Cuestionario 5 PRQ-400L

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES 
 FACULTAD DE INGENIERIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cuestionario – Eficiencia Térmica en un caldero 
pirotubular. 
Docente: 
 ING. Ph. D. Rene Alvarez 
Estudiante: 
Universitario Alan Ruben Chávez Quispe. 
Carrera: 
Ingeniería Química. 
Materia: 
Laboratorio de Termodinámica. 
Fecha de entrega: 
07/11/2022 
 
5.1 Composición del vapor y clases de vapor 
i) Investigar sobre la composición del vapor que los generadores de vapor o caldera producen. 
Una caldera es una maquina cuya principal función es la de generar grandes cantidades de vapor de 
agua. 
El principio básico del funcionamiento de una caldera es a través de una cámara donde se produce 
combustión con la ayuda de aire comburente y a través de una superficie se lleva a cabo la 
transferencia de calor. 
La estructura real de la caldera depende del 
tipo de la misma, así como de su propósito, sin 
embargo, se pueden nombrar las partes 
generales de forma escueta: 
 Quemador: sirve para quemar el combustible 
como su nombre lo pretende. 
 Hogar: alberga al quemador y en su interior se 
realiza la combustión 
Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor 
desde los gases hasta el agua se efectúa a 
través de su superficie. También en ella se generan las burbujas de vapor. 
 Separador liquido vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida con los gases aun 
calientes, antes de alimentarla a la caldera. 
 Chimenea: Es la vía de escape de los gases generados por la combustión. 
 Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor. 
 Este vapor anteriormente mencionado, se genera a través de la transferencia de calor, a una 
presión constante la cual se describe por medio de las leyes Fourier. 
J=-K ∂T/∂x 
Donde J es la densidad de la densidad de corriente de energía, K la constante del material 
denominada como conductividad térmica, x viene dado por la posición y T es la temperatura. 
Su historia se remonta a James Watt, quien fue que observo en la naturaleza del vapor un poder, 
tanto motriz como económico para reemplazar la 
fuerza animal y manual, así es como se comenzaron 
a dar los primeros pasos de su desarrollo. 
Las primeras calderas tenían algunos inconvenientes 
de diseño, ya que los gases calientes estaban en 
contacto, solamente con su base, y entonces había 
desaprovechamiento de calor, que terminaba 
fluctuando hacia zonas de no aprovechamiento. Es 
por esto, que se comenzaron a desarrollar las 
calderas con tubos en su interior para aumentar el 
área de contacto y así mejorar la transferencia de 
calor. James watt fue el primero en crear una maquina que aprovechaba la energía del vapor y la 
convertía en trabajo mecánico (1776). Inicialmente se utilizaba para accionar bombas de agua, 
cilindros verticales. 
 
Anteriormente de los sucesos descritos en este articulo las calderas se fueron optimizando hasta las 
que conocemos actualmente. 
En los últimos años ha habido un crecimiento y demanda de calderas de uso industrial en distintas 
verticales importantes, como en los procesos industriales de la producción de alimentos y bebidas, 
así como en plantas industriales para la generación de energía eléctrica, en la industria petrolera, en 
la industria hotelera en usos como lavandería, cocinas y habitaciones, además del creciente uso en 
hospitales para la esterilización de material médico. 
En Metálicas estamos comprometidos con el desarrollo tecnológico de nuestro país por lo cual 
aportamos en la creación de calderas de la más alta calidad, por medio de separadores, espaciadores 
para tubos que puedan hacer posible la creación de diferentes tipos de calderas. 
Como productores de piezas metálicas hechas a la medida, producidas por la técnica de fundición a 
la cera perdida, podemos participar en proyectos de piezas de características muy variadas. 
 
ii) explicar, como una caldera puede producir vapor saturado seco, vapor saturado húmedo, vapor 
recalentado o sobrecalentado. 
Una caldera de vapor incorpora una cámara de combustión u horno para quemar el combustible y 
generar calor. El calor generado se transfiere al agua para producir vapor, el proceso de ebullición. 
Esto produce vapor saturado a una velocidad que puede variar de acuerdo con la potencia que se 
está quemando dentro del hogar. 
El calor restante en los gases de combustión se puede evacuar o hacer pasar a través de un 
economizador, cuya función es calentar el agua de alimentación antes de que llegue a la caldera, 
para aumentar la eficiencia y disminuir el consumo de combustible. 
Si es agua es calentada mas por sobre su punto de ebullición, esta se convierte en vapor, o agua en 
estado gaseoso. Sin embargo, no todo el vapor es el mismo. Las propiedades del vapor varían de 
gran forma dependiendo de la presión y la temperatura la cual esta sujeto. 
En el articulo Principales Aplicaciones para el Vapor, discutimos varias aplicaciones en las cuales el 
vapor es utilizado. En la sección siguiente, discutiremos los tipos de vapor utilizados en estas 
aplicaciones. 
 
Vapor Saturado 
Como se indica en la línea negra en la parte superior de la grafica, el vapor saturado se presenta a 
presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En 
otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de 
condensación. 
 
Vapor húmedo 
Esta es la forma mas común da vapor que se pueda experimentar en plantas. Cuando el vapor se 
genera utilizando una caldera, generalmente contiene humedad proveniente de las partículas de 
agua no vaporizadas las cuales son arrastradas hacia las líneas de distribución de vapor. Incluso las 
mejores calderas pueden descargar vapor conteniendo de un 3% a un 5% de humedad. Al momento 
en el que el agua se aproxima a un estado de saturación y comienza a evaporarse, normalmente, 
una pequeña porción de agua generalmente en la forma de gotas, es arrastrada en el flujo de vapor 
y arrastrada a los puntos de distribución. Este uno de los puntos claves del porque la separación es 
usada para remover el condensado de la línea de distribución. 
 
Vapor Sobrecalentado 
El vapor sobrecalentado se crea por el sobrecalentamiento del vapor saturado o húmedo para 
alcanzar un punto mayor al de saturación. Esto quiere decir que es un vapor que contiene mayor 
temperatura y menor densidad que el vapor saturado en una misma presión. El vapor 
sobrecalentado es usado principalmente para el movimiento-impulso de aplicaciones como lo son 
las turbinas, y normalmente no es usado para las aplicaciones de transferencia de calor. 
 
Agua Supercrítica 
El agua supercrítica es agua en estado que excede su punto critico: 221bar, 374 °C (3208 psia, 
705°F). En el punto critico, el calor latente del vapor es cero, y su volumen especifico es exactamente 
igual ya sea que se considere como gas o liquido. En otras palabras, el agua que se encuentra a una 
presión y temperatura mayor que la de su punto critico es un estado indistinguible en el cual no es 
liquido o gas. 
El agua supercritica es utilizada para impulsar turbinas en plantas de energia que demandan mayor 
eficiencia. Investigaciones sobre agua supercritica se realizan con un enfasis hacia su uso como fluido 
que tiene propiedades tanto de liquido y gas, y en particular que es adecuado para su uso como 
solvente para reacciones quimicas. 
 
5.2 Descripción de calderas y generadores de vapor 
i) Definir Caldera y Generador de vapor 
¿Qué es una caldera? 
Las calderas que todos conocemos tienen como objetivo calentar un fluido caloportador, 
normalmente agua, que será conducido posteriormente a través de una red de tuberías, montantes 
y distribuidores hasta unos emisores con el objetivo de proporcionar calor a estancias y locales.Otro 
uso muy extendido es el de calentar el agua que se utiliza en diversos tipos de instalaciones. En 
muchas aplicaciones de tipo industrial es necesario contar con vapor de agua para distintos 
procesos.En este caso necesitamos calderas de vapor, de las que vamos a hablar en este post. 
¿Cómo funcionan las calderas de vapor? 
Las calderas de vapor cuentan con una estructura similar a las calderas más comunes de las que se 
obtiene agua caliente. Sus partes fundamentales son las siguientes: 
• Hogar: Es una cámara de combustión en la que tiene lugar la reacción de oxidación entre el 
combustible elegido y el comburente, el aire, para obtener energía en forma de calor a 
través de la llama. 
• Recalentador de vapor: Se calienta el vapor saturado obtenido hasta el estado de vapor 
saturado. 
• Envolvente: Es una parte de la caldera que aísla térmicamente el hogar y el cuerpo del 
intercambiador. 
• Intercambiador: Es una zona en la que se realiza el intercambio de temperatura. El calor 
generado se transfiere al agua. 
Tipos de calderas de vapor 
En función de cómo se construye este intercambiador se distinguen las dos tipologías básicas de las 
calderas de vapor: 
Calderas de tubos de agua o acetabulares: El agua circula por el interior de las tuberías que forman 
el intercambiador y que están tendidas en la zona del hogar. El calor generado y los gases de 
combustión rodean los tubos calentando el agua que circula por los mismos. Se puede incrementar 
la capacidad de estas calderas aumentando el número de tubos. 
Calderas de tubos de humos o peritubulares: Los gases generados en la combustión circulan por el 
interior de los tubos que integran el intercambiador y que están tendidos en el interior del depósito 
de agua, incrementando así la temperatura del fluido. 
 Estas son las calderas que tienen más aceptación en los entornos industriales. Pueden adoptar 
distintas configuraciones en función de cómo se ubican los tubos de humos: horizontales, de cajas 
de humo y verticales. El objetivo de una caldera de vapor, ya sea de un sistema u otro, es 
incrementar la temperatura y la presión del agua hasta transformar el fluido en vapor a la presión 
necesaria. 
La obtención de vapor va a condicionar el resto de los componentes auxiliares de la caldera, ya que 
deben estar diseñados para soportar las temperaturas y presiones necesarias. Hay que tener en 
cuenta que según aumenta la presión del agua también aumenta la temperatura de ebullición. 
 
¿Qué es un Generador de Vapor? 
Un generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía 
química contenida en un combustible (por ejemplo gas natural, gasóleo, fueloil, biomasa, etc), se 
transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para 
generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para hacer funcionar 
una turbina en un ciclo de Rankine modificado y, en su caso, producir electricidad, aunque también 
tiene amplias aplicaciones en la industria, como procesos de calentamiento de materias primas o 
productos, esterilización, lavado, etc. 
Existen generadores de vapor que no utilizan la energía química, sino que directamente concentran 
la energía térmica, como es el caso de la energía termo solar de concentración. 
Dicho esto, se puede observar que, en esencia, una caldera o generador de vapor es un tipo de 
intercambiador de calor donde se realiza un cambio de fase. 
En un generador de vapor, las pérdidas por convección y radiación son menores que las pérdidas en 
los humos. Las pérdidas por convección y radiación representan un 0.5% mientras que las pérdidas 
en los humos secos representan un 5% y un 1% son las pérdidas por vapor de agua en los gases de 
combustión. 
Tipos de generadores de vapor 
La clasificación más habitual diferencia las calderas o generadores de vapor entre las del tipo 
pirotubular y las de tipo acuotubular. 
En el caso de las calderas de tipo pirotubular, los gases calientes de la combustión transcurren por el 
interior de un haz de tubos. En el caso de las calderas acuotubulares, es el agua el que se encuentra 
en el interior de estos tubos, por lo que los gases los rodean completamente. 
Partes de un generador de vapor 
✓ Economizador 
✓ Sobre calentador 
✓ Recalentador 
✓ Precalentador de aire regenerativo 
✓ Hogar (caldera) 
ii) Indicar la clasificación general de las calderas de acuerdo al mayor uso en nuestro país. 
• Según disposición de los fluidos: En este caso las calderas pueden ser calderas de tubos de 
agua o calderas de tubos de humo. 
• Según la transmisión del calor: Pueden ser calderas de convección, calderas de radiación o 
calderas de radiación y convección. 
• Según el combustible utilizado: Podemos clasificarlas como calderas de carbón, calderas de 
combustibles líquidos, calderas de combustibles gaseosos, calderas para combustibles 
especiales o calderas de recuperación de calor de gases. 
• Según el tiro: Las calderas en este caso pueden ser calderas de hogar presurizado o calderas 
de hogar equilibrado. 
• Según el sistema de apoyo empleado: Podrían ser calderas apoyadas o calderas 
suspendidas. 
• Según su implantación: Las calderas pueden ser calderas terrestres o calderas marinas. 
• Según su ubicación: Serían calderas de interior y calderas protegidas contra intemperie. 
• Según su operación: Las calderas pueden ser calderas automáticas, calderas 
semiatuomáticas o calderas de operación manual. 
• Según la circulación de los fluidos: Podemos tener calderas de circulación natural, calderas 
de circulación asistida o calderas de circulación forzada. 
• Según la presión de trabajo: Las calderas pueden ser de baja presión, presión media o alta. 
• Según el sistema de vaporización: La clasificación de las calderas sería de calderas de 
vaporización lenta o calderas de vaporización rápida. 
• Según su uso: Serían calderas fijas o calderas móviles 
• Según las fuentes de calor: Podemos tener calderas para combustibles, calderas mixtas, 
calderas de recuperación de calor o calderas eléctricas. 
• Según la forma en que fluyan los gases de la combustión: Las calderas serían calderas de 
paso directo o calderas de retorno. 
• Según el medio de transporte de calor: Pueden ser calderas de vapor, calderas de agua 
caliente, calderas de agua sobrecalentada o calderas de fluido térmico. 
 
iii) En consideración a las clasificaciones indicadas en ii, la caldera del IIDEPROQ a cuál tipo 
corresponde, explicar. 
Es la Caldera de Vapor, ya que la caldera de IIDEPROQ es manual y genera vapor sobrecalentado. 
5.3 Los accesorios de una caldera son todos los elementos útiles y necesarios para permitir y/o 
controlar el buen funcionamiento del equipo generador de vapor, hacer un listado de los principales 
accesorios de calderas: 
i) Accesorios de observación 
Indicadores de nivel de agua 
Tubo de Nivel 
Grifos o llave de prueba 
Indicadores de presión 
Altímetros 
Manómetros 
Analizadores de gases de la combustión 
Indicadores de CO2 
Indicador de CO 
Indicadores de temperaturas 
Termómetro 
Pirómetros 
ii) Accesorios de seguridad 
Válvula de Seguridad 
Silbatos de Alarma 
Tapones Fusibles 
iii) Accesorios de alimentación de agua 
Bombas Centrífugas 
Bombas Manuales 
Bombas De Embolo 
iv) Accesorios de limpieza 
Puertas de Inspección 
Válvulas de extracción de fondo 
Sopladores de hollín 
5.4 Explicar que se entiende por ¨Potencia de una caldera¨, y de que dependerá la potencia de una 
caldera. Indicar como se mide normalmente esta potencia. 
• La potencia de la caldera está determinada por la superficie de calefacción, y se puede 
expresar en la cantidad de vapor que genera en una hora. 
• El rendimiento de la caldera es la relación entre el calor contenido en el vapor, y el vapor 
contenido en el combustible que se quema. 
• La combustión de la caldera es la reacción química mediante la cual las sustancias 
combustibles reaccionan con el oxígeno, generando luz y calor. 
• El rendimiento del combustible usado en una caldera varía según la cantidad de calor que se 
obtiene al quemar un kilogramo de combustible. 
• Los quemadores de combustibles pueden ser líquidos o gaseosos. Losprimeros deben ser 
vaporizados antes de ser quemados, y los segundos presentan menos dificultades durante la 
combustión. 
 
5.5 Cuáles serán las condiciones que influyen en un mejor rendimiento de una caldera? 
Regula la temperatura ambiente 
Siguiendo las recomendaciones e indicaciones de IDEA (Instituto para la Diversificación y Ahorro de 
la Energía) debemos calcular cuál es la temperatura de confort en nuestro hogar. 
La temperatura ambiente durante el día se recomienda que sea entre 19º y 21ºC y entre 17º y 18ºC 
por la noche para poder dormir. A partir de 23ºC se considera una temperatura que reseca el 
ambiente por lo que puede causar molestias, además de notarlo en la factura de la luz. 
 
Instala un cronotermostato 
El cronotermostato nos ayudará a programar según, nuestros hábitos, las horas y los días que 
necesitemos una temperatura perfecta en nuestro hogar, evitando pérdidas de calor y energía. 
 
Purga bien los radiadores 
Una vez al año es necesario purgar los radiadores para mejorar el rendimiento de tu caldera, 
eliminando las bolsas de aire que se acumulan en los radiadores. 
 
No pongas ropa u otros objetos pegados o encima de los radiadores 
Evita poner muebles o sillones delante porque dificultan la adecuada difusión del aire caliente. 
 
Instala válvulas termostáticas en los radiadores 
Estas válvulas se combinan con cabezales termostáticos logrando un ahorro energético entre el 8 y 
13%. 
 
Regula la temperatura de trabajo para la calefacción 
Caldera de condensación, la temperatura adecuada suele ser 55-60ºC. Caldera que produce ACS, 
regula la temperatura a la que quieres que salga el agua caliente de los grifos. Caldera mural mixta 
instantánea, la temperatura entre 40-50ºC. Caldera con acumulador incorporado o con acumulador 
externo, entre 55 y 60ºC. 
 
Comprueba que la presión del agua de la caldera es correcta 
Alrededor de 1,2 bar con un margen de +/- 25%. 
 
Verifica que están en buen estado las distintas tomas 
Comprueba que la salida del gas, la entrada y salida de agua y la red eléctrica estén en perfecto 
estado. 
 
Si tu caldera es antigua, cámbiala por una caldera de condensación 
Las calderas a gas te permiten ahorrar hasta un 30% de gas. 
5.6 El agua de alimentación de las calderas deben ser tratadas, con el objeto de prevenir los 
problemas causados por las impurezas. Hacer un resumen de los principales procedimientos de 
purificación del agua de alimentación de las calderas. 
Llevar a cabo un tratamiento de agua para calderas es una tarea fundamental para asegurar la vida 
útil de la maquinaria. Sin problemas operacionales, necesidad de reparaciones inesperadas o 
probabilidades de accidentes. 
Para asegurar esta calidad, también es prioritario cumplir con la normativa vigente que fija los 
límites recomendados para los parámetros involucrados en el tratamiento del agua en función del 
tipo de caldera y la presión de trabajo. 
Un descuido en el tratamiento de aguas para calderas puede ocasionar costosas reparaciones, 
labores de mantenimiento continuas o un importante gasto en combustible. Además de un desgaste 
completo en los equipos. 
El uso, por ejemplo, de agua dura –aquella que tiene un alto nivel de minerales, en concreto, sales 
de magnesio y calcio puede provocar daños no solo en las calderas, sino también en tuberías, torres 
de enfriamiento, así como en otros componentes integrados dentro de un mismo proceso. 
Las características que debe tener el agua destinada a calderas y generación de vapor deben ser: 
• Cero dureza. 
• Ph del 10.5-11.5 (rango normal). Valor máximo permisible de 12.5. 
• Libre de oxígeno disuelto con un valor de sulfito residual >50ppm. 
• Sólidos totales disueltos. En función del tipo de caldera, puede variar desde 3.000 ppm (baja 
presión) hasta menor a 100 ppm para calderas de alta presión. 
• Hierro disuelto <1.0 ppm. 
• Libre de sólidos suspendidos. 
• Sílice desde 120 ppm a 1 ppm en función del tipo de caldera.