Este documento presenta cálculos para determinar la eficiencia de un generador de vapor. Incluye cálculos para las siguientes pérdidas: 1) pérdidas por calor sensible en humos, 2) pérdidas por inquemados, 3) pérdidas por agua de reacción, 4) pérdidas por humedad en la combustión, 5) pérdidas por combustión incompleta y formación de CO, 6) pérdidas por humedad en el aire, 7) pérdidas por atomización del combustible, 8) pé

1. FACULTAD DE ESTUDIOS
SUPERIORES
ARAGÓN
INGENIERÍA MECÁNICA
SISTEMAS DE AHORRO DE ENERGÍA
“CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR”
Alumno: DavidRicardoFernández Cano Veronico

2. CÁLCULO DE LA EFICIENCIA EN UN GENERADOR DE
VAPOR
1.- Pérdidas por calor sensible en humos
Compuesto 𝑂2 𝐶𝑂 𝐶𝑂2 𝑁𝑂 𝑁2
𝑥 .02095 .067 .0025 .091 .42
𝐶𝑝𝑠 = ∑( 𝑥𝑖) 𝐶𝑝𝑖
𝑛
𝑖=1
Para obtener cada 𝐶𝑝 @ 𝑇𝑔 = 168.6°𝐶, se realizan las siguientes interpolaciones
Para 𝑂2:
𝐶𝑝1 =
12910 − 12156
100
× 68.6𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) + 12156𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) = 12673.244𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Para 𝐶𝑂2:
𝐶𝑝2 =
18389 − 17376
100
× 68.6𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) + 17376𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) = 18070.918𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Para 𝑁2:
𝐶𝑝3 =
12809 − 12742
100
× 68.6𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) + 12742𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶) = 12787.962𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)

3. Para 𝑁𝑂:
𝐶𝑝4 = .9965𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐾)
Convirtiendo a grados centígrados:
𝐶𝑝4 = [. 9965𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐾)][
274.15°𝐾
1°𝐶
] = 273.129 𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Para 𝐶𝑂:
𝐶𝑝5 = 1.05𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Convirtiendo a grados centígrados:
𝐶𝑝5 = [1.05𝐾𝐽/(𝑘𝑔°𝐾)] [
274.15°𝐾
1°𝐶
] = 287.858𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Sustituyendo en la fórmula
𝐶𝑝𝑠 = ∑( 𝑥𝑖) 𝐶𝑝𝑖
𝑛
𝑖=1
= [(.02095)(12673.244)+ (. 067)(287.858)+ (.0025)(18070.918)
+ (.091)(273.129)+ (. 42)(12787.962)] 𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
= 5716.7371𝑘𝐽/(𝑘𝑔°𝐶)
Conversión de unidades para PCI
𝑃𝐶𝐼 = (10,000𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔)(
4.186𝐽
1𝑐𝑎𝑙
) = 41860𝑘𝐽/𝑘𝑔
Se procede a calcular el flujo másico del combustible ( 𝑚 𝑐)mediante el siguiente
procedimiento:
Primero se calcula la velocidad del flujo basándose en el siguiente despeje de la ecuación
de Bernoulli
𝑣 = √
2𝑔ℎ
( 𝐴1 𝐴2⁄ )2 − 1
Teniendo en cuenta los siguientes diámetros internos de tubería:

4. 𝑑1 = 109.52𝑚𝑚
𝑑2 = 60𝑚𝑚
De donde es posible calcular sus correspondientes áreas:
𝐴1 = (
𝜋
4
)(109.52𝑚𝑚)2(1𝑚 1000𝑚𝑚⁄ )2
= 9.4206(10−3) 𝑚2
𝐴2 = (
𝜋
4
)(60𝑚𝑚)2(1𝑚 1000𝑚𝑚⁄ )2
= 2.8274(10−3) 𝑚2
Si se tiene una diferencia de alturas entre ambos diámetros de la tubería de ℎ = 1𝑚, se
tienen los suficientes datos para sustituir en la ecuación de Bernoulli
𝑣 = √
2(9.81 𝑚 𝑠2⁄ )(1𝑚)
(94206 28274⁄ )2 − 1
= 2.4267 𝑚 𝑠⁄
Teniendo la velocidad se calcula el gasto o flujo volumétrico
𝑉 = 𝑣𝐴1 = [9.4206(10−3) 𝑚2](2.4267 𝑚 𝑠⁄ ) = 22.86(10−3) 𝑚3
𝑠⁄
Los datos anteriores son iguales para el caso del combustible y para el caso del vapor. Para
obtener el flujo másico para cada uno se debe de tener en cuenta sus densidades. En el caso
del combustible se tiene 𝜌𝑐 = .865 𝑘𝑔 𝑙⁄
𝑚 𝑐 = 𝜌𝑐 𝑉 = (.865 𝑘𝑔 𝑙⁄ )(1000𝑙 𝑚3⁄ ) × 22.86(10−3) 𝑚3
𝑠⁄ = 19.7739𝑘𝑔/𝑠
Con el dato del flujo de combustible se puede ahora calcular las pérdidas por calor sensible
en humos con la siguiente sustitución
𝑃1 =
(19.7739𝑘𝑔/𝑠)(5716.7371
𝑘𝐽
°𝐶𝑘𝑔
)(168.6 − 26.9)°𝐶
(33.64 𝑘𝑔 ℎ⁄ )(41860𝑘𝐽/𝑘𝑔)(1ℎ 3600𝑠⁄ )
= 40950.357
2.- Pérdidas por inquemados
Se ocupa el índice de Bacharach que para este caso es de 4, por lo tanto se tiene que las
perdidas sobre el combustible son de 3.5%
3.- Pérdidas por agua de reacción

5. Se tiene una presión de
𝑝 = (4.7956𝑘𝑔/𝑐𝑚2)(
100𝑐𝑚
1𝑚
)
2
(9.81𝑚/𝑠2) = 470448.36𝑃𝑎
O en bares
𝑝 = (470448.36𝑃𝑎)(1𝑏𝑎𝑟/105
𝑃𝑎) = 4.70448𝑏𝑎𝑟
De tablas de vapor se interpola para obtener ℎ 𝑣𝑔 @ 𝑇𝑔 = 168.6°𝐶
ℎ 𝑣𝑔 = (2051.335− 2054.716)(.6) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 + 2054.716𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 2052.6874𝑘𝐽/𝑘𝑔
La entalpía ℎ 𝑓 se obtiene de interpolar en tablas de vapor @ 𝑇𝑎 = 26.9°𝐶
ℎ 𝑓 =
121.412 − 111.846
28.98 − 26.69
(26.9 − 26.69) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 + 111.846𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 112.7232𝑘𝐽/𝑘𝑔
De los valores anteriores se calcula 𝑃3
𝑃3 = 8.936(.097)(2052.6874− 112.7232) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 1681.5454𝑘𝐽/𝑘𝑔
4.- Pérdidas por humedad en la combustión
Si el porcentaje de agua en el combustible es de 1.5% y ℎ 𝑣𝑎, se obtiene a una temperatura
𝑇𝑔, se tienen los siguientes datos
ℎ 𝑣𝑎 = 2765.674𝑘𝐽/𝑘𝑔
𝑃 𝐻 = (. 015 )(2765.674− 112.7232) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 39.7943𝑘𝐽/𝑘𝑔
5.- Pérdidas por combustión incompleta y formación de CO
Se calculan con 𝐶 𝑏 = .846
𝑃5 = 5644.4(.846)(
6.7
6.7 + .25
) = 4603.394
6.- Calor perdido por humedad en el aire

6. Se ocupa la fórmula 𝑃𝑓 = 𝑊𝑎 ∙ 𝜔(ℎ 𝑣𝑔 − ℎ 𝑣𝑠𝑎 )
Para obtener la entalpia ℎ 𝑣𝑠𝑎 , se interpola a la temperatura 𝑇𝑎 = 26.9°𝐶
ℎ 𝑣𝑠𝑎 = (
2554.511− 2550.36
28.98 − 26.69
)(26.9 − 26.69) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 + 2550.36𝑘𝐽/𝑘𝑔
= 2550.7407𝑘𝐽/𝑘𝑔
Del diagrama psicrométrico se tiene la humedad absoluta 𝜔 = .022
El gasto de aire seco ( 𝑊𝑎), se obtiene con la siguiente ecuación:
𝑊𝑎 = (
𝑊𝑁2
− 𝑁2
100
) ÷ .7685
Donde 𝑊𝑁2
es el gasto de nitrógeno y se calcula de la siguiente formula
𝑊𝑁2
= (
28.02 × 𝑁2
12.01( 𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂)
)(𝐶 +
12.01 × 𝑆
32.07
) ÷ 100 =
(
28.02 × 42
12.01(.25 + 6.7)
)(84.6 +
12.01 × 2.7
32.07
) ÷ 100 = 1207.035%
De aquí se obtiene
𝑊𝑎 = (
1207.035 − 42
100
) ÷ .7685 = 15.16
Utilizando el valor de ℎ 𝑣𝑔 = 2765.674𝑘𝐽/𝑘𝑔, @ 𝑇𝑔 = 168.6°𝐶
𝑃𝑓 = (15.16)× (. 022)(2765.674 − 2550.7407) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 71.6846𝑘𝐽/𝑘𝑔
7.- Pérdidas por atomización del combustible
Estas son nulas debido a que el flujo de atomización 𝑀 𝑣𝑎 = 0
𝑃7 =
𝑀 𝑣𝑎
𝑀𝑐
(ℎ 𝑣𝑠𝑎 − ℎ 𝑣𝑠𝑡 ) = 0
8.- Pérdidas por calor en radiación

7. Para una caldera de 600CC el porcentaje de perdidas por radiación es de 𝐹𝑟 = 1.3%.
Si 𝑃𝑐𝑠 = 19.224𝐵𝑇𝑈/𝑙𝑏 = 10.6802𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔
𝑃8 = (. 013)(10.6802𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) = 1.38843𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔
Convirtiendo unidades
𝑃8 = (1.38843𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔)(4.168𝐽 1𝑐𝑎𝑙⁄ ) = 5.7869𝑘𝐽/𝑘𝑔
Para obtener el flujo de vapor se obtiene de tablas el volumen específico del mismo a la
temperatura de salida ( 𝑇𝑠 = 149.55°𝐶), para lo cual se interpola de la siguiente fórmula:
𝑉𝑒𝑠𝑝 =
(. 00109 − .00108) 𝑚3
𝑘𝑔⁄
10
× 9.55 + .00108 𝑚3
𝑘𝑔⁄ = 1.08955(10−3) 𝑚3
𝑘𝑔⁄
Entonces la densidad del vapor es 𝜌𝑣 = [1.08955(10−3) 𝑚3
𝑘𝑔⁄ ]−1
= 917.8101 𝑘𝑔 𝑚3⁄
∴ Se tiene el flujo de vapor
𝑚 𝑣 = 𝜌𝑣 𝑉 = 917.8101 𝑘𝑔 𝑚3⁄ × 22.86(10−3) 𝑚3
𝑠⁄ = 206.0328𝑘𝑔/𝑠
se interpola en las tablas de vapor para calcular ℎ 𝑣 @ 𝑇𝑠 = 149.55°𝐶
ℎ 𝑣 =
(2745.737 − 2744.897) 𝑘𝐽/𝑘𝑔
150.31 − 149.53
× .02 + 2744.897𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 2744.9185𝑘𝐽/𝑘𝑔
Sustituyendo en la siguiente fórmula:
𝑄1 =
𝑚 𝑣
𝑚 𝑐
(ℎ 𝑣 − ℎ 𝑎) = [
206.0328𝑘𝑔/𝑠
19.7739𝑘𝑔/𝑠
](2744.9185 − 2550.7407) 𝑘𝐽/𝑘𝑔
= 2744.9185𝑘𝐽/𝑘𝑔
Por último se sustituyen en las formulas siguientes
Créditos = 𝑄1 + 𝑃 − 𝑃𝑐𝑠
𝜂 = 𝑄1 ( 𝑃𝑐𝑠 + Créditos)⁄
Si 𝑃 = 𝑃𝑓 + 𝑃8 + 𝑃 𝐻 + 𝑃3 = (5.7869 + 71.6846 + 39.7943 + 1681.5454) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 =
1798.8112𝑘𝐽/𝑘𝑔
Y

8. 𝑃𝑐𝑠 = (10.6802𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔)(4.168𝐽 1𝑐𝑎𝑙⁄ ) = 44.5151𝑘𝐽/𝑘𝑔
Entonces se tiene que
Créditos = (2744.9185+ 1798.8112 − 44.5151) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 = 4499.2146𝑘𝐽/𝑘𝑔
Eficiencia
𝜂 =
2744.9185𝑘𝐽/𝑘𝑔
(44.5151 + 4499.2146) 𝑘𝐽/𝑘𝑔
= .604111
En porcentaje, la caldera tiene una eficiencia de
𝜂 = 60.4111%
Referencias
 Vidal M. Juan R. Eficiencia en sistemas térmicos. Universidad Autónoma de
occidente.
 Eficiencia energética en la generación y distribución del vapor. Universidad del
Atlántico, Universidad Autónoma de Occidente, Instituto Colombiano para el
Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología, UPME.
 www.conuee.gob.mx. Eficiencia en calderas y combustión. SENER, CONUEE.