calderas-teoria_compress.pdf

•CALDERAS DE VAPOR
Mg. LUIS R. LARREA COLCHADO
lrobertolc@crece.uss.edu.pe

» Son equipos diseñados
para transferir calor
producido por combustión,
mediante electricidad, o un
fluido determinado, con la
finalidad de producir agua
caliente, vapor saturado,
vapor sobrecalentado. El cual
es generado a través de una
transferencia de calor a
presión constante.

La alimentación del agua al caldero es previamente tratada en un
ablandador para luego pasar por un desairador.(Calderos pirotubulares)

En estas calderas, el vapor o fuego circulan por dentro de los
tubos; cediendo de esta manera su calor al agua que los rodea
Están diseñados para flujos máximos de 27000 lb/h de vapor
saturado y sus presiones de trabajo no superan los 20 bar o 20.4
kg./cm 2. 1 bar = 1,02 kg/cm 2

El agua circula por dentro de los tubos, captando el calor que
pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de
vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura
Se construyen para capacidades
mayores a 27000 lb/h. de vapor.
Permiten obtener vapor a
temperaturas de 350°C y presiones
de 25 bar (25.5 kg./cm2). La
alimentación del agua al caldero es
previamente tratada en un
desmineralizador, para luego pasar
por un desairador.

1 psi = psia ( lbf/pul2 ; 1 kg./cm2 )
1 atm = 14,7 psia = 14,7 lb/plg2 1.013 bar = 14,7 psi
1 bar = 100 Kpa ; 1 Btu = 1.055 KJ ; 1 Kg = 2.2046 lb ;
1 in = 2.54 cm ; 1 m = 3.28 pie
La presión psia o psig. Ambas se miden en unidades de lbf/pul2
La diferencia está en el valor que toman:
psia: expresa la "presión absoluta
psig: mide la presión "relativa" o "manométrica".
Entonces, para convertir psig en psia, tenemos que sumarle
14,7 libras/pulgada cuadrada.
Que las siguientes unidades son equivalentes;

http://www.youtube.com/watch?v=DfvIid
N3gQg
http://www.youtube.com/watch?v=DfvIi
dN3gQg

Según la presión máxima de trabajo de las calderas, éstas se clasifican
en:
- De baja presión, hasta 2 kg/cm2
- De media presión, entre 2 y 10 kg/cm2
- De alta presión, sobre 10 kg/cm2
Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera
cuando es capaz de producir 15.65 kg/hr ( 34.5 lb/hr) de vapor
saturado de 100 °C (212 °F) utilizando agua de alimentación a la misma
temperatura. 1 BHP = 33475 BTU/hr = 8441,61 kcal/hr.

Tiene por objeto extraer los gases provenientes de la
combustión y proveer del aire necesario para dicho
proceso. La diferencia de presiones para evacuar los gases
se denomina tiro y puede ser forzado y/o inducido, o bien,
natural
Esta circulación se establece gracias a la diferencia de
densidades entre los gases calientes y el aire frío.
Una buena temperatura en los gases de la chimenea está
alrededor de los 200 °C a 250 °C, no menos porque se
producen problemas de condensación en los humos y no
mayor porque se estaría perdiendo calor.

Es la diferencia entre la presión de la caldera y la presión
atmosférica. El tiro es necesario para el funcionamiento
del hogar de una caldera, con el fin de poderle
suministrar el aire necesario para la combustión del
combustible y arrasar los gases quemados hacia el
exterior a través de la chimenea

Tiro forzado: Se obtiene "soplando" aire en el interior de los hogares
herméticos debajo de las parrillas y hogares mecánicos.
Tiro inducido: Se consigue con un ventilador centrífugo colocado entre la
caldera y la chimenea.
Tiro natural: Es la diferencia de presión que se produce por efecto de una
chimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la
chimenea respecto al nivel del emparrillado del hogar y de la
diferencia media de temperatura entre la de los gases quemados
contenidos en la chimenea y la del aire exterior.

𝑻𝒊𝒓𝒐 = 𝟎. 𝟓𝟐 ∗ 𝒉 ∗ 𝑷𝟎 ∗ (
𝟏
𝑻𝟎
−
𝟏
𝑻𝒆
)
𝑻𝒊𝒓𝒐 = 𝟎. 𝟏𝟗𝟐 ∗ 𝒉 ∗ (𝑷𝒂 − 𝑷𝒂)

A partir de los siguientes datos Calcular el Tiro de una Caldera
𝑻𝒊𝒓𝒐 = 𝟎. 𝟓𝟐 ∗ 𝒉 ∗ 𝑷𝟎 ∗ (
𝟏
𝑻𝟎
−
𝟏
𝑻𝒆
)
𝑻𝒊𝒓𝒐 = 𝟎. 𝟓𝟐 ∗ 𝟔𝟎 ∗ 𝟏𝟒. 𝟕 ∗ (
𝟏
𝟓𝟔𝟒
−
𝟏
𝟔𝟕𝟐
)
𝑻𝒊𝒓𝒐 = 𝟎. 𝟏𝟑𝟏 𝒑𝒖𝒍𝒈

= calor sensible + calor latente
El calor de vaporización es la cantidad de calor necesario para convertir
1 lt de agua a Temp. Ambiente, a la presión atmosférica en VAPOR SECO
mayor a 100 °C. Esta transformación se lleva a efecto en dos etapas:
En la primera se entrega calor al líquido para elevar su temperatura
desde Temp. amb a 100 °C (temperatura de saturación), esta cantidad
de calor se conoce como calor sensible o entalpía del líquido.
En la segunda etapa, es necesario una cantidad de calor para convertir
el Vapor(evaporación) en Vapor seco (temperatura de
Sobresaturación), cantidad de calor que se denomina calor latente o
entalpía de vaporización.
Se llama calor específico a la cantidad de calor necesario para calentar
1 kg. de una materia en 1 grado.

Es el vapor que se produce cuando se calienta el agua a una presión
constante. Conociéndose la temperatura de ebullición del agua como
la temperatura de saturación.
Se dice que un vapor es sobresaturado cuando su temperatura es
superior a la temperatura de ebullición, aumentando paralelamente
su presión.
Debemos recordar que para cada valor de presión corresponde un
valor de temperatura de saturación
También llamado fogón, es el espacio destinado a quemar el
combustible
Se llama rendimiento al porcentaje de calor contenido en el
combustible que se traspasa al vapor generado por la caldera, al
quemar dicho combustible.

Es un aumento en la temperatura del agua antes que comience a
ebullir.
Cuando el agua alcanza su punto de ebullición, ocurre un cambio
importante: el agua comienza a evaporarse sin cambio alguno en su
temperatura. Este cambio de fase de liquido a vapor absorbe energía
conocida como Calor latente de evaporación.
Cuando el vapor no esta totalmente vaporizado, se llama Vapor
Húmedo, creando una condensación.
La finalidad de la purga de la caldera es la de eliminar los sólidos
disueltos que se acumulan en ella en forma de barro y que entran a
través del agua de alimentación.
La válvula de purga deberá mantenerse abierta entre 10-20 segundos
cuando se realiza esta operación.

El contenido de calor del agua o del vapor, se le conoce como entalpia,
representadas por h en tablas de vapor y formulas.
Entalpia del liquido saturado (hf), es la cantidad de calor requerido
para elevar la temperatura de un Kilogramo de agua de 0 °C a la
temperatura de saturación. A esta propiedad se le llama también
calor sensible o calor del liquido.
Entalpia de evaporación (hfg), es la cantidad de calor requerido para
transformar un Kilogramo de agua a la temperatura de saturación,
en vapor seco y saturado a la misma temperatura. También se
llama calor latente vaporización.
Entalpia del Vapor Saturado (hg), es el calor requerido para cambiar
un kilogramo de agua a 0 °C en vapor seco y saturado; se obtiene
de la suma de las entalpias de liquido saturado y de evaporación.
También se conoce como calor total del vapor.

Volum. de Vap. Saturado Entalpia de Vap. Saturado

v = vf + x * vfg.
Vf : Volumen específico Liquido Saturado.
Vfg :Volumen especifico de vaporización = Volumen
especifico Vapor Saturado (Vg)
h = hf + x * hfg.
hf : Entalpia de Liquido Saturado.
hfg : Entalpia de vaporización
hg : Entalpia de Vapor Saturado
Donde:
h = Entalpia de Vapor Húmedo
X = Calidad del Vapor.

Complete la siguiente tabla para el agua
T
°C
P
kPa
h
kJ/kg
x
? 325 ? 0,4
160 ? 1682 ?
Solución.
De las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para P = 325 Kpa;
se observa:
P,Kpa hf,KJ/Kg
316,3 ----- 589,13
325 ----- X
415,4 ----- 610,63
X
-
610.63
589.13
-
X
325
-
415.4
316.3
-
325
 Kg
Kj
hf /
01
.
591


P, Kpa hg, KJ/Kg
316,3 ----- 2733,9
325 ----- X
415,4 ----- 2740,3
X
-
2740.3
2733.9
-
X
325
-
415.4
316.3
-
325

Kg
Kj
hg /
46
.
2734

Calculamos la entalpia de Vapor Saturado. (hg)
Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf + hfg
hfg = hg - hf hfg = 2734.46 - 591.01 hfg =2143.45 Kj/Kg
Calculamos que la Entalpia del Vapor Húmedo (h) : h = hf + X * hfg
h = 591.01 + (0.4) * (2143.45)
para P = 325 Kpa; se observa: hf = 591.01 Kj/Kg ; hfg = 2143.45 Kj/Kg ; hg = 2746.46 Kj/Kg
h = 1448,39 KJ / Kg
Para verificar el resultado se comprueba
que h esta comprendido entre hf y hfg

Para el enunciado (b).
En las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para T = 160 °C; se
observa:
Psat = 617.8 kPa ; vf = 0,0011020 m3/kg. ; vfg = vg = 0.3071 m3/kg
hf = 675.55 Kj/Kg ; hg = 2758.1 Kj/Kg
Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf + hfg
hfg = 2758.1 - 675.55 hfg =2082.55 Kj/Kg
Calculamos la Calidad del Vapor: (X) : h = hf + X * hfg
1682 = 675.55 + ( X ) * (2082.55)
X = 0.483 KJ / Kg

". Es la cantidad de calor que se
obtiene al quemar un kilogramo de combustible.

EQUIPOS N° Tipo de Vapor Presión (psia) Consumo (lb/hr)
Marmita 2 Saturado 80 4500
Autoclave 1 Saturado 115 6200
Intercambiador de Calor 3 Saturado 120 12500
Columna Destilación 2 Saturado 130 24600
TOTAL
47800
(Masa de vapor
Máximo)
1. Presión de Operación:
2. Presión de Diseño:
𝑷𝑫𝒊𝒔𝒆ñ𝒐 = 𝑷𝑶𝒑𝒆𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏 ∗ 𝟏. 𝟐
135 psia
CALDERO
Efici: 80 %
(Caída: 5 psi)
(Vap. Sat: 47800 lb/hr)
(Presión: 130 psia )
PROCESO
𝑷𝑶𝒑𝒆𝒓𝒂𝒄. =
𝑷𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎𝒂
𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂
𝑷𝑫𝒊𝒔𝒆ñ𝒐.= 𝟏𝟔𝟖. 𝟕𝟓 ∗ 𝟏. 𝟐
𝑷𝑫𝒊𝒔𝒆ñ𝒐. = 𝟐𝟎𝟑 psia

3. Capacidad del Caldero en HP HP
Factor
*
*
Eficiencia
Total
Calor
Capac


calorifico
Poder
*
Total
Calor
e
Combustibl
Eficiencia

4. Calor Total de operación del Caldero
5. Consumo de Combustible:
6. Calor sensible del Combustible (Qc) Qc = 𝑪𝒄* T°c
7. Calor del fluido de entrada (Qfe) 𝑸𝒇𝒆 =
𝑯𝒇𝒆 ∗ 𝒄𝒂
mc
Donde:
Cc = Calor específico del combustible [kcal]
Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible (°C)
Donde:
hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] ---- Btu/lb
Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)
mc = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr
Calor Latente de Vapor Saturado o Coeficiente de Transmisión de Calor
:

Total
Calor
masaVapor



)
(
*
* 0
T
T
C
m
Q f
p
Sensible 

9. Calor por purgas (Qp)
Donde:
𝝆 = Caudal de purgas en kg/h
hpurg = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido para
la presión de generación de vapor.
c
purgas
Purgas
m
h
Q
*


10. Calor Sensible
8. Calor del fluido de salida (Qfs) 𝑸𝒇𝑺 =
𝑯𝒇𝒔 ∗ 𝑷𝒗
𝒎𝒄
Donde:
hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg) ---- Btu/lb
Pvapor = Producción de vapor (kg / h)
m = Caudal másico del fluido Kg/seg

11. Capacidad calórica : Q (kJ/ h) o Calor Latente
Es el consumo real de agua o producción de vapor (mv) y la energía
(entalpía) del agua a la entrada (liquido sub-enfriado y a la salida vapor
sobrecalentado), podemos decir que es la cantidad de energía
necesaria para vaporizar o condensar una cantidad de fluido.
Q = mV * (hg – hf) = Q = mV * ( hfg )
Donde:
Q = cantidad de calor que se está transmitiendo al fluido por hora en
Kcal. o Btu/h.
mv = Producción de Vapor
hg y hL = Son las Entalpias que se obtienen de las T .V .S.
Hfg = Entalpia de Vaporización.
Debemos tener en cuenta que se también se emplea el BHP de caldero para
designar el tamaño de una caldera en base a la superficie de calefacción. Por
lo tanto tendremos en cuenta un estándar es: 10 pies2 /BHT para una
Capacidad Nominal de 100 %
12. Superficie de Calefacción

n =
𝒎𝒗 ∗ 𝒉𝒈− 𝒉𝒇
𝒎𝒄 ∗ 𝑷𝑪
Donde:
» mV = Producción de vapor [kg/h]
» hg = Entalpía del vapor a la salida [kcal/kg]
» hf = Entalpía del fluido o agua a la entrada [kcal/kg]
» 𝒎𝐂 = Consumo de combustible quemado por hora en peso Kg/hr
» P.C = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Kg]
También podría definirse el Rendimiento diciendo que: "Es la relación entre la
energía (calor) contenida en el vapor y el calor contenido en el combustible
que se quema”.
𝑹 = (
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑼𝒕𝒊𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒆𝒍 𝑨𝒈𝒖𝒂
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒒𝒖𝒆 𝑷𝒓𝒐𝒑𝒐𝒓𝒄𝒊𝒐𝒏𝒂 𝒆𝒍 𝑪𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒃𝒍𝒆
)* 100

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
33475
𝐵𝑇 𝑈 ℎ
𝐵𝐻𝑃

La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de
la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentración de estos
sólidos.
El agua evacuada en las purgas de las calderas de vapor está a elevada
temperatura y presión. El calor contenido en el agua de purgas se recupera de
la siguiente manera:
Donde:
Q = Calor recuperado del condensador o purga
n = Rendimiento de la caldera
PC = Poder Calorífico Inferior del combustible
𝑨 =
𝑸 𝒌𝒄𝒂𝒍 𝒂ñ𝒐
𝒏 ∗ 𝑷𝑪 𝑲𝒄𝒂𝒍 𝒖𝒅. 𝒄𝒐𝒎𝒃

Donde:
HRP: Calor cedido por el combustible (poder calorífico del
combustible)
Pc: Pérdida de calor por la chimenea
Pa: Pérdida de calor por el aislamiento

Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para
poder realizar un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar y eliminar
las fugas de vapor existentes.
El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresión:
𝑸 = 𝒌 ∗ 𝒅𝟐 ∗ 𝑷(𝑷 + 𝟏)
Donde:
Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h]
d = Diámetro del orificio [mm]
P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2]
K = Coeficiente de valor 0,35 - 0,45
𝑨 =
𝑸 ∗ 𝑯
𝑿
𝑼𝒅. 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒃𝒍 𝒂ñ𝒐
Donde:
Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]
H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]
X = Producción específica de vapor [kg vapor]

CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE
» Consiste en aplicar el principio de conservación de la masa y de la
energía a una Caldera o Generador de Vapor.
» Su objetivo es cuantificar las energías (o flujos de calor) que
entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia
relativa de cada una de ellas.
Balance de Energía en el Caldero
𝐻4 + 𝐻𝐴𝑖𝑟𝑒 + 𝐻𝑝 = 𝐻5 + 𝐻ℎ𝑢𝑚𝑜 + % 𝑄𝑐 que se pierde en el exterior
𝒎𝟒𝒉𝟒 + 𝒉𝑨𝒊𝒓𝒆𝒎𝑨 + 𝒎𝒑𝒆𝒕𝒓𝒐𝒍𝒆𝒐𝒉𝒑 = 𝒎𝟓𝒉𝟓 + 𝒎𝒉𝒖𝒎𝒐𝒉𝒉 + 𝑿 % 𝑸𝒄

» En un balance térmico se debe considerar las ganancias y perdidas de energía, como
algunas perdidas de calor que no están vinculadas a una masa de flujo másico.

1.- En una planta industrial opera una columna de destilación que consume vapor vivo a
razón de 340 000 Btu/hr y un reactor que consume 160 000 Btu/hr. El vapor proviene de
un caldero a 150 psia a la temperatura de 230 °F. La tubería que transporta el vapor es
de 2 pulgadas la cual tiene una longitud total de 150 pies y este dispone de aislamiento.
Determinar:
a) El tipo de caldero; el tamaño (HP).
b) ¿Qué cantidad de masa de vapor por hora, necesitan la columna de destilación y el
reactor juntos?
Datos: Tubería: 2 pulg ; Longitud: 150 pies ; Eficiencia: 85 %, Presión operación: 150 psia ; Temp: 230 °F ;
Solución: Calculamos el Calor Latente (λ) de Vapor Saturado relacionado con la Presión de Operación del Caldero
P,psia λ, Btu/lb
145 ----- 865
150 ----- X
155 ----- 861
x
-
861
865
-
X
150
-
155
145
-
150

lb
Btu /
863


x
-
861
865
-
X
5
5


HP
Factor
*
*
Eficiencia
Total
Calor
HP


a) Calculamos los HP del caldero:
1
/
5
.
34
*
863
*
0.85
Btu/hr
500000
Capacidad
HP
hr
lb
lb
Btu

HP
Capac 20
.  El tipo de caldero que se recomienda es el Piro tubular
de Vapor Saturado
b) Calculamos la cantidad de masa de vapor por hora, que necesitan los
equipos:
Total
Calor
masaVapor


/
863
Btu/hr
500000
masaVapor
lb
Btu
 hr
lb
masaVapor /
37
.
579


2.- Un caldero debe proveer en una planta industrial 34500 lb/hr de vapor para abastecer a
los sistemas de calentamiento y evaporación. La máxima presión que recibe uno de los
equipos es de 90 psia. Para cubrir estas necesidades el caldero opera holgadamente con
una eficiencia del 75 % , utilizando como combustible diesel 2. Determinar:
a) La capacidad del caldero en HP.
b) Si la combustión opera al 95 %, cuál será el Consumo de combustible en lb/hr
c) Que cantidad de combustible necesitara el caldero, si usara como combustible carbón de
una capacidad calorífica de 14500 Btu/lb, operando al 95 %
d) Si se alimenta al caldero 26500 lb/hr de agua blanda a 200 °F y 8500 lb/hr de vapor
condensado que retorna de los intercambiadores de calor a 212 °F ¿Qué cantidad de
calor necesitaría el caldero para producir vapor operando al 100 % de eficiencia?
Solución: Eficiencia: 75 % ;
Eficiencia
Presión
P max
operac. 
psia
120
0.75
90
Poperac. 

Calculamos la Presión de
Operación del Caldero:

a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP: Por tablas de vapor @ 120 psia
calculamos λV
P,psia λ, Btu/lb
114.7 ----- 880
120 ----- X
125 ----- 875.4
x
-
875.4
880
-
X
120
-
125
114.7
-
120

lb
Btu /
878


Btu/hr
30291000
lb
Btu
878
*
34500
Q 

hr
lb
Calculamos el Calor Total en Btu/hr:
HP
Factor
*
*
Eficiencia
Total
Calor
Capacidad


HP
Capacidad 1333

34.5
*
878
*
0.75
30291000
Capacidad 

*
Q 
Vapor
m

Calculamos la Capacidad del Caldero:

b) Calculamos el consumo de combustible en lb/hr:
Poder calorífico del DIESEL 2 : 18500 BTU/lb ; también sabemos que el caldero
opera al 75 % y existe una combustión del 95 %
calorifico
Poder
*
.
Total
Calor
e
Combustibl
Efici

Lb
BTU
Hr
BTU
18500
*
75
.
0
30291000
Q 

lb/hr
2298
95
.
0
13
.
2183
Combust. 


Poder calorífico del Carbón: 14500 Btu/lb
lb/hr
2932
95
.
0
37
.
2785
Combust. 


c) Calculamos el consumo de Carbón combustible en lb/hr:
Lb
BTU
Hr
BTU
14500
*
75
.
0
30291000
Q 


d) Calculamos la cantidad de calor que necesita el caldero operando al 100 %
)
(
*
* 0
T
T
C
m
Q f
e
Sensible 
 F
Q F
lb
Btu
hr
lb


 
)
200
212
(
*
1
*
26500 .
Btu/hr
318000
Q 

Por tablas de vapor calculamos λV a 212 °F ----- λV : 970.3 Btu/lb

*
m
QLatente  lb
Btu
hr
lb
Q 3
.
970
*
26500
 Btu/hr
25712950
Q 

Calor total para vaporizar el agua:
25712950
318000 

Total
Q
Btu/hr
26030950
Q 

Primero Calculamos el calor Total para vaporizar el agua: QSensible + QLatente

Calculamos el Calor Latente del Condensado que retorna del Intercambiador a
212 °F ----- λV : 970.3 Btu/lb

*
m
QLatente  lb
Btu
hr
lb
Q 3
.
970
*
8500
 Btu/hr
8247550
Q 

Calculamos la cantidad de calor que necesita el caldero operando al
100 % de eficiencia:
Btu/hr
26030950
Q Agua
el
Vaporizar
Para 

Btu/hr
8247550
Q 


Btu/hr
34278500
Q 


Un planta química tiene un caldero acuotubular de 150 psi de presión que produce 15 000
lb/hr de vapor de agua. El agua de alimentación al caldero proviene del deaireador al cual
ingresan dos corrientes. Una de condensado que retorna al proceso y otra de agua de
reposición (make up) que viene del ablandador. Según análisis de laboratorio, el agua blanda
tiene 170 ppm de sólidos y se recomienda que en el caldero estos sólidos no se concentren a
cantidades que excedan el máximo permisible 3500 ppm de solidos. Para mantener
inalterables los sólidos concentrados en el caldero, se tiene que purgar hora por hora los
fondos del caldero. Determinar: Cuantas libras se purga por hora en el caldero.
Calculamos el flujo de alimentación: Balance de Solidos: F * XF =P * XP
F * 170 = P * 3500
3500
170
*
F
P 

Balance General: F = V + P
F = 15000 + P
3500
*
170
15000 F
hr
lb
F 

F = 15000 + 0.0486 F
0.9514 F = 15000 hr
lb
F 15766

Calculamos las purgas del Caldero en lb/Hr:
3500
170
*
F
P 
hr
lb
P 3500
15766
*
170

hr
lb
P 77
.
765


EQUIPO Calor, Btu/hr Temp. °F Presión, psia
Marmitas 7 876 700 397 240
Calentadores 7 589 400 300 76
Evaporadores 10 185 000 212 14.7
En una planta de productos lácteos se requiere de un caldero para producir vapor saturado, con la
finalidad de alimentar vapor a los siguientes equipos:
La caldera debe operar a 85 % de eficiencia. Su alimentación consiste de vapor condensado que
retorna de los calentadores y evaporadores, con pérdidas en las tuberías de 5 % por fugas. El agua
de reposición proviene de un intercambiador iónico y es previamente calentado a 200 °F antes de
ingresar al caldero. El combustible que se usa es petróleo bunker #6. Determinar
• Capacidad del caldero en HP.
• Tipo de vapor y caldero que se necesita.
• Lb/hr de vapor que produce el caldero seleccionado.
• Lb/hr de combustible que consume el caldero.
Calor Total: 25651100 Btu/hr

HP
Factor
*
*
Eficiencia
Total
Calor
HP


a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP:
Por tablas de vapor @ 282.35 psia Calculamos λV
*
*
0.85
25651100
Capacidad
1
/
5
.
34
HP
hr
lb


Calculamos la Presión de Operación:
Eficiencia
Presión
P max
operac. 
0.85
240
Poperac.  35
.
282
Poperac. psia

lb
Btu /
84
.
814


*
84
.
814
*
0.85
25651100
HP
1
/
5
.
34
hr
Btu
HP
hr
lb
lb
Btu

 HP
48
.
1073
Capacidad 

b) Tipo de Caldero y Vapor que se necesita:
Se recomienda un caldero Acuotubular y de Vapor Saturado.

c) Calculamos el Vapor que produce el caldero seleccionado en lb/hr :
lb/hr
1611
Combust. 

Total
Calor
masaVapor


5
.
828
25651100
masa hr
Btu
Vapor
lb
Btu

Por tablas de vapor @ 240 psia calculamos λV lb
Btu /
5
.
828


/
30961
masaVapor hr
lb


d) Calculamos el consumo de combustible del Caldero en lb/hr :
Poder calorífico del Petróleo Bunker: 151700 Btu/cal ; también sabemos que el
caldero opera al 85 %
*
151700
*
0.85
25651100
e
Combustibl
098
.
8
1
hr
Btu
lb
cal
cal
Btu

calorifico
Poder
*
.
Total
Calor
e
Combustibl
Efici


Para la alimentación de un generador de vapor se mezclan agua a una
temperatura de 212 ºF con agua a 14.696 psia. Esta mezcla es bombeada hasta la
presión de trabajo del caldero que es de 67.013 psia (el proceso de bombeo del
agua para la alimentación del caldero es a entalpía constante).
La energía calorífica necesaria para el caldero se produce por la quema de 3 500
lb/hr de petróleo con una entalpía de 6 500 BTU/lb mezclados con 20 lb de aire/lb
de petróleo, siendo la entalpía del aire de 35 BTU/lb.
Los humos de combustión salen por la chimenea a razón de 15 lb de humo/lb de
petróleo con una entalpía de 110 BTU/lb. El 5% del calor de combustión se
pierden por transferencia al medio ambiente. Determine: La Potencia del Caldero
a) La superficie de calefacción, si la capacidad nominal es de 300 %.
b) Rendimiento del caldero.

Balance de energía en el Caldero

Una vez calculados las variables, reemplazamos en la Ecuación original
CALOR DE COMBUSTIÓN
De la ecuación anterior Reordenando, Calculamos el CALOR de CALENTAMIENTO del agua en Vapor

Conocido el Calor de Calentamiento, podemos Calcular la Potencia:
n =
𝒎𝒗 ∗ 𝒉𝒈− 𝒉𝒇
𝒎𝒄 ∗ 𝑷𝑪
Área de Calefacción = 1806.99 pie³
Antes de Calcular el rendimiento No podemos utilizar la siguiente formula, debido que No contamos con la
cantidad de masa de Vapor y la masa del combustión ya quese trata de dos Fluidos (petróleo y aire)

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