior: Se define como la cantidad de calor que proporciona la unidad de
peso del combustible sin tener en cuenta el calor que aporta la condensación del agua de
formación (calor latente).
Cantidad de aire para la combustión
La cantidad de aire para la combustión se determina conociendo la forma en cómo reaccionan
cada uno de los elementos que componen el combustible con el oxígeno (comburente) y las
sustancias que dan origen estas reacciones. Ver: Apunte Teórico - Páginas 7 y 8.
En la práctica, la combustión se puede desarrollar con aire en defecto o en exceso.
 Si hay defecto de aire, no todo el 𝐶 se transforma en anhídrido carbónico 𝐶𝑂2 sino que
parte de él se combina formando monóxido de carbono 𝐶𝑂, hay combustible sin quemar.
 Si hay exceso de aire, éste aparece entre los productos de la combustión arrastrando calor
que no es aprovechado disminuyendo el rendimiento térmico de la instalación, hay 𝑂2.
Si se inyecta en la cámara de combustión la cantidad de aire teórico, no se produce la
combustión completa del combustible debido a que parte del aire se escapa al exterior por la
lentitud de la reacción. Es por ello que el aire que realmente será suministrado es:
𝐴𝑃 = 𝑚 . 𝐴𝑡 ; siendo m un coeficiente de exceso de aire cuyo valor (𝑚 > 1) queda definido
por el tipo de combustible que se utiliza, su estado de agregación y la clase de sistema de
combustión que posee la instalación.
Productos de la combustión – Cantidad de gases
Productos de la combustión
Como se quema una
determinada cantidad de
combustible, una vez
producida la combustión, ese
peso se transforma en gases
y cenizas pero para que la
combustión se realice, se
debe suministrar aire, por lo
tanto, los llamados productos
de la combustión están
constituidos (si se trata de
una combustión normal) de:
 Dióxido de carbono 𝐶𝑂2
 Agua 𝐻2𝑂
 Dióxido de azufre 𝑆𝑂2

18. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
18
 Nitrógeno 𝑁2 Componente del aire (78 %), aparece en estado libre debido a que no
interviene en las reacciones químicas con los elementos químicos del combustible.
En el caso de que se trabaje con defecto de aire, se tiene 𝐶𝑂2; 𝐻2𝑂; 𝑆𝑂2; 𝑁2; 𝐶𝑂; la falta de
oxígeno determina que una parte del carbono no pueda transformarse en anhídrido carbónico
sino tan solo en monóxido de carbono 𝐶𝑂, en lo que significa una reacción incompleta.
En el caso de que se trabaje con exceso de aire, se tiene 𝐶𝑂2; 𝐻2𝑂; 𝑆𝑂2; 𝑁2; 𝑂2; el exceso de
oxígeno determina que una parte del oxígeno disponible no tenga elementos químicos para
reaccionar quedando oxígeno libre 𝑂2.
Vale aclarar que en la práctica para bajos porcentajes de gases de combustión, en caso de
defecto de aire siempre hay una pequeña cantidad de 𝑂2y en caso de exceso de aire siempre
hay una pequeña cantidad de 𝐶𝑂.
Cantidad de gases o de productos de la combustión
Los productos de la combustión 𝐺𝑝 están constituidos por 1 + 𝐴𝑡 − 𝑟, en donde 𝑟 representa
el peso de las cenizas.
Si la combustión se realiza con el aire teórico:
𝐺𝑝 = 1 + 𝐴𝑡 − 𝑟
Si la combustión se realiza con exceso de aire:
𝐺𝑝 = 1 + 𝑚 . 𝐴𝑡 − 𝑟
Temperatura de combustión.
Para la determinación de la temperatura de combustión se puede aplicar la fórmula
calorimétrica: 𝑄 = 𝑀 . 𝐶 . ∆𝑇, en donde:
𝑄 = 𝑃𝑖 . 1 𝑘𝑔 = Calor producido
𝑀 = 1 + 𝑚 . 𝐴𝑡 − 𝑟 = Masa de gases que absorbe el calor
𝐶 = 0,24 = Calor específico del aire que constituye el mayor porcentaje de los gases de la
combustión.
∆𝑇 = 𝑡 − 𝜃; En donde 𝑡 es la temperatura de la cámara de combustión y 𝜃 es la temperatura
del aire inicial.
De esta manera, reemplazando estas relaciones en la fórmula calorimétrica y despejando la
temperatura de la cámara de combustión 𝑡:
𝑡 = 𝜃 +
𝑃𝑖
(1 + 𝑚 . 𝐴𝑡 − 𝑟) . 0,24
Vale aclarar que el valor obtenido debe ser afectado por dos coeficientes, uno el rendimiento
de la parrilla y el otro las pérdidas de calor al exterior, ambas cantidades hacen disminuir el
valor de la temperatura de la cámara de combustión 𝑡.
Análisis de los gases de la combustión
Conociendo las características de los combustibles, resulta interesante controlar el proceso de
la combustión para determinar si se realiza en condiciones óptimas o en su defecto hacer las
correcciones necesarias para sacar el máximo aprovechamiento del combustible.
La combustión se controla analizando los humos que se producen de modo que evaluando los
porcentajes de 𝐶𝑂2; 𝑂 libre; 𝐶𝑂 𝑦 𝐻2 libre, es posible sacar conclusiones en lo que respecta a
la forma en que se realiza la combustión.
Una combustión perfecta determina que en los humos se encuentre el porcentaje de 𝐶𝑂2 que
se indica en la tabla, de acuerdo al combustible que se queme, no debiéndose observar la
presencia de 𝐶𝑂, 𝑂 libre 𝑦 𝐻2 libre.
Como en la práctica dicha condición no puede alcanzarse, el porcentaje de estos productos
que aparecen en los gases de la combustión, permiten determinar en qué medida la
combustión real se aparta de la ideal.

19. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
19
La presencia de 𝐶𝑂2 en porcentaje menor que el que corresponda y de 𝑂 libre, indica exceso
de aire, en tanto que la presencia de 𝐶𝑂 y 𝐻2 libre, indica un defecto de aire. En ambos casos
hay pérdidas de calor disminuyendo el rendimiento de la instalación, por lo tanto resulta
interesante determinar los productos que componen los gases de combustión, lo cual se
puede realizar mediante aparatos que se fundamentan en el empleo de absorbentes químicos
o en dispositivos que usan celdas comparadoras de conductividad térmica.
Aparatos analizadores de los gases de combustión
Ver en: Apunte Teórico – Páginas 11-20
Corrosiones a baja temperatura – Punto de rocío ácido - Prevención
Corrosiones a baja temperatura
El azufre quema con el oxígeno formando anhídrido sulfuroso 𝑆𝑂2 y anhídrido sulfúrico 𝑆𝑂3,
entregando su calor de combustión. Fundamentalmente aparece el 𝑆𝑂2 como producto de la
combustión y solo una pequeña parte se transforma por oxidación posterior en 𝑆𝑂3. Este
último producto en presencia de abundantes cantidades de vapor de agua existente en el gas
de combustión forma ácido sulfúrico 𝑆𝑂4𝐻2, el cual condensa a temperaturas relativamente
elevadas (195 ºC). Este condensado posee inicialmente un carácter altamente concentrado
(más del 80% de 𝑆𝑂4𝐻2) y es poco agresivo, pero con la disminución de la temperatura y de la
concentración adquiere rápidamente un carácter fuertemente corrosivo, por ejemplo, en un
economizador, chimenea.
Punto de rocío de los gases de la combustión
Si los gases de la combustión se enfrían hasta el punto de llegar a su temperatura de
saturación (punto de rocío), los distintos vapores contenidos en ellos se condensan y se
depositan sobre las superficies más frías, la temperatura a la cual se desprenden dichos
vapores en forma líquida varía fundamentalmente según el tipo y cantidad de vapores.
Los vapores de los gases de la combustión provenientes de combustibles que no contienen
azufre en su composición, condensan recién al establecerse el punto de saturación de vapor de
agua, mientras que aquellos provenientes de combustibles con azufre, condensan a
temperaturas más elevadas al establecerse el llamado punto de rocío ácido.
Todos los combustibles poseen en mayor o menor medida un porcentaje de azufre en su
composición que condensan a temperaturas relativamente altas produciendo corrosiones en
las superficies de los precalentadores de aire y en los economizadores.
Según a algunas investigaciones, se pudo establecer que la oxidación de 𝑆𝑂2 en 𝑆𝑂3 tiene
lugar tanto durante el proceso de la combustión como después de terminado el mismo. En la
primera etapa, es como consecuencia de la reacción de 𝑆𝑂2 con átomos de oxígeno altamente
activados existentes en la llama por la fisión del oxígeno molecular. En la segunda etapa, la
oxidación de 𝑆𝑂2 se verifica por una acción catalítica de óxidos metálicos presentes en las
cenizas o en las superficies catalíticas.
Además, vale aclarar que si la combustión es lenta y si se trabaja con un elevado exceso de
aire y alta temperatura, se favorece la formación de 𝑆𝑂3; por el contrario, cuanto más
eficiente sea la atomización (combustión), más rápida y completa es la formación de la mezcla
y con ello la combustión requiere un mínimo de exceso de aire lo cual determina que menor
cantidad de 𝑆𝑂2 se transforma en 𝑆𝑂3 por no contar con oxígeno disponible.
La experiencia ha demostrado que calderas con repetidas puestas a punto y fuera de servicio
presentan un mayor promedio de contenido de 𝑆𝑂3 que aquellas que funcionan por períodos
prolongados con carga uniforme.
La formación de 𝑆𝑂3 disminuye con el menor contenido de azufre y favoreciendo procesos con
influencias catalizadoras, atmosféricas y térmicas. Ver: Gráfico – Apunte Teórico – Página 23

20. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
20
Otro factor que disminuye la formación de 𝑆𝑂3 es la absorción de dicho producto por
elementos sólidos contenidos en los gases de la combustión. Esto es debido a que las
moléculas de gas pueden ser mantenidas adheridas a la superficie de un cuerpo sólido por
efecto de la atracción de masa. Resulta interesante acotar que para la combustión de fuel-oíl,
la parte de azufre que se transforma en 𝑆𝑂3 puede llegar al 4% en cambio en combustiones
sobre parrillas en donde la granulometría es grande, el orden es del 1,6% a 2,9% y en los
hogares que combustionan carbón pulverizado con extracción seca de las cenizas con
cantidades considerables de partículas finas, la formación de 𝑆𝑂3 puede considerarse
prácticamente nula. Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=sneGdv-35q4
Punto de rocío ácido
El punto de rocío ácido es la temperatura superficial en la que comienza una precipitación de
los componentes contenidos en los gases de la combustión. Para el inicio de la condensación
ácida, el proceso no se controla con la temperatura de los gases sino con las temperaturas de
las superficies de calefacción, en donde se puede producir un enfriamiento peligroso de los
gases aun cuando éstos poseen una temperatura muy por encima del punto de rocío.
Desde el punto de vista de la corrosión del material de las superficies de calefacción, son
determinantes las cantidades de condensado y su concentración ácida. En la inmediata
vecindad del punto de rocío ácido se precipita solamente poco ácido altamente concentrado.
Ver: Gráficos – Apunte Teórico – Páginas 24-25
Comparando los primeros dos gráficos, resulta interesante señalar que el máximo de
precipitación coincide con el máximo de corrosión, de manera que la temperatura
correspondiente podría designarse como el “punto de corrosión”. Por debajo de dicho punto,
corrosión la corrosión disminuye rápidamente con la disminución de la temperatura y, al
alcanzar el punto de rocío del vapor de agua, aumenta nuevamente en forma rápida. La
concentración del ácido en el condensado depende de la temperatura de las superficies de
calefacción.
De acuerdo con los razonamientos efectuados, se puede decir que para evitar las corrosiones,
es más importante alcanzar una temperatura suficientemente elevada en las paredes de las
superficies de calefacción que procurar altas temperaturas de los gases.
Prevención de las corrosiones
Entre las medidas que existen para prevenir las corrosiones, se encuentran las de carácter
físico químico, aplicadas durante el funcionamiento con el objeto de tender a provocar una
disminución del punto de rocío ácido y con ello de la corrosión, ya sea por absorción del 𝑆𝑂3,
por ligamiento químico del ácido formado o por inhibición de las superficies de calefacción
sujetas al peligro de corrosión; y medidas constructivas referidas al dimensionamiento y
control de temperatura de las superficies de calefacción generalmente de los economizadores
y precalentadores de aire ya que, para su funcionamiento, están sometidos a los gases de
escape de la combustión.
Medidas físico químicas
Limitación de formación de 𝑆𝑂3 por absorción del mismo por medio de materias sólidas
finamente pulverizadas haciéndolo inerte:
Como se sabe, es posible obtener contenidos de 𝑆𝑂3 prácticamente nulos utilizando carbón
pulverizado, éste componente se inserta con el fuel-oíl con el objeto de que las partículas en
movimiento del carbón absorban parte del 𝑆𝑂3 formado.
Como elemento efectivo en mayor grado y económico, dada la menor cantidad necesaria a
dosificar, es la dolomita el cual es un aditivo que en principio se agrega para aumenta el bajo
punto de fusión de las cenizas de petróleo con altos contenidos de vanadio a fin de evitar
depósitos de escoria y corrosiones a altas temperaturas en la zona de los sobrecalentadores

21. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
21
encontrándose con ello una acción complementaria en lo que respecta a corrosiones por bajas
temperaturas.
Para prevenir las corrosiones a bajas temperaturas se introduce la dolomita (𝐶𝑎𝐶𝑂3𝑀𝑔𝐶𝑂3)
finamente pulverizada en la corriente de gases del hogar de la caldera o se agrega en el fuel-oíl
de barro diluido. Generalmente, se prefiere el primer sistema, es decir el soplado con aire a
presión a razón de que en el segundo sistema la dolomita debe dosificarse con aparatos
especiales directamente antes del quemador. La acción de la dolomita consiste en primera
instancia en la absorción del 𝑆𝑂3 y en segundo lugar el barrido de las superficies de calefacción
y neutralización del ácido condensado por medio del 𝑀𝑔𝐶𝑂3.
Ver dolomita en: https://es.wikipedia.org/wiki/Dolomita
Para lograr una absorción eficiente se deben cumplir:
 Cantidad adecuada
 Regulación de fineza y molido
 Correcta elección del punto de insuflación (inyectado de aire)
 Superficie relativamente grande
 Buena distribución
 Suficiente tiempo de acción
Empleo de materias que forman con el 𝑆𝑂4𝐻2 combinaciones no corrosivas las cuales son
eliminadas a la atmósfera con los gases de escape:
Se utiliza como aditivo al amoníaco, el cual no puede ser introducido en la cámara de
combustión dado que a una temperatura de 600 ºC se descompone y por ello su introducción
se debe realizar en zonas de temperaturas del orden de los 300 ºC. El amoníaco reacciona con
el 𝑆𝑂3 formando sulfato de amonio (𝑁𝐻4)2𝑆𝑂4, el cual precipita en forma sólida y se deposita
sobre las superficies siendo fácilmente eliminado por el lavado con agua. La dificultad de este
método está en el control de una perfecta dosificación.
Empleo de materias que tornan pasivas a las superficies de calefacción contra el ataque del
𝑆𝑂4𝐻2 por debajo del punto de rocío ácido:
El procedimiento más moderno para prevenir las corrosiones consiste en la inyección de
aminas terciarias en la corriente de los gases. Si bien las aminas son básicas, su acción
protectora no es la de neutralizar el 𝑆𝑂4𝐻2 sino la de convertir en pasivas a las superficies de
calefacción en peligro de corrosión.
A nivel industrial, se inyecta teramin en la corriente de gases en las zonas de temperaturas de
250 a 300 ºC en donde se vaporiza inmediatamente para aparecer luego en solución con el
𝑆𝑂4𝐻2 condensado sobre las superficies de calefacción.
Este método no reduce el punto de rocío ácido pero se logra una considerable reducción de la
corrosión.
Medidas constructivas
A continuación se mencionan los siguientes puntos para el dimensionamiento de las
superficies de calefacción:
 La temperatura de escape de los gases de la combustión deben estar siempre por encima
del punto de rocío ácido.
 La temperatura de las paredes de calefacción en ningún caso debe disminuir hasta el
punto de corrosión.
 Como valor mínimo admisible, una temperatura mínima de las paredes de calefacción de
10 a 30 ºC por debajo del punto de rocío ácido.
Las superficies comúnmente sometidas al proceso de corrosión a bajas temperaturas, son los
precalentadores de aire y los economizadores ya que estos equipos funcionan aprovechando
el calor de los gases de la combustión. La temperatura mínima de pared admisible se

22. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
22
encuentra por debajo del punto de rocío ácido (130 ºC para fuel-oíl), por lo tanto, el objetivo
es elevar la temperatura de los medios entrantes (aire, agua) de manera de asegurar en todo
momento de trabajo la temperatura mínima de la pared.
Las formas más generalizadas para obtener dicha finalidad son:
 Economizadores: Precalentamiento del agua con vapor en intercambiadores de calor
 Precalentadores de aire:
 Cortocircuitos de aire frío (bypass)
 Recirculación de aire caliente
 Precalentamiento con vapor en radiadores

23. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
23
Capítulo III
Generadores de
Vapor

24. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
24
Generadores de vapor
Introducción
El generador de vapor generalmente llamado caldera, es una máquina térmica destinada a
transformar un líquido en vapor saturado o sobrecalentado, con el objeto de ser utilizado en
procesos industriales (generación de energía eléctrica, procesos de producción).
Si bien la caldera es el recipiente en que se calienta el agua para convertirla en vapor, por
extensión con dicho nombre se involucra no solamente al recipiente sino también a los
elementos ajenos, como el hogar en donde se quema el combustible que proporciona el calor
necesario, los conductos del humo, los calentadores de aire, los economizadores, los
sobrecalentadores de vapor, etc.
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=z3mQq_mrcBg
Los factores que intervienen en el funcionamiento de una caldera son los que se detallan:
Superficie de calefacción
Son las superficies metálicas que se encuentran sometidas al calor del hogar y los gases de la
combustión, cuanto mayor sea esta superficie, indudablemente mayor será la capacidad de la
caldera.
Tipos
Vale aclarar que existen dos partes de superficie en función del tipo de transmisión del calor:
 Superficies de calefacción por radiación: Estas superficies se encuentran el hogar
directamente en expuestas a la acción de la llama.
 Superficies de calefacción por convección: Estas superficies están en contacto con los
productos de la combustión, es decir, con los gases de la combustión.
Además, se distinguen las siguientes superficies:
 Superficies de precalefacción: En ellas se realiza un precalentamiento del agua de
alimentación o del aire para la combustión.
 Superficies de vaporización: Son las que conducen el calor al agua o fluido intermediario
con el objeto de producir vapor saturado.
 Superficies de sobrecalentamiento: En ellas se verifica el aumento de la temperatura del
vapor saturado para llevarlo a vapor sobrecalentado.
Cantidad de aire suministrado al hogar
La importancia de esto reside en que el régimen de la combustión depende de la rapidez con
que es posible hacer entrar el aire para que se ponga en contacto íntimo con el combustible.
El aire necesario para la combustión puede suministrarse por medios naturales o artificiales y
en ambos casos se requiere del concurso de una chimenea para crear el tiro natural necesario
y para posibilitar la evacuación de los productos de la combustión a la atmósfera.
Clase y calidad de combustible
Es lógico e intuitivo que con la utilización de un combustible con un poder calorífico alto se
obtiene una mayor capacidad de evaporación.
La forma en que es abastecido el combustible adquiere relevante importancia ya que no es lo
mismo bajo el punto de vista del rendimiento de la combustión, por ejemplo un carbón
quemado en trozos grandes que el mismo carbón pero pulverizado y seco insuflado en el
hogar, ya que en éste último caso, el contacto entre el comburente y combustible es óptimo,
con lo cual se tiende al trabajo con mínimo exceso de aire y con ello a una perfecta
combustión.

25. MÁQUINAS TÉRMICAS
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Presión de vapor
La cantidad de calor necesaria para transformar bajo determinadas condiciones 1 kg de agua
en vapor saturado seco se denomina calor total de vaporización y consta de dos sumandos:
 El calor de dilatación, necesario para elevar la temperatura del líquido a su punto de
ebullición.
 El calor latente de vaporización, que no se produce ningún aumento de la temperatura
sino que se invierte en el trabajo molecular del cambio de estado.
Por lo tanto, se tiene que:
𝜆 = 𝑞 + 𝑟
En donde:
 𝜆 = Calor total de vaporización
 𝑞 = Calor de dilatación o sensible
 𝑟 = Calor latente de vaporización
Si por ejemplo se toma un vapor a 8 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
, el calor total de vaporización es de 660,8 cal
mientras que para un vapor a 15 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
, el calor total de vaporización es de 666,6 cal. La
cantidad adicional de calorías en el segundo caso representa solamente un incremento 1%
respecto al primer caso pero teniendo en cuenta que el vapor a 15 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
tiene un
rendimiento muy superior en trabajo mecánico realizado, entonces puede verse la gran
ventaja que representa utilizar vapor a la máxima presión posible.
Clasificación de los generadores de vapor
Una clasificación general de las calderas puede venir representada de la forma siguiente
considerando que los modelos constructivos son tan variados que es imposible realizar una
clasificación sistemática de todos ellos:
 Calderas sin circulación de agua
 Calderas con circulación natural
 Calderas con circulación controlada
 Calderas con circulación forzada
 Calderas especiales
Otra clasificación de las calderas puede ser realizada atendiendo a varias de sus características
tales como:
 Por la aplicación a la que se destina
 Calderas fijas: Para usos industriales en general
 Calderas móviles: Locomotoras marinas
 Por la disposición de sus superficie de calefacción
 Calderas de cuerpo cilíndrico
 Horizontales
 Verticales
 Calderas tubulares
 Acuotubulares
 De tubos rectos
 De tubos curvados
 Humotubulares
 De hogar exterior
 De hogar interior
 Por la forma en que se verifica la circulación del agua
 De circulación natural
 De inyección forzada (tipo Benson)
 De vaporización indirecta (tipo Löffer)
 De circulación forzada (tipo La Mont)

26. MÁQUINAS TÉRMICAS
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26
 Por la forma en que actúa el calor
 De radiación
 De convección
 Mixta
 Por la presión de trabajo
 De baja presión (hasta 19 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
)
 De media presión (hasta 60 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
)
 De alta presión (más de 60 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
)
 Por la forma de producir el calor
 Reacción química
 Reacción nuclear
Partes de una caldera
A continuación, se muestra una caldera acuotubular (similar a una caldera humotubular),
representada en forma esquemática en donde sus partes constitutivas son:
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=ae_QmSRhD5w
El hogar H donde tiene lugar el proceso de la combustión para leña o carbón, con su puerta de
carga P y puerta de cenicero D.
El haz tubular T está constituido por tubos rectos dispuestos en fila inclinadas y en tres bolillos
que desembocan en los colectores E y F a los que a su vez se comunican con el cuerpo
cilíndrico C (domo) mediante una serie de tubos L. El haz tubular constituye lo que se
denomina superficie de calefacción de la caldera y tiene por objeto transmitir el calor de los
gases de la combustión al agua que se encuentra y circula en su interior.
El cuerpo cilíndrico contiene aproximadamente en partes iguales de su volumen de agua y
vapor saturado a la temperatura correspondiente a la presión de trabajo. En el cuerpo
cilíndrico C se encuentran instalados el manómetro M. Se mencionan también el tubo de nivel
N la válvula de seguridad V, la toma de agua de alimentación A y la toma de vapor B.
El equipo posee además del sobrecalentador S que lleva el vapor de las condiciones de
saturado a sobrecalentado a presión constante, está formado por un haz tubular que termina

27. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
27
en colectores G los que a su vez se comunican por los tubos I con el cuerpo cilíndrico por una
parte y con la toma B por la otra.
Los gases de la combustión son guiados por los diafragmas J de modo que recorran un camino
sinuoso para salir por la parte posterior hacia la chimenea Q.
En la parte inferior del haz tubular se encuentra un colector de lodos K. El sistema se completa
con un economizador que se ubica inmediatamente después de la salida de los gases.
Cuando se inicia la puesta en servicio de la unidad, es necesario el inundar el sobrecalentador
S a fin de que el mismo no se encuentre expuesto al calor de los gases sin líquido lo cual
indudablemente provocaría sobrecalentamientos peligrosos que pueden provocar la rotura de
los tubos.
Calderas humotubulares y acuotubulares
Realizada la descripción general de una caldera, vale aclarar que a nivel industrial, existen dos
tipos de calderas:
Ver en: https://www.youtube.com/watch?v=WalH2o6JKu0
Calderas humotubulares
Las calderas humotubulares se utilizan aprovechando el calor del vapor para procesos
industriales, se puede decir que en la actualidad el tipo de estas calderas se han reducido
exclusivamente a calderas de retorno de llama tipo marino. Estas son de dos o tres pasajes de
gases con fondo seco o húmedo y con hogar interior. La construcción en sí de estos tipos de
calderas es sencilla, comprendiendo la envoltura metálica cilíndrica con costuras remachadas o
soldadas, los fondos o tapas planas que cierran el cuerpo cilíndrico y a los cuales se mandrilan
los tubos y se fija el hogar construido con chapa ondulada de distintos tipos de perfiles.
Ver perfiles de chapa – Apunte Teórico – Página 5
Ver en:
 https://www.youtube.com/watch?v=KzLApG6sagc
 https://www.youtube.com/watch?v=M3Hk6zS7p3I
Resulta interesante establecer una serie de definiciones y conceptos que permiten realizar la
comparación entre calderas:
Producción bruta de vapor
Representa los kg de vapor a una determinada presión y temperatura producido por una
caldera en una hora y se mide en 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟/ℎ𝑜𝑟𝑎, designándose a este valor con la letra D.
Vaporización específica
Representa los kg de vapor producidos en una hora por cada 𝑚2
de superficie de calefacción.
Entonces, la producción específica es la producción bruta de vapor dividida por la superficie de
calefacción H entendiéndose por tal a la que está por un lado en contacto con los productos de
la combustión y por otro en contacto con el agua. Por lo tanto: 𝑑 =
𝐷
𝐻
[
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
ℎ𝑜𝑟𝑎 . 𝑚2]
Calor de producción
Representa las calorías adquiridas por un kg de vapor dentro de la caldera. Es igual al calor que
posee un kg de vapor en las condiciones de producción menos el calor que tendría cada kg de
agua de alimentación. Por ejemplo, si un vapor a 10 atm y 179 ºC tiene (según tabla de vapor
saturado) un calor total de 663 𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 y si ese vapor fue obtenido de un agua
alimentada a 15 ºC en donde el calor total es de 23 𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟, por lo tanto, el calor de
producción es: 𝐾 = 663 − 23 = 640 𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
Producción neta de vapor
Representa cuantos kg de vapor normal se pueden obtener con la misma cantidad de calor que
el gastado para la generación de los d a presión atmosférica y 0 ºC.

28. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
28
Si 𝐷𝑛 . 640 = 𝑑 . 𝐾; por lo tanto: 𝐷𝑛 =
𝑑 .𝐾
640
El valor de 640 es el calor contenido en un vapor a 100 ºC a presión atmosférica y con agua de
alimentación a 0 ºC. Esta magnitud se utiliza para comparar entre sí dos calderas las cuales
están produciendo vapor a distintas presiones y temperaturas. Determinando la cantidad de
vapor neta que es capaz de generar cada caldera, se puede establecer la base de comparación.
Índice bruto de vaporización
Representa la relación entre la cantidad de combustible que se está quemando con la cantidad
de vapor que se obtiene. El índice bruto de vaporización V indica cuántos kg de vapor con calor
de producción K se pueden obtener al quemar totalmente un kg de combustible:
𝑉 =
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
Índice neto de vaporización
Representa el índice bruto referido al vapor normal. Indica cuántos kg de vapor normal pueden
ser obtenidos al quemar totalmente un kg de combustible.
𝑉
𝑛 [
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
] . 640 [
𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
] = 𝑉 [
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
] . 𝐾 [
𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
]
Entonces: 𝑉
𝑛 =
𝑉 . 𝐾
640
[
𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
].
Rendimiento
Representa la relación entre el calor que posee el vapor producido por la combustión completa
de un kg de combustible y el calor desarrollado para la producción de esa cantidad de vapor,
es decir, el poder calorífico del combustible. Entonces:
𝜂 =
𝑉 . 𝐾
𝑁
[
𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
]
Calderas acuotubulares
Las calderas acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos y
los gases están alrededor de ellos. Están constituidas por una gran cantidad de tubos de
pequeño diámetro. El tamaño de estas calderas resulta mucho menor que el de las calderas
cilíndricas humotubulares lo que permite obtener un mejor aprovechamiento del espacio.
La circulación del agua se realiza por el principio de termosifón, en donde la diferencia de
densidades entre la columna ascendente constituida por una mezcla de agua y vapor, y la
columna descendente de agua producen el movimiento del agua. Además de que la circulación
se favorece por la autoevaporación que ocurre cuando el agua asciende por los tubos hasta
evaporarse por la disminución de la presión.
El agua de trabajo debe ser lo más pura posible de lo contrario, se dificulta la circulación de la
misma y disminuye el coeficiente de transmisión de calor ya que el sarro es un aislante térmico
con la capacidad de almacenar grandes cantidades de calor.
Vale aclarar que estas calderas son más seguras con respecto a las humotubulares ya que la
explosión de un tubo no provocaría efectos desastrosos como si lo haría la explosión de un
gran recipiente con agua y vapor (caldera humotubular).
Son equipos que se pueden llevar relativamente rápido al estado de régimen o estacionario
aunque son de poca acumulación térmica por su poco volumen de agua disponible. Se utilizan
para la generación de energía eléctrica, son de mayor peso y costo que las humotubulares.
Ver en:
 https://www.youtube.com/watch?v=i7SmVAOXs_I
 https://www.youtube.com/watch?v=x-lHV-ySuik

29. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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Dentro de este grupo de calderas, se pueden mencionar dos tipos fundamentales:
Calderas de tubos rectos o seccionales
Este tipo de calderas ofrecen:
 Altos rendimientos térmicos
 Disminuyen las posibilidades de explosiones
 Buena capacidad para mantener los valores de presión y temperatura de vapor
sobrecalentado frente a las variaciones de carga
 Rapidez de puesta en servicio
 Posibilidad de emplear cualquier tipo de combustible
La posición inclinada de los tubos de alimentación establece una circulación continua del agua
aumentando la transmisión de calor debido a la contracorriente con los gases de la
combustión.
Son calderas denominadas de convección ya que solo una pequeña superficie de los tubos
recibe calor por radiación, siendo la casi totalidad del calor transmitido por los gases de la
combustión.
Requerimientos para una perfecta caldera
A continuación, para mejorar el conocimiento de las calderas de tubos rectos o seccionales, se
enuncian los postulados en donde rigen las exigencias a que se deben ajustar las calderas,
según lo dictaminado por su diseñador, el Ing. Stephen Wilcox:

30. MÁQUINAS TÉRMICAS
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1) Mano de obra adecuada y construcción simple usando materiales que la experiencia ha
demostrado como los mejores evitando posibles reparaciones posteriores.
2) Poseer un colector de barros para recibir todas las impurezas depositadas y ubicado de tal
manera que no se encuentre expuesto a la acción del fuego.
3) Una suficiente capacidad de agua y vapor para prevenir cualquier fluctuación en la
presión del vapor y nivel de agua.
4) Una superficie de espejo de agua de suficiente extensión a fin de prevenir la formación de
espuma.
5) Una circulación constante y definida a través de toda la caldera a objeto de mantener
toda la caldera a la misma temperatura.
6) Subdivisión de las partes presurizadas en secciones dispuestas de tal manera que en caso
de falla de cualquiera de ellas, no pueda ocurrir una explosión general.
7) Construcción de tal manera que esté libre de tensiones provocadas por dilataciones
desiguales y de ser posible evitar la exposición directa de las juntas al fuego.
8) Una cámara de combustión ubicada de manera que la combustión iniciada en el hogar se
complete antes de que los gases escapen por la chimenea.
9) Colocar las superficies de calefacción en forma perpendicular con la dirección del flujo de
gases con el objeto de extraer el máximo calor posible de los mismos.
10) Acceso fácil a todas las partes para que tengan la posibilidad de limpieza y reparaciones.
11) Dimensionada al trabajo a realizar y capaz de trabajar a su capacidad máxima de diseño
en forma continua con el mejor rendimiento posible.
12) Equipada con los mejores equipos auxiliares y accesorios.
Ver comentarios en: Apunte Teórico – Páginas 11-14
Calderas de tubos curvados
Ver imagen en: Apunte Teórico – Página 15
El progreso verificado en el tratamiento del agua y la necesidad de ajustar los diseños a
conceptos modernos, permitió dejar de lado la utilización exclusiva de calderas de tubos rectos
o seccionales para utilizar calderas de tubos curvados. Desde el punto de vista constructivo, los
tubos curvados permitieron resolver problemas de rigidez disminuyendo peligros originados
en dilataciones térmicas.
Este tipo de caldera está formada por un domo superior C y uno inferior C´ comunicados por
un sistema de tubos curvados T de dirección generalmente vertical dividido en tres haces y por
un hogar completamente rodeado por paredes de agua 𝐏𝐚. Los quemadores q pueden ser de,
gas natural, carbón pulverizado, etc., el sobrecalentador S se encuentra incluido entre dos
haces de tubos en donde recibe vapor saturado del domo superior y emite vapor
sobrecalentado por b. Ver paredes de agua en: Generadores de Vapor – Páginas 5-6
Aclaración: De aquí en adelante se analizarán las calderas acuotubulares desde el punto de
vista del agua y el vapor, es decir, desde el punto de vista interno.
Partes elementales de una caldera
Domos
Elemento fundamental de toda caldera de
circulación natural, se intercala en el circuito
con el objeto de permitir la separación del
vapor de agua y conducirlo hacia la toma de
vapor saturado o la entrada a los
sobrecalentadores de vapor.
Está compuesto por un cuerpo cilíndrico de chapa con espesor adecuado y cerrado en sus
extremos por fondos estampados en forma semielíptica o semiesférica. Constituye el

31. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
31
elemento que más resistente debe ser debido a que en ellos están unidos todos los tubos en
los que circula el agua y vapor.
El domo superior se utiliza para separar el agua y el vapor además de favorecer la precipitación
de sedimentos purificando el agua.
El domo inferior se utiliza para recibir el agua proveniente del domo superior y mezclarla con
el agua de alimentación, además de purgar las sales y sedimentos contenidos en el agua.
Vale aclarar que la conexión del agua de alimentación requiere un tratamiento especial dado
las posibilidades de shocks térmicos provocados por el ingreso de agua relativamente fría al
entrar en el domo que se encuentra a mayor temperatura.
La cantidad de domos depende del diseño y bajo este aspecto, se pueden considerar los
siguientes casos generales:
Tres o más domos
Pueden ser dos o más domos superiores y uno inferior. La razón fundamental del diseño era
tratar de resolver el problema de arrastre de agua por medios constructivos. El progreso en los
tratamientos, el problema de la formación de espuma y el costo elevado de los domos, ha
conducido a la desaparición de calderas con un gran número de domos.
Dos domos
Uno domo superior y uno inferior. La utilización de esta caldera se justifica principalmente por
razones de facilidades constructivas, empleo de combustibles líquidos y gaseosos, posibilidad
de simplificar los diseños y poder llegar a una estandarización para un amplio rango de
capacidades y presiones.
Un domo
Un domo superior. El domo inferior no se incorpora en este tipo de caldera debido a las
grandes superficies de calefacción requeridas para refrigerar el hogar y a los grandes
precalentamientos de agua de alimentación, todo esto hace innecesario a las superficies de
caldera en forma de haces tubulares.
Colectores
Son elementos constructivos destinados a servir de
nexo de unión entre los distintos sistemas,
principalmente entre el sistema de tubos ascendentes
y el sistema de tubos descendentes. La colocación de
colectores en las paredes del agua se encuentra
justificada para reducir costos disminuyendo la
cantidad de tubos descendentes con la relación 1:5, es decir 5 tubos ascendentes se conectan
a 1 tubo descendente por medio de un colector.
Existen colectores de sección cuadrada y circular, los primeros se prestan mejor cuando es
necesario colocar tapas para mandrilar mientras que los de sección circular ofrecen la
posibilidad de conectar tubos en cualquier dirección además de que se tiende a utilizar este
tipo de colector debido a la facilidad de ejecutar los procesos de limpieza.
Tubos
Son los elementos fundamentales de las calderas acuotubulares
destinados a establecer los circuitos correspondientes resistiendo el
calentamiento y evaporación del agua que por ellos circula.
Los diámetros tienden a ser cada vez menores para las superficies
convectivas debido a la teoría de la transmisión de calor. Es común la
existencia de dos dimensiones de tubos en una misma caldera debido
a las zonas sujetas a grandes cargas térmicas como los del hogar. En

32. MÁQUINAS TÉRMICAS
RESUMEN
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general la distancia entre tubos denominada paso es dos diámetros de tubo con el objeto de
facilitar el desmontaje de tubos aislados. Las mejoras en el proceso de combustión hace
necesario una refrigeración del hogar más completa, la elección del diámetro y paso del tubo
consisten en una solución técnico-económica en donde; una disminución del paso tiende a
disminuir la temperatura de la cara interior de la pared refractaria de la caldera manteniendo
la temperatura de la cara exterior constante, ello disminuye en cierto grado los costos aunque,
como se disminuye el paso, se necesita una mayor cantidad de tubos y colectores. El proceso
de combustión bajo presión del hogar, hace posible colocar los tubos casi sin paso o utilizar
tubos aleteados siendo en este caso el revestimiento de poco espesor con chapas exteriores
soldadas, todo soportado por los tubos.
Calderas especiales
Estas calderas suministran vapor a altas presiones superiores a las 100 atm y hasta llegar a la
presión de estado crítico (250 atm). Se tratan de calderas acuotubulares en donde el agua
circula a una elevada velocidad por una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro, esta
velocidad se consigue por medio de bombas de circulación. Como la velocidad es elevada, las
partículas contenidas en el agua no tienen tiempo suficiente como para generar incrustaciones
en las paredes internas del tubo, además de que, la circulación del agua debe ser forzada.
Las calderas de alta presión se dividen en tres grupos en función de la producción del vapor:
Calderas de circulación forzada
La principal característica de
estas calderas es que la
circulación del agua no es natural
sino que es forzada mediante
una bomba de circulación.
Debe existe una estrecha
sincronización entre la bomba de
alimentación y la de circulación
con el objeto de que las dos
produzcan la misma velocidad de
circulación del fluido dentro de la
cañería de la caldera. El reparto
del agua entre los diferentes
tubos conectados en paralelo se
obtiene por medio de toberas
calibradas en función del calor
que entra en cada tubo.
Las ventajas de este tipo de caldera son:
 Poco peso relativo
 Amplia libertad en su diseño
 Corto tiempo necesaria para su puesta en estado de régimen
Las desventajas de este tipo de caldera son:
 La bomba de circulación debe operar a elevada temperatura, provocando grandes
dificultades en su diseño y operación. Vale aclarar que el funcionamiento de esta bomba
absorbe el 6% de la energía generada lo cual representa un factor importante de
disminución del rendimiento en la instalación.
 El suministro de agua no puede interrumpirse por lo tanto, la instalación debe contar con
una bomba de emergencia la cual debe entrar en forma automática por acción de un
manómetro diferencial.

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Calderas de inyección forzada
Esta caldera está destinada a la producción de vapor en estado crítico (225 atm), esta presión
es reducida previamente a la utilización por medio de una válvula de estrangulación, en
función de que los materiales de las turbinas no son capaces de soportar dichas presiones de
trabajo. Esta caldera aprovecha la propiedad de que en estado crítico, el calor latente de
vaporización es nulo, produciéndose por consiguiente el pasaje automático del estado líquido
al vapor sin proceso de ebullición. Por lo tanto, el calor necesario para producir la vaporización
del agua es menor, únicamente se necesita el calor para llevar la misma a 375 ºC.
Una bomba de alimentación toma el agua y la comprime hasta 225 atm, la envía a un
economizador en donde se calienta a una temperatura de 50 a 60 ºC por debajo de la
correspondiente temperatura de vaporización a estado crítico, en estas condiciones el agua
pasa a un sistema vaporizador constituido por haces tubulares ubicados dentro del hogar,
cuando alcanza los 375 ºC, pasa automáticamente al estado de vapor. Previo a la utilización, el
vapor pasa a través de un sobrecalentador de radiación y luego por otro de convección en
donde el vapor alcanza los 500 ºC.
Vale aclarar que:
 Como se necesitan pocas calorías para producir vapor, el consumo de combustible es
reducido.
 El sobrecalentamiento no tiene un punto de origen como en las calderas de circulación
natural, este punto se desplaza en lo haces tubulares según la carga y el calentamiento.
 La presión de impulsión de la bomba de alimentación ha de ser siempre el valor de
presión del vapor producido más las pérdidas de carga.
 Para disminuir la posibilidad de ruptura de tubos, se vio la posibilidad de operar con estos
equipos con presiones inferiores.

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Calderas de vaporización indirecta
Se caracterizan en el hecho de que el vaporizador, es decir, el lugar en donde se produce el
vapor se encuentra fuera del hogar.
Una bomba de alimentación toma el agua de la fuente y la envía al economizador E donde se
incrementa su temperatura, luego esta agua pasa a un vaporizador colocado fuera de la
caldera en donde se va a transformar en vapor. Luego una bomba de circulación envía la
cantidad 𝑎 𝑘𝑔 de vapor saturado a un sobrecalentador de radiación 𝑹𝑹 y a otro de convección
𝑹𝑪 en donde se transforma en vapor sobrecalentado alcanzando temperaturas hasta 500 ºC.
Estos 𝑎 𝑘𝑔 de vapor se subdividen por medio de una válvula en dos partes, una fracción 𝑏 𝑘𝑔
se dirige a la máquina y la fracción restante (𝑎 − 𝑏) 𝑘𝑔 de vapor vuelve al vaporizador en
donde se mezcla con el agua que proviene del economizador, le cede su calor de
sobrecalentamiento y vuelve a generar 𝑎 𝑘𝑔 de vapor saturado. Por lo tanto, la generación de
vapor en esta caldera es 𝑏 𝑘𝑔 de vapor sobrecalentado, por ello la bomba de alimentación
debe enviar al economizador nada más que 𝑏 𝑘𝑔 de agua.
Vale aclarar que:
 La puesta en marcha se realiza inyectando vapor auxiliar de otra máquina térmica, lo cual
indica que no puede instalarse independientemente y debe estar en las proximidades de
otra fuente de vapor.
 La colocación del vaporizador fuera del hogar elimina los peligros de explosión y hace
sencillo el armazón de la caldera.

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Calderas de doble circulación
En muchas ocasiones para alimentar las calderas se dispone de agua con muy elevada
concentración de elementos en solución o en suspensión, para ello; sabiendo que el agua con
menor concentración está limitada para las superficies muy calentadas del circuito primario, es
decir las superficies que se encuentran expuestas al calor de radiación; el circuito primario
comprende solamente elementos de alta transmisión calórica, mientras que el secundario, que
está ubicado fuera del hogar expuesto a los gases de combustión, trabaja por convección y
está constituido por elementos de inferior transmisión calórica por lo tanto se puede trabajar
con agua mucho más cargada de sales disueltas o en suspensión, es decir, agua más barata.
Ver imagen en: Apunte Teórico – Página 23.
Operación y mantenimiento de calderas
Realizada la descripción de las calderas en sus tipos y características, resulta interesante
conocer los conceptos básicos de la operación y mantenimiento de la caldera y sus equipos
para ello el estudio se puede dividir en las siguientes partes:
Generalidades
 Un comportamiento satisfactorio de una caldera depende de la diligencia e inteligencia
desplegada en la ejecución e interpretación de los controles y el mantenimiento de rutina.
 El contenido de humedad que sale de la caldera y la concentración de sólidos arrastrados
depende de:
 Calidad del agua de alimentación
 Utilización de un adecuado tratamiento de agua
 Régimen de purgas adoptado
 Si las superficies de calefacción se mantienen limpias y los tabiques herméticos, la
temperatura del gas que sale de la caldera y las pérdidas de tiraje a través de la misma,
permanecen constantes para un determinado consumo de vapor y porcentaje de exceso
de aire. Esto lleva a la conveniencia de llevar registros exactos del rendimiento y de
identificar rápidamente cuando se presente una indicación de condiciones indeseable con
el objeto de corregir inmediatamente el inconveniente evitando el desarrollo de serias
dificultades.
 La cantidad de combustible debe ser calculado, lo cual proporciona el poder calorífico y
otras características que se tienen en cuenta en el rendimiento de la máquina térmica.
 El aparato de Orsat es el medio más seguro para analizar los gases de la combustión.
Ver aparato de Orsat en: https://es.wikibooks.org/wiki/Aparato_de_Orsat
 La verificación de arrastres de sólidos con el vapor se puede identificar si existe una caída
de presión a través del sobrecalentador.
Puesta en servicio
Llenado de la caldera
 Antes de proceder al llenado de la caldera, se
deben abrir todas las purgas superiores ya sea
del domo y de los sobrecalentadores con el
objeto de evitar tensiones causadas por el
cambio brusco de temperatura si es que el
agua para alimentar el equipo es caliente.
 Las válvulas de ventilación, las de purgado de
los sobrecalentadores y el drenaje del colector
de salida de vapor; deben mantenerse abiertas
hasta que el consumo de vapor tome un valor apreciable que asegure una circulación de
vapor en las cañerías y con ello contar con la suficiente refrigeración de los mismos.

36. MÁQUINAS TÉRMICAS
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Levantado de presión
 El tiempo requerido para levantar la presión y temperatura a los valores adecuados,
depende del tamaño de la caldera y la temperatura de trabajo.
 Ésta operación generalmente se realiza en forma manual y con los quemadores
necesarios que permitan cumplir con el gradiente de aumento de la temperatura indicado
(ejemplo: calderas de alta presión, el gradiente es 50 ºC/hora). Siempre es necesario
verificar que los quemadores inactivos se encuentren herméticamente cerrados con el
objeto de no generar pérdidas en los mismos.
 Para que el economizador no cree dificultades en la presión de la caldera, se debe
mantener un caudal suficiente a efectos de evitar que en el mismo se genere vapor, ello
se logra por medio de una recirculación o régimen de purga de agua. Otro medio de evitar
dicho inconveniente es el de regular el pasaje del gas de combustión por medio de un
bypass a través de los economizadores.
 Verificar los manómetros en forma permanente.
 Una precaución indispensable es la de realizar verificaciones periódicas del nivel de agua
del domo, el cual debe estar cerca del centro del nivel, esto se controla produciendo la
apertura y cierre de la válvula de alimentación.
Caldera en servicio
Temperatura del vapor
Vale aclarar que la temperatura del vapor es directamente proporcional a la carga.
 Para una carga fija, la temperatura del vapor sobrecalentado será anormalmente alta si:
 Hay demasiado exceso de aire
 La temperatura del agua de alimentación es baja
 Hay mucha escoria en la cámara de combustión
 Se produce combustión secundaria
 Para una carga fija, la temperatura del vapor sobrecalentado será anormalmente baja si:
 El exceso de aire es demasiado bajo
 La temperatura del agua de alimentación es demasiada alta
 Hay demasiada humedad arrastrada por el vapor del domo
 Los tubos de sobrecalentamiento presentan incrustaciones internas o externas
 La presión del vapor está por debajo de la normal
 El termómetro funciona incorrectamente
 Si se verifica arrastre de agua con el vapor, la temperatura del vapor sobrecalentado cae
bruscamente y se eleva de nuevo.
 Se protege el sobrecalentador de una brusca interrupción de consumo de vapor ajustando
la válvula de seguridad del mismo antes que las del domo asegurando un flujo de vapor
constante en las serpentinas del sobrecalentador para evitar recalentamientos.
Temperatura de los gases de la combustión
Vale aclarar que la temperatura de los gases es directamente proporcional a la carga.
 Para una carga fija, la temperatura de los gases será anormalmente alta si:
 Hay elevado exceso de aire
 Las superficies de absorción están sucias
 Hay combustión secundaria
 Bafles con pérdidas
 Hay fuego en el precalentador de aire
 Para una carga fija, la temperatura de los gases será anormalmente baja si:
 El exceso de aire de la combustión es demasiado bajo
 Hay una entrada de aire falso después del hogar

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Sopladores de hollín
 Deben ser empleados tantas veces como sea necesario por ejemplo, dos veces por día si
el combustible utilizado es fuel-oíl, para mantener limpias las superficies externas de
calentamiento.
 Una indicación de la necesidad de utilizar los sopladores de hollín puede tenerse vigilando
la temperatura del gas a la salida de la chimenea.
 Cuando se procede al soplado, debe aumentarse el tiraje de la cámara de combustión.
Ver tiraje en:
 https://es.scribd.com/doc/53903277/61/TIRO-EN-CALDERAS - Páginas 31-35
 https://www.youtube.com/watch?v=N5vwi0xiyhU
Purgas
 La mejor manera de fijar la periodicidad y duración de purgado es en base al análisis del
agua de alimentación de la caldera.
 Cuando la caldera es sacada de servicio, se debe:
 Realizar una purga de fondo intensa con el objeto de eliminar los sedimentos
formados
 Una vez que la temperatura del hogar disminuye considerablemente, se debe
accionar las purgas de las paredes de agua
 Una forma continua de purgado es la forma ideal de controlar la concentración de sales
solubles de la caldera ya que permite mantener en un valor constante la concentración
máxima permisible además de economizar al desagotar menor cantidad de agua.
Nivel de agua
 El mejor y más eficaz control del nivel de agua en la caldera, viene representado por la
verificación directa sobre el nivel óptico.
 Se recomienda
 Realizar periódicamente purgas con el objeto de asegurar una correcta indicación
del nivel óptico.
 No confiar en los controles y alarmas aun cuando la reposición de agua es
automática.
Sobrecalentadores
Como ya se mencionó, la acumulación de sedimentos genera una caída en la presión del
sobrecalentador, por lo tanto, un método sencillo para verificar ello es conectando un
manómetro con dos válvulas a los conectores de entrada y salida del sobrecalentador.
Ver figura en: Apunte Teórico – Página 27
Emergencias
Nivel de agua
La emergencia más seria que se puede presentar en el funcionamiento de una caldera viene
representada por un bajo nivel de agua.
Si el agua desciende de tal forma que no sea visible en el nivel óptico debido a fallas en la
alimentación u otras causas, se deben tomar medidas tendientes a extinguir el fuego lo antes
posible. En estos casos es necesario:
 Cortar el suministro de combustible y el del aire de la combustión.
 Se debe mantener el nivel de agua (por más que este sea bajo) debido a que
 Si se aumenta bruscamente la cantidad de agua, se enfrían rápidamente partes
presurizadas.
 Si se disminuye la cantidad de agua, se exponen más partes metálicas al calor
provocando evaporaciones bruscas de agua que podrían producir explosiones.

38. MÁQUINAS TÉRMICAS
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 Se debe mantener un gran caudal de aire que atraviesa la caldera con todas las aberturas
abiertas con el objeto de acelerar el enfriamiento del hogar.
 Reducir gradualmente la presión del vapor abriendo la válvula de purga de ventilación del
colector de salida del sobrecalentador.
 Cuando la caldera se haya enfriado, se debe reducir el caudal de aire hasta una
temperatura segura y luego cerrar todas las aberturas del hogar para aprovechar la
inercia térmica.
 No se debe vaciar la caldera hasta que no se haya enfriado lo suficiente tal que permita el
ingreso de una persona.
 Investigar y determinar las fallas del nivel de agua antes de volver a poner en servicio el
equipo.
Rotura de un tubo
Se puede dar por un bajo nivel de agua requiriéndose la desconexión inmediata de la caldera,
se debe mantener el caudal de agua de alimentación a un nivel medio. Ante esta emergencia
se debe proceder de la siguiente forma:
 Tratar de mantener el nivel normal de agua.
 Apagar el fuego inmediatamente, parar el ventilador de tiro forzado y regular el
ventilador de tiro inducido con el objeto de eliminar el vapor de agua por la chimenea.
 Cerrar todas las válvulas de vapor de salida.
 Cuando desaparece el peligro de recalentar partes presurizadas, disminuir el caudal de
aire con el objeto de producir un enfriamiento más lento o paulatino de la unidad.
 Cuando la unidad se enfrió, cerrar el agua de alimentación teniendo precaución en no
provocar recalentamientos.
 No se debe vaciar la caldera hasta que no se haya enfriado lo suficiente tal que permita el
ingreso de una persona.
 Reemplazar el tubo averiado y realizar una prueba hidráulica antes de volver a poner en
servicio la unidad.
 Si la rotura de un tubo es pequeña tal que no se justifica la separación del equipo del
servicio en forma inmediata, se debe sacar de servicio el equipo cuando la demanda de
carga lo permita, mientras tanto, es conveniente abrir la válvula de ventilación con el
objeto de ir reduciendo gradualmente la presión en el hogar.
Explosiones en el hogar
Cuando se está combustionando fuel-oíl o gas natural, se puede disminuir el riesgo de
explosiones si se evitan las siguientes situaciones:
 La admisión de combustible sin quemar en forma de fuel-oíl o gas natural dentro del
hogar que pronto vaporiza.
El combustible puede llegar sin quemar al hogar de varias maneras, por ejemplo:
 A través de la válvula de un quemador inactivo que no cierre correctamente.
 Si se apaga el fuego por cualquier irregularidad y no se corta la entrada de
combustible.
 Al arrancar si se tropieza con dificultades en el encendido.
 La mezcla de esos combustibles en proporciones explosivas.
 El suministro de calor a esa mezcla como para elevar la temperatura de una porción del
mismo al punto de ignición.
Apagado de la caldera
El procedimiento normal para apagar una caldera consiste en:
 Operar los sopladores de hollín si las condiciones lo permiten.
 Desconectar los controles automáticos y proceder al apagado del fuego.

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 Continuar con el flujo de aire reducido para eliminar los gases de la combustión, cerrar
todas las aberturas para que el enfriamiento sea gradual.
 Alimentar la caldera con agua de tal manera de mantener el nivel elevado.
 Cuando la caldera no genera vapor, abrir la purga del colector del sobrecalentador con el
objeto de reducir la presión.
 Debe purgarse la caldera cuando la temperatura del agua de la caldera es la misma a la de
alimentación.
 Se debe purgar mientras haya una presión suficiente manteniendo elevado el nivel de
agua.
 Cuando la presión en el hogar este cerca de la atmosférica, se debe llenar totalmente de
agua con el objeto de evitar deformaciones y oxidaciones en el interior del hogar de la
caldera.
Aclaración: De aquí en adelante se analizarán las calderas acuotubulares desde el punto de
vista de la combustión, circuito de gases y aire, es decir, desde el punto de vista externo.
Introducción
En la generalidad de los casos, el diseño de una caldera es encarado siguiendo el camino
externo, es decir el de la combustión y enfriamiento de los gases como base del diseño.
Una caldera debe cumplir con una cierta finalidad, y ella puede ser representada por una serie
de valores y datos a saber:
 Producción de vapor máxima continua
 Pico de carga
 Producción de vapor mínima
 Presión de diseño
 Presión de trabajo en el domo
 Presión de salida del sobrecalentador
 Temperatura de vapor sobrecalentado
 Temperatura del agua de alimentación
 Combustibles a utilizar, su poder calorífico y características especiales
 Temperatura del aire de combustión
 Temperatura de los gases de salida
 Rendimiento deseable
 Características del agua a utilizar
A continuación se mencionan comentarios y aclaraciones sobre los puntos anteriores:
 La producción máxima continua, las temperaturas del agua de alimentación, del vapor
sobrecalentado y el valor de las presiones; determinan los parámetros bases de diseño.
 El pico de carga sirve para el dimensionamiento de los auxiliares (quemadores, bombas,
ventiladores, etc.).
 Las presiones importantes son
 Presión a la salida del sobrecalentador
 Presión de trabajo del domo
 Presión de diseño (+5% de la presión del domo)
 Las características del agua de alimentación determinan la cantidad de purga continua
necesaria sin alterar el rango de presiones normales de trabajo.
 El combustible es el elemento de mayor peso en el momento del diseño.
 En el caso de utilizar combustibles sólidos, surgen problemas como las cenizas,
humedad del combustible (carbón, bagazo, etc.) y tipo de combustión a utilizar.
 Los combustibles sólidos pueden ser quemados sobre parrillas fijas, planas
volcables, corredizas o bien en forma pulverizada (sin parrilla).

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 El rendimiento de la caldera se basa en el poder calorífico superior o inferior. A razones de
cálculo de una caldera, se emplea el poder calorífico inferior debido a que la caldera se
diseña de tal forma que los gases de la combustión no llegan a condenarse con el objeto
de evitar la formación de ácido sulfúrico en los precalentadores de aire, por lo tanto, el
calor de vaporización no puede ser aprovechado por la caldera. Vale aclarar que el poder
calorífico superior es un valor más acorde con la realidad física.
El hogar
El hogar es una cámara apta
para el desarrollo del
proceso de la combustión,
además debe dar lugar y
apoyo al equipo de
combustión. En él tienen
lugar las reacciones de la
combustión aislándola a
pesar de su alta actividad
dinámica.
Conocida la cantidad de calor
que es liberado, se toma
como base en una primera
aproximación para dimensionar el hogar. Dicho esto, se han propuesto valores relativos a
saber; vale aclarar que estos valores relativos, en la mayoría de los casos no es necesario
tenerlos en cuenta para el diseño, aunque pueden resultar útiles a fines de comparación:
 Carga térmica del hogar por unidad de volumen
 Carga térmica del hogar por unidad de sección
 Carga específica de la superficie de calefacción del hogar
Dimensionamiento del hogar
Ancho y profundidad
Para la combustión de combustibles sólidos sobre parrilla, la superficie de ésta determina en
general la sección del hogar dejando solamente un grado de libertad al hogar y a toda la
caldera en sí.
En la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, existe un problema que determina la
sección mínima del hogar. Este problema es el fenómeno de rotura de tubos, cuya causa
externa es el choque de la llama de los quemadores sobre los tubos, la causa de este
fenómeno, con cierta certeza, se la puede atribuir a la presencia de sobrecalentamientos
localizados en el material y a la presencia instantánea de films de vapor los cuales tienen poca
transmisibilidad de calor al agua. Por ello, en el dimensionamiento de la profundidad del
hogar, cuando se utilizan combustibles líquidos y gaseosos, se debe prever que la llama no
llegue a tocar los tubos.
Altura
La altura del hogar es un problema sencillo que puede resolverse en base a las consideraciones
que siguen en función de la naturaleza del combustible:
 Para combustibles sólidos, las características de las cenizas determinaran la altura ya que
los gases de la combustión deben enfriarse en lo posible hasta una temperatura inferior al
punto de ablandamiento de las cenizas con el objeto de evitar depósitos en las superficies
convectivas.
 Para combustibles líquidos y gaseosos, tratándose de calderas con dos domos, la altura es
una consecuencia del dimensionamiento del haz tubular.

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Eficiencia del hogar
El proyecto de un hogar no puede ser realizado independientemente del resto del equipo ya
que su eficiencia depende de varios factores importantes a saber:
 Tipo de equipo de combustión
 Características del combustible
 Equipo de tiro
 Abastecimiento de aire
 Grado de sobrecalentamiento del vapor
 Disposición de tabiques deflectores en el domo superior para separar el agua del vapor.
Ver tabique deflector en:
http://files.pfernandezdiez.es/CentralesTermicas/PDFs/06CT.pdf – Páginas 199-200
Cámara de combustión – Temperaturas medias del hogar
Para calcular y diseñar una cámara de combustión, se deben establecer el volumen y la
temperatura media del hogar o cámara, en donde:
 El volumen es necesario para el buen desarrollo de la llama y para lograr la combustión
total del combustible, evitando excesivos castigos sobre las paredes de calor.
 La temperatura media del hogar es aquella en que queda estabilizado el mismo como
resultado de un balance producido entre:
 El calor liberado en la combustión más el aportado por el aire caliente necesario
para esto.
 El absorbido por las paredes refrigeradas más el evacuado por los gases a la zona
de convección.
Para llegar a establecer e interpretar las condiciones de equilibrio térmico en el hogar y fijar el
valor más adecuado de los distintos parámetros que intervienen, es necesario primeramente
ver en qué forma se establece (como fenómeno físico) el equilibrio térmico del horno.
En el hogar luego de establecer el estado de régimen, es decir luego del primer período de
calentamiento, existe un balance de calor igualándose la cantidad de calor que entra con la
cantidad de calor que sale (hogar estabilizado térmicamente). Ésta condición se caracteriza por
la temperatura media del horno, la cual es importante para comenzar el cálculo térmico y fijar
el comportamiento del horno respecto a las cenizas (secas aglomeradas o escoria fundida).
Como ya se mencionó, el contar con cenizas secas y sueltas, no reaccionan desfavorablemente
sobre los elementos refractarios de las paredes del horno.
Ver ejemplo en: Apunte Teórico – Páginas 8-10
Rendimiento térmico y Precalentamiento del aire de la combustión
La combustión es un proceso físico-químico durante el cual se combinan el hidrógeno y el
carbono que forman parte del combustible con el oxígeno del aire liberándose calor. Para
producir la combustión completa, es necesario adicionar un exceso de aire con respecto a la
cantidad estequeométrica cuya cantidad varía en función del tipo de combustible y la forma de
combustión. Todo este aire que se entrega de más, y que por ello no interviene en las
reacciones, es calentado (de 150 a 350 ºC) y ese calor es descargado a la atmósfera
constituyendo una pérdida.
De aquí se ve la influencia de dos factores básicos para controlar el rendimiento de la cardera:
 Mantener el exceso de aire lo más bajo posible
 Mantener la temperatura de salida de los gases lo más bajo posible
Viendo el ejemplo mencionado en el tema anterior, se puede calcular el rendimiento térmico
de una caldera por el método indirecto o de las pérdidas. El rendimiento es la relación entre el
calor útil absorbido y el calor entregado por el combustible. Éste se calcula en base al poder
calorífico inferior ya que, en él, no se incluye el calor latente al vaporizarse el agua.