Analisis-de-la-eficiencia-de-un-generador-de-vapor

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION 
 UPALM 
 
 
 
 
 
 
 ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE 
 VAPOR DE 350 MW QUEMANDO CARBON MINERAL 
 
 
 
 
 T E S I S 
 
 
 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
 MAESTRO EN CIENCIAS 
 DE INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
 PRESENTA 
 
 ING. JOSÉ MIGUEL CRUZ ZÁRATE 
 
 
 
 DIRECTOR DE TESIS 
 
 DR. GEORGIY POLUPAN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 MEXICO, D.F. DICIEMBRE 2012
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico esta tesis a todos los actores que han 
marcado con su compañía mi vida, tengan la 
 certeza de que el cariño que les brindo es sincero y 
desinteresado, confío en Dios o quien rija las leyes 
de este universo que el tiempo que pasemos juntos 
será grato y que el recuerdo nos acompañe por largos 
 y glorioso años 
 
AGRADECIMIENTO ESIME -ZACANTECO 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
A MIS PADRES: 
José Cruz López y Martha Zárate Díaz por su apoyo, comprensión y cariño, sepan que los quiero y 
admiro, espero sientan orgullo de mi como yo de ustedes. 
 
A MIS HERMANOS: 
Luis Eduardo y Nidia Alejandra por todos los años de verdadera amistad. 
 
A MIS AMIGOS: 
Por su gran compañía, inmensa compresión y cariño que me han brindado. 
 
A MIS MAESTROS: 
Por transmitir sus conocimientos de manera profesional; en particular al M. en C. Guilibaldo 
Tolentino por las innumerables revisiones y al Dr. Ignacio Carbajal por ser un verdadero consejero 
estudiantil. 
 
A MI DIRECTOR DE TESIS: 
Georgiy Polupan por el tema que me permite graduarme. 
 
AL IPN: 
Por darme la oportunidad de ser parte de su legado e historia. 
 
AL CONACYT: 
Por darme los recursos para hacer mi investigación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE ESIME -ZACANTECO 
ÍNDICE 
 
Pagina 
 
RELACIÓN DE FIGURAS IV 
 
RELACIÓN DE TABLAS VI 
 
NOMENCLATURA X 
 
RESUMEN 
 
XV 
 
ABSTRACT 
 
XVI 
 
INTRODUCCIÓN XVII 
 
1 ANÁLSIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DE UN GENERADOR DE VAPOR 1 
 
1.1 ANTECEDENTES DE CENTRALES GENERADORAS DE ELECTRICIDAD 2 
 
1.1.1 Generación y distribución de la energía eléctrica en México 2 
 
1.1.2 Centrales carboeléctricas en México 4 
 
1.2 CENTRAL TERMOELECTRICA PLUTARCO ELIAS CALLES 5 
 
1.2.1 Descripción de la Planta 5 
 
1.2.2 Sistema de recepción y manejo de carbón 6 
 
1.2.3 Sistema aceite combustible 6 
 
1.2.4 Sistema generador de vapor 6 
 
1.2.5 Sistema turbogenerador 7 
 
1.2.6 Sistema de transportación de ceniza 7 
 
1.3 GENERADOR DE VAPOR Y EQUIPOS AUXILIARES 8 
 
1.3.1 Características del generador de vapor de carbón mineral 8 
 
1.3.2 Descripción de los equipos auxiliares 9 
 
1.3.3 Combustibles usados en la central termoeléctrica 11 
 
1.4 PROCESO DE GENERACIÓN DE VAPOR 12 
 
1.4.1 Sistema aire – gases 12 
 
1.4.2 Sistema agua – vapor 13 
 
1.4.3 Proceso de combustión 14 
 
1.5 ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA EN CENTRALES TERMOELECTRICAS 14 
 
2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA. 17 
 
2.1 SISTEMA DE INVESTIGACIÓN 19 
 
2.2 DIAGRAMA DE SOLUCIÓN 20 
 
2.3 ANÁLISIS ENERGÉTICO 21 
 
2.3.1 Energía liberada por la combustión 21 
 
2.3.2 Calentador de aire regenerativo 26 
 
2.3.3 Energía absorbida por el sistema agua - vapor 28 
 
2.3.4 Energía absorbida por los gases de combustión 29 
 
2.3.5 Energía pérdida en los residuos de la combustión 31 
 
2.3.6 Energía pérdida por combustión incompleta 32 
 
2.3.7 Energía pérdida por convección 33 
 
2.3.8 Eficiencia energética 37 
 
 
ÍNDICE ESIME -ZACANTECO 
 
2.4 ANÁLISIS EXERGÉTICO 38 
 
2.4.1 Exergía en el sistema agua – vapor 42 
 
2.4.2 Exergía en los gases combustión 43 
 
2.3.3 Exergía química del combustible 44 
 
2.3.3 Eficiencia exergética 45 
 
3 CÁLCULO ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DEL GENERADOR DE VAPOR 46 
 
3.1 CÁLCULO ENERGÉTICO 47 
 
3.1.1 Balance de masa 47 
 
3.1.2 Calentador de aire regenerativo 51 
 
3.1.3 Energía liberada por la combustión 54 
 
3.1.4 Energía absorbida por el sistema agua - vapor 57 
 
3.1.5 Energía perdida en los gases de combustión 59 
 
3.1.6 Energía perdida en los residuos de la combustión 61 
 
3.1.7 Energía perdida por carbonos no quemados 62 
 
3.1.8 Energía perdida por combustión incompleta 63 
 
3.1.9 Energía perdida por convección 64 
 
3.2 CÁLCULO EXERGÉTICO 66 
 
3.2.1 Exergía en el sistema agua - vapor 66 
 
3.2.2 Exergía en los gases de combustión 67 
 
3.2.3 Exergía química del combustible 69 
 
3.2.4 Eficiencia exergética 73 
 
4 ANÁLISIS DE RESULTADOS 75 
 
4.1 DATOS DE ENTRADA AL SISTEMA 76 
 
4.2 RESULTADOS ENERGÉTICOS 78 
 
4.2.1 Carbón tipo 1 78 
 
4.2.2 Carbón tipo 2 82 
 
4.2.3 Carbón tipo 3 87 
 
4.3 RESULTADOS EXERGÉTICOS 91 
 
4.3.1 Carbón tipo 1 91 
 
4.3.2 Carbón tipo 2 95 
 
4.3.3 Carbón tipo 3 98 
 
 
CONCLUSIONES 101 
 
REFERENCIAS 102 
 
ANEXOS 104 
 
Anexo 1 - Tablas de comportamiento de generador de vapor 105 
 
Anexo 2 - Plano del generador de vapor 109 
 
Anexo 3 – Compendio resultados 111 
 
Anexo 4 – Compendio Gráficas 123 
 Anexo 5 - Variación de exceso de aire 138 
 
Anexo 6 - Tablas termodinámicas NSRDS - NBS37 142 
 Anexo 7 - Congresos 156 
RELACIÓN DE FIGURAS ESIME -ZACANTECO 
 
VIII 
 
RELACIÓN DE FIGURAS 
 
FIGURA TITULO PAGINA 
1.1 Capacidad total instalada de la generación eléctrica en México 4 
1.2 Foto de la central termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles 8 
1.3 Pérdida de calor por convención y radiación 15 
1.4 Pérdida de calor por gases de escape 16 
1.5 Eficiencia térmica a diferentes temperaturas 16 
2.1 Diagrama de generación de vapor de la Central T.E. Pdte. Plutarco Elías Calles 18 
2.2 Diagrama termodinámico de generación de vapor y CAR 19 
2.3 Diagrama de temperaturas CAR 27 
2.4 Plano coordenado de intensidad de viento Petacalco 34 
2.5 Plano coordenado de la dirección del viento Petacalco 35 
2.6 Plano equivalente de áreas del G.V 35 
3.1 Diagrama de temperaturas CAR a MRC ideal TAMB=25°C 51 
3.2 Diagrama de temperaturas CAR a MRC real TAMB=19.4° 54 
4.1 Eficiencia Energética - carbón tipo 1 81 
4.2 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 1 82 
4.3 Eficiencia Energética - carbón tipo 2 85 
4.4 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 2 86 
4.5 Eficiencia Energética - carbón tipo 3 90 
4.6 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 3 91 
4.7 Eficiencia exergética - carbón tipo 1 94 
4.8 Exergía en los g. combustión - carbón tipo 1 94 
4.9 Eficiencia exergética - carbón tipo 2 
 
97 
4.10 Exergía en los g. combustión - carbón Tipo 97 
4.11 Eficiencia exergética - carbón tipo 3 100 
4.12 Exergía en los g. combustión - carbón tipo 3 
 
100 
A1.1 Eficiencia Energética - carbón tipo 1 124 
A1.2 Eficiencia exergética - carbón tipo 1 124 
A1.3 Pérdida de calor q2 g. combustión - carbón tipo 1 125 
A1.4 Exergía en los g. combustión - carbón tipo 1 125 
A1.5 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 1 
 
126 
A1.6 Eficiencia energética - carbón tipo 2 126 
A1.7 Eficiencia exergética - carbón tipo 2 127 
A1.8 Pérdida de calor q2 g. combustión - carbón tipo 2 127 
A1.9 Exergía en los g. combustión - carbón tipo 2 
 
128 
A1.10 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 2 128 
A1.11 Eficiencia Energética - carbón tipo 3 129 
A1.12 Eficiencia exergética - carbón tipo 3 129 
A1.13 Pérdida de calor q2 g. combustión - carbón tipo 3 130 
A1.14 Exergía en los g. combustión - carbón tipo 3 130 
A1.15 Pérdida de calor q6 convección - carbón tipo 3 
 
131 
 
 
REALACIÓN DE TABLAS ESIME -ZACANTECO 
IX 
 
 FIGURA TITULO PAGINA 
 
 
 
A1.16 Eficiencia energética – T=26.4°C – v=2.78 m/s 131 
A1.17 Eficiencia exergética – T=26.4°C – v=2.78 m/s 132 
A1.18 Pérdida de calor q2 – 26.4°C– T=v=2.78 m/s 132 
A1.19 Exergía en los gases de combustión – T=26.4°C – v=2.78 m/s 133 
A1.20 Eficiencia energética – T=19.4°C – v=8.47 m/s 133 
A1.21 Eficiencia exergética – T=19.4°C – v=8.47 m/s 134 
A1.22 Pérdida de calor q2 – T=19.4°C – v=8.47 m/s 134 
A1.23 Exergía en los gases de combustión – T=19.4°C – v=8.47 m/ 135 
A1.24 Eficiencia energética – T=34.1°C – v=0.611 m/s 135 
A1.25 Eficiencia exergética – T=34.1°C – v=0.611 m/s 136 
A1.26 Pérdida de calor q2 – T=34.1°C – v=0.611 m/s 136 
A1.27 Exergía en los gases de combustión – T=34.1°C – v=0.611 m/s 137 
A5.1 Variación de exceso de aire - carbón 1– v=26°C 139 
A5.2 variación de exceso de aire - carbón 2 – v=26°C 140 
A5.3 variación de exceso de aire - carbón 3– v=26°C 141 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REALACIÓN DE TABLAS ESIME -ZACANTECO 
X 
 
RELACION DE TABLAS 
 
TABLA TITULO PAGINA 
1.1 Capacidad efectiva de generación eléctrica de México 3 
1.2 Resumen de generación eléctrica capacidad efectiva 4 
1.3 Centrales que utilizan carbón en su operación 5 
1.4 Características del generador de vapor 8 
1.5 Características de al bomba de circulación controlada 9 
1.6 Características del ventilador de tiro forzado 9 
1.7 Características del ventilador de tiro Inducido 10 
1.8 Características del ventilador de Aire Primario 10 
1.9 Características calentador de aire regenerativo 10 
1.10 Clasificación de tipos de carbón mineral 12 
2.1 Calor específico de combustibles 26 
2.2 Valores de Nusselt a diferentes Intervalos de Reynolds 36 
2.3 Propiedades termodinámicas de hidrocarburos y otras sustancias 41 
3.1 Fracciones molares y peso molecular del carbón 47 
3.2 Fracciones molares y peso molecular del aire 47 
3.3 Fracción molar de los reactivos para la combustión 48 
3.4 Productos de la combustión estequiométrica 48 
3.5 Productos de la combustión con exceso de aire 49 
3.6 Fracción molar de las cenizas 49 
3.7 Fracción molar de las cenizas contenida en el combustible 50 
3.8 Entalpía de los gases de combustión CAR Edo.1 Norma ASMD NBS-37 
(kcal/mol) 
51 
3.9 Entalpía de los gases de combustión CAR Edo.2 Norma ASMD NBS-37 
(kcal/mol) 
52 
3.10 Entalpía del aire CAR Edo.3 Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 52 
3.11 Entalpía del aire CAR Edo.4 Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 52 
3.12 Entalpía del aire CAR Edo.3S Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 53 
3.13 Entalpías de las sustancias reactivas Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 54 
3.14 Entalpía de los productos de la combustión Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 55 
3.15 Entalpías de las cenizas como reactivo Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 55 
 3.16 Entalpías de las cenizas como productos Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 57 
3.17 Potencia de equipos de la C.T Petacalco 57 
3.18 Flujos másicos de vapor y agua precalentada 58 
3.19 Temperatura, presión y entalpía del vapor 
 
59 
3.20 Entalpía del aire Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 59 
3.21 Entalpías carbón Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 60 
3.22 Entalpía de los productos de la combustión Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 60 
3.23 Entalpías de las cenizas q2 Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 60 
3.24 Entalpías de las cenizas q2 Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 61 
3.25 Entalpías de las cenizas q2 Norma ASMD NBS-37 (kcal/mol) 
 
62 
3.26 Flujo másico de las cenizas 62 
 
 
 
REALACIÓN DE TABLAS ESIME -ZACANTECO 
XI 
 
 
TABLA 
 
PAGINA 
3.27 Propiedades del aire a 1 atm. Yunus Cengel - Transferencia de Calor [13] 64 
3.28 Calor especifico y constante de gases ideales R [17] 67 
3.29 Calor especifico de sustancias de los gases de combustión 68 
3.30 Fracciones molares dela aire estequiométrica y con exceso de aire 68 
3.31 Calor especifico y constante de los gases de combustión R [17] 69 
3.32 3.32 Entalpías y entropía de los reactivos Norma NSRDS NBS-37 h (cal/mol) s
0 
/Kcal/mol.K) [15] 
70 
3.33 Energía libre de formación de los reactivos Norma NSRDS NBS-37 g
0 (cal/mol) 
[15] 
70 
3.34 Entalpías y entropía de los productos Norma NSRDS NBS-37 h (cal/mol) s
0 
/Kcal/mol.K) [15] 
70 
3.35 Energía libre de formación de los productos Norma NSRDS NBS-37 g
0 (cal/mol) 
[15] 
71 
3.36 Entalpías y entropía de las cenizas Reactivas Norma NSRDS NBS-37 h (kcal/mol) 
s0 /kcal/mol.K) [15] 
71 
3.37 Energía libre de formación de las cenizas reactivas Norma ASMD NBS-37 g
0 
(kcal/mol) [15] 
71 
3.38 Entalpías y entropía de los productos Norma NSRDS NBS-37 h (cal/mol) s
0 
/Kcal/mol.K) [15] 
72 
3.39 Energía libre de formación de las cenizas productos Norma NSRDS NBS-37 g
0 
(cal/mol) [15] 
72 
4.1 Composición molecular de los tipos de carbón 76 
4.2 Composición molecular la ceniza contenida en los tipos de carbón 76 
4.3 Parámetros de operación a diferentes regímenes de carga 77 
4.4 Temperaturas promedio anual Petacalco 77 
4.5 Velocidad promedio anual Petacalco 77 
4.6 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 78 
4.7 Resultados de energías (%) - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 78 
4.8 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 79 
4.9 Resultados de energías (%) - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 79 
4.10 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 80 
4.11 Resultados de energías (%) - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 80 
4.12 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 82 
4.13 Resultados de energías (%) - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 83 
4.14 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 83 
4.15 Resultados de energías (%) - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 83 
4.16 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 84 
4.17 Resultados de energías (%) - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 84 
4.18 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 – T=34.1°C 87 
4.19 Resultados de energías (%) - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 87 
4.20 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 88 
4.21 Resultados de energías (%) - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 88 
4.22 Resultados de energías en MW - carbón Tipo 3 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 89 
4.23 Resultados de energías (%) - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 89 
4.24 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 91 
4.25 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 92 
4.26 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 92 
4.27 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 
 
92 
 
 
REALACIÓN DE TABLAS ESIME -ZACANTECO 
XII 
 
TABLA 
 
PAGINA 
4.28 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 93 
4.29 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 93 
4.30 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 95 
4.31 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 95 
4.32 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 95 
4.33 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 95 
4.34 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 96 
4.35 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 96 
4.36 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 98 
4.37 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 98 
4.38 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 98 
4.39 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4° 98 
4.40 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 99 
4.41 Resultados de exergía (%) - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 99 
A1.1 Comportamiento del generador de vapor sistema agua - vapor 107 
A1.2 Comportamiento del generador de vapor sistema gases de combustión 108 
A3.1 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 112 
A3.2 Resultadosde energías en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 112 
A3.3 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 112 
A3.4 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 112 
A3.5 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 113 
A3.6 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 113 
A3.7 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 113 
A3.8 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 113 
A3.9 Resultados de energías en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 114 
A3.10 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 114 
A3.11 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 114 
A3.12 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 114 
A3.13 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 115 
A3.14 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 115 
A3.15 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 115 
A3.16 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 115 
A3.17 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 116 
A3.18 Resultados de energías en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 116 
A3.19 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 116 
A3.20 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 116 
A3.21 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 – T=34.1°C 117 
A3.22 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 117 
A3.23 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 117 
A3.24 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 117 
 
 
 
 
 
 
REALACIÓN DE TABLAS ESIME -ZACANTECO 
XIII 
 
TABLA 
 
PAGINA 
 
A3.25 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 118 
A3.26 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 11 
A3.27 Resultados de energías en MW - carbón tipo 3 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 118 
A3.28 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 118 
A3.29 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 118 
A3.30 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 119 
A3.31 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 119 
A3.32 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 119 
A3.33 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 119 
A3.34 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 119 
A3.35 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 119 
A3.36 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 1 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 119 
A3.37 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 120 
A3.38 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 120 
A3.39 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 120 
A3.40 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 120 
A3.41 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 120 
A3.42 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 120 
A3.43 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 120 
A3.44 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 121 
A3.45 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 121 
A3.46 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=19.4°C 121 
A3.47 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=26.4°C 121 
A3.48 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=0.611 m/s – T=34.1°C 121 
A3.49 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=19.4°C 121 
A3.50 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=26.4°C 121 
A3.51 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 3 – v=2.78 m/s – T=34.1°C 122 
A3.52 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=19.4°C 122 
A3.53 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=26.4°C 122 
A3.54 Resultados de exergía en MW - carbón tipo 2 – v=8.47 m/s – T=34.1°C 122 
A5.1 Variación exceso de aire – carbón 1 – v=0.611 m/s 139 
A5.2 Variación exceso de aire – carbón 1 – v=2.78 m/s 139 
A5.3 Variación exceso de aire – carbón 1 – v8.47 m/s 139 
A5.4 Variación exceso de aire – carbón 2 – v=0.611 m/s 139 
A5.5 Variación exceso de aire – carbón 2 – v=2.78 m/s 140 
A5.6 Variación exceso de aire – carbón 2 – v8.47 m/s 140 
A5.7 Variación exceso de aire – carbón 3 – v=0.611 m/s 140 
A5.8 Variación exceso de aire – carbón 3 – v=2.78 m/s 141 
A5.9 Variación exceso de aire – carbón 3 – v8.47 m/s 141 
NOMENCLATURA ESIME -ZACANTECO 
 
XIV 
 
 
NOMENCLATURA 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÓN PAGINA 
 
AE Área del generador de vapor m
2 
Af Disponibilidad de flujo k/kg 
B1 Exergía del sistema agua - vapor MW 
B2 Exergía en los gases de combustión MW 
b f E Exergía de flujo de entrada kJ/kg 
b f S Exergía de flujo de salida kJ/kg 
b f AP Exergía de flujo del aire precalentado kJ/kg 
b f APC Exergía de flujo del agua precalentada kJ/kg 
b f V1 Exergía de flujo del vapor primario kJ/kg 
b f V2 Exergía de flujo del vapor secundario kJ/kg 
b f V3 Exergía de flujo del vapor terciario kJ/kg 
b f GC Exergía de flujo de los gases de combustión kJ/kg 
b CH Exergía química del combustible kJ/kg 
CFE Comisión Federal de Electricidad 
CCF Contenido de carbón contenido en la cenizas de fondo % 
CCV Contenido de carbón contenido en la cenizas de volates % 
CPA Calor específico del aire kJ/kg.K 
CPF Calor específico del combustible kJ/kg.K 
CPGC Calor específico de los gases de combustión kJ/kg.K 
G Función de Gibbs MW 
 ̅ Función de Gibbs de los productos MW 
 ̅ Función de Gibbs de reactivos MW 
 
 Gibbs de formación o energía libre de formación kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs de la sustancia i kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de aluminio kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del carbón kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de calcio kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del dióxido de carbono kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de fierro kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de potasio kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del nitrógeno kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del hidrógeno kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del agua como vapor kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del oxígeno kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del azufre kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del dióxido de azufre kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de silicio kcal/mol 
 ̅ Función de Gibbs del óxido de Titanio kcal/mol 
NOMENCLATURA ESIME -ZACANTECO 
XV 
 
H Entalpía 
HHV Poder calorífico superior (High Heat Value) 
 
 Entalpía de formación kcal/mol 
 ̅ Entalpía de la sustancia i Kcal/mol 
 ̅ Entalpía a condiciones ambientales kJ/kg 
 ̅ Entalpía del aire precalentado kJ/kg 
 ̅ Entalpía de los productos kcal/mol 
 ̅ Entalpía de los reactivos kcal/mol 
 ̅ Entalpía del combustible kcal/mol 
 ̅ Entalpía de los gases de combustión kcal/mol 
 ̅ Entalpía de la sustancia a la temperatura x kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido de aluminio kcal/mol 
 ̅ Entalpía del carbón kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido de calcio kcal/mol 
 ̅ Entalpía del dióxido de carbono kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido de fierro kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido de potasio kcal/mol 
 ̅ Entalpía del nitrógeno kcal/mol 
 ̅ Entalpía del hidrógeno kcal/mol 
 ̅ Entalpía del agua como vapor kcal/mol 
 ̅ Entalpía del oxígeno kcal/mol 
 ̅ Entalpía del azufre kcal/mol 
 ̅ Entalpía del dióxido de azufre kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido de silicio kcal/mol 
 ̅ Entalpía del óxido del oxido de Titanio kcal/molk Coeficiente de conductividad térmica W/m2.°C 
L Longitud característica m 
LHV Poder calorífico Inferior (Lower Heat Value) 
MAIRE Peso molecular del aire Mol 
MFUEL Peso molecular del combustible Mol 
MGC Peso molecular de los gases de combustión Mol 
 ̇ Flujo másico del entrada kg/s 
 ̇ Flujo másico de salida kg/s 
 ̇ Flujo másico del aire precalentado kg/s 
 ̇ Flujo másico del agua precalentada kg/s 
 ̇ Flujo másico de las cenizas kg/s 
 ̇ Flujo másico del carbón kg/s 
 ̇ Flujo másico del agua condensada kg/s 
 ̇ Flujo másico de las cenizas de fondo kg/s 
 ̇ Flujo másico de las cenizas volantes kg/s 
 ̇ Flujo másico del combustible kg/s 
 ̇ Flujo másico de los gases de combustión kg/s 
 ̇ Flujo másico del vapor primario kg/s 
NOMENCLATURA ESIME -ZACANTECO 
XVI 
 
 ̇ Flujo másico del vapor secundario kg/s 
 ̇ Flujo másico del vapor terciario kg/s 
 ̇ Fracción molar del combustible kg/mol 
 ̇ Fracción molar de los gases de combustión kg/mol 
Nu Número de Nusselt 
NSRDS National Standard Reference Data Series 
NBS National Bureau of Standards 
QAP Calor ocupado cuando el aire es precalentado kJ/kg 
QAT Calor del combustible atomizado en el vapor kJ/kg 
QSC Calor sensible del combustible kJ/kg 
QDC Calor perdido en la descomposición de carbonos en aceite kJ/kg 
Q1 Energía absorbida por el sistema agua – vapor MW 
Q2 Energía perdida en los gases de combustión MW 
Q3 Energía perdida en los residuos de la combustión MW 
Q4 Energía perdida por combustión incompleta MW 
Q5 Energía perdida por carbonos no quemados MW 
Q6 Energía perdida por convección MW 
q1 Energía absorbida por el sistema agua – vapor % 
q2 Energía perdida en los gases de combustión % 
q3 Energía perdida en los residuos de la combustión % 
q4 Energía perdida por combustión incompleta % 
q5 Energía perdida por carbonos no quemados % 
q6 Energía perdida por convección % 
RA Constante de los gases ideales kJ/kg.K 
RGC Constante de los gases de combustión kJ/kg.K 
Re Número de Reynolds 
RH1 Recalentador primario 
RH2 Recalentador secundario 
RH3 Recalentador tercera etapa 
SH1 Sobrecalentador primario 
SH2 Sobrecalentador secundario 
SH3 Sobrecalentador tercera etapa 
SH4 Sobrecalentador cuarta etapa 
 Entropía del aire a condiciones ambientales kJ/mol.K 
 Entropía del agua a condiciones ambientales kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido de aluminio kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del carbón kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido de calcio kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del dióxido de carbono kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido de fierro kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido de potasio kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del nitrógeno kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del hidrógeno kJ/mol.K 
NOMENCLATURA ESIME -ZACANTECO 
XVII 
 
 ̅ Entropía del agua como vapor kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del oxígeno kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del azufre kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del dióxido de azufre kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido de silicio kJ/mol.K 
 ̅ Entropía del óxido del oxido de Titanio kJ/mol.K 
T0 Temperatura del medio ambiente K 
TAP Temperatura del aire precalentado K 
TAPC Temperatura del agua precalentada K 
TFUEL Temperatura del combustible K 
TG Temperatura de la pared exterior del generador de vapor K 
TSat Temperatura de saturación del vapor K 
 ̅ Velocidad del viento media m/s 
 Fracción molar de los productos 
 Fracción molar de los reactivos 
 Fracción molar de aire en la mezcla 
 Fracción molar del óxido de aluminio 
 Fracción molar del carbón 
 Fracción molar del óxido de calcio 
 Fracción molar del dióxido de carbono 
 Fracción molar del óxido de fierro 
 Fracción molar del óxido de potasio 
 Fracción molar del nitrógeno 
 Fracción molar del hidrógeno 
 Fracción molar del agua como vapor 
 Fracción molar del oxígeno 
 Fracción molar del azufre 
 Fracción molar del dióxido de azufre 
 Fracción molar del óxido de silicio 
 Fracción molar del óxido del oxido de Titanio 
 Peso molecular del óxido de aluminio 
 Peso molecular del carbón 
 Potencia total utilizada para generar vapor kW 
 Potencia de la bomba de circulación controlada kW 
 Potencia del compresor de ceniza de fondo kW 
 Potencia del compresor de ceniza de volante kW 
 Potencia del filtro electroestático kW 
 Potencia de los pulverizadores kW 
 Potencia de los ventiladores de tiro forzado kW 
 Potencia de los ventiladores de tiro inducido kW 
 Potencia de los ventiladores de aire primario kW 
 Potencia de los ventiladores de aire regenerativo kW 
 Peso molecular del óxido de calcio 
NOMENCLATURA ESIME -ZACANTECO 
XVIII 
 
 Peso molecular del dióxido de carbono 
 Peso molecular del óxido de fierro 
 Peso molecular del oxido de potasio 
 Peso molecular del nitrógeno 
 Peso molecular del hidrógeno 
 Peso molecular del agua como vapor 
 Peso molecular del oxígeno 
 Peso molecular del azufre 
 Peso molecular del dióxido de azufre 
 Peso molecular del óxido de silicio 
 Peso molecular del óxido del oxido de Titanio 
 Porcentaje de exceso de aire % 
 Relación entre fracciones molares de reactivos y productos 
 Coeficiente de convección W/m2.K 
 Eficiencia energética del generador de vapor % 
 Densidad del aire kg/m3 
 Relación de equivalencia en el exceso de aire 
 Eficiencia exergética del generador de vapor % 
 Eficiencia exergética de los gases de combustión % 
 
 
RESUMEN ESIME -ZACANTECO 
 
XIX 
 
 
RESUMEN 
 
 
Se realizó el análisis energético y exergético de un generador de vapor de 350 MW de la Unidad 4 
de la Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles, variando las condiciones de diseño, 
parámetros ambientales y la composición química del combustible, así como los regímenes de 
carga (50%, 75%, 100% y MRC). 
 
Para el análisis energético se desarrolló una metodología para obtener la eficiencia energética del 
generador de vapor; como primer paso se calculó la energía de liberada por la combustión y se 
relacionó con la utilizada para generar trabajo. Posteriormente se hicieron los cálculos para 
obtener la eficiencia exergética, donde de forma semejante al análisis energético se calculó la 
energía química contenida en el combustible y se relacionó con la energía útil del vapor y con la de 
los gases de combustión. 
 
Del análisis energético se obtuvo, la energía absorbida por el vapor, las pérdidas de calor en los 
gases de combustión, las pérdidas de calor por combustión incompleta y las pérdidas de calor por 
convección, mientras que del análisis exergético se obtuvo el trabajo útil de vapor y la energía útil 
liberada en los gases de combustión. Todos los cálculos se hicieron para el máximo régimen de 
carga (MRC) y posteriormente para los demás régimen de carga. 
 
 
Energéticamente se determinó que la eficiencia depende de tres factores (presión, temperatura y 
flujo) los cuales varían en función de los regímenes de carga. La eficiencia térmica dependió de la 
temperatura ambiental y velocidad del viento en sus promedios máximos, mínimos y medio 
anuales. Exergéticamente se encontró que la eficiencia sigue la misma tendencia que la energética 
pero en menor magnitud. Finalmente se encontró que hay una diferencia de 30% ±4% entre la 
eficiencia energética y le exergética y esto debido a las irreversibilidades que hay en cada proceso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT ESIME -ZACANTECO 
 
XX 
 
 
ABSTRACT 
 
An energy and exergy analysis of a steam generator of 350 MW Unit 4 of the Thermoelectric Pres. 
Plutarco Elias Calles was carried out by Direse, by means of varying the design conditions, 
environmental parameters and the chemical composition of the fuel and charging regimes (50%, 
75%, 100% and MRC). 
 
 Energy analysis methodology was developed in order to determinatethe energy efficiency of the 
steam generator, as a first step the energy released was calculated by the combustion and was 
related to energy employed to generate work. Subsequently, calculations were made for exergetic 
efficiency, which similarly to the energy analysis, calculated the chemical energy contained in the 
fuel and was related to the useful steam power and with the combustion gas power. 
 
From the energy analysis was obtained, the energy absorbed by steam, heat losses in the 
combustion gas heat losses of incomplete combustion and convection heat losses, while exergy 
analysis of the useful work obtained from steam and the useful energy liberated in the combustion 
gases. All calculations were made for the maximum charging rate (MRC) and then for the other 
load system. 
 
Efficiency was energetically determined, which depends of three factors (pressure, temperature 
and flow) which vary depending on the charging regimes. Thermal efficiency was depended on the 
ambient temperature and wind speed at their average maximum, minimum and mean annual. 
Exergetically efficiency provided the the same trend as the energy but in a fewer magnitude. 
Finally it was found that there is a difference of 30% ± 4% between energy and exergy efficiency 
and this due to irreversibilities of each process. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCION ESIME -ZACANTECO 
 
XXI 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
En la actualidad la energía eléctrica es un tema de carácter mundial ya que la demanda ha 
aumentado de forma exponencial durante la última década, debido al desarrollo tecnológico que 
ha habido en prácticamente todos los sectores productivos y sociales de la población. Por ello los 
gobiernos de todas las naciones deben poner especial atención en la generación de la misma. 
 
México no es la excepción, se prevé que hubo un incremento en la demanda 4.8% en la última 
década y se prevé que la demanda aumente en 4.5% para el 2014. Para ello el Centro Nacional de 
Control de Energía (CENACE) continuamente invierte en nuevos proyectos de generación [1]. 
 
Actualmente el sector energético del país tiene una capacidad instalada de 51.308 GW según cifras 
oficiales de Comisión Federal de Electricidad (CFE) del 2011; de los cuales el 25% corresponde a 
plantas termoeléctricas, 22% a hidroeléctricas, 23% a productores independientes y el resto a 
otras fuentes de energía [2]. 
 
Siendo que la mayor parte de la energía del país se genera en centrales termoeléctricas, debe 
mencionarse que a este rubro pertenecen las centrales de gas, de carbón, combustóleo, las de 
clico combinado y las duales, que en si son todas aquellas que tras un proceso de combustión 
generan trabajo moviendo los álabes de turbinas de gas o vapor, según sea el caso. 
 
Las centrales carboeléctricas se han puesto en boga debido a que el carbón mineral es un 
combustible bajo en costo y aunque el poder calorífico es menor que al de un combustible 
gaseoso su eficiencia térmica es alta y por tanto es una alternativa viable para la generación 
eléctrica. 
 
La Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles es la central carboeléctrica mas grande del 
país, ya que genera 2,778 MW y además tiene una unidad súper critica la cual genera por si sola 
700 MW y es la única en Latinoamérica del tales características. Por ello cuidar la eficiencia de la 
misma es una tarea diaria en la planta [3]. 
 
Sin embargo la eficiencia calculada en las centrales termoeléctricas son eficiencias energéticas o 
de primera ley de termodinámica, dicho análisis representa un balance de flujos de energía de 
entrada y de salida en un volumen de control; por lo que no están contempladas las 
irreversibilidades que se generan en un proceso a causa de la interacción con el medio circúndate, 
ni las irreversibilidades que se tiene en los procesos. 
 
 
Por ello en la presente investigación se realizará un análisis energético con la finalidad de 
comparar el obtenido de la planta con el calculado con las leyes termodinámicas y de conservación 
de la materia, mientras que el exergético se hará con el fin de tener las irreversibilidades en el 
sistema y obtener una eficiencia real del generador de vapor. 
 
 
 
 
INTRODUCCION ESIME -ZACANTECO 
XXII 
 
Para alcanzar el objetivo la tesis esta integrada por cuatro capítulos como se menciona a 
continuación. 
 
En el capítulo 1 se encuentra la distribución de la energía en México, las principales centrales 
generadoras del país, las características de una central termoeléctrica, carboelélectrica y del 
combustible; Así como la descripción de Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles, el 
proceso de generación de vapor y los estudios recientes que se han hecho referentes al estudio de 
las eficiencias de las plantas termoeléctricas. 
 
En el capítulo 2 se muestra la metodología de cálculo del análisis energético y exergético; en la 
primera parte del capítulo se ven las ecuaciones fundamentales para determinar la energía 
liberada por el combustible, el balance de masa del vapor y las pérdidas de energía que hay 
durante el proceso. También los balances de exergía y para el vapor y los gases de combustión. 
 
En el capítulo 3 se desarrollan todos los cálculos del análisis energético y exergético a máximo 
régimen de carga para mostrar el procedimiento y la forma de obtener los resultados; Es 
importante aclarar que para obtener una eficiencia a diferentes cargas se debe hacer todos los 
cálculos variando las condiciones de temperatura, presión y flujo másico, en los 4 regímenes. 
 
En el capítulo 4 se concentran los resultados de la investigación donde en la primera parte de 
analiza la eficiencia energética del generador de vapor y de los gases de combustión variando la 
fracción másica del combustible en tres tipos (Carbón Tipo 1, Carbón Tipo 2 y Carbón Tipo 3) y 
variando el régimen de carga (50%, 75%, 100% y MRC) 
 
Finalmente se tienen las conclusiones y recomendaciones que se obtuvieron de este trabajo de 
tesis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
 
ESIME – ZACATENCO - IPN 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Análisis energético y exergético de un 
generador de vapor 
 
En este capítulo se hace referencia a la generación eléctrica de México, las centrales 
carboeléctricas que operan en le país, la descripción de la central termoeléctrica Plutarco Elías 
Calles y el estudio de las eficiencias. 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
2 
 
 
1.1 ANTECEDENTES DE CENTRALES GENERADORAS DE ELECTRICIDAD 
1.1.1 Generación y distribución de la energía eléctrica en México 
 
La generación eléctrica del país está distribuida según datos estadísticos de la Comisión Federal de 
Electricidad (CFE) a Marzo del 2011 está dada por once tipos de plantas de potencia y son [2]: 
 
1 Hidroeléctricas 
2 Termoeléctricas 
3 Geotérmicas 
4 Carboeléctricas 
5 Nucleoeléctricas 
6 Eoloeléctricas 
7 Diesel 
8 Turbogas 
9 Dual 
10 Ciclo combinado 
11 Productores independientes 
 
1 Hidroeléctricas: Son que utilizan la energía potencial del agua como fuente primaria para 
generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde existe una diferencia de 
altura entre la central eléctrica y el suministro de agua. De esta forma, la energía potencial del 
agua se convierte en energía cinética que es utilizada para impulsar el rodete de la turbina y 
hacerla girar para producir energía mecánica. Acoplado a la flecha de la turbina se encuentra 
el generador que finalmente convierte la energía mecánica en eléctrica. 
 
2 Termoeléctricas: Son aquellas que generan aprovechan la energía química del combustible 
(reacción exotérmica), transformándolo en energía calorífica para producir vapor, mismo que 
se conduce hasta los alabes de una turbina donde su energía cinética es convertida a mecánica 
y a su vez en energía eléctrica por el generador. 
 
3 Geotérmicas: Son aquella centrales que utilizan el calor interno de la tierra para generarenergía; sus funcionamiento es simple, se introduce un tubo para extraer vapor de los 
yacimientos geotérmicos con le cual se mueven turbinas de vapor, las cuales como en todos 
los casos están acopladas a generadores eléctricos. 
 
4 Carboeléctricas: Son aquellas que utilizan como combustible el carbón mineral; este tipo de 
planta se detallará en los siguientes apartados de manera precisa. 
 
5 Nucleoeléctricas: Son aquellas que aprovechan la radiación del algún material como el uranio 
para generar vapor. La única central nucleoeléctrica del país “Laguna Verde” consta de 2 
unidades, cada una con capacidad de 682.44 MW, equipadas con reactores del tipo Agua 
Hirviente. El sistema nuclear de suministro de vapor fue adquirido a General Electric y el 
Turbogenerador a Mitsubishi Heavy Industries. Ambas Unidades representan el 2.66% de la 
capacidad instalada de la Comisión Federal de Electricidad [4]. 
 
6 Eoloeléctricas: Son aquellas que convierten la energía del viento en energía eléctrica, 
mediante una Aero turbina que hace girar un generador. La energía eólica está basada en 
aprovechar un flujo dinámico de duración cambiante y con desplazamiento horizontal. 
 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
3 
 
7 Diesel: Este tipo de centrales pertenecen a la clasificación de termoeléctricas, ya que 
consumen diesel como combustible líquido para generar vapor y así generar energía eléctrica; 
sin embargo por el alza en los hidrocarburos este tipo de plantas suelen no ser muy costeables 
 
8 Turbogas: Son aquellas que de igual forman pertenece a la clasificación de termoeléctricas, ya 
que ocupan como combustible el gas natural para generar calor; sin embargo la salida de los 
gases de combustión contiene mucha energía en forma de calor que se deja ir a la atmosfera, 
lo que hace que cada vez sean menos este tipo de centrales y se opte por cambiarlas a ciclo 
combinado. 
 
9 Dual: Este tipo de plantas son una clasificación mas de las termoeléctricas, y se llaman así 
porque ocupan dos combustibles para su proceso de combustión, la mas común es carbón y 
combustóleo, sin embargo puede haber diversas combinaciones entre combustibles solidos, 
líquidos y gaseosos. 
 
10 Ciclo combinado: Son aquella centrales que tienen dos procesos para generar energía 
eléctrica; Primero a través de la combustión de gas natural se mueven los alabes de una 
turbina de gas, pero como los gases de combustión aun contiene energía, esta pasa a un 
generador de vapor, el cual es mandado a una turbina de vapor, para que de esta manera se 
aproveche al máximo el calor de la combustión. 
 
La tabla 1.1 muestra la capacidad efectiva instalada para generar energía eléctrica en el país según 
cifras de CFE en Septiembre del 2012 es de 51,159.81 Megawatts (MW), de los cuales 11,906.9 
MW son de productores independientes, quedando la distribución de la energía eléctrica de la 
siguiente forma [2]. 
 
Tabla 1.1 Capacidad efectiva de generación eléctrica de México 
Tipo de generación 
Capacidad 
efectiva en MW 
Porcentaje 
(%) 
Termoeléctrica 22596.33 43.859 
Hidroeléctrica 11241.22 21.819 
Carboeléctrica 2600 5.047 
Geotermoeléctrica 811.6 1.575 
Eoloeléctrica 86.75 0.168 
Nucleoeléctrica 1610 3.125 
Fotovoltaica 1 0.002 
Termoeléctrica (Productores Independientes) 11906.9 23.111 
Eólica (Productores Independientes) 306 0.594 
Total 51159.81 100 
 
 
Como se puede apreciar en la figura 1.1 las principales tres fuentes de generación eléctrica del 
país son las centrales hidroeléctricas, las termoeléctricas y los productores independientes los 
cuales utilizan algún hidrocarburo como fuente de calor, por lo cual es importante centrarse en 
estos tres sectores. 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
4 
 
 
 
 
Figura 1.1 Capacidad Total instalada de la generación Eléctrica en México 
 
 
En la tabla 1.2 se resumen la generación eléctrica del país por tipo, donde se aprecia que las 
centrales térmicas contribuyen con más del 50% de la energía eléctrica del país. También se 
puede destacar que el 6.160% de la generación eléctrica es por carbón. 
 
Tabla 1.2 Resumen de generación eléctrica capacidad efectiva 
Tipo de generación 
Porcentaje 
(%) 
Geotermia 2.000 
Carbón 6.160 
Nuclear 3.410 
Eólica 0.050 
Fotovoltaica 0.0005 
Productores independientes 29.660 
Hidráulica 11.690 
Hidrocarburos 47.030 
Total 100.000 
 
 
1.1.2 Centrales Carboeléctricas en México 
La tecnología denominada carboeléctrica para generar energía eléctrica, se utiliza como 
combustible primario carbón para producir vapor de presión alta ( entre 120 y 170 kg/cm2 ) y 
temperatura alta ( del orden de 520°C ), el cual se conduce hasta las alabes de una turbina de 
vapor, haciéndola girar y al mismo tiempo hace girar el generador eléctrico que esta acoplado al 
Termoeléctrica, 
43.859 
Hidroeléctrica, 
21.819 
Carboeléctrica, 
5.047 
Geotermoeléctr
ica, 1.575 
Eoloeléctrica, 
0.168 
Nucleoeléctrica, 
3.125 
Fotovoltaica​, 
0.002 
Termoeléctrica 
(P.Ind.), 23.111 
Eólica (P. Ind.)​, 
0.594 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
5 
 
rotor de la turbina de vapor; Se fundamenta en el mismo principio que la tecnología conocida 
como Termoeléctrica de Tipo Vapor, que emplea combustóleo, gas o diesel como combustible, 
para hacer girar los generadores eléctricos, el único cambio importante es que las cenizas de los 
residuos de la combustión, requieren de varias maniobras y espacios muy grandes para su manejo 
y confinamiento [5]. 
Las principales Centrales Carboeléctricas del país se encuentran mencionadas en la tabla 1.3, las 
cuales son: 
 
Tabla 1.3 Centrales que utilizan carbón en su operación 
Nombres de la Central No. Unidades Capacidad (MW) Ubicación Tipo 
Pdte. Plutarco Elías Calles 7.00 2,778.00 La Unión, Guerrero Dual 
Carbón II 4.00 1,400.00 Nava, Coahuila Carbón 
José López Portillo 4.00 1,200.00 Nava, Coahuila Carbón 
 
 
Como se puede apreciar la Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles es la principal planta 
generadora de potencia usando carbón mineral como combustible primario y también la primera a 
nivel nacional con 2778 MW. 
 
 
1.2 CENTRAL TERMOELECTRICA PLUTARCO ELIAS CALLES. 
1.2.1 Descripción de la planta 
 
La Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles se encuentra ubicada en el kilómetro 28 de la 
carretera Lázaro Cárdenas – Zihuatanejo, al sureste del puerto Lázaro Cárdenas, en Petacalco, 
municipio de la Unión, Guerrero. A una altitud de 6.15 msnm y a una longitud y latitud de 102° 06´ 
22´´ y 17° 55´ 04´´ respectivamente [3]. 
 
Los primeros años de su operación comercial la Central consumía combustóleo es sus generadores 
de vapor, mismo que fue recibido mediante barcos con descarga a un muelle en la Terminal 
marítima de PEMEX. El combustible fue almacenado en cuatro tanques de 200 000 Barriles (Bls) de 
capacidad cada uno en sus años de operación. Sin embargo aún se tiene una reserva de dos 
tanques de la capacidad antes mencionada en caso de ser necesario. 
 
Fue hasta principios del año 2000 cuando se inició el consumo de carbón mineral con la 
construcción de una terminal marítima con capacidad de recepción y manejo de 6 000 000 
toneladas anuales. El carbón es almacenado en patio cerca de la terminal donde es trasportado a 
través de una banda hasta los silos de almacenamiento de las unidades. 
 
En las instalaciones de esta central se cuenta con seis unidades generadoras de potencia, en 
operación con una capacidad nominal de 350 MW cada una, logrando una capacidad de 2,100 
MW, sin embargo en los últimos años se ha agregado la única caldera súper crítica de 700 MW, 
por lo que la generación que se tiene registrada es de 2,778 MW. 
 
La energía eléctrica producida en la Central fluye a través de quince líneas de transmisión: cuatro 
de 400 kV (tres al Estado de Michoacán y una al Estado de México); siete de 230 kV (seis al Estado 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
6 
 
deMichoacán y una al Estado de Guerrero), cuatro de 115 kV (tres al Estado de Michoacán y una 
al Estado de Guerrero). 
La Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles será analizada como un sistema 
termodinámico la cual está constituida por varios sub-sistemas los cuales son los siguientes: 
 
1.2.2 Sistema de recepción y manejo de carbón 
El sistema de carbón es uno de los principales sistemas porque es donde se recibe el combustible y 
se transporta hasta la planta. Todo comienza en los muelles donde los buques atracan donde una 
grúas descargan y apilan el carbón. Es en esta etapa donde se hace el muestreo para saber las 
propiedades físicas y químicas del carbón. Una vez que el muestreo determina las cantidades de 
ceniza, poder calorífico y los demás componentes del carbón pasa a los silos de mezclado donde se 
hace la mezcla. 
 
El mezclado de carbón se hace con el propósito de uniformizar los diferentes tipos de carbón que 
llegan al puerto, ya que la planta tiene diversos proveedores de diferentes países y regiones del 
mundo, lo que hace que haya muchas variaciones entre uno y otro; incluso las propiedades varían 
en un mismo embarque. 
 
Una vez que ha pasado por los silos hay una nueva etapa de muestreo donde se evalúa la calidad 
final del mezclado. Por medio de rampas es llevado a silos donde se acumula en base a los tipos de 
mezclado y es transportado a los pulverizadores donde se triturará el carbón en partículas finas, 
las cuales son llevadas por medio de una corriente aire generada de los ventiladores hasta los 
quemadores del generador de vapor. 
 
1.2.3 Sistema aceite - combustible 
Como se mencionó al inicio de este capítulo existen en el predio de la planta cuatro tanques de 
almacenamiento de combustóleo, los cuales contienen 200 000 barriles equivalentes a 31 800m3 
de combustóleo cada uno; los cuales son alimentados por un oleoducto. 
 
Como es sabido la densidad del combustóleo es alta, lo que hace que su transportación es 
complicada es por ello que se necesita un calentador de combustible el cual al elevar la 
temperatura del combustóleo se reduce viscosidad; una vez que esto ocurres es bombeado hasta 
un “tanque diario de combustible” en el cual se sigue el mismo proceso, se calienta el combustible 
y es mandado a los quemadores del generador de vapor 
 
Actualmente el oleoducto se encuentra clausurado sin embargo aun se cuenta con los tanques de 
almacenamiento cargados de combustóleo, en caso de que el suministro de carbón se ausente por 
un periodo corto. 
 
1.2.4 Sistema generador de vapor 
El sistema de generación de vapor empieza con la recepción de los combustibles en el interior del 
generador de vapor también llamado hogar, en dicho proceso se extrae el calor producto de la 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
7 
 
combustión aprovechándolo para calentar agua hasta su punto de punto de ebullición; este vapor 
dirigido hasta los álabes de una turbina. 
 
En esta sección se incluyen los ventiladores de succión y extracción (tiro forzado y tiro inducido), 
los sobrecalentadores, recalentadores y algunos otros mecanismos internos del generador de 
vapor, cuyas funciones serán descritas en el apartado cuatro de este mismo capítulo. 
 
1.2.5 Sistema turbogenerador 
Este sistema está formado principalmente por las turbinas de alta, media y baja presión, el 
generador eléctrico, el excitador, el transformador principal y la subestación. 
 
El sistema comienza con la recepción del vapor seco a los álabes de la turbina de alta presión, 
donde el flujo de vapor al impactarse cede su energía mecánica a través de un intercambio de 
movimiento con los álabes haciendo girar el rotor; La turbina de madia presión se encuentra 
interconectada a la de alta presión con el propósito de generar movimiento a partir de vapor 
residual de la turbina de alta presión. 
 
La turbina de baja presión se encuentra posterior a la alta y media presión y trabaja de igual forma 
que las anteriores pero a menor presión ya que el vapor que le es suministrada es de un proceso 
de recalentado y de menor calidad refiriéndonos a la cantidad de agua contenida en el vapor. 
 
El torque generado pasa a una flecha en la cual un generador eléctrico transforma la energía 
mecánica en eléctrica, la cual pasa a un transformador principal, de ahí es conducido a líneas de a 
tensión alta hasta la subestación ahí baja la tensión. 
 
1.2.6 Sistema de transportación de ceniza 
El sistema de trasportación de ceniza está constituido por compresores de recolección de cenizas, 
en las cuales se deposita la ceniza extraída del filtro electroestático y del hogar del generador de 
vapor, la ceniza es transportada por compresores y de ahí pasa a los silos de ceniza de fondo. 
 
Por otro lado las cenizas que se desprenden del filtro electroestático pasan a “los compresores de 
ceniza volátil” los cuales como su nombre lo indica comprimen la ceniza para ser depositada en 
silos los cuales permanecen hasta que por medio de bandas es transportado hasta los terrenos 
donde se deposita la ceniza, se apila y se cubre por pasto, creando áreas verdes en las regiones 
aledañas a la central. 
 
En ocasiones se ha ocupado la ceniza como materia prima para la construcción de pavimentos, sin 
embargo este proyecto no ha prosperado porque CFE, no tiene la voluntad de vender dicho 
producto puesto su negocio es la producción eléctrica y no de ceniza. 
 
La figura 1.2 muestra la central termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles, donde se puede apreciar 
los generadores de vapor a la derecha, mientras a la izquierda se aprecia en la parte inferior los 
filtros electroestáticos y a continuación las chimeneas 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
8 
 
 
 
 
Figura 1.2 Central termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles 
 
1.3 GENERADOR DE VAPOR Y EQUIPOS AUXILIARES 
1.3.1 Características del generador de vapor de carbón mineral 
 
Un generador de vapor es un dispositivo mecánico que su función es la de transformar el agua en 
vapor con una presión y temperatura determinada mediante la transformación de la energía 
química contenida en el combustible. 
 
Los generadores de vapor se clasifican de acuerdo al tipo de combustible, calor transferido, 
circulación, presión entre otras características. En la tabla 1.4 se muestran dichas características. 
 
Tabla 1.4 Características del generador de vapor 
Características Descripción 
Fabricante Mitsubishi 
Diseño 
Circulación controlada, recalentador radiante y hogar 
balanceado tipo 
Sistema de combustión 
Quemadores tangenciales para carbón mineral y 
combustóleo / diesel para arranque y pilotos 
Sistema de Tiro 
Hogar balanceado con ventiladores de tiro forzado e 
inducido 
Control de Temperatura 
Recirculación de gases, inclinación de quemadores y 
atemperación 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
9 
 
1.3.2 Descripción de los equipos auxiliares. 
 
A continuación se describen las funciones y las características principales de los equipos que 
participan en la generación de vapor. 
 
Bomba de circulación controlada: Su función es producir un aumento de la presión diferencial en 
los tubos bajantes entre el domo y los cabezales inferiores con el fin de establecer un flujo forzado 
continúo y uniforme del agua dentro de las paredes del hogar. En la tabla 1.5 se muestran sus 
características físicas y de diseño: 
 
Tabla 1.5 Características de la bomba de circulación controlada 
Características Descripción 
Fabricante Fuji Hayward 
Modelo Centrífuga doble descarga (21 x 16 x 15) 
Capacidad (l/min) 46,500.00 
Presión de diseño (bar) 208.88 
Temperatura de diseño (°C) 368.00 
Potencia (hp) 496.00 
 
 
Ventilador de tiro forzado: Su función es la de proporcionar el aire requerido para la combustión 
en el hogar del generador de vapor, seccionando el aire de la atmosfera a través del silenciador y 
de las compuertas de succión, descargándolo hacia los precalentadores de aire antesde entrar a 
las cajas de aire de los quemadores. En la tabla 1.6 se muestran sus características físicas y de 
diseño: 
 
Tabla 1.6 Características del ventilador de tiro forzado 
Características Descripción 
Fabricante Cerrey 
Tipo Axial de un paso 
Capacidad (m
3
/min) 12,500.00 
Presión de succión (mmca) 30.00 
Presión de descarga (mmca) 500.00 
Potencia (hp) 1,400.00 
Velocidad (rpm) 1,176.00 
 
 
Ventilador de tiro Inducido: Su función es extraer los gases de la cámara de combustión y 
expulsarlos hacia la chimenea antes de pasar por el precipitador electroestático. En la tabla 1.7 se 
muestran sus características físicas y de diseño: 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
10 
 
Tabla 1.7 Características del ventilador de tiro inducido 
Características Descripción 
Fabricante Cerrey 
Tipo Centrifugo de doble succión 
Capacidad (m
3
/min) 18,300.00 
Presión de descarga (mmca) 530.00 
Temperatura de gases (°C) 132.00 
Potencia (hp) 2,548.00 
Velocidad (rpm) 880.00 
 
Ventilador de aire Primario: Su función es inyectar aire al molino de carbón para que se produzca 
un flujo de carbón pulverizado que a su vez es inyectado en los quemadores del generador de 
vapor. En la tabla 1.8 se muestran sus características físicas y de diseño: 
 
 
Tabla 1.8 Características del ventilador de aire primario 
Características Descripción 
Fabricante Cerrey 
Tipo Centrifugo de doble succión 
Capacidad (m
3
/min) 4,100.00 
Presión de descarga (mmca) 970.00 
Potencia (hp) 1,059.00 
Velocidad (rpm) 1,180.00 
 
 
Calentador de aire regenerativo: Su función es calentar el flujo de carbón pulverizado para que el 
diferencial de temperatura aumente. Dicho flujo es calentado por los gases producto de la 
combustión y se encuentra después del economizador y antes del filtro electroestático. En la tabla 
1.9 se muestran sus características físicas y de diseño: 
 
 
Tabla 1.9 Características calentador de aire regenerativo 
Características Descripción 
Fabricante L Jungstrom tres sectores 
Tipo GR-RL-R239 
Temperatura de gas (°C) 334.00 
Velocidad (rpm) 11.27 
Capacidad (m
3
/min) 8,000.00 
Presión total (mmca) 170.00 
Potencia (hp) 30.00 
 
1.3.3 Combustibles usados en la Central Termoeléctrica 
Carbón Mineral 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
11 
 
 
El carbón mineral es una roca sedimentaría utilizada como combustible fósil rico en carbono; cuya 
formación se remonta al periodo geológico del carbonífero y pérmico principalmente, sin embargo 
existen otras dos eras en las que hubo formación carbón aunque menos abundante, las cuales 
fueron el triásico y cretácico [6]. 
 
En el proceso de carbonización existen dos principales etapas; la diagénesis y el metamorfismo, en 
la primera de ellas, tiene lugar la descomposición de la materia orgánica debido al ataque de las 
bacterias aeróbicas, cuando los restos vegetales están cubiertos parcialmente por agua, o poca 
profundidad 
 
Una vez que las bacterias consumen todo el oxígeno continúa la descomposición del material 
orgánico produciendo ácidos húmicos†, los cuales van acidificando el medio hasta llegar a un pH 4, 
en el cual mueren las bacterias anaeróbicas. Así se forma la turba, en la cual se van depositando 
más restos vegetales haciendo que la temperatura de la capa inferior vaya aumentando, 
comenzando la transformación por metamorfismo. 
 
Con el transcurso de miles de años, la turba y los sedimentos se van carbonizando gradualmente 
por el aumento de la presión y la temperatura, formando el lignito el cual va liberándose de gases, 
sustancias volátiles y aceites hasta llegar a ser antracita. 
 
Existen diferentes tipos de carbones minerales en función del grado de carbonificación, lo cual 
depende de la edad del carbón, así como la profundidad y condiciones de presión y temperatura 
del entorno en las cuales el material orgánico evolucionó. Hay varias clasificaciones de carbón 
según su margen de edad, porcentaje de carbón, porcentaje de ceniza, poder calorífico entre 
otras, sin embargo la más usada es la siguiente. 
 
1. Antracita: Es el carbón de más alto rango y que presenta mayor contenido de carbón; sin 
embargo su poder calorífico es inferior al bituminoso debido a su bajo contenido en material 
volátil. La antracita presenta una ignición difícil, pero arde dando una llama azul corta y con 
pocos humos. 
 
2. Carbón Bituminoso: Estos tipos de carbón datan del pérmico, triásico y carbonífero, es un 
carbón mineral denso de color negro o marrón oscuro, se utiliza para generación eléctrica y 
producción de coque metalúrgico. La hulla pertenece a este tipo de carbón bituminoso con 
concentraciones altas de carbono y medios volátiles. 
 
 
3. Carbón Sub-Bituminoso: Este tipo de carbón presenta propiedades intermedias entre las del 
lignito y las del bituminoso; frecuentemente por el bajo contenido de carbón y por porcentajes 
altos de volátiles. 
 
4. Lignito: Es el rango menor en la evolución de los carbones y por lo general representa un color 
marrón oscuro por lo que en otros textos también se le llama lignitos pardos. 
 
 
 † El ácido húmico son moléculas heterogéneas que se forman a partir de la transformación biológica 
de células muertas y se asocian en estructuras supramoleculares 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
12 
 
Las características de cada carbón mineral se encuentran en la tabla 1.10 
 
Tabla 1.10 Clasificación de tipos de carbón mineral 
No. Rango 
% 
Carbón 
% Humedad 
% Material 
Volátil 
Poder Calorífico 
(MJ/kg) 
1 Antracita 86 - 98 <3 <5 23-33 
2 Bituminoso 45 - 86 41,187.00 11,232.00 24-35 
3 Sub-Bituminoso 35 - 45 15 - 30 30 - 40 20-21 
4 Lignito 25 - 42 40 - 60 40 - 50 44,105.00 
 
Por la creciente demanda y las características que requieren las Centrales Termoeléctricas cuenta 
con proveedores de diferentes países con el fin de que el suministro sea permanente. Incluso las 
características cambian en la misma beta. Por tal variedad la planta cuenta con tres tipos de 
carbón mineral en sus almacenes. 
 
Combustóleo: 
 
El combustóleo es un producto de los residuos de la refinación y su composición depende de dos 
factores: la naturaleza del crudo y el proceso de refinería del cual proviene. Así, durante el proceso 
de destilación la composición química no se altera y la calidad del combustóleo o aceite residual es 
principalmente determinada por la calidad del petróleo crudo y puede ser expresada por medio de 
diversos factores (densidad, peso molecular medio, relación carbón/hidrógeno, contenido de 
metales, entro otros). El combustóleo que se tiene en la planta contiene las siguientes 
características [3]. 
 
Diesel: 
 
Es un derivado del petróleo ligero el cual es ocupado en la central para encender la caldera o 
generador de vapor, ya que a cargas ligeras de flujo de carbón el punto de ignición debe de ser 
alto [3]. 
 
 
1.4 PROCESO DE GENERACIÓN DE VAPOR 
1.4.1 Sistema Aire – Gases 
 
El sistema de aire gases tiene como función suministrar el aire en cantidad suficiente para que se 
lleve a cabo una combustión completa; así como facilitar la expulsión de gases producto de la 
combustión. 
 
En un inicio el aire es tomado de la atmosfera por el ventilador de aire primario (VAP) el cual 
genera un flujo de aire que transporta al carbón pulverizado desde los molinos hasta los 
quemadores donde son inyectados a una cierta presión y velocidad a la cámara de combustión. 
 
Se cuenta con dos ventiladores de tiro forzado (VTF) los cuales toman aire de la atmósfera y lo 
descargan a un ducto donde se encuentran los calentadores de aire regenerativo (CAR) cuya 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
13 
 
función es incrementar la temperatura de suministro de aire para proteger de la corrosión, 
evitando que la temperatura de los gases alcance el punto de rocío. 
 
También se cuenta con dos ventiladores de tiro inducido (VTI) que son los que succionan los gases 
de lacámara de combustión haciéndolos pasar por el calentador de aire regenerativo en su 
primera etapa y después por el precipitador electroestático para absorber las cenizas y liberar a la 
atmosfera el vapor de agua. 
 
Se encuentra también en este sistema dos ventiladores recirculadores de gases (VRG) los cuales se 
encuentran a un costado del generador de vapor para recircular los gases con el propósito de que 
se queme aquellas partículas de carbón que no fueron consumidas durante la primera etapa [3]. 
 
1.4.2 Sistema Agua – Vapor 
 
La finalidad de este sistema es convertir el agua en vapor saturado seco para que por medio de las 
aspas de una turbina se genere trabajo. 
 
El agua de alimentación llega al economizador a través de un cabezal ascendente, la cual recibe 
calor de los gases de la combustión antes de que estos pasen por los calentadores de aire 
regenerativo (CAR). Por el intercambio de calor el agua eleva su temperatura y pasa al domo 
superior del cual parte un cabezal de succión donde se encuentran tres bombas de circulación 
controlada las cuales elevan la presión del agua enviándola por las paredes del generador de vapor 
en donde elevan su temperatura de tal forma que una parte de vapor se evapora y llega al domo 
superior con una calidad de 0.2 a 0.4. En este punto se separa la humedad del vapor, finalmente 
dicho pasa a un cabezal tipo anillo donde pasará a los sobrecalentadores. 
 
El sobrecalentador del generador de vapor está compuesto por cinco etapas, la primera de ellas es 
la pared formada por tubos en el techo del generador de vapor: La segunda etapa es el 
sobrecalentador 1 (SH1) el cual se encuentra ubicado en la zona convectiva en la parte superior de 
economizador, y está formado por una sección de tubos verticales y horizontales. 
 
La tercera etapa es el sobrecalentador 2 (SH2) se localiza entre la pared frontal del hogar y el 
sobrecalentador 3 (SH3) en la zona radiante del hogar, a su vez el SH3 se encuentra a lado de la 
pared deflectora formando la nariz del sobrecalentador y por último, la quinta etapa es el 
sobrecalentador 4 (SH4) y se encuentra ubicado en zona convectiva frente a la sección vertical del 
sobrecalentador primario (SH1). 
 
El vapor al salir del sobrecalentador 4 (SH4) se dirige hacia la turbina de alta presión donde 
efectuara si primera etapa de trabajo. Al salir de la turbina se considera que es vapor frío y es pasa 
por tres nuevas etapas de recalentado. 
 
La primera etapa la efectúa el recalentador 1 (RH1) el cual se localiza en la zona radiante en la 
parte superior del hogar. El segundo y tercer recalentador (RH2) y (RH3) se encuentran localizados 
encima de la rampa deflectora en frente del sobrecalentador terciario (SH3). De ahí el vapor es 
dirigido hacia la turbina de media y baja presión para efectuar su segunda etapa de trabajo [3]. 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
14 
 
1.4.3 Proceso de Combustión 
 
El proceso de combustión es un proceso químico donde se encuentra involucrado un combustible 
como un hidrocarburo y un oxidante como el aire o el oxígeno. La reacción de combustión libera 
energía, y la reacción es llamada exotérmica. 
 
El más frecuente oxidante es el aire atmosférico es por ello que las se debe de tomar en cuenta la 
calidad del aire y las condiciones meteorologías de la región. Sin embargo este punto se estudiará 
en el siguiente capítulo 2. 
 
El flujo de carbón molido es llevado hasta los quemadores del generador de vapor que se 
encuentran en posición tangencial (diseño de fábrica) y al entrar a la cámara de combustión se 
incendian liberando su energía en forma de calor, el cual es transferido por convección a los tubos 
del generador de vapor. 
 
 
1.5 ANALÁSIS DE LA EFICIENCIA EN CENTRALES TERMOELECTRICAS. 
 
La Central Termoeléctrica que se estudiara se inauguro por etapas a inicio de los 90´s. Sin 
embargo a más de dos décadas la eficiencia de los generadores de vapor de 350 MW ha 
descendido por debajo del 43% [3], por lo que el propósito de esta investigación es analizar la 
eficiencia a diferentes condiciones de diseño, carga y condiciones meteorológicas. 
 
Hoy en día la central cuenta con diferentes herramientas para él cálculo de la eficiencia térmica de 
los generadores de vapor, de las turbinas (alta, media y baja presión) y de los precalentadores (alta 
y baja presión). Sin embargo es un análisis energético de primera ley; dicho análisis representa un 
balance de flujos de energía de entrada y de salida en un volumen de control [7]; Por lo que no 
están contempladas las irreversibilidades que se generan en un proceso a causa de la interacción 
con el medio circúndate. 
 
El estudio de las irreversibilidades está fundamentado en el análisis termodinámico de segunda ley 
o principio de generación de entropía, el cual afirma que “es imposible para cualquier proceso que 
opere en un ciclo termodinámico transformar en trabajo todo el calor absorbido” [8]. En otras 
palabras habla de la degradación de la energía. 
 
La exergía o análisis de disponibilidad a su vez está basado en la segunda ley de la termodinámica, 
el cual estipula que todos los proceso macroscópicos son irreversibles e implica la pérdida 
irrecuperable de energía expresada como el producto de la temperatura por la entropía cuando el 
sistema tiende a un estado de equilibrio [9]. 
 
V. Ramaprabhu desarrolló un modelo computacional para determinar la eficiencia de una Central 
Termoeléctrica de ciclo combinado a base de módulos en los que cada equipo es un modulo y 
cada uno es un conjunto de ecuaciones que calculan las variables de entrada y de salida; en dicho 
modelo las módulos están encadenados y las salidas de uno son las entradas para el otro. [10] 
 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
15 
 
Los resultados del modelo computacional de V. Ramaprabhu se expresan en dos tablas, la primera 
de ellas expresa una relación entre las energías de entrada y las de salida de los equipos o 
dispositivos del ciclo combinado; en la segunda expresa la relación de exergía y el porcentaje de la 
disponibilidad de los mismos [10]. 
 
Diversos autores de libros y artículos muestran la eficiencia energética y exergética como la 
relación entre los productos y los insumos. La eficiencia energética está representada por la letra 
η y la exergética ψ. 
 
Sin embargo Alberto Planchú define la eficiencia de una caldera como la medida de la capacidad 
de la misma para generar mayor cantidad de vapor de un suministro de combustible. Esta 
definición se ha utilizado en fechas recientes en estudios sobre eficiencias de generadores de 
vapor como el de M.A del Rio donde la eficiencia térmica está calculada por el método indirecto la 
cual se evalúa restando las pérdidas de calor en la caldera [11]. Tales pérdidas ocasionadas: 
1. Por los gases de combustión. 
2. Por la combustión química incompleta 
3. Por la combustión incompleta mecánica 
4. Por convección y Radiación 
 
Para el cálculo de las eficiencias es importante conocer algunos parámetros y/o propiedades como 
la entalpía de los gases de escape, la viscosidad cinemática del aire, el número de Reynolds y el de 
Nusselt, entre otros así como la temperatura mínima y máxima anual, velocidad del viento y la 
geometría y superficie del generador de vapor. 
 
 
Como resultado se obtendrán tres gráficas en las cuales se puede observar el comportamiento del 
generador de vapor [12]; las cuales están en función de las pérdidas de calor antes mencionadas. 
La figura 1.3 muestra la perdida de calor por convección y radiación a diferentes cargas y 
diferentes condiciones ambientales. 
 
 
Figura 1.3 Pérdida de calor por convención y radiación [13] 
 
La figura 1.4 muestra en porcentaje la pérdida de calor producto de los gases de escape a 
diferentes cargas parciales y diferentes condicionas climatológicas. 
CAPÍTULO 1 ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO 
 
16 
 
 
 
Figura 1.4 Perdida de calor por gases de escape [13] 
 
M.A delRio [13] obtuvo el comportamiento para un generador de vapor que utiliza combustóleo 
como combustible primario. Y encontró que la mayor eficiencia del generador se obtiene cuando 
la temperatura atmosférica es alta, por consecuente la eficiencia es directamente proporcional al 
aumente de temperatura. Tal como se muestra en la figura 1.7 
 
 
 
Figura 1.5 Eficiencia térmica a diferentes temperaturas [13] 
 
 
El análisis de la eficiencia exergética es un análisis particular cuyo propósito es saber el máximo 
trabajo de un dispositivo; dicho análisis revela la transferencia de energía con el medio 
circundante. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
17 
 
ESIME – ZACATENCO - UPALM 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Metodología de solución energética y 
exergética 
 
En este capítulo se analiza la metodología para el cálculo energético y exergético del generador 
de vapor. 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
18 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.1 Generación de vapor de la Ctra. T.E. Pdte. Plutarco Elías Calles 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
19 
 
 
2.1 SISTEMA DE INVESTIGACION 
 
Como se mencionó en el primer capítulo, dentro de la central termoeléctrica existen diversos 
sistemas los cuales en conjunto forman un solo sistema termodinámico. En la presente 
investigación se estudiará el generador y los equipos auxiliares que intervienen de manera directa 
en la generación del mismo. 
 
 
Figura 2.2 Diagrama termodinámico de generación de vapor y CAR† 
 
La figura 2.1 muestra la distribución de los equipos auxiliares en la central termoeléctrica Pdte. 
Plutarco Elías calles donde están considerados los siguientes equipos: 
 
a. Ventilador de aire primario 
b. Ventilador de tiro forzado 
c. Ventilador de tiro inducido 
d. Ventilador de recirculación 
e. Compresor de ceniza de fondo 
f. Compresor de ceniza volante 
g. Filtro electroestático 
h. Calentador de aire Regenerativo 
 
Mientras que la figura 2.2 presenta el sistema termodinámico que se estudiará en la planta, cabe 
resaltar que se tomaran los flujos másicos de entrada y salida, las temperaturas y presiones de 
dichos flujos y las potencias de los equipos auxiliares. Sin embargo como puede apreciarse se 
estudiará de manera particular el calentador de aire regenerativo (CAR) ya que la dependencia es 
directa entre las entradas y salidas de flujos de cada uno. 
 
En resumen se tienen dos sistemas abiertos con transferencia de masa y dependencia directa uno 
del otro; en los cuales se estudiará una fuente de energía y su derivación a otras formas (calor, 
trabajo, etc.) 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
20 
 
2.2 DIAGRAMA DE SOLUCIÓN 
 
 
 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
21 
 
 
2.3 ANALISIS ENERGÉTICO 
 
Dentro de un sistema termodinámico la masa permanece constante aunque la energía pueda 
cruzar de dicho sistema en forma de calor o trabajo por lo que la Primera ley de la termodinámica 
para sistemas cerrados puede expresarse como: “El cambio de energía total en el sistema es igual 
a la transferencia neta de energía entre el sistema y los alrededores” y representación matemática 
puede expresarse como: 
 
 
 
Los balances de energía pueden ser expresados como: 
 
 
 
Un volumen de control es un espacio real o imaginario en donde podrá realizarse un análisis o 
estudio termodinámico refiriéndose a un sistema en el que no haya transferencia de masa es decir 
que la masa que entra debe ser igual a la masa que sale para que se cumpla la condición de 
conservación de la masa. 
 
De tal forma que en un proceso adiabático para un volumen de control el balance de energía está 
representado por la ecuación: 
 
(
 
 
)
 
 ̇ ̇ ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 
 
De donde la tasa de incremento de energía en estado permanente con respecto al tiempo cero, 
por lo que: 
 
 ̇ ̇ ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 ∑ ̇ ( 
 
 
 
 )
 
 
 
Se tiene la ecuación anterior, considerando la energía cinética y potencia es despreciable, tenemos 
que el flujo de calor para un sistema: 
 
 ̇ ̇ ∑ ̇ 
 
 ∑ ̇ 
 
 ( ) 
 
2.3.1 Energía liberada por la combustión 
 
La combustión es un proceso de oxidación usualmente exotérmica, en el cual se libera energía en 
forma calorífica de la unión de un combustible (normalmente un hidrocarburo) y un comburente 
(también llamado oxidante) a los cuales se les conoce como reactivos y las partículas que se 
liberan se les conocen como productos. 
 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN ENERGÉTICA Y EXERGÉTICA 
 
22 
 
Dicho lo anterior se puede decir que la combustión ocurre en un solo sentido e ignora la verdadera 
naturaleza estadística de los cambios químicos. La combustión es la combinación de varios átomos 
y moléculas; y tiene lugar cuando están lo suficientemente cerca para interactuar entre sí y formar 
nuevos productos moleculares, pero también hay la posibilidad de que los productos antes 
formados regresen a su estado inicial, dependiendo de él equilibrio químico que haya en la 
sustancia y el tiempo de residencia de los gases en el combustor. 
 
Al proceso de descomposición molecular se le conoce como disociación, le cual se define como el 
proceso químico en el cual la suma de las masas de la sustancia es igual a la suma de las masas que 
se obtienen por reacción. La combustión es un proceso complejo, finito y ocurre a velocidades 
extremadamente rápidas que van desde 1x10-3s hasta 1x10-10s [14]; su proceso sigue siendo caso 
de estudio por parámetros que la afectan como: la velocidad de reacción, la velocidad de flujo, 
sitios de reacción, dependencia espacial entre otros 
 
Para el cálculo de la energía liberada por dicho proceso se aplica la ecuación de conservación de le 
energía para un volumen de control descrita por la ecuación (1), despreciando la energía cinética y 
potencial y tomando las entalpías de entrada y salida como la entalpía de lo reactivos y productos 
se tiene: 
 
 ̇
 ̇ 
 
 ̇ 
 ̇ 
 ̅ ̅ ( ) 
 
Donde ̇ es el flujo molar del combustible y ̅ la entalpía de los productos y reactivos en su forma 
molar y esta descrita por: 
 
 ̅ ̅ 
 ̅ ̅ 
 ( ) ( ) 
 
Donde ̅ 
 es la entalpía de formación de la sustancia i, es la entalpía de la sustancia i a la 
temperatura x y es la entalpía de la sustancia i a la temperatura de referencia. 
 
Si embargo para conocer la entalpía de los productos y de los reactivos se necesita conocer la 
fracción molar de cada sustancia inmersa en ellos, para ello se utiliza la ecuación de conservación 
de la masa. Para un hidrocarburo común suponiendo combustión completa se tiene: 
 
 
 
Donde νA es la cantidad molar del hidrocarburo, νB es la cantidad molar del oxidante (oxígeno), νC 
y νD son los productos de la combustión; no obstante para un combustible sólido la forma de la 
ecuación de conservación de la masa cambia ya que las concentraciones de sustancias cambian en 
proporción a la composición química del combustible. 
 
Se sabe que el carbón mineral que se ocupa en la central termoeléctrica es del tipo bituminoso y 
contiene sustancias como carbón (C), hidrógeno (H2), oxígeno (O2), nitrógeno (N2), azufre (S2), 
Humedad (H2O) y cenizas (As); y oxidante esta compuesto por oxígeno,