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ANC3~1

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
 
 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y 
ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS DE LA VALORACIÓN ECONÓMICA Y 
AHORRO DE ENERGÍA, CON BASE EXERGÉTICA, 
INDICANDO PÉRDIDAS DEL GENERADOR DE 
VAPOR U-3 
(CENTRAL TERMOELÉCTRICA VALLE DE MÉXICO) 
 
 
 
 
 
 
 
T E S I S
 
: 
Para obtener el grado de 
MAESTRO EN CIENCIAS 
Especialidad Ingeniería Mecánica 
P R E S E N T A
 
: 
 
 
 
Ing.: MIGUEL ANGEL ANDRADE RIOS 
 
 
 
 
Directores de tesis: 
 
Dr. Alejandro Zaleta Aguilar 
Dr. Fermín Viniegra Heberlein Octubre 2004, México D.F. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 iv
 
 
 
Por su Apoyo y Confianza 
 
Todo mi Respeto y Admiración 
 
A mi madre 
 
 
 
 
Por Sueños y Esperanza 
 
Para Futuras Metas 
 
A mis hijos 
 
 
 
 
Por su Paciencia 
 
A mi esposa 
 
 
 
 
 
 
 
Gracias 
 
 v
 
 
Agradecimientos 
 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) 
 
 
 
Al Personal Académico y administrativo del Instituto Politécnico Nacional 
(IPN) 
 
 
 
Al personal de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 
(SEPI) de la ESIME–IPN 
 
 
 
Al personal de la Central Termoeléctrica Valle de México por su 
compañerismo 
 
 
 
Al Dr. Alejandro Zaleta Aguilar por su dirección y asesoramiento para 
realizar este trabajo. Por su amistad y apoyo recibido y en especial dar le 
mis más sinceras gracias 
 
 
 
Al Dr. Fermín Viniegra Heberlein por sus valiosas sugerencias durante la 
realización de la presente tesis 
 
 
 
A los Ing. Andrés Ordóñez y Oscar Martínez por sus inquietudes, 
sugerencias y su apoyo brindado para esta meta 
 
 
 
Al Ing. Manuel Pérez Topete por brindarnos su confianza para realizar este 
estudio 
 
 
 
A todos los sinodales, por su paciente revisión y comentarios para la 
mejora de este trabajo 
 
 
 
A todos los profesores de la Sección de Estudio de Posgrado e Investigación, 
por su participación y aportes a mi formación profesional 
 
 vi
Contenido 
 
 
 
Título i
Acta de revisión de tesis ii
Carta de cesión de derechos iii
Dedicatoria iv
Agradecimientos v
Contenido vi
Resumen ix
Abstract x
Lista de figuras xi
Lista de tablas xii
Nomenclatura xiii
INTRODUCCIÓN 1
 
CAPÍTULO 1 Fundamentos y Conceptos Básicos para el Análisis 
Exergético 
 
1 Fundamentos y conceptos básico para el análisis exergético 2
 1.1 Introducción 3
 1.2 La Exergía como propiedad de estado 5
 1.2.1 Ambiente de referencia (AR) 7
 1.2.2 Estado muerto 8
 1.3 Exergía de un flujo de calor 8
 1.4 Exergía de un flujo de trabajo 9
 1.5 Exergía pérdida 9
 1.6 Balance de exergía 9
 1.7 Definición de los métodos de análisis 11
 1.7.1 Método convencional 11
 1.7.2 Método entrópico 12
 1.7.3 Método exergético 12
 1.8 Exergoeconomía 13
 1.8.1 Teoría del costo exergético 13
 1.9 Análisis energético y exergético de generadores de vapor 15
 1.9.1 Métodos para la determinación de la eficiencia 15
 
 
CAPÍTULO 2 Eficiencia Energética de Generadores de Vapor 
(pérdidas separadas y método directo) 
 
2 Eficiencia energética de generadores de vapor 
(pérdidas separadas y método directo) 
17
 2.1 Operación y rendimiento 18
 2.2 Descripción del aire, combustible y gases 19
 2.2.1 Aire 20
 2.2.2 Combustible 21
 2.2.3 Sólidos no quemados del combustible 24
 
 vii
 2.2.4 Gases de combustión 25
 2.3 Descripción energética 26
 2.3.1 Aire 27
 2.3.2 Combustible 28
 2.3.3 Agua 28
 2.3.4 Gases 29
 2.3.5 Precalentadores de aire 30
 A) Corrección 30
 2.3.6 Hogar 31
 2.4 Rendimiento energético 32
 2.4.1 Aplicación del método directo 
(Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 
32
 2.4.2 Descripción del método indirecto; pérdidas separadas 
(Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 
35
 A) Pérdidas por gases secos (PGS) 36
 B) Pérdidas debidas a humedad por combustión de hidrógeno (PCH) 37
 C) Pérdidas por humedad en el aire (PhA) 38
 D) Pérdidas por humedad de combustible (PhC) 38
 E) Pérdidas debidas al calor al exterior por radiación (PR) 38
 F) Pérdidas incontroladas (Pinc) 39
 2.4.3 Evaluación del método indirecto 
(Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 
39
 
CAPÍTULO 3 Eficiencia Exergética de Generadores de Vapor 
 
3 Eficiencia exergética de generadores de vapor 42
 3.1 Exergía química del combustible 43
 3.2 Exergía total de las sustancias en un generador de vapor 45
 3.2.1 Ambiente estable de referencia (AER) 46
 3.2.2 Aire 46
 3.2.3 Combustible 47
 3.2.4 Exergía de un flujo (productos de la combustión) 48
 3.2.5 Exergía cenizas volátiles y escorias 52
 3.2.6 Sólidos no quemados del combustible 53
 3.2.7 Agua 53
 3.2.8 Gases 53
 3.2.9 Irreversibilidad en precalentadores de aire 54
 3.2.10 Irreversibilidad en cámara de combustión (hogar) 54
 3.2.11 Irreversibilidad en un generador de vapor 55
 3.3 Rendimiento exergético 56
 3.3.1 Método directo 
(Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 
56
 3.3.2 Método de pérdidas separadas; indirecto 57
 A) Pérdidas de exergía en los humos (Lbh) 58
 B) Pérdidas de exergía por transmisión de calor al exterior (LbQ) 60
 C) Pérdidas de exergía incontroladas (Lbinc) 61
 D) Pérdidas de exergía por irreversibilidad en la transmisión de calor 
(LbTC) 
61
 E) Pérdidas de exergía por irreversibilidad en la combustión (LbC) 64
 3.3.3 Total de pérdidas 64
 
 viii
 3.4 Análisis comparativo de las eficiencias (energéticas y exergéticas) 65
 3.5 Coeficiente de disponibilidad 67
 
CAPÍTULO 4 Análisis Exergoeconómico de un Generador de Vapor 
 
4 Análisis exergoeconómico de un generador de vapor 68
 4.1 Introducción del caso de estudio, Generador de Vapor U-3, Valle de México 69
 4.2 Determinación de la eficiencia exergética 71
 4.3 Teoría del costo exergoeconómico 73
 4.4 Teoría del costo exergético 74
 4.4.1 Determinación de los costos exergéticos 75
 4.4.2 Determinación del costo unitario (k*) 
Generador de Vapor U-3, Valle de México 
79
 4.5 Costo exergoeconómico 80
 
CAPÍTULO 5 Discusión de resultados 
 
5 Discusión de resultados 81
 5.1 Discusión del balance de energía y exergía 82
 5.2 Análisis de los costos exergéticos 83
 
 Conclusiones 85
 Recomendaciones 89
 Bibliografía 90
 
ANEXOS 
 
Anexo 1 Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 94
 Equilibrio termodinámico 94
 Estado de un sistema termodinámico 94
 Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 95
 El principio de incremento de entropía 104
Anexo 2 Propiedades Termodinámicas 107
 Tabla A1 Valores de la constante universal de los gases R 107
 Tabla A2 Capacidades caloríficas molares de los gases 107
 Tabla A3 Poderes caloríficos en el ambiente y el entorno inmediato 108
 Tabla A4 Datos de diseño del Generador de Vapor U-3 Valle de México 109
 Tabla A5 Entalpía de formación, Función de Gibbs de formación, Entropía absoluta a 25 oC y 1 atm 110
 Tabla A6 Resumen del cálculo energético 111
Anexo 3 Reporte de datos Termoeconómicos de diseño 
Valle de México U -·3 
114
 Reporte de datos termoeconómicos de diseño, Valle de México U -·3 114
 
 
 ix
 
Resumen 
 
 
 
 
n el presente trabajo se hace un análisis energético y exergético del generador de Vapor de 
la Unidad 3 de la Central Termoeléctrica del Valle de México, de la Comisión Federal de 
Electricidad (CFE) y forma parte de la Subgerencia Regional de Generación Termoeléctrica 
Central de México. 
 
E 
Se desarrolla la eficiencia en base energética del generador de vapor (Capítulo 2), la cual se basó 
en la metodología de las normas ASME PTC 4.1. Describiendo el “método directo” e “indirecto”, 
respectivamente. Los resultados de las pruebas realizadas al caso de estudio, presentan una 
eficiencia por el método directo de 76.4 %; y por el método indirecto de 84.21 %, teniendo en 
consideración que el método indirecto es más preciso para su aplicación.Se definen los conceptos fundamentales para establecer una eficiencia exergética de 
Generadores de Vapor (Capítulo 3); obteniéndose de los resultados de la evaluación, un 
rendimiento por método directo de 49.84 %, e indirecto de 68.02 %, respectivamente. Durante la 
evaluación y determinación se muestra la dificultad que presenta la determinación de la exergía 
química en combustibles y los productos de combustión. 
 
Se realiza un análisis termoeconómico (Capítulos 4 y 5) en el generador de vapor. La 
termoeconomía es una disciplina que une los conceptos de termodinámica y economía, 
específicamente el análisis de costos exergéticos permite la valoración económica de los procesos, 
para esto se requiere de una definición de recursos y productos (F – P), definido como “estructura 
productiva”, para determinar el derroche económico en cada sub-sistema de una planta. En 
trabajos previos, se han realizado análisis a ciclos de potencia, considerando al generador de vapor 
como “caja negra”, sin embargo en este trabajo se presenta el concepto de la “estructura 
productiva racional” basado en la desagregación de equipo, con el objetivo de proponer el mejor 
arreglo para la definición de “recurso – producto –residuo” así como la asignación de costos en 
cada uno de los bancos de transferencia de calor del generador de vapor (economizador, 
evaporador-sobrecalentadores y recalentadores). 
 
Los resultados de este trabajo muestran un comparativo (de ventajas y desventajas) entre los 
distintos métodos de evaluación de la eficiencia del generador de vapor (Fig. 20), así como la 
distribución de la destrucción de exergía a lo largo del proceso de generación de vapor, detectando 
áreas de oportunidad para la mejora, (Fig. 16), finalmente presenta una correcta asignación del 
costo de producción del vapor recalentado y sobrecalentado (Tabla 22), lo que permite diagnostica 
la producción correcta del generador de vapor. 
 
Las conclusiones finales de este trabajo se inclinan por la utilización de eficiencia exergética por 
pérdidas separadas, dado que a través de este método se puede detectar las mayores pérdidas de 
exergía por concepto y es un buen indicador de irreversibilidad en un Generador de Vapor. 
 
 x
 
Abstract 
 
 
 
n this work an exergy analysis of a Steam Generator is presented. The analysis is developed at 
the Unit 3 of the “Valle de México” power plant of the company Comision Federal de 
Electricidad CFE (Mexico) . 
 
 
I 
The first part of the work introduces the concepts of exergy definition; and the mass, energy and 
exergy balance, as well as the forms of efficiency in steam generators. In this way (Chapter 2), 
develops different definition of the efficiency in steam generator plants which are based on the 
methodology of ASME PTC 4.1. (Performance Test Code), describing the "direct" and "indirect" 
method, respectively. 
 
 
By evaluating the energy efficiency of the above defined power plant, the test results present an 
efficiency of the steam generator plant by the direct method of 76.4 %; and by the indirect method 
of 84.21 %, having in consideration that the indirect method is more precise. 
 
 
In the following part of the work (Chapter 3); it is introduced the concept of exergy efficiency, a 
direct and indirect definition is presented. The results obtained from the direct method, and for the 
indirect method are 49.84 % and 68.02 % for the Valle de México Plant, respectively. More 
elaborated measurements are needed to determine the chemical component of the exergy in fuel 
and combustion gases. 
 
 
At the final part of the work a thermoeconomic analysis (chapters 4 and 5) in the steam generator 
is presented. Thermoeconomics is a discipline that join the concepts of thermodynamics and 
economy, specifically the analysis of exergy costs allows the economic valuation of the processes, 
for this requires of a definition of Fuels and Products (F - P), defined like "productive structure", 
to determine the economic waste in each subsystem of a plant. In previous works, analyses to 
cycles of power have been made, considering to the steam generator like "black box", nevertheless 
in this work appears the concept of the "rational productive structure" based on the desegregation 
of component, with the objective to propose the best adjustment for the definition of "resource - 
product - remainder" as well as the allocation of costs in each one of the banks of heat transference 
of the steam generator (economizer, evaporator reheater, and superheaters). 
 
 
The final conclusions of this work incline by the use of exergy efficiency by separated losses, 
since through this method it is possible to be detected the greater losses of exergy by concept and 
is a good indicator of irreversibility in a Steam Generator. 
 
 xi
 
Lista de figuras 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 Volumen de control 3
Figura 2 Sistema 7
Figura 3 Masa de control 11
Figura 4 Sistema secuencial 14
Figura 5 Situación de los puntos del Generador de Vapor con carbón 20
Figura 6 Destilación del Petróleo 21
Figura 7 Volumen de control 28
Figura 8 Gráfico de la eficiencia a sus diferentes cargas 35
Figura 9 Representación grafica del balance térmico de un Generador de Vapor 36
Figura 10 Diagrama de flujo de las diferentes pérdidas del balance energético al 100% 40
Figura 11 Ilustración para introducir el concepto de exergía química 44
Figura 12 Precalentador de Aire 54
Figura 13 Cámara de Combustión 55
Figura 14 Generador de Vapor 56
Figura 15 Análisis del Generador de Vapor por las leyes de la Termodinámica 65
Figura 16 Diagrama de flujo de las diferentes pérdidas del balance de exergía 66
Figura 17 Flujo de gases del Generador de Vapor U-3 70
Figura 18 Estructura funcional del Generador de Vapor 71
Figura 19 Diagrama T-s para el Generador de Vapor 76
Figura 20 Rendimiento del Generador de Vapor 82
Figura 21a Generador de Vapor como caja negra 84
Figura 21b Generador de Vapor con nivel de agregación 85
Figura 22 Comparativo de costos Exergéticos y Exergoeconómicos del Generador de 
Vapor 
85
 
 
 xii
 
Lista de Tablas 
 
 
 
 
 
 
Tabla 1 Las causas más comunes de las pérdidas térmicas en relación con los 
Generadores de Vapor 
19
Tabla 2 Composición del aire 20
Tabla 3 Análisis volumétrico del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de 
México 
22
Tabla 3a Factor de peso molecular del Gas Natural en la Central Termoeléctrica 
Valle de México 
22
Tabla 3b Por ciento de peso del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de 
México 
22
Tabla 3c Poder calorífico volumétrico del Gas Natural en la Central Termoeléctrica 
Valle de México 
23
Tabla 3d Poder calorífico másico por sustancia del Gas Natural en la Central 
Termoeléctrica Valle de México 
23
Tabla 3e Porcentaje de peso en base Carbón e Hidrógeno para el Gas Natural en la 
Central Termoeléctrica Valle de México 
24
Tabla 4 Estado de referencia para el cálculo de energías 27
Tabla 5 Toma de datos de las diferentes condiciones de operación del Generador de 
Vapor U-3 Valle de México 
32
Tabla 6 Resultados del método directo aplicado al Generador de Vapor U-3 Valle de 
México 
34
Tabla 7 Pérdidas en el Generador de Vapor U-3, Valle de México (100% de carga) 39
Tabla 8 Pérdidas en el Generador de Vapor U-3; en sus diferentes mediciones a 
diferentes cargas 
40
Tabla 9 Características del medio ambiente para calcular la exergía química de 
combustibles hidrocarburos 
46
Tabla 10 Reacciones de combustión 48
Tabla 11 Toma de datos de las diferentes corridas del precalentador 58
Tabla 12 Pérdidas de exergía del Generador de Vapor U-3, Valle de México 64
Tabla 13 Porcentaje de las pérdidas de exergía del Generador de Vapor U-3, Valle de 
México 
66
Tabla 14 Descripción de los flujos 71
Tabla 15 Definición de Fuel-Producto del sistema de la fig. 18 72
Tabla 16 Matriz de incidencia 75
Tabla 17 Costo exergético 76
Tabla 18 Punto Pinch para diseño 77
Tabla 19 Valores obtenidos de los diferentes puntos del diagrama T-s 77
Tabla20 Matriz del costo exergético 78
Tabla 21 Costo exergético 78
Tabla 22 Costo exergoeconómico 80
Tabla 23 Descripción de los flujos 86
 
 
 xiii
 
Nomenclatura 
 
 
Letras Mayúsculas Letra Minúscula 
 
A Matriz bAA Exergía del agua de alimentación 
AER Ambiente estable de referencia bcom Exergía del combustible 
Bd Exergía de destrucción bGV Exergía del GV 
C Capacidad calorífica binc Exergía por incontrolados 
CAR Calentador de aire regenerativo binq Exergía por no-quemados 
CD Coeficiente de disponibilidad bm Exergía mecánica 
Cp Calor específico bpreca Exergía del precalentador 
F Recurso bq Exergía química 
FAA Flujo de agua de alimentación bQ Transmisión de calor al exterior 
FAAt Flujo de agua de atemperación bT Exergía térmica 
Fp Flujo de purga bvrc Vapor recalentado caliente 
Fr Gráfica AMBA bvrf Exergía del vapor recalentado frío 
Fvp Flujo de vapor de purga bvs Exergía del vapor sobrecalentado 
GV Generador de vapor e Energía 
H Entalpía g Función de Gibbs 
Hvrc Entalpía de vapor recalentado caliente h Entalpía especifica 
Hvrf Entalpía de vapor recalentado frío m Masa 
Hvs Entalpía de vapor sobrecalentado p Presión 
I Irreversibilidad s Entropía específica 
Lb Pérdidas de exergía u Energía interna específica 
Lbh En los humos v Velocidad 
Lbinc Incontroladas vi In quemados sólidos 
Lbpre En el precalentador w Peso 
LbQ Por transmisión de calor al exterior y Fracción molar 
LbTC Transmisión de calor al exterior Símbolos 
Mi Peso molecular 
Mm Peso molecular de la mezcla d Diferencial dependiente en los estados inicial 
y final 
P Producto ∂ Diferencial parcial dependiente del proceso 
PCS Poder calorífico superior ∝ Coeficiente de la matriz A 
PCH Humedad por combustión de Hidrógeno R Constante universal de los gases 
Pesc Pérdidas por escorias B* Costo exergético 
PGS Pérdidas de calor sensible en gases secos gfo Función de formación de Gibbs 
PhA Pérdidas por humedad en el aire η Eficiencia 
PhC Pérdidas por humedad del combustible ηc Eficiencia de Carnot 
Pinc Perdidas incontroladas k* Costo exergético unitario 
PR Pérdidas por radiación TG1 Temperatura entrada al CAR 
Q Calor TG2 Temperatura salida al CAR 
R Función de Darrieus α Cenizas volátiles 
S Entropía α Vector para la matriz A 
T Temperatura Π Costo exergoeconómico 
U Energía interna µ Potencial químico T y p del AER 
V Volumen Subíndices 
Vc Volumen de control 
W Trabajo a ambiente 
WAS Peso de aire seca e entrada 
WGS Peso de gases secos g gas 
B1 Pérdida disipativa h humos 
Vp Número de producto i componente i 
Vf Número de recurso l líquido 
Wx Todo tipo de trabajo realizado por el sistema o con condiciones del AER 
X Fracción molar ref referencia 
Superíndices s salida 
 v vapor 
s Gas seco vc volumen de control 
a Ambiente x refiriéndose al tipo 
 
 1
Introducción 
 
 
s evidente la importancia del desarrollo de sistemas térmicos que hagan un uso efectivo de 
los recursos energéticos no renovables como petróleo, gas natural y carbón. El método del 
análisis exergético (la unión entre las nociones de conservación y disipación de la energía); 
es especialmente adecuado para conseguir un uso de los recursos energéticos de la forma más 
eficiente, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real de su despilfarro y pérdida. 
Esta información puede utilizarse en el diseño o en el diagnóstico de los sistemas térmicos y 
permite guiar los esfuerzos para reducir las fuentes de la ineficiencia en los sistemas. 
E 
 
La economía esta relacionada con el uso y distribución de los recursos naturales, puestos que de 
estos dependen los sistemas productivos y el desarrollo tecnológico. Por otra parte, la 
termodinámica que estudia los procesos de transformación del calor en otras formas de energía y 
viceversa (la generación termodinámica de energía eléctrica); permitiendo a través de su Segundo 
Principio (la utilización del concepto de exergía), cuantificar la cantidad de recursos naturales 
consumidos en un proceso. 
 
La conexión entre la exergía y la economía permite la asignación del valor real de los productos 
energéticos de un sistema (Exergoeconómia) y permite comparar de una manera más racional las 
distintas posibilidades de funcionamiento de la instalación para evaluar la eficiencia. 
 
La aplicación de los conceptos mencionados resulta obvio para la Central Termoeléctrica del Valle 
de México, puesto que en el Generador de Vapor Unidad 3, es donde ocurren las pérdidas de 
exergía o energía utilizable mas altas del proceso, lo cual permite encaminar los esfuerzos las 
fuentes de la ineficiencia en el Generador de Vapor existentes; haciendo hincapié en señalar las 
necesidad de disponer de un procedimiento adecuado para el control de su rendimiento energético. 
 
Esto trae como consecuencia determinar desde el punto de vista de la eficiencia (ya sea energética 
o exergética), el método de localizar e identificar las causas de la destrucción y/o la pérdida de la 
disponibilidad de la energía, así como cuantificar su magnitud en costo de producción; lo cual 
indica la forma de enfatizar la atención en aquellos aspectos de la operación de cada sistema y sus 
oportunidades de mejora. Todo lo anterior es para proceder de cómo cuantificar la base de la 
destrucción de la exergía, por lo que se requiere hacer un análisis tanto energético como 
exergético. 
 
En esta tesis se comparan los valores de la eficiencia por los dos métodos de análisis propuestos 
(energéticos y exergético) para identificar las pérdidas de energía y exergía, de ahí hacer un 
análisis exergoeconómico y ahorro de energía, donde se pueda observar el costo de la energía en 
desperdicio. Todo esto es la base del estudio del Generador de Vapor U-3 de la Central 
Termoeléctrica del Valle de México. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
111 FFFUUUNNNDDDAAAMMMEEENNNTTTOOOSSS YYY CCCOOONNNCCCEEEPPPTTOOOSSS BBBÁÁÁSSSIIICCCOOO PPPAAARRRAAA EEELLL 
AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO 
T
 
 
 
 
n este capítulo se presentan los fundamentos termodinámicos para la definición de exergía como 
“función de estado”, así como sus diferentes expresiones analíticas para caracterizar un flujo de 
materia, calor o trabajo. Se presentan las definiciones de los balances de masa, energía, entropía y 
exergía. Por otro lado, se hace una breve introducción a los tres métodos de diagnóstico energético de 
instalaciones industriales: (convencional, entrópico, y exergético) comparando sus ventajas e inconvenientes. 
Finalmente se presentan aspectos generales de la Termoeconomía como Ciencia de la Economía y la Energía; 
abriendo la discusión hacia la mejor definición de eficiencia en Generadores de Vapor (método directo o 
indirecto). 
E 
 
 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
111...111 IIINNNTTTRRROOODDDUUUCCCCCCIIÓÓÓNNN I
 
 
 
Como introducción al análisis exergético es importante definir algunos conceptos de la Primera y 
Segunda Ley de la termodinámica, que permiten conocer las propiedades conservativas de la materia 
y de la energía, así como la degradación de la calidad de la energía (entropía), respectivamente. 
 
Cualquier proceso debe cumplir con los balances de materia, de energía y entropía, bajo el concepto 
de volumen de control definido, [Balzhiser, 1995]. Dichos conceptos ha permitido la realización de 
auditorias para el análisis energético de instalaciones industriales. 
 
 
 
 δ W 
 
 u2
 
 δ ms
 P2 ,v2Volumen de control 
 Vc
 
 u1 
 δ me
 
 P1 ,v1 
 
 Limite del Vc δ Q 
 
 
Figura 1. Volumen de control: Sistema industrial abierto objeto del análisis Termodinámico 
 
 
 
Considerando el volumen de control de la Fig. 1 donde no hay reacciones químicas, ni nucleares 
entonces el balance de materia para un sistema como el representado en la figura 1, da la ec. (1.1). 
 
 
( ) ( ) VCse dMmm =∂−∂ (1.1)
 
 
donde los subíndices "e" y "s" significan "entrada" y "salida"; m es una cantidad infinitesimal 
de masa que atraviesa los límites del sistema y dM es el incremento de masa acumulada en el interior 
del volumen de control. Los operadores "∂" y "d" demuestran la diferenciación sobre una función 
dependiente del proceso en el primer caso y la diferenciación sobre una función independiente sólo de 
los estados inicial y final en el segundo caso. 
 
Por su parte el principio de conservación de la energía, limitado por un volumen de control Vc se 
escribir como: 
 
3 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
(energía)e – (energía)s = (energía acumulada) (1.2)
 
 
Desarrollando la expresión de la ec. (1.2), introduciendo el efecto del calor transferido ∂Q al sistema, 
y el trabajo total realizado por el sistema ∂W, se tiene [Henley, 1993] : 
 
 
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++=−+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++−⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++ MgzvudWQmgzvumgzvu
se
222
222
δδ (1.3)
 
 
Dado que el trabajo de un flujo, o trabajo necesario para introducir y sacar masa del volumen de 
control, está relacionado a los términos –(Pv∂m)e y (Pv∂v)s, la ecuación retomará la formar, 
teniendo en cuenta que la entalpía∗ (h) tiene un valor de u + pv, como: 
 
 
( ) ( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++=−+−+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++−⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎛
⎝ 2
++ MgzvudpdvdvpWQmgzvumgzvu seeje
se
22
222
δδ (1.4)
 
 
o bien 
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++=−+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++−⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
++ MgzvudWQmgzvhmgzvh
se
222
222
δδ (1.5)
n de control. De esta manera el 
alance de entropía en su forma general se puede interpretar como: 
 
 
 
La ecuación (1.5) es generalmente la más utilizada de la Primera Ley de la Termodinámica en su 
aplicación a sistemas abiertos. Por otro lado, la entropía como propiedad de la materia asociada a la 
alidad energética**, se puede transferir o acumular en el volumec
b
 
acumuladageneradase SSSS =+− (1.6)
umentará debido 
 las irreversibilidades que tengan lugar dentro del sistema (∂Sg). Este último término de 
eneración no aparece en el balance de energía debido a su conservación. Por tanto: 
 
 
 
 
Al igual que la energía interna o la entalpía, la entropía es una propiedad de estado asociada a la masa 
de las corrientes que fluyen (s∂m), y esa entropía podrá variar debido a los flujos de calor absorbidos 
o cedidos por el sistema a una temperatura T, flujo de entropía (∂Q/T), y además a
a
g
( ) ( ) ( )sMds
T
Qmsms gse =∂++∂−∂
δ (1.7)
 
 
∗ La entalpía es simplemente es una propiedad útil definida como una combinación de otras propiedades, y no es una forma de energía; 
H ≅ U +pV; h ≅ u +pv, [Atkins, 1994] 
** Ver anexo 1; Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 
4 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
De acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, siempre ∂Sg ≥ 0, de tal manera que se genera 
más entropía cuanto más irreversible es un proceso, siendo nula la generación cuando el proceso es 
versible. La variación de entropía del sistema debida a los flujos de calor, o flujo de entropía, puede 
a generación total de entropía 
n un proceso será la suma de las generaciones de entropía causadas por cada una de las 
reversibilidades que han tenido lugar en el proceso [Alcántara, 2001]. 
..222 LLLAAA EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA CCCOOOMMMOOO PPPRRROOOPPPIIIEEEDDDAAADDD DDDEEE EEESSSTTTAAADDDOOO 
a oportunidad de producir 
abajo entre dos sistemas cuando hay algún desequilibrio termodinámico entre ellos (ya sea térmico, 
ecánico, químico, etc.)”. Para definir los dos sistemas se declaran como: 
 
 
 
2) El sistema teórico ideal que satisface el equilibro termodinámico, también definido como 
Ambiente de Referencia (AR). 
 de los dos sistemas, la exergía se puede definir como: “el máximo trabajo teórico 
ue puede obtenerse de la interacción mutua de ambos sistemas hasta alcanzar el equilibrio 
Gibbs en los EE.UU. y 
axwell en Inglaterra, propusieron las primeras definiciones de exergía (también llamada 
a definición analítica de la exergía parte de la Primera Ley de la Termodinámica, Ec. (1.1 a 1.3), 
ue puede expresar como: 
 
 
re
ser positiva o negativa dependiendo del signo de ∂Q. 
 
Si la generación de entropía es causada por las irreversibilidades que ocurren en un proceso; ó (la 
entropía en sí misma es aditiva, al igual que lo es la energía), entonces l
e
ir
 
 
111.
 
 
 
Las bases de la exergía parten de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. La premisa que 
lleva al concepto de exergía se da en el hecho de que “siempre existe l
tr
m
1) El sistema de análisis. 
 
 
Bajo la definición
q
termodinámico”. 
 
Los conceptos básicos de exergía se remontan a los estudios de Carnot en 1824 y Clausius en 1865. 
Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XIX, cuando independientemente 
M
disponibilidad, energía procesable, trabajo disponible o capacidad de trabajo). 
 
L
q
WQgzchm
WQgZCHgZCHE ad
δδδ +=⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ ++
+=++−++=∆
)
2
1(
)
2
1()
2
1(
2
22
 (1.8)
Aplicando La Segunda Ley de la Termodinámica proporciona el balance de entropía del sistema, tal 
como expresa la ec. (1.9): 
 
 
 
5 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
∆Sg = Sa' − Sa −
∆Q
T
≥ 0
 
(1.9)
donde 
 
 
s = p
T
c
dT
oo
∫ +
a ∂v
∂T
⎛ a
ustituyendo la definición de entropía, de la ec. (1.9), en la ec. (1.8) se puede obtener la cantidad de 
alor que fluye a través del sistema en términos de entropía y temperatura, despejando el término 
trabajo considerando desde una condición a hasta a', se obtiene que: 
 
1
⎝ 
⎞ 
⎠ p
dP
oo
∫
 
 
 
S
c
 
W = ( Ha' − Ha ) − To (Sa' − Sa ) + To g + 2
S (Ca' − Ca ) + g( Za ' − Za )
 
(1.10)2 2
 el proceso es reversible, el término de (To, Sg) es igual a cero y por lo tanto el trabajo será máximo. 
Esto se define como EXERGÌA de flujo, ecuación (1.11); 
 
 
 
si
 
B = ( Ha − Ho ) − To (Sa − So ) + 2
1
(Ca − Co ) + g(Za − Zo )
 
(1.11)2 2
 en términos de presión y temperatura, y composición química, se puede escribir como la ecuación 
(1.12): 
 
 
 
 
y
a
)()(
2
1()1( 22),
.
oaoaoiii
a
oo 
Componentes: [(Térmica más Mecánica)] + Química + Cinética + Potencial de la Exergía 
o
p ZZgCCxVdPdTT
TCmB −+−+−Σ−+−= ∫∫ µµ (1.12)
ara una sustancia de no flujo o sistemas cerrados, el concepto de entalpía no aplica, considerando 
sólo la energía interna del sistema, definiendo la exergía como: 
 
 
 
P
 
)()(
2
)()( oaoaoaooa ZZgCCSSTEUA −+−+−−−=
 
(1.13)
 
 
lgunos autores como Reistad y Sussman, argumentan que la aportación de 
1 22
la componente cinética y 
otencial de la exergía es casi despreciable respecto a las magnitudes del resto de las componentes, 
A
p
 
6 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
en el caso de ntrales Térmicas, depuradoras, etc.), donde 
 procesan sustancias de interés industrial, dentro del entorno del proceso. 
uier proceso que se considere 
hern, 1980]. El ambiente se considera como libre de irreversibilidades. Todas las irreversibilidades 
gnificativas estarán localizadas en el interior del sistema o en su entorno inmediato. Las 
reversibilidades externasse producen en su entorno inmediato. Por ejemplo, el ambiente y el 
ntorno inmediato de una Central Térmica se muestran en la figura 2. 
C.T. o de su 
 Gases de Entorno inmediato: Las propiedades Separa del ambiente el entorno 
 Combustión intensivas pueden variar por las inmediato de la central 
 Interacciones con la C.T. 
 
 Aire 
 -----Frontera de la planta Potencia 
 
 
 Las parte que no interactúa con 
 la central puede incluirse en el 
 Ambiente. 
 que se trate de procesos locales (fábricas, Ce
se
 
 
111...222...111 AAAMMMBBBIIIEEENNNTTTEEE DDDEEE RRREEEFFFEEERRREEENNNCCCIIIAAA (((AAARRR))) 
 
 
 
El término entorno se utiliza como todo aquello no incluido en el sistema. El término ambiente se 
aplica a alguna porción del entorno en la cual las propiedades intensivas de cada una de sus fases son 
uniformes y no cambian significativamente como resultado de cualq
[A
si
ir
e
 
 
 
 
 AMBIENTE: Las propiedades intensivas de esta parte del entorno no nos afecta por ningún proceso de la 
 entorno inmediato 
 
 
 
 
 
 
 
 Combustible 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Salida de agua Entrada de agua 
 de refrigeración de refrigeración 
 
 
 
 
 Río u otra masa de agua: 
 
 
 
 
Figura 2. Sistema: El ambiente y el entorno inmediato de una Central Térmica conforman un sistema 
 
 
 
Para definir el ambiente se deben hacer consideraciones ideales que permitan el equilibrio interno del 
sistema, por eso se debe considerar como un sistema simple comprensible de dimensiones enormes y 
que se mantiene siempre a presión, Po, temperatura, To, homogéneos y uniformes. 
7 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
De acuerdo con la idea de que el ambiente tiene mucho que ver con el mundo físico real, los valores 
e Po y To utilizados para un análisis particular se seleccionarán a partir de las condiciones 
mbientales típicas (como son 1 atm y 25 °C). Aun que sus propiedades intensivas no cambian, las 
ades pueden modificarse como resultado de la interacción con otros 
stemas. 
i el estado de una cantidad fija de materia en un sistema cerrado, es diferente al del ambiente, 
n el estado muerto tanto en el sistema cerrado como el ambiente poseen energía, pero el valor de su 
xergía es cero ya que han alcanzado las misma condiciones (po, To) y no existe la posibilidad de 
e produ l el ambiente, y por tanto no puede 
xistir interacción entre ellos. 
e acuerdo a la definición del ciclo de CARNOT, el máximo trabajo que proporciona un motor 
reversible trabajando entre las temperaturas T y la ambiental To, ,absorbiendo δQ a una temperatura 
T, tiene un rendimiento que se expresa com
d
a
propied extensivas del ambiente 
si
 
 
111...222...222 EEESSSTTTAAADDDOOO MMMUUUEEERRRTTTOOO 
 
 
 
S
existirá la posibilidad de producir trabajo. Sin embargo, según vaya al equilibrio con el ambiente, 
dicha posibilidad disminuirá, desapareciendo por completo cuando alcance el equilibrio uno con el 
otro. A este estado particular del sistema séle domina estado muerto. 
 
E
e
que s zca un cambio espontáneo en e sistema cerrado o en 
e
 
 
111...333 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA DDDEEE UUUNNN FFFLLLUUUJJJOOO DDDEEE CCCAAALLLOOORRR 
 
 
 
D
 
o [Cornelissen, 1995]: 
 
 
%1001 0 =∴−== cc
TW ηδη 
TQδ
(1.14)
 
onde el máximo trabajo desarrollado por una fuente de calor es: 
 
d
 
 
WT
TQ δδ =⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ − 01 (1.15)
ndo a a o que puede proporcionar un 
f e calo cuando el am a una temperatura To. A este 
rmino se denominará exergía de un flujo de calor. 
 
 
Definie
lujo d
sí la exergí de un flujo de calor como el trabajo máxim
r emitido a una temperatura T biente está 
té
 
 
 
8 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
111...444 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA DDDEEE UUUNNN FFFLLLUUUJJJOOO DDDEEE TTTRRRAAABBBAAAJJJOOO 
 
 
 
La definición de trabajo se menciona con la Primera Ley de la Termodinámica, como el trabajo 
técnico que se intercambia durante el proceso. Así que ahora se puede interpretar dicho tér omo 
la capacidad de producir trabajo que se ha transformado. Si ∂Wx > 0, es que el sistema realiza trabajo 
ontra el exterior y por ello, el trabajo intercambiado con el ambiente. 
 
 (1.16)
e la realidad muestra que parte, o todas las capacidades 
e producir trabajo, exergía, se disipan debido a la existencia de procesos irreversibles. Así que debe 
xistir un término en el balance de exergía que dé cuenta de la situación. Este término corresponde a 
T , al se da cuenta de todas las irreversibilidades que ocurren 
e un tema real. El término To ∂Sg, se denomina, lógicamente, exergía perdida o destruida, 
Bp=To ∂Sg, y tiene dimensiones de energía. 
ómo combinación de los balances de masa, energía y entropía, se puede hacer un análisis que 
re
abajo útil; Sea To la temperatura ambiente cuando se realiza el proceso en un sistema abierto, 
ombinando los balances de energía (1.5) y de entropía (1.7) de la siguiente forma: 
Balance de Exergía] = [Balance de Energía] – To[Balance de Entropía] (1.17)
 
 
Se obtiene un nuevo balance exergético [Kotas, 1995], donde: 
 
 
mino c
c
 
xWB =
 
 
111...555 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA PPPÉÉÉRRRDDDIIIDDDAAA 
 
 
 
Si todos los procesos de intercambio de calor y trabajo del sistema fueran reversibles, el balance de 
exergía en condiciones estacionarias sería conservativo. Ya que, al no existir disipaciones, este 
balance informaría de que las capacidades de realizar trabajo se han aumentado o disminuido en una 
cantidad que corresponde al trabajo técnico intercambiado con el exterior. 
 
Esta situación es la ideal e inexistente, ya qu
d
e
o ∂Sg r ∂Sg la generación de entropía que 
 sisdentro d
∂
 
 
111...666 BBBAAALLLAAANNNCCCEEE DDDEEE EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA 
 
 
 
C
informa de la calidad de las energías intercambiadas y de la capacidad de los sistemas para alizar 
tr
c
 
 
[
 
9 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
( ) ( ) ssee msThmsTh ∂−−∂− 00 
s
scec
gg ⎠⎝⎠⎝ 22
e m
gz
m
v
∂⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
−∂⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
+
2
 ( )[ ]sTuMd 0− 
 
s
sc
e
ec
m
g
gzm
g
gz
∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−∂⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
22
 ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
cg
vMd
2
2
 
⎟⎟
⎠
⎜⎜
⎝
−∂+
0
1
T
Q gx sTW ∂−∂− 0 
⎞⎛ T
= 
⎥
⎦
⎢
⎣
⎟⎟
⎠
⎜⎜
⎝
+
cg
Md
2
 
⎤⎡
(1.18)
⎞⎛ gz
lguno , R, que 
e defin piedades 
rmodinámicas que toma el sistema cuando se encuentra en equilibrio térmico y mecánico con el 
∂me = ∂ms = 0 y M = cte., Ma = A y Mv = V = volumen de control 
 
 
demás, en este caso se puede considerar que el volumen de control Vc es variable (más no la masa), 
e tal manera que el término ∂Wx muestra, tanto el trabajo de expansión del volumen de control contra 
 
 
A s autores presentan la definición del balance de exergía desde la función de Darrieus
e como: R = H – To S, (siendo: ro = ho – Toso, dondeho y so son las pros
te
ambiente a To y po), llegando a la misma expresión de la ec. (1.18) 
 
Para determinar el balance de exergía de un sistema cerrado, conviene particularizar las condiciones 
de sistema cerrado donde: 
 
 
A
d
el ambiente, como los trabajos de movimiento de un eje, resistencia eléctrica, etc., introducidos en el 
sistema. De esta manera la ecuación (1.18) queda únicamente para el sistema cerrado en: 
 
 
( )⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+−=∂−∂−⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −∂ gzvMddVcpdAsTW
T
T
Q gx 2
1
2
00
0 
 al exterior que puede obtenerse del sistema cuando se expande, 
ariando su volumen de control, contra la atmósfera será: 
 
 
(1.19)
 
 
Por otra parte, el trabajo neto
v
 
dVcPWW xexterioralneto 0−∂=∂ (1.20)
 
 
ya que Po dVc es el trabajo de compresión de la atmósfera a Po de presión. Por tanto, la ecuación 
(1.19) puede rescribirse como: 
 
 
( )⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+=∂−∂−⎟
⎞
⎜
⎛ −∂
T
Q 1
2
0
⎠⎝
gzvMddAsTW
T gneto 20
 (1.21)
10 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
E uevo ción A, que es la 
apacidad de realizar trabajo (exergía), que tiene un sistema cerrado, ya que cada uno de los términos 
ue acompañan a dA en el balance (1.19) ha sido interpretado como una capacidad de realizar trabajo 
TTTOOODDDOOOSSS DDDEEE AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS 
1...777...111 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO CCCOOONNNVVVEEENNNCCCIIIOOONNNAAALLL 
s el más utilizado y definitivamente incompleto. Se basa en la definición y utilización extensiva de 
adios, cocientes, rendimientos, etc., cuyos valores más comunes son comprendidos sólo por el 
iento y cada equipo es tratado 
stalación a la que pertenece. 
 Sistema abierto 
 (Volumen de control) 
ipo 
 
 
 
 
 
 (Masa a través del volumen de control) 
Figura 3. Masa de control: Dos formas de realizar el análisis termodinámico: 
a masa de control a través del equipo 
na región del espacio llamado volumen de control 
Ambas maneras deben obtener idénticos resultados, ya que el proceso físico es el 
mismo 
ste n balance de exergía para sistemas cerrados permite interpretar la fun
c
q
o exergía intercambiados. La función A = (U – Uo) - To(S – So) + Po(V – Vo) se 
denominará “exergía de no flujo” mencionando el hecho de que es la exergía del sistema considerado 
como cerrado, es decir, que su masa total permanece constante y no exista flujo de materia que 
modifique esa masa. 
 
111...777 DDDEEEFFFIIINNNIIICCCIIIÓÓÓNNN DDDEEE LLLOOOSSS MMMÉÉÉ
 
 
La información que proporciona la Termodinámica a través de la Primera y Segunda Ley, junto con 
el de conservación de masa, puede ser y es utilizada, tanto en el diseño de instalaciones no existentes, 
como el diagnóstico en el uso eficaz de la energía de instalaciones existentes. A continuación, se 
expondrán distintos métodos energéticos de instalaciones industriales. 
 
11
 
 
E
r
analista o fabricante. Donde cada equipo tiene su definición de rendim
independientemente sin estudiar ni valorar su peso en el conjunto de la in
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Equ
 
 
 
 
 
 
 
 Sistema cerrado 
 
 
 
 
 
 
 
 1ro.- Siguiendo a l
 2do.- Definiendo u
11 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
La gran abundancia de datos energéticos (entalpías, capacidades caloríficas, potencias caloríficas de 
hace uso directo de la primera Ley de la 
ermodinámica y la Segunda Ley de la Termodinámica. Sin embargo, desde un punto de vista 
ráctic , la entropía es una función difícil de asimilar a nivel cuantitativo. Por otra parte, hay una 
g la de s de interés industrial, que normalmente son mezclas de 
ran variedad de sustancias puras, tanto gaseosas como líquidas o sólidas. 
la energía y la revolución tecnológica de los 
icroordenadores, la situación ha cambiado básicamente. Ahora sí resulta rentable investigar en el 
ejor aprovechamiento de la energía, a través del análisis exergético que es la base sobre la que se 
menta la Termoeconomía o Ciencia de los Ahorros / Economías de la E a. 
combustibles, etc.) y un conocimiento preciso en los balances de materia y energía, podrían ser 
sufrientes para un análisis basado en este método. 
 
 
111...777...222 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO EEENNNTTTRRRÓÓÓPPPIIICCCOOO 
 
 
 
ermodinámicamente es el más adecuado, pues T
T
p o
ran fal datos en trópicos para sustancia
g
 
 
En éste método se pueden incluir el uso de eficiencias isoentrópicas, o factores de Carnot, etc. Para la 
caracterización y análisis de procesos industriales. 
 
 
111...777...333 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO 
 
 
 
Es equivalente al anterior, pero con la ventaja de que maneja unidades de exergía. Sin embargo, su 
álculo es muy complejo porque depende no sólo de las condiciones propias del flujo energético, sino c
también de las condiciones ambientales que existen en el momento de la medición. 
 
Hasta hace unos años resultaba muy costosa la auditoria energética de un proceso de producción, y 
pocas industrias podían realizarlo. Además no resultaba muy necesario en una sociedad 
espilfarradora de recursos, con la crisis de d
m
m
funda
 
nergí
Desafortunadamente, la falta de datos exergéticos es un serio inconveniente en este análisis. Es 
necesario investigar el contenido y el valor exergético de muchos productos industriales (se entiende 
como valor exergético de un bien como su contenido energético o exergía dividido por el rendimiento 
exergético del proceso industrial que lo produce). 
 
 
exergetico
ExergíaexergeticoValor
η
= (1.22)
 
 
El análisis exergético permite aclarar la integración de procesos y esto sirve, tanto para el diseño de 
n plant o para la mejora de los ya existentes. Pero los equipos 
necesarios para llevar a cabo las recomenda ones del análisis exergético muchas veces están lejos de 
uevas as o complejos energéticos, com
ci
 
12 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
la realidad industrial. Así, es necesario el uso intensivo de sistemas de cogeneración, bomba de calor, 
cuperador de calor más grande y mejor diseñado, automatización de procesos. 
mía etc., acarrean problemas interesantes que se han resuelto. Muchos 
utores, han proporcionado las soluciones buscando una respuesta en la Segunda Ley de la 
ermodinámica. Tantos otros métodos diferentes se han propuesto [Reistad, 1980], sin embargo, el 
método expuesto está fuera de la vista de la termodinámica, y depende de las consideraciones 
económicas, existiendo una transición claramente allí entre los dos campos. 
in embargo una hipótesis de esta naturaleza trata de dar toda la información necesaria para calcular 
re
 
En definitiva, hoy el método exergético es una herramienta aún compleja pero cuando los procesos 
están medianamente optimizados, la aplicación de este análisis resulta económicamente factible 
[Valero, 1995]. 
 
 
111...888 EEEXXXEEERRRGGGOOOEEECCCOOONNNOOOMMMÍÍÍAAA 
 
 
 
La optimización y síntesis de los sistemas industriales, la escena del precio, el argumento clásico 
sobre el criterio exergético y de la entalpía de la asignación del costo, la conexión inequívoca entre 
ermodinámica y EconoT
a
T
 
S
los costos interesados con excepción del precio de combustibles que entran en el sistema y pago por 
mantenimiento (costos). La idea importante de la eficiencia exergética de los procesos (o sub 
procesos) esta dadapor, 
 
 
ecombustibldeladaproporcionExergía
útilesproductosenExería
=η (1.23)
e aquí se puede observar que la inversa de la eficiencia, es el consumo de la planta que causa un 
n reglas predeterminadas.), obteniendo una teoría general 
ara el cálculo de costos exergéticos de los productos finales o intermedios [Valero, 1995]. 
 
 
d
gasto de exergía. Las ideas conectadas de: El Consumo → el Gasto → el Costo, permiten evaluar el 
gasto exergético a lo largo de un sistema (co
p
 
 
111...888...111 TTTEEEOOORRRÍÍÍAAA DDDEEELLL CCCOOOSSSTTTOOO EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO 
 
 
 
Costo exergético de un flujo físico B* se define como “la cantidad de exergía de recursos iniciales 
para producir un producto” [Valero, 1985]: 
 
Dado un sistema con los límites prefijados y un nivel de agregación qué especifica sus flujos y 
subsistemas con la eficiencias prescritas, definiendo el costo exergético o gasto de exergía (B*) de 
un flujo físico de ese sistema, como la cantidad de exergía por unidad de tiempo requerido para 
producir este flujo. B* como B, es una función de termodinámica y su definición encierra, o se 
 
13 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
re
 
laciona estrechamente a otro qué es común en la literatura, como el impacto en el combustible o el 
uen funcionamiento de los materiales, etc. [Lozano, 1993]. 
or ejem 1, La 
antidad de exergía por unidad de tiempo para producir este producto, P*1, será obviamente la 
xergía del combustible, F1. Sí este sistema es un componente de un sistema más grande, la exergía 
el producto, F , podrían ser un producto, P , (P = F ), de un subsistema simple previo 0, ahora, el 
 en un 
e en este caso simple 
 
 
 
 F1 F2 = P1 P2
 2 
 
F s los procesos están encadenados, el recurso que se utiliza en un 
proceso, ha sido producto de algún otro proceso que se a su vez ha consumido recursos que 
 
 
Don
roducir ese gasto. Así, se obtiene 
F*o = Fo. 
 
 Allí 
subsistema definido, P*1 = F*1, P*o = F*o 
b
 
P plo, un sistema con un solo recurso de exergía, F1, y un solo producto de exergía P
c
e
d 1 o o 1
gasto exergético involucra en producción, P1 diciendo P*1, será el de combustible de exergía
subsistema 0, es decir Fo. Así, se puede obtener P*1 = F*1 y P*o = Fo dónd
*1 = P*o. (Figura 4). F
 
 
 
 
 
 
 
 
 1 
 
 
 
igura 4 Sistema secuencial: Todo
son productos de productos anteriores 
 
 
de se puede obtener varias conclusiones de este análisis: 
 
 
 Que el gasto exergético de un flujo depende de los límites del sistema, ningún gasto 
exergético es absoluto de un flujo. 
 
 Cuando un flujo cruza los límites que entran en el sistema, su gasto exergético es igual a su 
exergía porque ninguna exergía se ha expendido para p
existe un Gasto Exergético o balance de costo Exergético, para cada uno y cada 
 
 
Valero, Lozano y Muños, 1989, presentan y proponen la Teoría del Costo exergético para la 
determinación de los costos exergéticos B* de un procesos basado en los balances de costos 
∑∑
==
=
s
i
i
e
i
i BB
11
** y la definición de una matriz mxm para resolución matemática A x B* = 0 donde 
B* es el vector de costo exergético, de dimensión m, que es el número de sus flujos físicos. 
14 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
111...999 AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO YYY EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO DDDEEE 
GGGEEENNNEEERRRAAADDDOOORRREEESSS DDDEEE VVVAAAPPPOOORRR 
 
El indicador mas claro del comportamiento de un Generador de Vapor es su rendimiento, el cual 
puede ser energético o exergético. El análisis exergético en los Generadores de Vapor no es un 
procedimiento convencional en Centrales Termoeléctricas, no obstante actualmente las plantas 
aplican el código de la ASME (The American Society of Mechanical Engineering) que da dos formas 
ara el cálculo de eficiencia (energética) en un Generador de Vapor, una extensa y otra condensada, 
unque ambos parten de la siguiente ecuación que corresponde al balance de energía del conjunto de 
 instalación: 
 
 
 
 
p
a
la
 
%100
min
,
.. =×=
ecombustiblelporistradosuCalor
purgaporperdidoyorecel alentad
ónatemperacideaguaalcedidoCalor
VGEficiencia (1.24)
1...999...111 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOOSSS PPPAAARRRAAA LLLAAA DDDEEETTTEEERRRMMMIIINNNAAACCCIIIÓÓÓNNN DDDEEE LLLAAA EEEFFFIIICCCIIIEEENNNCCCIIIAAA 
cia del Generador de Vapor, por 
 sencillez. Consistiendo esencialmente en encontrar la cantidad de calor comunicada al agua por el 
enerador de Vapor, así como la cantidad de calor suministrada al mismo Generador de Vapor. 
 
 
 
 
11
 
 
 
MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO DDDIIIRRREEECCCTTTOOO 
 
 
Este método es el comúnmente empleado para determinar la eficien
su
G
 
( )
ecombustibldec
generadovaporenergía
pérdidas =%η (1.25)alor
par
gua y los termómetros 
 manómetros utilizados se encuentran en la misma forma. La eficiencia se encuentra dividiendo el 
alor cedido al agua entre el calor suministrado al Generador de Vapor. Esté método que a priori 
resulta ene dos graves inconvenientes: 
 
 
a que esté método resulte lo bastante exacto es necesario que los medidores de flujos de vapor, 
combustible se encuentren bien calibrados, independientemente que tambiéna
y
c
sencillo y rápido de aplicar, ti
 
 
 
15 
 
Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 
 
1) La medida precisa del flujo de combustible líquido (sobretodo si se trata de un combustible 
sólido pues no hay medidores másicos) y de los flujos de vapor plantean grandes 
inconvenientes. 
 
 
2) Aunque proporciona el rendimiento energético y por tanto la magnitud global de las 
pérdidas, no informa de cómo se distribuyen entre los distintos conceptos. 
MMM TTTOOODDDOOO IIINNNDDDIIIRRREEECCCTTTOOO 
 
 
ÉÉÉ
 
 
Comúnmente los cálculos de la eficiencia energética de los Generadores de Vapor se realizan 
mediante este método. Se asume que toda la energía presente en el combustible se transfiere al fluido 
térmico salvo aquella que se pierde en los distintos conceptos. Utilizando este sistema, el rendimiento 
energético se puede calcular mediante la expresión: 
 
 
( )( ) 100% ×=
PC
− ∑
S
pérdidasPCS
(1.26)
 
El inconveniente de este método radica en cómo evaluar las pérdidas. Un gran conjunto de datos 
suficientes para resolver los balances de materia y energía del conjunto de la instalación, lo cual, 
implica mas personal e instrumentación, así como la realización de un proceso de cálculos más 
laboriosos. No obstante, las ventajas de precisión en la evaluación de las pérdidas y de la asignación 
cuantitativa de estas a conceptos y causas determinadas, lo hacen más adecuado que el método 
directo para realizar diagnóstico de la operación. 
 
Después de haber discutido la termodinámica en el siguiente capítulo se discute detalladamente los 
métodos para el cálculo de la eficiencia de los Generadores de Vapor; siendo estos el método directo 
y el indirecto 
 
 
 
energéticoη
 
 
 
( ) ∑−= pérdidaspérdidas 100%η 
 
 
16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
222 EEEFFFIIICCCIIIEEENNNCCCIIIAAA EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCAAA DDDEEE GGGEEENNNEEERRRAAADDDOOORRREEESSS DDDEEE 
VVVAAPPOOORRR AP
(((PPPÉÉÉRRRDDDIIIDDDAAASSS SSSEEEPPPAAARRRAAADDDAAASSS YYY MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO DDDIIIRRREEECCCTTTOOO))) 
 
 
 
s innegable la enorme importancia que tienen los Generadores de Vapor en aquellas industrias que las 
utilizan, dado que con frecuencia estos equipos son los mayores consumidores de energía en el conjunto 
de la instalación. Además, como se verá en este capítulo, en los Generadores de Vapor tienen lugar 
enormes pérdidas de energía inherentea su proceso, junto con pérdidas de energía debidos a mal manejo o control 
de los mismos que puede derivarse de factores humanos, de diseño y mantenimiento. 
E 
 
En este capítulo se presenta en forma detallada las bases del cálculo para el análisis energético de los Generadores 
de Vapor, haciendo hincapié no sólo en cómo calcular los rendimientos globales [ASME PTC – 4.1, 1979], sino 
aportando material suficiente como para resolver los balances de materia y energía, estimando con que magnitud 
y en que conceptos se distribuye el total de las pérdidas. 
 
 
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
222...111 OOOPPEEERRRAAACCCIIIÓÓÓNNN YYY RRREEENNNDDDIIIMMMIIEEENNNTTTOOO P I
 
 
 
La eficiencia según se aplica a los Generadores de Vapor, permite conocer el índice de aprovechamiento 
del combustible en términos de vapor generado, por ejemplo 76.5%, indica que se transformó en energía 
(entalpía) de vapor. Sin embargo a menudo se desea saber en qué consiste el otro 23.5% de pérdidas, 
individualmente, para ver si están cada una de ellas dentro de lo normal, y la posibilidad de disminuirlas 
variando la operación y mejorando el mantenimiento, etc. 
 
La subdivisión de las pérdidas más aceptada es la del reglamento de pruebas de la ASME (The 
American Society of Mechanical Engineering) [ASME PTC – 4.1, 1979], en el que las pérdidas se 
dividen en siete grupos como sigue: 
 
 
I. Elevación de temperatura de los gases de la chimenea, de la atmosférica a la de los tubos de la 
caldera. 
 
II. En evaporar la humedad del combustible y recalentarla hasta la temperatura que tienen los gases 
de los tubos de la caldera. 
 
III. Formación del vapor de agua del H2 libre en el combustible y su precalentamiento de este a la 
temperatura de los gases de la chimenea. 
 
IV. Por no lograr obtener el calor total de la composición del Carbono y el Oxígeno, como lo indica 
la presencia de algo de CO en los productos. 
 
V. Pérdida de potencia calorífica, representada por la presencia de combustible sin quemar en los 
desperdicios de la ceniza. 
 
VI. Transmisión de calor de la instalación del Generador de Vapor a la atmósfera, principalmente por 
el proceso de radiación, con algo de convección inducida. 
 
VII. Un grupo de compuestos, de pequeña magnitud relativa, que frecuentemente no se pueden medir 
directamente. Se designan con el nombre de pérdidas incontroladas, y que consisten en el 
recalentamiento de la humedad del aire usado en el combustible, el calor sensible de las cenizas, 
el carbón libre que flota en los productos gaseosos de la combustión y pequeñas cantidades por 
otros conceptos. 
 
 
Cuando las pruebas demuestran que una de estas pérdidas es excesiva, entonces, el conocimiento de las 
fuentes de las pérdidas habilita al operador para descubrir cuál es la causa, entre los múltiples factores 
que constituye la pérdida total del Generador de Vapor. La tabla 1, es un resumen de causas más 
comunes de pérdidas térmicas en relación con los Generadores de Vapor. 
 
Aunque no se describe en detalle todo lo necesario para la prueba de la eficiencia de un Generador de 
Vapor, en la figura 5 se muestran los requisitos mínimos que se necesitan para realizar dicha prueba, 
cuyos resultados vayan a garantizar al Ingeniero profesionalmente la colocación de los instrumentos que 
deberán presentarse y determinarse con los límites de precisión para el procedimiento general que va a 
seguirse y donde deben concentrarse las partes interesadas. 
 18
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
 
Tabla 1: Las causas más comunes de las pérdidas térmicas en relación con los Generadores de Vapor 
Memorias del IX taller industrial de capacitación; CALDERAS Y RECIPIENTES APRESIÓN; Exp. Industrial; México 1996. 
A. Pérdidas debidas a la humedad del Carbón 
 a. Humedecimiento excesivo del Carbón antes de quemarlo 
 b. Elevada absorción de humedad del Carbón en los patios de almacenamiento 
B. Pérdidas debidas a la humedad formada por la combustión del Hidrógeno, que no se puede 
reducir en un combustible determinado. Esta pérdida es mayor para el aceite combustible y 
para el gas, que para el Carbón 
C. Pérdida por el calor que se llevan los gases secos de la chimenea 
 a. Exceso de aire elevado, descubierto por el bajo contenido de CO2 en el gas de los tubos 
de los Generadores de Vapor 
 b. Alta temperatura de los gases de los tubos del Generadores de Vapor 
 1. Superficies de calefacción sucias 
 2. Mala circulación del agua. Incrustaciones del lado del agua 
 3. Porciones estancadas de gas. Tabiques desviadores agujerados o ineficaces 
 4. Velocidad de los gases muy alta 
D. Pérdidas debidas a la combustión incompleta 
 a. Alimentación de aire insuficiente 
 b. Capa de combustible en malas condiciones 
 c. Enfriamiento del hogar en las bajas intensidades de la combustión 
 d. Mala instalación del Generadores de Vapor 
E. Pérdidas de combustible que se va al cenicero 
 a. La parrilla o alimentador no son adecuados para la clase de combustible que se usa 
 b. Combustión de combustible en mayor cantidad que la que puede quemar el equipo 
 c. Parrillas volteadas o capas de combustible atizadas con demasiada frecuencia 
 d. La temperatura del hogar mayor que la temperatura de fusión de la ceniza 
F. Pérdidas por radiación y convección del Generadores de Vapor y su instalación 
 a. Tambores de la caldera sin aislar 
 b. Paredes de la montadura muy delgadas o de mala calidad 
 c. Refractarios del hogar que necesitan reparación o renovación 
G. Pérdidas debidas a la humedad del aire 
 a. Aire cargado de humedad como de un chorro de vapor 
 b. Exceso de aire elevado en los días de mucha humedad. Esta pérdida es pequeña y 
frecuentemente se incluye en otras pérdidas pequeñas, que muchas veces no se toman en 
cuenta, como las del hollín, o ceniza en el gas de las chimeneas, calor en las cenizas 
 
 
 
222...222 DDDEEESSSCCCRRRIIIPPPCCCIIIÓÓÓNNN DDDEEELLL AAAIIIRRREEE,,, CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE YYY GGGAAASSSEEESSS 
 
 
 
El sistema aire-gases de un generador de vapor cubre desde el ingreso del aire hasta su salida en forma 
de gases de combustión en chimenea. Lo que define fuertemente durante este proceso el 
aprovechamiento (rendimiento) del calor del combustible. Para entender la definición de eficiencia 
energética, (por pérdidas separadas), se deben analizar previamente las características del aire, el 
combustible, los gases y los residuos de los sólidos no quemados de la combustión. 
 
 19
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
 
 Contador de orificio 
 
 vapor 
 
 Calorímetro 
 para vapor Manera de alimentar el carbón 
 Gas de la combustión a mano durante las pruebas 
 Agua 
 Báscula del sistema 
 Otra manera de de conducción del 
 colocar el punto Pares termoeléctricos Carbón 
 de muestreo o termómetrosAbastecimiento 
 del carbón 
 Manómetro 
 Muestreador 
 de Carbón 
 Alimentación 
 Aparato Interruptor 
 ORSAT 
 Contador Ceniza Peso Muestra 
 de vapor de carbón 
 Cenicero 
 
 Ducto 
 
Figura 5. Situación de los puntos del Generador de Vapor con carbón: Requisitos mínimos para 
hacer una prueba a un Generador de Vapor (a un que es un Generador de Vapor usando 
Carbón, solamente cambiaria el suministro de combustible) 
 
 
222...222...111 AAAIIIRRREEE 
 
 
En base molar o de volumen (Tabla 2), el aire seco esta compuesto por 20.95 por ciento de Oxígeno, 
78.09 por ciento de Nitrógeno, 0.93 por ciento de Argón y 0.03 por ciento de Dióxido de Carbonó, y 
pequeñas cantidades de Helio, Neón e Hidrógeno. En el análisis de los procesos de combustión, el 
Argón en el aire se trata como Nitrógeno, en tanto que los gases que existen en cantidades muy pequeñas 
se descartan. 
 
 
Tabla 2. Composición del Aire 
 Fracción 
volumétrica 
Peso 
molar 
Kg / kg mol 
Aire 
 
Nitrógeno 0.7809 28.016 21.878 
Oxígeno 0.2095 32.000 6.704 
Argón 0.0930 39.944 0.371 
Dióxido de Carbono 0.0030 44.010 0.013 
 Peso molecular del aire 28.966 
 Peso % 
Nitrógeno 79.01 
Oxígeno 20.99 
 20
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
Por consiguiente cada mol de Oxígeno que entra a una Cámara de Combustión será acompañado por 
79.01 ÷ 20.99 = 3.76 mol de Nitrógeno [Huang, 1994]. Es decir, 
 
1 kg mol O2 + 3.76 kg mol N2 = 4.76 kg mol Aire 
 
 
222...222...222 CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE 
 
 
 
Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. La 
mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de Hidrógeno y Carbono. Reciben 
el nombre de combustibles Hidrocarburos y se designan por la fórmula general Cn Hm. Los combustibles 
hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos ejemplos son el Carbón, la Gasolina y el Gas Natural. 
 
El principal constituyente del Carbón Mineral es el Carbón; también contiene cantidades variables de 
Oxígeno, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre, Humedad y Cenizas. Es difícil dar un análisis de la masa 
exacta del Carbón Mineral, puesto que su composición varía de un área geográfica a otra e incluso 
dentro de la misma región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son una mezcla 
de numerosos hidrocarburos y se obtienen del petróleo crudo mediante la destilación (figura 6), los 
hidrocarburos más volátiles se vaporizan primero, formando lo que se conoce como gasolina. Los 
combustibles obtenidos por destilación menos volátiles son el Queroseno, el Diesel y el Combustóleo. 
La composición de un combustible particular depende de la fuente del petróleo crudo, así como de la 
refinería. 
 
Los hidrocarburos gaseosos se obtienen de los pozos de Gas Natural o se producen en ciertos procesos 
químicos. El gas natural consiste habitualmente en una mezcla de varios hidrocarburos diferentes cuyo 
constituyente mayoritario es el metano, CH4. La composición de los combustibles gaseosos se da 
habitualmente en función de las fracciones molares. Los hidrocarburos gaseosos y líquidos se pueden 
sintetizar a partir de Carbón, de arenas asfálticas y de esquitos bituminosos; [Gabrieliantz, 1991]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Gasolina 
 
 
 Petróleo Queroseno 
 
 crudo Combustible 
 diesel 
 
 
 Combustóleo 
 
 
 
Figura 6. Destilación del Petróleo: La mayor parte de los combustibles hidrocarburos se obtienen 
del petróleo crudo por destilación 
 21
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
Para el estudio se tienen los datos del Gas Natural (proporcionado por la Central Termoeléctrica 
Valle de México). 
 
 
 
Tabla 3. Análisis Volumétrico del Gas Natural en la CT Valle de México (directo de medición) 
COMPONENTES % VOLUMEN 
 
Metano CH4 91.2056 
Etano C2H6 7.9808 
Propano C3H8 0.7249 
n Butano C4H10 0.0460 
Iso butano C4H10 0.0427 
Humedad %0.0007 
Densidad 0.5900 
 
 
 
De los datos de la Tabla 3 se puede determinar el % de peso del Gas natural, a partir del análisis del % 
de volumen, de la siguiente forma: 
 
 
 
∑
×
=
mezclaladesmolecularepesosde
molecularpesovolumenpeso %% (2.1)
 
 
 
Tabla 3a. Factor de peso Molecular del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 
 % VOLUMEN PESO 
MOLECULAR 
 
Metano CH4 91.2056 X 16.041 = 14.63 
Etano C2H6 7.9808 X 30.067 = 2.39 
Propano C3H8 0.7249 X 44.092 = 0.31 
n Butano C4H10 0.046 X 58.118 = 0.02 
Iso butano C4H10 0.0427 X 58.118 = 0.02 
Σ Pesos Moleculares de la mezcla = 17.40 
 
 
 
 Tabla 3b. % de Peso del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 
Metano CH4 = 84.07 
Etano C2H6 = 13.78 
Propano C3H8 = 1.83 
n Butano C4H10 = 0.15 
Iso butano C4H10 = 0.14 
 Total = 100 % Peso 
 22
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
El poder calorífico del combustible se calcula en kJ / m3 y kJ / kg. Teniendo los valores de tablas de 
poderes caloríficos del ambiente∗, se tiene que los kJ / m3 y los kJ / kg, correspondientes a 20 °C y 1 
Kg / cm2 de presión para el poder calorífico alto o para el poder calorífico bajo. 
 
Habiéndose obtenido esos valores en el caso de los kJ / m3 se multiplica por el % volumen y en el caso 
de los kJ / kg, se multiplica por el % de peso obteniéndose parcialmente para cada elemento de la 
mezcla y la suma de ellos dará los poderes caloríficos altos y bajo en kJ / m3 y kJ / kg. Para encontrar 
el poder calorífico del combustible en kJ/m3 se hace: 
 
 
 
Tabla 3c. Poder Calorífico Volumétrico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México 
 VALOR DE COMBUSTIÓN PODER CALORÍFICO COMB. 
EN kJ/m3
 % VALOR ALTO BAJO ALTO BAJO 
Metano 91.2056 37743,27 34017,3757 34423,97 31025,75CH4
Etano C2H6 7.9808 66767,95 61141,8549 5328,616 4879,609
Propano C3H8 0.7249 96500,55 88862,4765 699,5325 644,1641
n Butano C4H10 0.0460 125562,5 115986,9557 57,75875 53,354
Iso butano C4H10 0.0427 125301,7 115688,8845 53,50382 49,39915
TOTAL 40563,38 36652,28
 
 
para encontrar el poder calorífico del combustible en kJ/kg se tiene: 
 
 
 
Tabla 3d. Poder Calorífico Másico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México 
 VALOR DE 
COMBUSTIÓN 
PODER CALORÍFICO 
COMB. EN kJ/kg 
 % PESO ALTO BAJO ALTO BAJO 
Metano CH4 84.077 55542,554 50055,520 46694,625 42081,675
Etano C2H6 13.789 51916,32 47524,8327164,452 6558,426
Propano C3H8 1.836 50383,486 46389,744 927,056 853,571
n Butano C4H10 0.153 49562,408 45775,680 74,343 68,663
Iso butano C4H10 0.142 49443,782 45657,054 69,221 63,919
TOTAL 54929,698 49626,257
 
 
Para el cálculo de los constituyentes del combustible; el procedimiento para el por ciento en peso de los 
elementos se obtienen de la división del producto del por ciento en peso del compuesto por el peso 
molecular del elemento entre el peso molecular del compuesto. 
 
∗ Anexo 2; Tabla A1 (Poderes caloríficos en el ambiente y el entorno inmediato de una Central Térmica) 
 23
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
 
Tabla 3e. Porcentaje de peso en base Carbón e Hidrógeno para el Gas Natura en la 
 Central Termoeléctrica Valle de México 
 % PESO PESO 
MOLECULAR 
(Compuesto) 
% PESO 
(Carbón) 
% PESO 
(Hidrógeno) 
Metano CH4 84.077 16.041 62.949 21.133
Etano C2H6 13.789 30.067 11.016 2.773
Propano C3H8 1.836 44.092 1.500 0.335
n Butano C4H10 0.153 58.118 0.126 0.026
Iso butano C4H10 0.142 58.118 0.117 0.024
TOTAL 75.711 24.294
 
 
222...222...333 SSSÓÓÓLLLIIIDDDOOOSSS NNNOOO QQQUUUEEEMMMAAADDDOOOSSS DDDEEELLL CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE 
 
 
 
Los sólidos no quemados son partículas sólidas (carbón sinterizado, silicios, calcio, etc.) que no 
participan en la combustión, para el balance de cenizas se supone que la fracción (α) de ellas abandona 
al Generador de Vapor como cenizas volátiles, mientras que la fracción 1-α restante se retira como 
escoria, el por ciento % en peso de carbonó de los sólidos no quemados en los residuos será de: 
 
 
U = αU1 + (1 - α) U2 (2.2)
 
 
donde: U1 y U2 son las fracciones de carbono de los sólidos no quemados en las cenizas volátiles y 
escorias, respectivamente. 
 
La norma ASME [ASME PTC – 4.1, 1979] indica que el valor de α (cenizas volátiles) suele estar 
comprendido entre 0.7 y 0.9. Puede utilizarse el valor promedio de 0.8 si no se dispone de valores 
experimentales para este parámetro. 
 
Los sólidos no quemados vi, expresados en kg de Carbono por kg de combustible procesado, serán de: 
 
 
vi = z [U / (1 – U)] (2.3)
 
 
mientras expresados en moles de carbono los sólidos no quemados por mol de carbono, se tendrá: 
 
 
vi = V / C (2.4)
 
 
teniendo en cuenta que al quemar Gas Natural (Caso Central Termoeléctrica Valle de México) estos 
valores se harán nulos y, no se entraran en más detalles de los mismos. 
 
 24
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
222...222...444 GGGAAASSSEEESSS DDDEEE CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIÓÓÓNNN 
 
 
 
La mayor parte de los cálculos de la eficiencia energética de los Generadores de Vapor se realizan 
mediante este método. Se asume que toda la energía presente en el combustible se transfiere al fluido 
térmico salvo aquella que se pierde en los distintos conceptos. Todas las pérdidas se evalúan por unidad 
de masa del combustible. 
 
Para utilizar el método indirecto (o Método de Pérdidas Separadas) es necesario calcular el peso 
del gas seco por kilogramo de combustible quemado entrando al precalentador de aire y el peso de aire 
seco suministrado por kilogramo de combustible. 
 
Para el cálculo del peso del gas seco de combustible quemado entrando al precalentador de aire se 
procede de la manera siguiente: Para determinar la ecuación, supóngase que en un kilogramo de gas 
seco, de los pesos contenidos de Bióxido de Carbono, Monóxido de Carbono, Oxígeno y Nitrógeno son 
CO2s, COs, O2s, N2s respectivamente. En vista de que el peso molecular del Bióxido de Carbono es 44, el 
del Monóxido de Carbón es 28 y del Carbono 12, la cantidad de Carbón contenida en el Bióxido de 
Carbono será 12CO2s/44 = 3CO2s/11; la cantidad de Carbón contenida en el Monóxido de Carbono 
será 12COs /28 = 3/7 COs. Los kilogramos de gases por kilogramo de Carbón serán entonces: 
 
 
 WGS 
kilogramo de carbón = 73113
222
ss
ssss
COCO
NOCOCO
+
+++ (2.5)
 
 
ara un kilogramo de cada uno de los componentes se tiene p
 
 
M
TPV 3.8314/ = ; lo que permite determinar: 
 
 
MMMP
TV 385
1447.14
15445281544
=
×
×
=
×
×
= 
 
 
 Carbono 2
 Carbono 
Para el Oxígeno O2 M = 32 ; V = 385 / 32 
Para el Nitrógeno N2 M = 28 ; V = 385 / 28 
 inversa de estos valores serán los pesos específicos de los componentes y si estos se expresan en % de 
volumen se tiene: 
 
Para el Bióxido de
Para el Monóxido de
CO M = 44 ; V = 385 / 44 
CO M = 28 ; V = 385 / 28 
 
 
la
sCO
CO
2
2 44 =
×
385 ; 
sCOCO =×
385
28 sO
O
2
2
385
32
=
×
 ; 
sN
N
2
2
385
28
=
×
 ; 
 25
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
sustituyendo en la ecuación (2.5) se tiene: 
 
 
 WGS 
kilogramo de carbón 
7
283
11
443
28322844
2
222
COCO
NOCOCO
×
+
×
+++
= , dividiendo entre cuatro tenemos: 
 
 WGS 
kilogramo de carbón )(3 2 COCO +
)(7811 22" NCOOCO +++= , 
ntonces el peso de los gases secos por kilogramo de combustible será: 
 
 
 
 
e
×
+ )(3 2 COCO
 
+++
=
)(7811 222 NCOOCOWGS kg de carbón / kg de combustible (2.6)
ara encontrar el peso de aire seco suministrado para la combustión hay que añadir a WGS el peso del 
xígeno em a quemar el Hidrógeno; la reacción q de combustión de Hidrógeno es: 
 
 
2H2 + 2 2
2 x 2 x 1.008 + 32 36.032 
ntra que para formar agua, un kilogramo de Hidrógeno consume 32/4.032 = 7.936 
ilogramos de Oxígeno, por lo que la ecuación para calcular el peso de aire seco por kilogramo de 
ombustible es: 
 
 (2.6a)
...333 DDDEEESSSCCCRRRIIIPPPCCCIIIÓÓÓNNN EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCAAA 
efinición de poder calorífico inferior del 
ombustible. El segundo, lo es con el poder calorífic o, con el ambiente de 
referen
 
 
p
O ple do en uímica 
O 2H O 
4.032 + 32 36.032 
 
 
e aquí se encued
k
c
 
CHWGSWAS −+= 2936.7
 
 
222
 
 
 
Una vez definidas las propiedades aire-gases-combustible, se puede plantear las pérdidas separadas por 
distintos conceptos. Previamente debe definirse la aportación energética de cada sustancia participante y 
el estado de referencia (energía nula) al que se referirá el valor numérico de los flujos de energía. Este 
estado debe recoger necesariamente como una de las variables que lo definen a la temperatura ambiente. 
En la tabla 4, se presentan tres posibles estados de referencia para el cálculo de la energía de los distintos 
lujos de materia. El primero de ellos es coherente con la df
c o superior; y el últim
cia (AR utilizado p exergías. ) que será ara el cálculo de 
 26
Eficiencia energética de Generadores de Vapor 
 culo de energías 
ente) 
Tabla 4. Estado de referencia para el cál
Presión P0 (ambi 
Temperatura 
sición 
 H2O(l), SO2(g) (II)
T0 (ambiente) 
Compo Cenizas 
 CO2(g), N2(g) y H2O(g), SO2(g) (I)
 H2O(l), CaCO3(s), CaSO4, 2H2O(s) (III)
 
La energía proveniente de combustión en apoyo de un proceso de trabajo (y de calentamiento) es la base 
para determinar la eficiencia de ese proceso termodinámico. La medida se toma como el producto de la 
cantidad de combustible consumida, durante el proceso, y su poder calorífico. Para los cálculos de 
érdidas de energía, se suelen referir comúnmente a la poder calorífico superior (PCS) y a la aportación 
nergética de aire, combustible y gases [Moring, 1996]. 
 
...333...111 AAAIIIRRREEE 
ara el cálculo de la energía correspondiente a los flujos de aire se utilizara el procedimiento descrito, 
endo este para considerar el exceso de aire. 
 
 
% exceso de aire
p
e
 
222
 
 
 
P
si
 
)2(265.0
)2(100
22
2
COON
COO
−−
+
= (2.7)
n se obtiene el porcentaje de aire introducido en exceso, a partir del análisis volumétrico de gases 
cos de combustión antes del precalentador de aire. Una deducción de la ecuación se puede describir 
omo: 
 
 
) 1 mol de CO necesita 1/2 mol de O2 para que se efectué la combustión completa; por tanto el 
 
b) 
men es de 21% de O2 y 79% de N2, por lo que O2 = 21 / 79 
N2 = 0.265 N2. Este término 0.265

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