AnAãÆAílisis-tAãÆA-rmico-del-horno-y-sobrecalentador-de-un-generador-de-vapor-quemando-combustoleo-y-baga

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR DE UN 
GENERADOR DE VAPOR QUEMANDO COMBUSTOLEO Y BAGAZO 
 
 
 
T E S I S 
PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN INGENIERÍA MECÁNICA 
 
PRESENTA 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 
 
 
 
DIRECTOR DE TESIS 
Dr. GEORGIY POLUPAN 
 
 
 
 
 
MÉXICO, D. F. ENERO 2007 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A dios 
 
Por haberme permitido llegar a esta meta y lograr todo lo que hasta ahora he logrado. 
 
 
A mis padres Porfirio y Cecilia 
 
Por su apoyo incondicional y quienes estoy seguro que comparten mi alegría. 
 
A mis hermanos Rodolfo y Omar 
 
Por su apoyo y darme la motivación para seguir adelante. Con su cariño y 
comprensión en los momentos difíciles. 
 
 
 
A mis compañeros 
 
A mis amigos de la Escuela del Instituto Politécnico Nacional 
A mis amigos de la Escuela del Instituto Tecnológico de Orizaba. 
A mis amigos y amigas de Córdoba 
Al Ing. Adán maza 
 
 
A las Instituciones 
 
Instituto Politécnico Nacional (LABINTHAP) y CONACYT 
 
Al Ingenio San Miguelito 
 
 
 
A los miembros de la comisión revisora de este trabajo 
 
Dr. Georgiy Polupan 
Dr. Florencio Sánchez Silva 
Dr. Miguel Toledo Velásquez 
Dr. Ignacio Carvajal Mariscal 
Dr. Pedro Quinto Diez 
M en C. Guilibaldo tolentino eslava 
 
 
 
Dr. Georgiy Polupan por su apoyo, paciencia y por haber dirigido este trabajo de tesis 
ÍNDICE 
 
 Pág. 
 
RELACIÓN DE FIGURAS. I 
RELACIÓN DE TABLAS III 
NOMENCLATURA IV 
RESUMEN X 
ABSTRACT XI 
INTRODUCCIÓN XII 
 
 
CAPITULO 1 
FUNDAMENTOS GENERALES 
 
1.1. INGENIO SAN MIGUELITO 1 
 
1.2. PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DEL AZUCAR 1 
 2.1.1. Departamento de batey 1 
 2.1.2. Departamento de extracción (molinos). 2 
 2.1.3. Departamento de elaboración 2 
 2.1.4. Departamento de planta eléctrica 5 
 2.1.5. Departamento de calderas 6 
 
1.3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL GENERADOR DE VAPOR DEL 
INGENIO SAN MIGUELITO 6 
 1.3.1. Partes esenciales del generador de vapor marca cerrey del ingenio san miguelito 6 
 
1.4 COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN EL GENERADOR DE VAPOR 
DEL INGENIO SAN MIGUELITO 16 
 1.4.1. Combustóleo 16 
 1.4.2. Bagazo de azúcar como combustible 16 
 
1.5. CIRCUITO DE VAPOR EN LA PLANTA DEL INGENIO SAN 
MIGUELITO 17 
 
1.6. ANTECEDENTES DEL GENERADOR DE VAPOR 
 
18 
1.7. DATOS DEL GENERADOR DE VAPOR MARCA CERREY DE 62.5 
ton/h. 18 
 
1.8. PARÁMETROS DEL SOBRECALENTADOR INSTALADO EN EL 
GENERADOR DE VAPOR DEL INGENIO SAN MIGUELITO MARCA 
CERREY . 
20 
 
 
CAPITULO 2 
PROCEDIMIENTOS DE LOS CÁLCULOS 
TÉRMICOS DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
 
2.1. DETERMINACIÓN DEL GASTO DEL COMBUSTIBLE 24 
 2.1.1. Gasto del combustóleo. 24 
 2.1.2. Calor absorbido en el generador de vapor 24 
 2.1.3. Cantidad de calor que se inyecta en el horno con el vapor 24 
 2.1.4. Calor disponible en el horno del generador de vapor. 25 
 2.1.5. Energía térmica que aporta el combustóleo 25 
 2.1.6. Poder calorífico inferior. 25 
 2.1.7. Eficiencia térmica del generador de vapor. 26 
 
2.2. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA COMPOSICIÓN 
MÁSICA DE LA MEZCLA (COMBUSTÓLEO-BAGAZO). 26 
 
2.3. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO DEL 
GENERADOR DE VAPOR. 27 
 2.3.1. Temperatura de los productos de la combustión a la salida del 
horno. 28 
 2.3.2. Parámetro M. 28 
 2.3.3. Coeficiente de efectividad térmica del horno promedio. 28 
 2.3.4. Coeficiente de conservación de calor en generador de vapor. 29 
 2.3.5. Temperatura adiabática. 29 
 2.3.6. Calor específico de los productos de la combustión promedio en el 
horno. 29 
 2.3.7. Coeficiente de emisividad del horno. 30 
 
2.4. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL 
SOBRECALENTADOR. 30 
 2.4.1. Balance de calor. 30 
 2.4.2. Transferencia de calor en el sobrecalentador. 30 
 
2.5. DESARROLLO DEL PROGRAMA COMPUTACIONAL DE LOS 
CÁLCULOS TÉRMICOS DEL HORNO Y DEL SOBRECALENTADOR 
DEL GENERADOR DE VAPOR. 
34 
 2.5.1. Datos de entrada iniciales. 34 
 2.5.2. Temperatura y entalpía de vapor sobrecalentado. 35 
 2.5.3. Botones de corrección. 36 
 2.5.4. Cálculo térmico del horno y del sobrecalentador. 36 
 2.5.5. Botones de visualización de resultados. 37 
 2.5.6. Diagrama de flujo. 38 
 
 
 
 
 
CAPITULO 3 
CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
3.1. CÁLCULO DEL GASTO DEL COMBUSTÓLEO. 40 
 3.1.1. Cantidad de calor que se inyecta en el horno con el vapor para 
calentamiento y atomización del combustóleo. 40 
 3.1.2. Energía térmica que aporta el combustóleo. 41 
 3.1.3. Poder calorífico inferior de las mezclas combustóleo-vapor. 41 
 3.1.4. Calor disponible en el horno del generador de vapor. 42 
 3.1.5. Calor absorbido en el generador de vapor. 42 
 3.1.6. Eficiencia térmica del generador de vapor. 43 
 3.1.7. Gasto del combustóleo. 
 
3.2. CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN MÁSICA DE LA MEZCLA 
(COMBUSTÓLEO-VAPOR-BAGAZO). 45 
 
3.3. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS DE 
LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN. 49 
 3.3.1. Entalpías del aire y de los productos de la combustión. 50 
 
3.4. CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO. 51 
 3.4.1. Área total del horno. 51 
 3.4.2. Suma de áreas de las superficies radiante. 52 
 3.4.3. Coeficiente de efectividad térmica del horno promedio. 53 
 3.4.4. Coeficiente de conservación del calor en generador de vapor. 53 
 3.4.5. Calor del aire que lleva al horno del generador de vapor. 53 
 3.4.6. Espesor efectivo del volumen de los gases en el horno. 54 
 3.4.7. Calor realizado en el horno del generador de vapor. 54 
 3.4.8. Temperatura adiabática. 54 
 3.4.9. Parámetro M promedio. 55 
 3.4.10. Temperatura y entalpía de los gases a la salida horno. 56 
 3.4.11. Calor específico de los productos de la combustión promedio en el 
horno. 56 
 3.4.12. Coeficientes de disminución de los rayos por los gases tri-atómicos. 57 
 3.4.13. Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partículas de las 
cenizas. 57 
 3.4.14. Coeficientes de disminución de la radiación por los gases que no 
iluminan y gases que iluminan en el horno. 58 
 3.4.15. Coeficientes de emisividad de los gases tri-atomicos de la parte 
brillante 
de la flama y opaca. 
58 
 3.4.16. Coeficiente de la emisividad de la flama. 58 
 3.4.17. Coeficiente de emisividad del horno. 59 
 3.4.18. Temperatura de los productos de la combustión a la salida del horno. 59 
 
3.5. CÁLCULO TÉRMICO DEL SOBRECALENTADOR. 60 
 3.5.1. Balance de calor en el sobrecalentador. 60 
 3.5.2. Temperatura media logarítmica en el sobrecalentador. 62 
 3.5.3. Temperatura promedio de los gases en sobrecalentador. 62 
 3.5.4. Temperatura y presión del vapor promedio en el sobrecalentador. 62 
 3.5.5. Área de la superficie de transferencia de calor en el sobrecalentador. 62 
 3.5.6. Área de la sección del ducto para el paso de los gases en el 
sobrecalentador promedio. 63 
 3.5.7. Características geométricas del sobrecalentador como banco de tubos. 63 
 3.5.8. Velocidad de los gases promedio en el sobrecalentador. 65 
 3.5.9. Velocidad del vapor en el sobrecalentador promedio. 65 
 3.5.10. Características físicas de los gases. 66 
 3.5.11. Coeficiente de transferencia de calor por convección en bancos de 
tubos con arreglo cuadrado. 66 
 3.5.12. Coeficiente de transferencia de calor por radiación en el 
sobrecalentador 67 
 3.5.13. Coeficiente de transferencia de calor externa en el sobrecalentador. 69 
 3.5.14. Coeficiente de transferencia de calor interna en el sobrecalentador. 70 
 3.5.15. Coeficiente de transferencia de calor global en el sobrecalentador. 70 
 3.5.16. Calor transferido en el sobrecalentador. 70 
 
CAPITULO 4 
ANÁLISIS TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
4.1. ANÁLISIS DE LOS COMBUSTIBLES QUEMADOS EN EL INGENIO 
SAN MIGUELITO. 72 
 4.1.1. Composición másica de las mezclas(combustóleo-vapor de agua-
bagazo). 72 
 4.1.2. Análisis de los gastos de mezclas para obtener 100% de carga 
térmica del generador de vapor de 62.5 t/h. 74 
 4.1.3. Ahorro del combustóleo. 76 
 
4.2. ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN DE LAS 
MEZCLAS. 77 
 4.2.1. Entalpías de los productos de la combustión. 77 
 
4.3. ANÁLISIS TÉRMICO DEL HORNO DEL GENERADOR DE VAPOR. 78 
 4.3.1. Influencia de exceso de aire a temperatura de los productos de la 
combustión en la salida del horno del generador de vapor. 79 
 4.3.2. Influencia de carga del generador de vapor a temperatura de los 
productos de la combustión en la salida del horno del generador de 
vapor. 
80 
 4.3.3. Influencia de la humedad relativa de los productos de la combustión a 
temperatura a la salida del horno de los gases. 81 
 4.3.4. Influencia de la composición de los combustibles (contenido de 
bagazo) a temperatura de productos de la combustión en la salida del 
horno. 
82 
 
 
 
 
 
4.4. ANÁLISIS TÉRMICO DEL SOBRECALENTADOR DEL GENERADOR 
DE VAPOR 83 
 4.4.1. Influencia de exceso de aire a temperatura de vapor sobrecalentado. 83 
 4.4.2. Influencia de la carga del generador de vapor a temperatura del 
sobrecalentado. 84 
 
 
CONCLUSIONES 86 
RECOMENDACIONES 87 
REFERENCIAS 88 
 
 
Apéndice A. Tablas, graficas para el cálculo térmico del generador de vapor. 91 
 
Apéndice B. Resultados de los cálculos de volúmenes de los productos de la 
combustión. 97 
 
Apéndice C. Resultados de los cálculos de las características de los productos de 
la combustión. 99 
 
Apéndice D. Resultados de los cálculos de la composición másica de los 
combustibles: combustóleo-vapor y mezcla combustóleo-vapor-
bagazo. 
102 
Apéndice E. Resultados del cálculo de los gastos de los combustibles: gasto del 
combustóleo, gasto del bagazo, consumo de vapor para 
calentamiento y atomización del combustóleo y ahorro de 
combustóleo. 
103 
 
Apéndice F. Resultados de los cálculos térmicos del horno y sobrecalentador. 107 
 
Apéndice G. Artículos publicados. 110 
 
Apéndice H. Código del programa PROG 135 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS 
 RELACIÓN DE FIGURAS 
 
No figura Nombre Pag.
 
Figura 1.1 Ubicación del Ingenio San Miguelito. 1 
Figura 1.2 Horno del generador de vapor, vista inferior 7 
Figura 1.3 Domo superior del generador de vapor. 7 
Figura 1.4 Domo inferior del generador de vapor. 8 
Figura 1.5 Paredes de tubos de agua del generador de vapor. 8 
Figura 1.6 Sobrecalentador del generador de vapor. 9 
Figura 1.7 Mampara. 10 
Figura 1.8 Chimenea. 10 
Figura 1.9 Ventilador tiro inducido. 11 
Figura 1.10 Ventilador tiro forzado. 11 
Figura 1.11 Sopladores de hollín. 12 
Figura 1.12 Bomba de agua de alimentación. 12 
Figura 1.13 Regulador del nivel en domo. 13 
Figura 1.14 Separador de vapor externo tipo ciclón. 13 
Figura 1.15 Quemador de combustóleo. 14 
Figura 1.16 Válvula de seguridad del generador de vapor. 15 
Figura 1.17 Líneas y válvulas de purga de domo inferior. 15 
Figura 1.18 Diagrama del circuito del vapor del Ingenio, San Miguelito 17 
Figura 1.19 Primera hilera de tubos del sobrecalentador en el ducto del generador de vapor. 
21 
Figura 1.20 Segunda hilera de tubos del sobrecalentador en el ducto del generador de vapor. 
22 
Figura 1.21 Tercera hilera de tubos del sobrecalentador en el ducto del generador de vapor. 
22 
Figura 1.22 Cuarta hilera de tubos del sobrecalentador en el ducto del generador de vapor. 
23 
Figura 1.23 Sobrecalentador de los 4 pasos (hileras). Vista lateral a la sección longitudinal del ducto del sobrecalentador 
23 
 
Figura 2.1 Datos de entrada iniciales del programa PROG. 35 
Figura 2.2 Temperatura y entalpía del vapor sobrecalentado. 36 
Figura 2.3 Determinación de factores de corrección Mν, Mλ y MPr. 37 
Figura 2.4 Botones para programar las situaciones en operación. 37 
Figura 2.5 Botones para mostrar los resultados de análisis. 38 
Figura 2.6 Diagrama de flujo del programa PROG. 39 
 
Figura 3.1 Mezclas combustóleo–vapor de agua, carga del generador de vapor (60%-100%) y un coeficiente de exceso de aire (1.10 -1.30). 40 
Figura 3.2 Mezclas Combustóleo – vapor de agua – bagazo para obtener 100% de la carga érmica del generador de vapor. 47 
Figura 3.3 Datos para el cálculo de la posición relativa del núcleo de la flama. a) combustión de combustóleo puro; b) combustión de la mezcla 56 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH I
ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS 
combustóleo y bagazo. 
Figura 3.4 Parámetros de los fluidos en entrada y salida del sobrecalentador 61 
Figura 3.3 Arreglo de los tubos en el sobrecalentador 64 
Figura 3.4 Parámetros geométricos del sobrecalentador para el cálculo de transmisión de calor por radiación. 69 
 
Figura 4.1 
Composición másica de las mezclas: combustóleo-bagazo y 0% de 
vapor para calentamiento y atomización de combustóleo vs cantidad 
de calor que se realiza en la combustión por parte combustóleo y 
bagazo 
73 
Figura 4.2 
Composición másica de las mezclas: combustóleo-bagazo y 5% de 
vapor para calentamiento y atomización de combustóleo vs cantidad 
de calor que se realiza en la combustión por parte combustóleo y 
bagazo. 
73 
Figura 4.3 
Composición másica de las mezclas: combustóleo-bagazo y 10% de 
vapor para calentamiento y atomización de combustóleo vs cantidad 
de calor que se realiza en la combustión por parte combustóleo y 
bagazo. 
74 
Figura 4.4 
Gastos de los componentes de las mezclas: combustóleo–vapor–
bagazo vs cantidad de calor que se realiza en la combustión por parte 
combustóleo. Carga del generador de vapor es de 100%, coeficiente 
de exceso de aire 1.20. 
75 
Figura 4.5 Gastos de las mezclas 1-12 vs carga térmica del generador de vapor (60%-100%). Coeficiente de exceso de aire es 1.20. 76 
Figura 4.6 
Ahorro de combustóleo empleando bagazo en las mezclas 1-12 vs 
carga del generador de vapor (60%-100%). Coeficiente de exceso de 
aire es 1.20. 
76 
Figura 4.7 Entalpía de los productos de la combustión vs temperatura. Coeficiente de exceso 1.20, mezclas de combustibles 1-12. 78 
Figura 4.8 
Temperatura de los productos de la combustión a la salida del horno 
vs coeficiente de exceso de aire. 100% de carga térmica del generador 
de vapor. Mezclas 5, 7, 8, 11 y 12. 
80 
Figura 4.9 
Temperatura de los productos de la combustión a la salida del horno 
vs carga térmica del generador de vapor. Coeficiente de exceso de 
aire 1.20. Mezclas 5, 7, 8, 11 y 12. 
80 
Figura 4.10 
Temperatura de los productos de la combustión a la salida del horno 
vs humedad de los productos de la combustión. Coeficiente de exceso 
de aire 1.20. Carga del generador de vapor 100% 
81 
Figura 4.11 
Temperatura de los productos de la combustión en la salida del 
horno vs gasto del bagazo. Coeficiente de exceso de aire 1.20. Carga 
del generador de vapor es 100%. 
82 
Figura 4.12 Temperatura del vapor sobrecalentado vs coeficiente de exceso de aire. 100% de carga del generador de vapor. Mezclas 1-12. 83 
Figura 4.13 Temperatura del vapor sobrecalentado vs Carga del generador de vapor. Coeficiente de exceso de aire de 1.20. Mezclas 1-12. 84 
Figura 4.14 Temperatura del vapor sobrecalentado vs Carga del generador de vapor. Coeficiente de exceso de aire de 1.10. Mezclas 1-12 85 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH II
ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS 
 
RELACIÓN DE TABLAS 
 
 
No figura Nombre Pag.
 
Tabla 1.1 Parámetros de operación (anterior). 18 
Tabla 1.2. Composición másica del combustóleo y bagazo 19 
Tabla 1.3. Condiciones en el generación de vapor. 19 
Tabla 1.4. Coeficientes de excesos de aire en le generador de vapor. 19 
 
Tabla 3.1 Características de las mezclas combustóleo-vapor. 45 
Tabla 3.2 Composición másica de la mezcla combustóleo-vapor-bagazo (caso 2, figura 3.2).48 
Tabla 3.3 Gasto de la mezcla combustóleo-vapor-bagazo (caso 2) 48 
Tabla 3.4 Resultados del cálculo de los volúmenes de los productos de la combustión 49 
Tabla 3.5 Temperaturas y entalpías de los productos de la combustión con un exceso de aire en horno αhorno=1.20 
50 
Tabla 3.6 Temperaturas y entalpías de los gases a la salida del precalentador de aire (αpre.aire=1.26). 
51 
 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH III
NOMENCLATURA 
NOMENCLATURA 
 
A Áreas de transferencia de calor m2
gases los de paso A 
Área de la sección del ducto para el paso de los gases 
en el sobrecalentador promedio m
2
tubosA 
Área de la sección transversal de los tubos para 
transportar vapor m
2
bagazoA Área de las paredes del horno del bagazo m2
F.PA Área de la pared frontal del horno m2
L.PA Área de la pared lateral del horno m2
PPA . Área de la pared posterior del horno m2
VA Área de la ventada en el horno m2
B Gasto del combustóleo kg/s 
bagazoB Gasto de bagazo kg/s 
relativo
bagazoB Gasto del bagazo relativo kgbagazo/kgComb
relativo
combB Gasto del combustóleo relativo kgcomb/kgComb
combc Calor específico del combustible kJ/kg K 
( )airec ϑ⋅ Entalpía específica del aire kJ/m3
( ) O2Hc ϑ⋅ Entalpía específica del agua kJ/m3
( )
2Nc ϑ⋅ Entalpía específica del nitrógeno kJ/m
3
( ) 2ROc ϑ⋅ Entalpía específica del gas tri-atómico kJ/m3
mezclaComp 
composiciones másicas de las mezclas de los 
combustibles % 
Cs Coeficiente de forma del banco de los tubos - 
ZC Coeficiente de hileras en banco de los tubos - 
extd Diámetro exterior del tubo del sobecalentador mm 
intd Diámetro interior del tubo del sobrecalentador mm 
s.vG Gasto de vapor sobrecalentado kg/s 
purgaG Gasto de agua de purga kg/s 
vaporG 
Gasto de vapor para calentamiento y para atomización 
del combustóleo kg/s 
bagazoH Área de la superficie radiante del horno del bagazo m2
F.PH 
Área de la superficie radiante de la pared frontal del 
horno m
2
L.PH 
Área de la superficie radiante de la pared lateral del 
horno m
2
P.PH 
Área de la superficie radiante de la pared posterior del 
horno m
2
VH Área de la superficie radiante de la ventada en el horno m2
h Coeficiente de transferencia de calor global W/m2K 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH IV
NOMENCLATURA 
a.ah Entalpía de agua de alimentación kJ/kg 
aireh Entalpía del aire kJ/kg 
0
aireh Entalpía de aire estequiometrico kJ/kg 
calaireh , Entalpía del aire caliente kJ/kg 
frioaireh , Entalpía del aire frió kJ/kg 
convh Coeficiente de transferencia de calor por convección W/m2 K 
combh Entalpía del combustible kJ/kg 
domoh′ Entalpía de agua en domo kJ/kg 
domoh ′′ Entalpía de vapor seco en domo kJ/kg 
gash 
Entalpía de los productos de la combustión a la entrada 
del sobrecalentador kJ/kg 
gash ′′ 
Entalpía de los productos de la combustión a la salida 
del sobrecalentador kJ/kg 
gasesh Entalpía de los productos de la combustión kJ/kg 
hornoh Altura del horno m 
hornoh ′′ 
Entalpía de los productos de la combustión a la salida 
horno kJ/kg 
0
2OH
h Entalpía de vapor de agua en combustión 
estequiometrico. kJ/kg 
0
2N
h Entalpía del nitrógeno en combustión estequiometrico. kJ/kg 
2ROh 
Entalpía de los gases tri-atómicos en en combustión 
estequiometrico. kJ/kg 
radh Coeficiente de transferencia de calor por radiación W/m2 K 
radh′ 
Coeficiente de transferencia de calor por radiación 
corregido W/m
2 K 
s.vh Entalpía de vapor sobrecalentado kJ/kg 
vaporh 
Entalpía del vapor para calentamiento y para 
atomización del combustóleo kJ/kg 
1h 
Coeficiente de transferencia de calor desde los gases 
hasta superficie externa de los tubos 
W/m2 K 
 
2h 
Coeficiente de intercambio de calor entre superficie 
interno de los tubos y vapor sobrecalentado 
W/m2 K 
 
negrok El coeficiente de disminución de los rayos por las partículas de las cenizas 1/m MPa 
lum nok 
Coeficiente de disminución de la radiación por los 
gases que no iluminan 1/m MPa 
lumk 
Coeficiente de disminución de la radiación por los 
gases que iluminan 1/m MPa 
o
gas a3
k Coeficiente de disminución de los rayos por los gases 
tri-atómicos 1/m MPa 
L Longitud del tubo del sobrecalentador m 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH V
NOMENCLATURA 
quemadorl Altura de la posición de los quemadores promedio m 
combqueml . 
Altura de la posición del núcleo de la flama en 
combustión del combustóleo m 
bagazoqueml . 
Altura del núcleo de la flama en combustión del 
bagazo m 
rl Longitud de los codos de los tubos del sobrecalentador m 
vl Altura de la ventana del horno m 
voluml 
Profundidad del volumen que esta anterior del 
sobrecalentador y que ilumina al sobrecalentador m 
csl / 
La distancia entre ejes de tubos de primera hilera y ejes 
de tubos de última hilera en el banco m 
M Parámetro M 
νM 
Factor de corrección de la viscosidad cinemática de 
los gases - 
λM 
Factor de corrección de la conductividad térmica de 
los gases - 
prM 
Factor de corrección del número de Prandtl de los 
gases - 
m Parte del volumen del horno que ocupa los gases que ilumina - 
mcomp
masas relativas de los componentes en las mezclas de 
combustibles kg/s 
n Número de elementos - 
P Presión de los gases del generador de vapor MPa 
p Perímetro m 
Pr Número de Prandtl - 
vaporP Presión promedio del vapor en el sobrecalentador kg/m2
s.vP Presión de vapor sobrecalentado kg/m2
domoP Presión en domo kg/m 
PCI Poder calorífico inferior kJ/kg 
Q Calor Transferido en el sobrecalentador kJ/kg 
aireQ Calor que lleva al horno con el aire caliente kJ/kg 
bagzoQ Calor que se realiza en combustión del bagazo kJ/kg 
combQ Calor que se realiza en combustión del combustóleo kJ/kg 
dispQ Calor disponible en el horno del generador de vapor kJ/kg 
g.vQ 
Calor absorbido por medio de trabajo en el generador 
de vapor kJ/kg 
hornoQ Calor realizado en el horno del generador de vapor kJ/kg 
atomivaporQ − Calor que transfiere el vapor para calentamiento y para atomización del combustóleo kJ/kg 
2q 
Pérdidas de calor en el generador de vapor con los 
gases escape % 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH VI
NOMENCLATURA 
3q 
Pérdidas de calor en el generador de vapor con 
combustión incompleta química % 
4q 
Pérdidas de calor en el generador de vapor con 
combustión incompleta mecánica % 
5q 
Pérdidas en el medio ambiente por enfriamiento 
externo del generador de vapor % 
nr 
Relación volumétrica de vapor y de los gases tri-
atómicos en los productos de la combustión - 
2ROr 
Relación volumétrica de los gases tri-atómicos en los 
productos de la combustión - 
OH2r 
Relación volumétrica de vapor en los productos de la 
combustión - 
s Espesor efectivo del volumen de los gases que iluminan en el horno del generador de vapor m 
1S Paso longitudinal de los tubos del sobrecalentador mm 
2S Paso normal de los tubos del sobrecalentador mm 
aT Temperatura adiabática de los gases en el horno K 
contamT 
Temperara de la superficie externa de los tubos en el 
sobrecalentador del generador de vapor contaminado K 
horno"T Temperatura de los gases a la salida del horno K 
combt Temperatura del combustóleo °C 
domot Temperatura del vapor en domo °C 
s.vt Temperatura de vapor sobrecalentado °C 
vaport Temperatura media del vapor en el sobrecalentador °C 
vaporu Velocidad promedio del vapor en el sobrecalentador m/s 
V Volumen del aire para la combustión estequiométrico de 1 kg de combustible m
3/kg 
0V Volumen del aire para la combustión estequiométrico 
de 1 kg de combustible m
3/kg 
gasV 
Volumen de los productos de la combustión 
estequiométrico de 1 kg de combustible m
3/kg 
OH2
V Volumen del vapor en los productos de la combustión 
estequiométrico de 1 kg de combustible m
3/kg 
0
OH2V 
Volumen agua en productos de la combustión 
estequiométricode 1kg de combustible m
3/kg 
0
N2
V Volumen del nitrógeno en productos de la combustión 
estequiométrico de 1kg de combustible m
3/kg 
2RO
V Volumen de gas tri-atómico en los productos de la 
combustión estequiométrico de 1kg de combustible m
3/kg 
2R
V Volumen de los gases di-atómicos en los productos de 
la combustión estequiométrico 1 kg de combustible m
3/kg 
( )promVc Calor específico promedio de los productos de la combustión en el horno kJ/kg K 
w Velocidad promedio de los gases de combustión en el m/s 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH VII
NOMENCLATURA 
sobrecalentador del generador de vapor 
quemadorX Altura relativa de los quemadores en el horno - 
hornoX Altura relativa del horno - 
lonZ Número de hileras de los tubos en el sobrecalentador - 
 
 
 
 
 
ALFABETO GRIEGO 
 
 
T∆ Temperatura media logarítmica K 
∑ A Áreas de las paredes totales del horno m2
∑L Longitud del serpentín del tubo en el sobrecalentador m 
∑ radH Suma de las superficies radiante en el horno m2
∑m& gastos de bagazo y de combustóleo en mezclas de combustibles kg/s 
 esc gasesα Coeficiente de exceso de aire en los gases de escape - 
aire,p,filα Coeficiente de filtración en el precalentador de aire - 
aire,prα Coeficiente de exceso aire en el precalentador - 
hornoα Coeficiente de exceso de aire en el horno - 
hornoα∆ Coeficiente de filtraciones de aire frió en el horno - 
v.gη Eficiencia térmica del generador de vapor - 
λ Conductividad térmica W/m2 K 
ξ Coeficiente de uso de la superficie de intercambio de 
calor - 
ν Viscosidad cinemática m2/s 
espv 
Volumen específico promedio de vapor en el 
sobrecalentador m
3/kg 
ϕ Coeficiente de conservación de calor en el generador 
de vapor - 
promψ 
Coeficiente de efectividad térmica de las paredes del 
horno promedio - 
ς Coeficiente de contaminación de las paredes horno - 
hornoϑ′ Temperatura de los gases a la salida del horno °C 
gasϑ′ 
Temperatura de los productos de la combustión a la 
entrada del sobrecalentador. 
gasϑ ′′ 
Temperatura de los productos de la combustión a la 
salida del sobrecalentador °C 
 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH VIII
NOMENCLATURA 
ϑ Temperatura promedio de los gases en el sobrecalentador °C 
ε Coeficiente de emisividad de los gases promedio en el horno - 
flamaε Coeficiente de emisividad de la flama - 
lumε Coeficiente de emisividad de los gases tri-atómicos - 
hornoε Coeficiente de emisividad del horno - 
nolumε Coeficiente de emisividad de los gases no luminosos - 
 
 
TESIS DE GRADO ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH IX
RESUMEN 
 
RESUMEN 
 
En esta tesis se realizó el análisis térmico del horno y sobrecalentador de un generador de 
vapor quemando combustóleo y bagazo en condiciones de variación de parámetros de 
operación del generador de vapor marca CERREY del Ingenio San Miguelito perteneciente 
a la ciudad de Córdoba, Veracruz. Estas variaciones de parámetros de operación son: 12 
diferentes mezclas de combustibles, cambio de carga térmica del generador de vapor desde 
60% hasta 100% y cambio de coeficiente de exceso de aire desde 1.10 hasta 1.30. 
 
Se desarrollaron los procedimientos del cálculo térmico del horno y sobrecalentador del 
generador de vapor, también dos procedimientos de cálculos para obtener las 
composiciones másicas de las 12 mezclas de combustibles. Con los procedimientos de los 
cálculos se desarrolló un programa de computo PROG para el análisis térmico del 
generador de vapor. 
 
Se realizaron los análisis térmicos del generador de vapor, usando el programa de cómputo 
en las condiciones de la variación de los parámetros de operación del generador de vapor. 
 
También se obtuvieron las dependencias de las temperaturas de los gases en salida del 
horno del generador de vapor en diferentes condiciones de operación. La temperatura 
máxima de los gases, se realiza en la combustión del combustóleo sin bagazo, con un 
coeficiente de exceso de aire 1.30 y carga térmica 100% (985oC). La influencia máxima de 
la disminución de temperatura de los gases en la salida del horno lo causa la carga térmica. 
 
Se analizaron las dependencias de la temperatura del vapor sobrecalentado en diferentes 
condiciones de operación. La temperatura máxima del vapor sobrecalentado (312oC) se 
realiza en condiciones de operación (mezcla 4) de combustible que contiene máxima 
cantidad de bagazo, carga térmica del generador de vapor 100% y coeficiente de exceso de 
aire 1.20. La variación de regímenes de operación del generador de vapor causa la 
disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado. Se obtuvieron los regímenes de 
operación no recomendables desde el punto de vista del nivel de temperatura del vapor 
sobrecalentado. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH X
ABSTRACT 
 
ABSTRACT 
 
In this thesis was done a thermal analysis in an oven and a superheater in a steam generator, 
by burning fuel oil and bagasse under changing conditions of the parameters of operation 
such as: 12 different mixtures of oil, changing the thermal charge from the steam generator 
from 60 % to 100 % and changing the air excess coefficient from 1.10 to 1.30. 
 
It was developed the procedures of the thermal calculation of the oven and the superheater 
in a steam generator, also two calculations procedures to get the mass compositions of 12 
fuel mixtures. With these calculation procedures was developed a program PROG for 
thermal analysis of the steam generator. 
 
The thermal analysis of the steam generator was done, by using the program in the variation 
conditions of the operational parameters of the steam generator. 
 
Also were gotten the temperature dependences of the gases in the heater exit of the steam 
generator in different operational conditions. The maximum temperature of the gases, it 
was done in the fuel oil burning without bagasse, with an air excess coefficient of 1.30 and 
a thermal charge of 100 % (985ºC). The maximum influence of the decreasing temperature 
of the gases exit from the heater it is caused by the thermal charge. 
 
The dependence of the temperatures from the steam superheated were calculated in 
different operational conditions. The maximum temperature of the steam superheater 
(312ºC) it is done in operational conditions (mixture # 4) of the fuel oil that contains the 
maximum amount of the bagasse, the thermal charge of the steam generator 100% and the 
air excess coefficient 1.20. The variation of the operation in the steam generator cause the 
decrease of the steam temperature in the steam superheated. It was gotten the rules of the 
operation not recommended from the point of view of the steam superheated. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH XI
INTRODUCCIÓN 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El generador de vapor del Ingenio San Miguelito marca CERREY trabaja con dos 
combustibles, combustóleo y bagazo. El Ingenio San Miguelito utiliza el calor del vapor 
para los procesos de producción de azúcar y la producción de electricidad para las 
necesidades de la planta. 
 
El generador de vapor trabajaba con presión de vapor sobrecalentado variable de 1.7 a 
1.9 MPa y una temperatura de 250º C a 280ºC, ocasionando una operación deficiente del 
turbo generador 3, por las bajas temperaturas del vapor sobrecalentado. Esta situación es 
causada por la construcción inicial del sobrecalentador. 
 
Para resolver el problema de la baja temperatura de vapor sobrecalentado, se instaló un 
nuevo sobrecalentador en el generador con mayor superficie de calefacción. Después de la 
instalación la temperatura recomendable del vapor sobrecalentado debe ser mayor de 290 
oC (datos del Ingenio). 
 
La importancia de éste trabajo, es que a través del análisis térmico, se propongan regímenes 
de operación recomendables desde el punto de vista de la temperatura de vapor 
sobrecalentado del generador de vapor, después de la instalación del sobrecalentador.El objetivo de esta investigación es el análisis térmico del horno y sobrecalentador del 
generador de vapor para obtener dependencias de temperatura de vapor sobrecalentado a 
parámetros de operación. 
 
Objetivos particulares: 
- Analizar la composición másica de los 12 combustibles. 
- Analizar gasto de los combustibles (combustóleo y bagazo) 
- Analizar la temperatura de los productos de la combustión a la salida del horno con 
diferentes parámetros de operación 
- Analizar la temperatura de vapor sobrecalentado a la salida del generador con diferentes 
parámetros de operación 
 
Este trabajo está formado por 4 capítulos los cuales se describen a continuación: 
 
En el Capítulo 1, se describe los antecedentes del Ingenio San Miguelito, también se 
menciona el circuito de producción de azúcar y las partes esenciales del generador de vapor 
marca CERREY, así como sus datos técnicos y dibujos del sobrecalentador. 
 
En el Capítulo 2, se desarrolla un procedimiento de cálculo de los gastos de los 
componentes de las mezclas de combustibles y el procedimiento del cálculo de la 
composición másica de las mezclas. Se desarrolla los procedimientos de los cálculos 
térmicos del horno y sobrecalentador del generador de vapor. También en este capítulo se 
presenta la descripción del programa de cómputo PROG que se realizó para el análisis 
térmico del generador de vapor. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH XII
INTRODUCCIÓN 
 
En el capítulo 3, se presenta los resultados realizados en base a los procedimientos de los 
cálculos desarrollados, con los cambios de parámetros de operación del generador de vapor. 
Estos cálculos están realizados bajo las siguientes condiciones de operación: combustible 
(combustóleo 0% de vapor para calentamiento y atomización), carga térmica 100% y 
coeficiente de exceso de aire 1.20. Así mismo se presenta el cálculo del gasto del 
combustible (combustóleo) para tres contenidos de vapor para calentamiento y atomización 
del combustóleo (0%, 5% y 10% de la masa total del vapor y combustóleo) y el cálculo de 
la composición másica de la mezcla de combustibles. 
 
En el capitulo 4 se analiza las composiciones másicas, gastos de componentes de las 
mezclas de combustibles y productos de la combustión de las mezclas de combustibles. Así 
mismo en este capitulo se presenta los análisis térmicos del horno y sobrecalentador en 
condiciones de variación de parámetros de operación del generador de vapor. 
 
Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH XIII
 
 
FUNDAMENTOS GENERALES 
 
 
 
CAPITULO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se describe los antecedentes del Ingenio 
San Miguelito, también se menciona el 
circuito de producción de azúcar y las 
partes esenciales del generador de vapor 
marca CERREY, así como sus datos 
técnicos y dibujos del sobrecalentador. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.1. INGENIO SAN MIGUELITO 
 
La ubicación del Ingenio San Miguelito se encuentra situado en la ciudad de Córdoba 
Veracruz con domicilio Km. 2 carretera Córdoba-Amatlán, Congregación Buena Vista 
(figura 1.1). 
 
 
Figura 1.1 Ubicación del Ingenio San Miguelito. 
 
 
 
1.2. PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DEL AZUCAR 
 
La caña de azúcar es la materia prima del ingenio, una vez de que la caña es cortada, debe 
de ser transportada lo más pronto posible al ingenio para evitar el deterioro y mientras se 
tenga mejor materia prima se tendrá un mejor producto. El ingenio tiene cinco áreas o 
departamentos: Departamento de batey; Departamento de extracción de jugo (molinos); 
Planta eléctrica; Departamento de elaboración; Departamento de calderas. 
 
 
1.2.1. DEPARTAMENTO DE BATEY 
 
En este departamento se pesa y se prepara la caña. El pesado de la caña sirve para saber que 
tanto de materia prima esta entrando. 
 
La preparación es un proceso en el cual la caña sufre transformaciones sin extraerle jugo, 
físicamente consiste en el quebrantamiento de la caña. Las técnica modernas demuestran 
que mientras mejor preparada llegue la caña a los molinos mayor extracción de sacarosa se 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 1
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
obtendrá, esta preparación se lleva a cabo haciendo pasar la caña primero por cuchillas 
picadoras que la hacen pequeños trozos y después por una desfibradora que como su 
nombre lo indica la desfibra dejándola preparada para poder ser alimentada a los molinos. 
 
 
1.2.2. DEPARTAMENTO DE EXTRACCIÓN (MOLINOS) 
l molino de la caña consiste en hacerla pasar por unos rodillos dispuestos de tal manera 
e los molinos salen por un lado el jugo rico de caña llamado jugo mezclado el cual es 
na parte del bagazo se utiliza como combustible junto con el combustóleo y la otra se 
.2.3. DEPARTAMENTO DE ELABORACIÓN 
espués del tratamiento preliminar el jugo mezclado es enviado a las básculas de jugo para 
e puede considerar que el proceso consta de los siguientes pasos: Clarificación; 
 
1.2.3.1. Clarificación. 
l jugo mezclado, una vez pesado pasa directamente al departamento de clarificación, el 
ara la clarificación del jugo se emplea cal y polielectrolitos como cuagulantes (polímeros 
as sustancias que se agregan al jugo tienen como finalidad formar un precipitado que se 
 
E
que los comprimen para extraerle el jugo, cada molino consta de tres molinos y están en 
serie de 5 molinos formando lo que se llama tandem de molinos. 
 
D
mandado a proceso para la elaboración de la azúcar y por otro lado sale el bagazo que es el 
residuo fibroso unido al jugo residual que es lo que queda de la caña una ves que se le a 
extraído la mayor cantidad de jugo. 
 
U
envía a la planta desmeduladora donde se separa la fibra corta de la larga, la fibra corta se 
retorna al ingenio para ser alimentadas las calderas como combustible y la fibra larga es 
enviada como materia prima a la fabrica de papel de Kimberly Clark de México cuya planta 
esta en Orizaba, Ver. 
 
 
1
 
D
ser pesado, este paso es muy importante porque allí se determina la cantidad de jugo que se 
obtuvo de la caña y entra en proceso. 
 
S
Sulfatación Evaporación; Cristalización; Centrifugación; Secado y envase; Manejo de 
azúcar 
 
E
objetivo primordial de este departamento es eliminar la mayor cantidad de impurezas del 
jugo, lo que se logra agregándole algunos productos químicos en frío seguido de un 
calentamiento que ayuden a las sustancias químicas que se llevan a cabo. 
 
P
sintéticos) un agente muy importante es el calor que debe de ser bien controlado. 
 
L
sedimenta en dispositivos especiales a donde se hace llegar el jugo después de calentarlos a 
100 y 105 oC los aparatos que se usan para este fin son los clarificadores continuos. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 2
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
Estos dispositivos por sedimentación separan el precipitado o los lodos residuales en el 
fondo y el jugo limpio por la parte superior, a estos lodos se le llama (cachaza) y al jugo 
limpio jugo clarificado. 
 
Para la fabricación del azúcar estándar se recurre al empleo de SO2 a esto se le llama 
sulfatación. 
 
1.2.3.2. Sulfatación 
 
El SO2 se obtiene quemando azufre en un horno estacionario y llevando al SO2 a una torre 
de acero inoxidable donde se pone en contacto en contra corriente con el jugo mezclado. 
 
La cachaza se extrae con bombas especiales y es enviada a los filtros de cachaza donde se 
desendulza mediante lavado con agua caliente al vacío el residuo semisólido (cachaza 
húmeda) se recoge en camiones de volteo para incorporarse al campo y el liquido dulce 
(jugo filtrado) se incorpora al proceso que es evaporación.1.2.3.3. Evaporación 
 
En este departamento se lleva acabo la separación de la mayor cantidad de agua que 
contiene el jugo clarificado; la elaboración de azúcar consiste en dos grandes pasos: 
Purificar el jugo de la caña; Concentrarlos hasta que aparezcan los granos del azúcar 
 
De una manera aproximada el jugo claro contiene 85% de agua y 15% de sólidos y es 
necesario eliminar una cantidad de agua tal que la concentración de sólidos llegue a 60% o 
más. 
 
Esta operación o proceso se lleva a cabo en aparatos de un diseño especial mediante la 
aplicación de calor que se llaman evaporadores. 
 
Un cuerpo de evaporación consta básicamente en una cámara de calefacción que esta 
formada por dos placas de hierro con barrenos coincidentes que se llaman espejos en los 
cuales se forman tubos de cobre formando un haz de tubos sellados por los espejos y cuyo 
conjunto recibe el nombre de calandria, en la parte de abajo se encuentra el fondo del 
evaporador que hace hervir el jugo dentro de los tubos, la evaporación generada al hervir el 
jugo pasa a otro cuerpo de evaporación ya que el sistema esta formado por 4 cuerpos en 
serie de tal manera que el primer cuerpo se le suministra vapor a las evaporaciones 
producidas al hervir el jugo se canalizan y sirven como vapor de calefacción para el 
siguiente, a esto se le llama revaporización de cuádruple efecto. 
 
En esta forma las evaporaciones del primer cuerpo pasan al segundo, las evaporaciones del 
segundo cuerpo pasan al tercero y las evaporaciones del tercero pasan al cuarto cuerpo de 
evaporación y la evaporación de este ultimo pasa a condensado con el cual se forma el 
vacío que se requiere para que el sistema de evaporación funcione. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 3
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
El jugo a su vez va pasando de un cuerpo a otro y como va sufriendo evaporaciones se va 
concentrando y, al ser extraído del último cuerpo ya es una solución concentrada que se 
llama “meladura” o jarabe. 
 
1.2.3.4. Cristalización. 
 
La mayor recuperación de sacarosa se obtiene por la cristalización, proceso que se efectúa 
en los tachos, que es un evaporador simple donde se alimenta la meladura o mieles de 
primera o segunda, y se continua alimentándoles agua hasta que aparecen los cristales de 
azúcar, la evaporación se lleva a cabo en vacío, para que no se alcancen altas temperaturas 
y evitar pérdidas de sacarosa, formación de color y abatir el tiempo de operación. 
 
Una vez formados los granos, los tachos se siguen alimentando con el material indicado y 
bajo condiciones previstas de tal manera que ya no se forme más cristales y los existentes 
se sigan desarrollando hasta que el tacho se llene y lleguen al tamaño deseado, entonces se 
deja de alimentar el tacho y se prepara para descargar la templa. 
 
Para elaborar el azúcar estándar se emplea el sistema de tres templas; con este sistema se 
elaboran tres templas, una templa “A” con la que se obtiene el azúcar comercial miel “A” 
se elabora intermedia templa de “B” con la que se obtiene azúcar de “B” en la cual se 
mezcla con la meladura y se usa como pie de templa “A” y miel de “B”, con la miel de “B” 
se alimenta las templa de “C” o de agotamiento nos da azúcar de “C” que mezclada con 
miel de “A” se forma una magma que se emplea como pie de templa de “B” y la miel 
incristalizable o miel final se vende como materia prima para la fabricación de alcohol o 
para la fabricación de levadura. 
 
1.2.3.5. Centrifugación. 
 
En este departamento se separan los cristales de azúcar y la miel madre; los tachos 
descargan la templa de “A” en el mezclador de “A” y las templas de “B” en el mezclador 
de “B” de donde se alimenta a las centrífugas, que son los equipos usados para llevar a cabo 
esta separación. 
 
Una centrífuga consiste en un tambor perforado (canasta) que gira sujetado de una flecha 
vertical, la canasta dentro de una carcasa fija metálica que recoge las mieles expulsadas por 
la fuerza centrífuga; dentro de la canasta se coloca una lamina perforada de acero 
inoxidable que es la que retiene los cristales de azúcar y permite el paso de la miel madre, 
esta ultima tiene de sostén una malla de alambre de latón que permite un drenaje más 
rápido de las mieles. 
 
La operación de este equipo es de la siguiente manera, se pone en movimiento la centrífuga 
y a baja velocidad se admite la carga de masa cocida, la cual se distribuye dentro de la 
canasta por la fuerza generada debido a la rotación de la canasta, un palpador automático 
cierra la compuerta de alimentación, una vez que se ha llenado la canasta automáticamente 
aumenta la velocidad para que se inicie la centrifugación o purgado hasta que los granos de 
azúcar sean despojados de la mayor cantidad posible de miel, después de lo cual se procede 
a un lavado de los cristales con cierta cantidad de agua, una vez que se ha lavado el azúcar, 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 4
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
se continua girando para que se separe el agua sobrante adherida al grano, inmediatamente 
después se descarga la maquina a un conductor que transporta el azúcar húmeda al 
departamento de secado y envase. 
 
1.2.3.6. Secado y envase. 
 
El secado y el envase se encuentran en la misma área. El azúcar tal como sale de las 
centrífugas, lleva adherida una película de agua, la cual es retirada haciendo pasar el azúcar 
por un tambor giratorio (secador de azúcar) ligeramente inclinado, al cual se le hace 
circular aire caliente en contracorriente con el azúcar, separando todos los conglomerados 
(terrones de azúcar) que suelen formarse en la centrífugas. 
 
Una vez seca el azúcar, es conducida por elevadores especiales a las tolvas de 
almacenamiento en donde por gravedad se va tomando de una manera automática para ser 
pasada y envasada en sacos de 50 kilos. 
 
1.2.3.7. Manejo de azúcar. 
 
En esta parte del proceso se controla la producción, distribución y almacenamiento de 
azúcar. Esta se maneja en sacos de polipropileno de 50 kilos. 
 
 
1.2.4. DEPARTAMENTO DE PLANTA ELÉCTRICA 
 
Su función es generar la energía eléctrica en la planta de fuerza para el funcionamiento de 
los equipos eléctricos como son motores, alumbrado, sistemas de control, etc. 
 
El objetivo de este departamento es generar un voltaje de 440 V, y distribuirlo a toda la 
planta por medio de un bus general del cual salen los 15 diferentes circuitos a las áreas de 
proceso, cada uno con su interruptor localizado en la misma planta de fuerza. 
 
La demanda de energía del ingenio durante la operación máxima es de 4100 kW, esta 
energía es suministrada por 2 turbo generadores de energía eléctrica, los cuales son 
accionados por medio de turbinas de vapor. 
 
Cuando hay alguna variante de las condiciones de vapor para accionar a las turbinas, se 
presenta una variación en el ciclaje de generación de energía eléctrica provocando con ello 
sacar de línea el turbo generador de energía eléctrica. Para no dañar el mismo equipo, como 
consecuencia se tiene un paro del proceso de elaboración de azúcar por falta de suministro 
de energía eléctrica a los equipos de electrónicos. 
 
Es responsabilidad del personal del área de eléctrica, vigilar que la generación de dicha 
energía cumpla con los parámetros establecidos, resolver los problemas que se presenten en 
un tiempo y forma para evitar paros en la producción, proponer y ejecutar acciones para 
mejorar el funcionamiento de la planta de fuerza. 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 5
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.2.5. DEPARTAMENTO DE CALDERAS 
 
En este departamento se recibe una parte del bagazo de fibra larga y todo el bagazo de fibra 
corta, que junto con el combustóleo sirve como combustible para la operaciónde las 
calderas. 
 
Este departamento es el responsable de generar el vapor necesario para la operación para 
los demás departamentos, por ejemplo, el vapor es necesario para impulsar las turbinas que 
mueven a los molinos, es necesario para que trabajen los turbo generadores, se utilizan en 
los evaporadores, para el secado de la azúcar, etc. 
 
Como se puede notar este es el departamento mas importante, ya que si este no funciona los 
demás departamentos no pueden trabajar, es por eso que al iniciar la zafra es el primero que 
comienza a funcionar y el ultimo en parar al terminar la misma. 
 
 
 
1.3. DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DE VAPOR DEL INGENIO 
SAN MIGUELITO MARCA CERREY 
 
En la actualidad en el Ingenio San Miguelito cuenta 5 generadores de vapor. El generador 
de vapor que se estudia es el número 5, marca CERREY, el tipo de caldera es Drum. El 
generador de vapor tiene una capacidad de 17.35 kg/s consta de dos domos: uno superior y 
otro inferior, a la salida del horno se ubica el sobrecalentador de vapor. Para calentamiento 
y atomización del combustóleo se utiliza vapor con los siguientes parámetros P= 22 bar y 
T= 300°C. Para aprovechar el bagazo de la caña como combustible, el horno inferior de la 
caldera esta construido de tal manera que éste pueda quemar bagazo que corresponde a 
30% de calor suministrado al horno. 
 
 
1.3.1 PARTES ESENCIALES DEL GENERADOR DE VAPOR MARCA CERREY 
DEL INGENIO SAN MIGUELITO 
 
Las partes esenciales del generador son [2]: caldera; horno; domo superior; domo 
inferior; paredes de tubos de agua; sobrecalentador de vapor; mamparas; precalentador de 
aire; chimenea; ventilador inducido; ventilador forzado; sopladores de hollín; bomba de 
agua de alimentación; reguladores de agua; separadores de vapor; quemadores de 
combustibles líquidos; válvula de seguridad; válvulas de purga. 
 
1.3.1.1. Caldera 
 
La caldera es una parte del generador de vapor en la que se genera la vaporización. Es 
decir, el cambio de estado líquido a vapor. 
 
Su función principal es hacer que los productos de la combustión que vienen del horno a 
una temperatura elevada, comuniquen su calor al fluido que está dentro de la caldera. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 6
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.3.1.2. Horno 
 
Es el lugar en donde se efectúa la combustión, es decir, donde se unen el combustible y el 
aire y se produce la combustión. El calor liberado pasa a través de la caldera por radiación 
y convección, produciendo ebullición del agua. Esta formado por paredes y bóveda, que se 
encierra en la parte metálica de los tubos de paredes de agua, cabezales etc. Tiene varias 
entradas para bagazo, petróleo y aire (figura 1.2). 
 
 
Figura 1.2 Horno del generador de vapor. Vista inferior. 
 
 
1.3.1.3. Domo superior 
 
Es un cilindro metálico, de tapas cóncavas donde parten y donde regresan los tubos (figura 
1.3), su función es circular el agua y separar el vapor. El vapor pesa menos a modo que es 
empujado por el agua que existe en el domo y se va calentando para establecer una 
circulación de agua y vapor. 
 
 
Figura 1.3 Domo superior del generador de vapor 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 7
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.3.1.4. Domo inferior 
 
Cilindro de entradas cóncavas, que recibe los tubos del domo superior para establecer la 
circulación del agua y colectar la sedimentación de lodos (figura 1.4). 
 
 
Figura 1.4 Domo inferior del generador de vapor 
 
 
1.3.1.5. Paredes de tubos de agua 
 
El interior de las paredes del horno esta cubierto parcial o totalmente con tubos, por el 
interior circula el agua de la caldera (figura 1.5). Su finalidad es proteger el material 
refractario de lo que están hechos los hornos, contra la radiación del calor del horno. 
 
También aumenta el área de transferencia de calor, esto indica que existe más superficie de 
transferencia de calor en contacto con los gases, para extraer más calor a estos. 
 
 
Figura 1.5 Paredes de tubos de agua del generador de vapor 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 8
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.3.1.6. Sobrecalentador de vapor 
 
El sobrecalentador es un dispositivo que tiene como objetivo sobrecalentar el vapor que 
sale de la caldera, antes de que pase a la turbina. El sobrecalentador de vapor consta de un 
conjunto de tubos arreglados en serie y paralelo (figura 1.6), por el interior de los tubos 
circula vapor y por el exterior circulan los productos de la combustión. Las ventajas 
obtenidas por un sobrecalentador de vapor son: el rendimiento termodinámico del ciclo de 
la planta aumenta y el desgaste de los alabes en las turbinas disminuye. 
 
La forma en que están doblados los tubos depende del lugar en que se vaya a instalar dentro 
de la caldera. Sobrecalentadotes absorben calor por convección y por radiación. 
 
 
Figura 1.6 Sobrecalentador del generador de vapor 
 
 
1.3.1.7. Precalentador de aire 
 
Es un aparato que calienta aire de la combustión que entra al horno por medio de los 
productos de combustión. 
 
El precalentador de aire de tipo tubular, es un aparato que consta de un conjunto de tubos 
relativamente delgados, por el interior de los cuales pasan los productos de la combustión y 
por el exterior de los mismos el aire para la combustión, de esta forma los gases ceden el 
calor al aire por convección a través de las paredes metálicas de los tubos. 
 
 
1.3.1.8. Mamparas 
 
Son paredes de material refractario (resistente al calor) se colocan entre los tubos para 
dirigir el paso de los gases aprovechando su temperatura (figura 1.7). 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 9
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
Figura 1. 7 Mampara 
 
 
1.3.1.9. Chimenea 
 
Es el ducto por el cual se desalojan los gases de combustión a un lugar conveniente (figura 
1.8) además cumple con ser un sistema de dispersión de contaminantes. 
 
 
Figura 1. 8 Chimenea 
 
1.3.1.10. Ventilador inducido 
 
Es necesario que el ventilador inducido (figura 1.9) produzca en la chimenea un tiro o 
extracción de los gases del generador de vapor ya que de otro modo la cámara de la 
combustión se llenaría de humo y se apagaría. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 10
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
 Figura 1.9 Ventilador tiro inducido 
 
1.3.1.11. Ventilador forzado 
 
En el generador de vapor se utiliza un ventilador forzado para así poder empujar el aire a 
través de horno y ductos hasta la chimenea donde se desalojan los gases. En esta instalación 
se usa los dos tipos de ventiladores el forzado (figura 1.10) y el inducido para garantizar el 
transporte de aire-gases. 
 
 
Figura 1.10 Ventilador tiro forzado. 
 
 
1.3.1.12. Sopladores de hollín 
 
La acumulación de hollín o escoria tienen que ser removidas al máximo por medio de 
sopladores (figura 1.11). Los sopladores de hollín son aparatos que lanzan chorros de 
vapor para limpiar la superficie de transferencia de calor, siendo éstos más utilizados en la 
sección de conversión y calentamiento. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 11
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
 
 
 Figura 1.11 Sopladores de hollín. 
 
1.3.1.13. Bomba de agua de alimentación 
 
La función de la bomba de agua de alimentación es poder introducir el agua, la cual ejerce 
una presión ligeramente superior a la contenida en la caldera (figura 1.12). El agua añadida 
en la caldera debe ser proporcional a la producción de vapor. 
 
 
Figura1.12Bomba de agua de alimentación. 
 
 
1.3.1.14. Regulador de agua o de nivel 
 
El objetivo del regulador (figura 1.13) es mantener el agua que inyecta en un nivel 
determinado de acuerdo con la producción de vapor, estos equipos mantienen el nivel 
siempre fijo. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 12
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
Figura 1.13 Regulador del nivel en domo. 
 
1.3.1.15. Separadores de vapor 
 
Los separadores de vapor llamados comúnmente trampas (ver figura 1.14), tienen por 
objetivo el separar el vapor condensado dejando en libertad el vapor seco. Se llama 
condensado, al vapor convertido en agua 
 
El separador de paso continuo, está compuesto de un depósito o cámara cilíndrica en cuyo 
interior existe una aleta o mampara. La mampara esta instalada de tal forma que el vapor 
procedente de una dirección, choca sobre ella, cayendo por gravedad el condensado, 
continuando el vapor seco por la dirección opuesta. Generalmente los separadores de vapor 
se instalan en las líneas de vapor, cerca de las máquinas que necesitan vapor seco. 
 
 
Figura 1.14 Separador de vapor externo tipo ciclón. 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 13
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.3.1.16. Quemadores de combustibles líquidos 
 
Es un mecanismo para calentar y atomizar el combustible. Un quemador de combustóleo 
consta de un tubo o boquilla que termina en uno de sus extremos en forma de esprea y por 
el otro extremo tiene las conexiones para las líneas de combustible y del vapor (figura 
1.15). 
 
Este quemador trabaja de la siguiente forma: el vapor arrastra el combustible líquido a 
través de toda la longitud del tubo o boquilla, durante ese trayecto el combustible es 
calentado y atomizando, saliendo por las boquillas en forma de esprea (niebla) y combinado 
con el aire. 
 
Los quemadores de combustóleo pueden dividirse en: quemadores con calentamiento y 
atomización de combustóleo por vapor y quemadores de atomización de combustóleo 
mecánicos. Los dos necesitan de una boquilla para convertir el combustible en una niebla 
fina. 
 
 
Figura 1.15 Quemador de combustóleo. 
 
 
 
1.3.1.17. Válvulas de seguridad 
 
Es necesario dotar a la caldera de un dispositivo de protección que prevenga el aumento de 
presión (más alta que la presión de diseño). 
 
 
Válvulas de seguridad de disparador (para calderas de vapor) cuando la presión alcanza un 
punto predeterminado, la válvula se dispara quedando completamente abierta y 
permaneciendo así hasta que baja nuevamente la presión (figura 1.16). 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 14
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
 Figura 1.16 Válvula de seguridad del generador de vapor. 
 
 
 
1.3.1.18. Válvulas de purga de domo inferior 
 
Las purgas tienen como función eliminar los sedimentos de las sales insolubles. El agua de 
alimentación es sometida a un tratamiento previo para remover todas las impurezas que 
hacen duros estos sedimentos. Los sedimentos son eliminados por medio de la purga que 
tiene que efectuarse periódica o continuamente (figura 1.17). El agua caliente se convertirá 
en vapor inmediatamente como se libere la presión, se acostumbra a condensar este vapor 
y enfriar el agua de la purga antes de descargarla. 
 
 
 Figura 1.17 Líneas y válvulas de purga de domo inferior. 
 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 15
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.4. COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN EL GENERADOR DE 
VAPOR DEL INGENIO SAN MIGUELITO. 
 
Al material que puede quemarse para liberar energía calorífica se le denomina combustible, 
su aprovechamiento debe ser tecnológico y económicamente racional. Los combustibles 
que se usan regularmente en calderas y generadores de vapor en la industria azucarera: son 
los derivados del petróleo y el bagazo de azúcar [3]. 
 
Existe un elevado potencial de recursos de la biomasa provenientes de la agroindustria 
azucarera. La biomasa posee características que permiten catalogarla como buen 
combustible. Usando adecuadamente la biomasa cañera (bagazo y residuos agrícolas 
cañeros) y con la implantación de nuevas tecnologías, se incrementa la eficiencia en la 
generación eléctrica en la industria azucarera y se reduce la contaminación ambiental. 
 
En el Ingenio San Miguelito utilizan dos combustibles en el generador de vapor que son: 
combustóleo y el bagazo de caña. 
 
 
1.4.1. COMBUSTÓLEO. 
 
El combustóleo es un combustible pesado que procede de los residuos obtenidos de la 
refinación del petróleo crudo. El combustóleo es comúnmente usado como combustible en 
calderas de los ingenios azucareros, principalmente en lugares donde es muy abundante. 
Las ventajas al utilizar el combustóleo son: se maneja con facilidad; se controla la cantidad 
de combustóleo quemado fácilmente y de acuerdo con la demanda de vapor que tiene la 
caldera; hay pocas pérdidas por combustible no quemado; se necesita relativamente poco 
exceso de aire para quemarlo; casi no deja ceniza como residuo. 
 
Sus desventajas importantes son su alto contenido de azufre y vanadio, los cuales son 
dañinos desde punto de vista del deterioro de equipo y del medio ambiente. Debe 
entenderse que la composición del combustóleo varía de región a región. En la tabla 1.2 se 
da la composición química del combustóleo. 
 
 
1.4.2. BAGAZO DE AZÚCAR COMO COMBUSTIBLE. 
 
Los residuos de la caña de azúcar a la que se ha extraído el jugo, se le conoce con el 
nombre de bagazo. Esta extracción se efectúa en el proceso de fabricación de los ingenios 
de azúcar, donde la caña es triturada por desmenuzadoras y exprimida en los molinos. El 
bagazo es fibroso, tenaz y voluminoso. La composición química del bagazo de caña se 
puede encontrar en la tabla 1.2. 
 
El bagazo de caña se ha convertido una prioridad energética de los ingenios azucareros, a 
partir de la disminución real de la disponibilidad de combustibles derivados del petróleo. 
En la actualidad el bagazo de caña se ocupa como combustible, donde se ha quemado para 
ahorrar combustóleo. Características fundamentales del bagazo son: su baja densidad y un 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 16
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
alto contenido de humedad en las condiciones en que se encuentran se obtienen del proceso 
de molienda de caña. 
 
 
 
1.5. CIRCUITO DE VAPOR EN LA PLANTA DEL INGENIO SAN 
MIGUELITO 
 
Figura 1.18 se muestra el cirquito del vapor en ingenio. 
 
 
BO
M
BA
 3 
 
CALDERA 
PAQUETE
CALDERA 5
SE
CA
DO
R
IN
YE
CT
OR
ES
RE
LL
EN
O
BO
M
BA
 2
BO
MB
A 
1
M
OL
IN
O 
3
M
OL
IN
O 
4
M
OL
IN
O 
5
CALDERA 4CALDERA 3
BOMBA 3
DESFIBRADORA 
CUCHILLAS 3
CUCHILLAS 2
M
OL
IN
OS
 1
M
OL
IN
OS
 2
 
TURBO 2
TURBO 3
TURBO 1
 
Figura 1.18 Diagrama del circuito del vapor del Ingenio, San Miguelito. 
 
 
 
El generador de vapor No. 5 alimenta con vapor a los molinos 2, 3, 4 y 5, también abastece 
al turbina numero 3. En esta figura se observa que los generadores de vapor 3 y 4 abastecen 
a las cuchillas 2, 3, la desfibradora, turbina 1, 2, bomba 3 y el molino 1. 
 
En esta figura se observa también como circula el vapor de la caldera 3 y 4, abastece vapor 
para cuchillas 2,3 y desfibradora, también abastece con vapor para el turbo generador 1,2 y 
bomba 3, al igual para el molino 1 
 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 17
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.6. ANTECEDENTES DEL GENERADOR DE VAPOREl generador de vapor No. 5 generaba vapor con presión variable de 17.5 a 19.5 bar) con 
una temperatura variable de 250º C a 280ºC que ocasionaba una operación deficiente del 
turbo generador 3 por las bajas temperaturas del vapor, por lo tanto reducía la capacidad de 
la turbina y de la generación de electricidad, además de causar erosión en los álabes de la 
turbina. 
 
El problema de la baja temperatura de vapor en salida del generador de vapor era originado 
por la baja superficie de calefacción anterior del sobrecalentador. La caída excesiva de 
presión en el vapor, es causado por la escasa área de paso de vapor, al contar únicamente 
con 26 elementos de 2” para el paso del vapor. Los puntos anteriores generan una operación 
deficiente del turbogenerador 3, mismo que necesita de una mayor temperatura y presión 
para operar. Temperatura recomendable del vapor sobrecalentado debe ser mayor de 290 
oC. 
Tabla 1.1 Parámetros de operación (anterior) 
 
Conceptos Máximo Mínimo 
Generación de vapor (ton/hr) 65.7 49.9 
Temperatura de vapor (°C) 280 250 
Presión en domo (bar) 22.5 22.5 
Presión en salida de sobrecalentador (bar) 19.5 17.5 
Caída de presión del vapor (bar) 4.92 3.16 
 
 
 
1.7. DATOS DEL GENERADOR DE VAPOR MARCA CERREY DE 
62.5 ton/h 
 
Marca Cerrey 
Tipo de caldera Circulación natural 
Tipo de horno Combustión en volumen 
del horno 
Porcentaje de carga 100% -60% 
Temperatura de ambiente 30°C 
 
 
Dimensiones del horno para la combustión del combustóleo 
 
Pared lateral Pared frontal y posterior 
 
Ancho entre ejes = 4.854 m Ancho entre de tubos = 5.892 m 
Número de tubos = 47 Número de tubos = 59 
Paso de los tubos =0.105 Paso de los tubos =0.105 
Diámetro de los tubos = 0.0763 m Diámetro de los tubos =0.0763 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 18
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
Área de la pared lateral Área de la pared frontal y posterior 
Ap.l= 57.587 m2 Ap,f= 97.418 m2
 Ap,p= 39.97 m2 
 
Área de la ventana para salida de los productos de la combustión Av= 26.92 m2 
Volumen del horno Vhorno = 339.14 m3 
 
Dimensiones del horno para la combustión del bagazo 
 
Área de las paredes del horno de la combustión del bagazo ∑ = 2bagazo m100A 
Volumen del horno para la combustión del bagazo ∑ = 3bagazo m76V 
 
Tabla 1.2. Composición másica del combustóleo y bagazo 
combustóleo bagazo Composición másica 
Símbolo % símbolo % 
Carbono C 85.2 81.14 77.45 C 23.4 
Hidrógeno H 11 10.48 10.00 H 2.8 
Nitrógeno N 0.4 0.38 0.36 N 0.3 
Azufre O 0 0.00 0.00 O 0.00 
Cenizas S 3.4 3.24 3.09 S 1.7 
Oxígeno Z 0 0.00 0.00 Z 19.8 
Agua (humedad) W 0 4.76 9.09 W 52.0 
 
Tabla 1.3. Condiciones del generación de vapor 
Condición Temperatura 
(°C) 
Presión 
 (bar) 
Gasto 
 (kg/s) 
Agua de alimentación 115°C 23 18.26 
Domo 218 23 
Vapor sobrecalentado 316 21.5 17.35 
Vapor atomización del combustóleo 300 22 
Purga 0.91 
Aire frío 30 
Aire caliente 205 
Gases escape en el precalentador 205 
 
Tabla 1.4. Coeficientes de excesos de aire en le generador de vapor 
Coeficiente de exceso de aire Valor 
Horno (αhorno) 1.20 
Gases de escape (αGases,escape) 1.26 
Quemador (αQuemador) 1.13 
Filtración de aire en horno (αFil,horno) 0.07 
Filtración de aire en el precalentador ( αFil,pre,aire) 0.06 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 19
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
1.8. PARÁMETROS DEL SOBRECALENTADOR INSTALADO EN EL 
GENERADOR DE VAPOR DEL INGENIO SAN MIGUELITO MARCA 
CERREY 
 
Después de unos años de operación de generador de vapor con el sobrecalentador con baja 
área de calefacción se instaló un nuevo sobrecalentador en el generador de vapor marca 
CERREY del Ingenio San Miguelito. El sobrecalentador nuevo que se instaló tiene mayor 
área de calefacción, aumentado el número de elementos paralelos de 26 a 56 (figura 1.19 -
1.23). 
 
Condiciones de diseño. 
 
Presión de domo: 23 bar 
Presión a la salida del s/c 22 bar 
Vapor saturado 221 oC (431 oF) 
Vapor sobrecalentado 320 oC (608 oF) 
Flujo de vapor a carga máxima. 18.27 kg/s (145,000 lb/hr) 
 
La temperatura de gases de combustión a la entrada del sobrecalentador deberá 
considerarse de: 900 oC (1652 oF) 
 
Dimensiones del sobrecalentador instalado 
 
Sección libre para los gases en el sobrecalentador (ver figura 1.20-1.24) 
 
Primera hilera de tubos del sobrecalentador 
 
Altura de la ventana lv = 4.569 m 
Ancho de la ventana av = 5.817 m 
Altura de primera hilera de tubos Lv = 4.393 m 
 
Segunda hilera de tubos del sobrecalentador 
 
Altura de la ventana lv = 4.503 m 
Ancho de la ventana av = 5.817 m 
Altura de la segunda hilera de tubos Lv = 4.215m 
 
Tercera hilera de tubos del sobrecalentador 
 
Altura de la ventana lv = 4.446m 
Ancho de la ventana av = 5.817m 
Altura de tercera hilera de tubos Lv = 4.075m 
 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 20
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
Cuarta hilera de tubos del sobrecalentador 
 
Altura de la ventana lv=4.398m 
Ancho de la ventana av=5.817 
Altura de la cuarta hilera Lv=4.282 m 
 
 
Sección transversal del ducto ocupado por los tubos del sobrecalentador 
 
Elemento 1 Elemento 2 Elemento 3 Elemento 4 
mml
l
r
r
 5.267
15.85
mm 85.15 R
mm 4332 L1
=
⋅=
=
=
π
 
mml
l
r
r
 5.267
15.85
mm 85.15R
mm 4097L2
=
⋅=
=
=
π
mml
l
r
r
 5.267
15.85
mm 85.15R
mm 3957L3
=
⋅=
=
=
π
 mm 3957L4 = 
 
Número de elementos por hilera 56 
Diámetro exterior del sobrecalentador 0.0508 mm 
Diámetro interior del sobrecalentador 0.042 mm 
 
 
Sección transversal del ducto para el paso de los gases 
5817mm
45
69
m
m
43
93
m
m
5613mm
 
Figura 1.19. Primera hilera de tubos del sobrecalentador 
en el ducto del generador de vapor. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 21
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
42
15
m
m
5613mm
45
03
m
m
5817mm
 
Figura 1.20. Segunda hilera de tubos del sobrecalentador 
en el ducto del generador de vapor. 
40
75
m
m
5817mm
44
46
m
m
5613mm
 
Figura 1.21. Tercera hilera de tubos del sobrecalentador 
en el ducto del generador de vapor. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 22
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
43
98
m
m
42
82
m
m
5613mm
 
Figura 1.22. Cuarta hilera de tubos del sobrecalentador 
 en el ducto del generador de vapor. 
42
82
m
m
40
75
m
m
42
16
m
m
43
94
m
m
 
Figura 1.23. Sobrecalentador de los 4 pasos (hileras). Vista lateral a la sección longitudinal del ducto del 
sobrecalentador. 
 
 
En este capitulo se presentaron las condiciones que se encuentra el generador de vapor 
marca Cerrey del Ingenio San Miguelito. En el siguiente capitulo se presenta el 
procedimiento de calculo térmico del horno y sobrecalentador del generador de vapor y la 
descripción del programa de computo PROM para el calculo. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 23
 
PROCEDIMIENTOS DE LOS 
CÁLCULOS TÉRMICOS DEL HORNO Y 
SOBRECALENTADOR 
 
 
CAPITULO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se desarrolla un procedimiento de cálculo 
de los gastos de los componentes de las 
mezclas de combustibles y el 
procedimiento del cálculo de la 
composición másica de las mezclas. Se 
desarrolla los procedimientos de los 
cálculos térmicos del horno y 
sobrecalentador del generador de vapor. 
También en este capítulo se presenta la 
descripción del programa de cómputo 
PROG que se realizó para el análisis 
térmico del generador de vapor. 
. 
 
 
 
 
.CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
2.1. DETERMINACIÓN DEL GASTO DEL COMBUSTIBLE. 
 
La ecuación (2.1) se utiliza para obtener el gasto del combustóleo [6,7]. Ya que 
posteriormente con relaciones de gastos del combustóleo y el bagazo, se encuentran el 
gasto de la mezcla combustóleo–bagazo. 
 
 
2.1.1. GASTO DEL COMBUSTOLEO. 
 
Es la cantidad de combustóleo que se necesita suministrar al horno para obtener energía 
térmica para generación de vapor, en donde se involucra una variable importante que es la 
cantidad de calor que se introduce con el vapor para calentamiento y atomización del 
combustóleo (Qvapor-atomi ) [6]. 
 
atomivaporQ
vgdispQ
vgQB
−+
⋅
=
100
..
..
η (2.1) 
 
 
2.1.2. CALOR ABSORBIDO EN EL GENERADOR DE VAPOR. 
 
Es el calor absorbido en el generador de vapor por el domo y el sobrecalentado. Este calor 
puede cambiar si se varía el caudal de vapor sobrecalentado para cargas parciales. El 
generador de vapor no siempre trabaja a su máxima carga debido a diferentes motivos de 
operación. 
 
( ) ( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−′+−=
kg
kJhhGhhG aadomopurgaaasvsv ,Q ....g.v (2.2) 
 
Donde: 
s.vG - Gasto del vapor sobrecalentado, kg/s. 
purgaG - Gasto de purga, kg/s. 
s.vh - Entalpía del vapor sobrecalentado, kJ/kg. 
a.ah - Entalpía del agua de alimentación, kJ/kg. 
domoh′ - Entalpía del agua en domo, kJ/kg. 
 
 
 2.1.3. CANTIDAD DE CALOR SUMINISTRADO AL HORNO CON EL VAPOR. 
 
Es el calor agregado al horno con el vapor para calentamiento y atomización del 
combustóleo. El gasto del vapor es un porcentaje del gasto del combustóleo. La ecuación 
(2.3) sirve para determinar el calor que se inyecta con el vapor en el horno [6]. 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 24
CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−⋅−=− kg
kJ, 2500vaporhatomivaporGatomivaporQ (2.3) 
 
 
2.1.4. CALOR DISPONIBLE EN EL HORNO DEL GENERADOR DE VAPOR. 
 
Es calor utilizable en el horno que incluye la energía de vapor de atomización (Qvapor-atomi).y 
del combustible. La energía del combustible es la energía térmica del combustóleo (hcomb) y 
la energía química del combustóleo . PCI
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−++= kg
kJ
atomivaporQcombhdispQ ,PCI (2.4) 
 
 
2.1.5. ENERGÍA TÉRMICA QUE APORTA EL COMBUSTÓLEO 
 
Es el calor agregado en el horno por el combustóleo cuando inicialmente se calienta por 
una fuente externa [6]. 
 
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⋅=
kg
kJtch combcombcomb , (2.5) 
 
combc - Es el calor específico del combustóleo kJ/(kg·K), debe cumplir con las condiciones 
de temperatura del combustóleo como son: combt
 
Cttc
Cttc
combcomb
combcomb
°−=⇒⋅+=
°<⇒⋅+=
1501000112.030.1
1000053.089.1
 (2.6) 
 
 
2.1.6. PODER CALORÍFICO INFERIOR. 
 
El poder calorífico inferior (PCI) se puede determinar por la ecuación de Mendeleev [6], 
donde interviene la composición másica de los siguientes componentes: Carbono (C), 
Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Azufre (S) y humedad (W). Los elementos están dados en 
porcentaje de masa. 
 
( ) ( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−−−+=
kg
kJWHSOHCPCI ,9251091256338 (2.8) 
 
 
 
 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 25
CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
2.1.7. EFICIENCIA TERMICA DEL GENERADOR DE VAPOR. 
 
La eficiencia térmica del generador de vapor se calcula con un método indirecto [6]. La 
ecuación principal (2.9) considera las pérdidas de calor por gases de escape ( ) así como 
las pérdidas por enfriamiento externo del generador de vapor ( ), que se obtienen a partir 
de la gráfica A.1 del apéndice A [6], la pérdida de calor por combustión química 
incompleta ( y la pérdida de calor por combustión mecánica incompleta ( ) que se 
puede encontrar en la tabla A.3 del apéndice A [6,8,9]. 
2q
5q
)q3 4q
 ( )
100
5432100
.
qqqq
vg
−−−−
=η (2.9) 
Donde: 
 
=2q Pérdida de calor por gases de escape [6] en %, se calcula con la ecuación (2.10) 
 
( )[ ] q
Q
 hh
q
disp
aire.frioescg.esc g -100 4
.
2 ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ −
=
α
 (2.10) 
 
frioaireesc g hy h . son entalpías de los gases de escape y del aire frío, kJ/m
2. 
esc gα es el coeficiente de exceso de aire en los gases de escape. 
 
 
 
2.2. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA COMPOSICIÓN 
MÁSICA DE LA MEZCLA (COMBUSTÓLEO-BAGAZO). 
 
Una vez obtenido el gasto del combustóleo y el calor disponible en el generador de vapor se 
puede encontrar el gasto del bagazo. Posteriormente se encuentra la composición química 
de la mezcla combustóleo-bagazo. Las composiciones másicas incluyen: Carbono (C); 
Hidrógeno (H); Nitrógeno (N); Azufre (S); Cenizas (Z); Oxígeno (O); humedad (W), 
considerando como una mezcla hipotética. Los pasos a seguir son los siguientes: 
 
- Determinación del calor que se realiza en la combustión del bagazo ( )bagazoQ en las 
mezclas de combustibles (combustóleo-bagazo). Es la parte de calor (de 0% a 30%) que se 
realiza en la combustión para obtener la carga térmica del generador de vapor necesaria. 
 
- El gasto del bagazo relativo se determina por la relación del calor que se realiza en la 
combustión del bagazo en las mezclas de combustibles a poder calorífico inferior del 
bagazo. 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 26
CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
- Determinación del calor que se realiza en la combustión del combustóleo ( en las 
mezclas de combustibles (combustóleo-bagazo). Es la parte de calor (de 100% a 70%) que 
se realiza en la combustión para obtener la carga térmica del generador de vapor necesaria. 
)combQ
 
- Determinación del gasto del combustóleo relativo como la relación de calor que se realiza 
en la combustión del combustóleo, en mezclas de combustibles a poder calorífico inferior 
del combustóleo. 
 
- Cálculo de los gastos de bagazo y de combustóleo en mezclas de combustibles. 
 
- Cálculo de los gastos de las mezclas de combustibles. 
 
- Determinación de masas relativas de los componentes en las mezclas de combustibles. 
 
- Determinación de las composiciones másicas en las mezclas de combustibles 
 
Para obtener las características termodinámicas de los productos de la combustión de 
mezclas de combustibles se usan las metodologías desarrolladas en [11, 12, 13, 14, 15]. 
 
 
 
2.3. PROCEDIMIENTO DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO 
DEL GENERADOR DE VAPOR. 
 
La tarea principal del cálculo térmico del horno es encontrar la temperatura de los 
productos de la combustión en salida del horno del generador de vapor. 
 
La metodología para el cálculo de los procesos de la combustión y del intercambio de calor 
en los hornos de generadores de vapor, fue desarrollada por Dr. Gurwich [6, 17,18]. El Dr. 
Gurwich propondría la ecuación teórica-experimental para calcular la temperatura relativa 
en salida del horno. Los parámetros principales de la ecuación (2.11) son: número de 
Boltzman (Bo), la emisividad del horno hornoε y el parámetro M: 
 
6.06.0
horno
6.0
horno BoM
Bo
+⋅
=′′
ε
θ (2.11) 
 
Se obtuvo una temperatura relativa adimensional de los productos de la combustión a la 
salida de horno , que es la relación entre la temperatura de los gases a la salida del 
horno 
hornoθ ′′
hornoT ′′ y la temperatura adiabática de los productos de la combustión (Ta). 
 
a
horno
horno T
T ′′
=′′θ (2.12) 
 
ING. HIRAM MARTINEZ LALOTH 27
CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HORNO Y SOBRECALENTADOR 
 
2.3.1. TEMPERATURA DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN A LA 
SALIDA DEL HORNO. 
 
La ecuación (2.12) es el resultado final de la investigación del Dr. Gurwich para encontrar 
la temperatura de productos de la combustión en salida del horno, esta simplificada de la 
siguiente ecuación [6,18]. 
 
273
1
)(10
67.5
6.0
11
3
−
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅
=′′
∑ ⋅
prom
ahornoParedesprom
prom
a
horno
VcB
TA
M
T
ϕ
εψ
ϑ (2.13) 
 
Esta temperatura es fundamental para cálculos