Caldera_para_Bano_Sauna

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA 
 
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA 
 
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
CALDERA PARA BAÑO SAUNA. 
 
 
Proyecto profesional de grado previo a 
la obtención del Título de Ingeniero 
Mecánico: Especialidad Mecánica 
 Industrial y Automotriz. 
 
 
 
Autores: Jenny Alba Moreno Jiménez 
 Byron Giovany Cacuango Alba 
 Byron Vladimir Tasiguano Guanoquiza 
 
 
Tutor: Ing. Mec. Alfonso Delgado 
 
 
 DM. Quito Mayo 2009 
 
 
 
 iii 
 
 
CERTIFICACIÓN 
 
 
 
 
Certifico que el presente Proyecto Profesional de Grado titulado 
“Caldera para Baño Sauna”, ha sido realizado en forma íntegra e 
inédita por los Egresados de la Facultad de Ingeniería Mecánica 
de la Universidad Tecnológica América; señorita: Jenny Alba 
Moreno Jiménez, y los señores: Byron Giovany Cacuango Alba y 
Byron Vladimir Tasiguano Guanoquiza, de acuerdo a mi 
direccionamiento. 
 
Quito, Mayo 2009 
 
 
 
Ing. Mec. Alfonso Delgado 
 
Profesor de la Facultad de Ciencias 
de la Ingeniería Mecánica 
 
Director del Proyecto 
 
 
 iv 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTO 
 
 
 
 
 
Nuestro reconocimiento y gratitud al Decano de la 
Facultad, señor Ingeniero Segundo Chicaiza, y al Personal 
Docente y Administrativo de la Facultad de Ciencias de la 
Ingeniería Mecánica, de la Universidad Tecnológica 
América, por la invalorable colaboración que supieron 
brindarnos durante la realización del presente proyecto. 
 
 
 
 
Jenny, Byron y 
Vladimir 
 
 
 
 
 
 v 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
 
A mi Padre celestial quien es mi fortaleza. 
El testimonio de mi esfuerzo, para: 
Mis padres Washington y Mapita 
y mis hermanos Andrea e Israel 
 
Jenny 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 vi 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
A las personas que siempre creyeron en mí 
 y tan decididamente me apoyaron: 
mis padres César y María 
mis hermanos Patricio y Daniela 
mi esposa Angelita 
 
 
Byron 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 vii 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
 
A las personas que me brindaron su 
confianza y siempre me dieron ánimo 
 para seguir adelante: 
mis padres Luis Alfredo y María 
mis hermanos Mayra, Jenny y Wilmer 
mi novia Jaqueline 
 
 
Vladimir 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 viii 
 
 
ÍNDICE DE CONTENIDOS 
 
 Pág. 
 
Resumen xv 
Introducción xvii 
 
CAPÍTULO I 
MARCO TEÓRICO 
 
1.1 El agua 2 
1.1.1 Características Físicas 3 
1.1.2 Características químicas. 4 
1.2 Procesos Termodinámicos del Agua 6 
1.2.1 Sistemas P v T 7 
1.2.2 Cambios de Fase 10 
1.2.3 Vapor de Agua 15 
 1.2.3.1 Calidad del Vapor 16 
 1.2.3.2 Vapor Húmedo 19 
 1.2.3.3 Vapor Saturado y Seco 20 
 1.2.3.4 Vapor Sobrecalentado 20 
1.3 Baño Sauna 21 
 1.3.1 Características Generales de un Baño Sauna 22 
 1.3.1.1 Beneficios Terapéuticos de la Sauna 24 
 1.3.2 Propiedades Termodinámicas del Vapora Emplearse 25 
 1.3.3 Parámetros del Proyecto 26 
1.4 Sistemas de Calentamiento 28 
 1.4.1 Diesel 29 
 1.4.1.1 Características del Diesel como Combustible 31 
 1.4.1.2 Proceso de Combustión del Diesel 32 
 1.4.2 Gas Licuado de Petróleo 35 
 
 ix 
 1.4.2.1 GLP en Refinerías 35 
 1.4.2.2 GLP de Gas Natural 36 
 Pág. 
 1.4.3 Calentamiento Eléctrico 40 
 1.4.3.1 Resistencias Eléctricas 40 
 1.4.3.2 Potencia Eléctricas en Circuitos Resistivos 41 
1.5 Calderas 43 
 1.5.1 Breve Historia de las Calderas 44 
 1.5.2 Tipos de Calderas 44 
 1.5.2.1 Calderas Acuotubulares 46 
 1.5.2.2 Calderas Pirotubulares 47 
 1.5.3 Clasificación de las Calderas 49 
1.6 Corrosión en Instalaciones de Vapor 52 
 1.6.1 Métodos para evitar la corrosión 54 
 1.6.2 Mecanismo de Corrosión en Instalaciones de vapor 56 
1.7 Tratamiento del Agua para Calderas 57 
1.8 Modelo de Dalton 60 
 
CAPÍTULO II 
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 
 
2.1 Selección del sistema de calentamiento 63 
 2.1.1 Selección de los combustibles 64 
 2.1.1.1. Condiciones de almacenamiento 64 
 2.1.1.2. Rendimiento térmico 65 
 2.1.1.3. Tecnología de la combustión 66 
 2.1.1.4. Dispositivos para el control de mezcla 66 
 2.1.1.5. Contaminación ambiental 67 
 2.1.1.6. Seguridad industrial 67 
2.2 Selección del tipo de caldera 69 
 2.2.1. Tecnología de construcción 69 
 
 x 
 2.2.2. Costo 70 
 2.2.3. Duración 71 
 Pág. 
2.3 Selección del aislamiento térmico 71 
 2.3.1 Costo 72 
 2.3.2 Duración 72 
 2.3.3 Facilidad de colocación 72 
 
CAPÍTULO III 
DISEÑO MECÁNICO DEL EQUIPO 
 
3.1 Parámetros de diseño de la caldera 73 
3.1.1 Diseño de la capacidad del caldero 74 
3.1.2 Condiciones de ingeniería 75 
3.1.3 Cálculo de la masa de vapor 77 
 3.1.3.1 Cálculo del volumen de madera 79 
 3.1.3.2 Cálculo de la cantidad de calor 80 
3.1.4 Cálculo de la masa de aire 83 
3.1.5 Tiempo de llenado de vapor en la sauna 84 
3.2 Volumen del vapor en la caldera 89 
3.3 Volumen del líquido en la caldera 90 
3.4 Cilindro de la caldera 91 
 3.4.1 Material para construcción del cilindro de la caldera 93 
 3.4.2 Esfuerzos en el cilindro de la caldera 97 
 3.4.2.1 Esfuerzos normales por tensión en el cilindro 97 
 3.4.2.2 Deformación de las tapas 98 
 3.4.2.3 Esfuerzos radiales 98 
 3.4.2.4 Cálculo del cilindro de paredes delgadas 99 
 3.4.2.5 Esfuerzo tangencial 100 
 3.4.2.6 Esfuerzo longitudinal 102 
 3.4.3 Esfuerzo térmico 103 
 
 xi 
 3.4.4 Criterios de falla 104 
3.5 Calentamiento 106 
 Pág. 
 3.5.1 Calentamiento del Agua 106 
 3.5.2 Calentamiento de la Masa de Acero 107 
 3.5.3 Calor de Vaporización 109 
 3.5.4 Tubos de Fuego 110 
 3.5.4.1 Proceso de Combustión del Propano 110 
 3.5.4.2 Conducción de Calor Radial en Tubos de Fuego 114 
 3.5.4.3 Transferencia de Calor por Ebullición 120 
 3.5.5 Circulación en la caldera 125 
 3.5.6 Aislamiento térmico 128 
 3.5.7 Juntas soldadas 131 
3.6 Entradas y salidas de la caldera 133 
 3.6.1 Entrada de agua fría 133 
 3.6.2 Salida para la válvula de alivio 134 
 3.6.3 Salidas para termómetro y manómetro 135 
 3.6.4 Salida de vapor para suministro al baño sauna 136 
 3.6.5 Salida de drenaje 136 
3.7 Funcionamiento del equipo 137 
 3.7.1 Sistema de control de encendido 138 
3.8 Pruebas 139 
 3.8.1 Prueba Hidrostática 139 
 3.8.2 Prueba de calentamiento 139 
 3.8.3 Prueba de consumo de combustible 142 
Conclusiones 143 
Recomendaciones 144 
Bibliografía 146 
Anexos A (Tablas) 
Anexos B (Manual de Funcionamiento) 
Anexos C (Planos) 
 
 xii 
 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
 
 
Nº Pág. 
 
1.1 Constantes físicas del agua 3 
1.2 Subíndices para las Tablas Termodinámicas del Agua 13 
1.3 Características del Combustible Diesel 32 
1.4 Grados de Diesel 32 
1.5 Especificaciones para Aceites Combustibles Diesel 34 
1.6 Poder Calorífico 39 
1.7 Propiedades de los Metales, Aleaciones y Materiales para 
 Resistencias Eléctricas 40 
1.8 Serie de los Metales por sus Fuerzas Automotrices 53 
2.1 Selección de combustible 68 
2.2 Selección de tipo de caldera 71 
2.3 Selección de aislante térmico 72 
3.1 Características termodinámicas del aire 84 
3.2 Flujo másico de vapor saturado de agua 853.3 Características del acero ASTM 283 grado C 94 
3.4 Dimensiones del tubo de 4 pulgadas 117 
3.5 Maximum outside metal temperature. 119 
3.6 Calentamiento con la válvula de entrada de agua abierta 139 
3.7 Calentamiento con todas las válvulas cerradas 140 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 xiii 
 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Nº Pág. 
 
1.1 Esquema General 1 
1.2 Molécula de agua 3 
1.3 Diagrama de fase para el agua 7 
1.4 Proyección lateral del diagrama de fase para el agua 8 
1.5 Curva presión – volumen para el agua 9 
1.6 Volúmenes específicos para el cambio de Fase del Agua 17 
1.7 Volumen Específico del Vapor Sobrecalentado 20 
1.8 Diagrama de Bloques del Proyecto 26 
1.9 Sauna Modelo Elegance 02 27 
1.10 Curva de Destilación Típica de Combustibles Hidrocarburos 30 
1.11 Estructura Molecular del Propano 37 
1.12 Estructura Molecular del Butano 38 
1.13 Curvas de Voltaje, Corriente y Potencia 41 
1.14 Esquema de las Calderas Tipo Lancashire 45 
1.15 Caldera Acuotubular Modelo CIT 46 
1.16 Caldera Pirotubular con Movimiento Convectivo por las Paredes 47 
1.17 Caldera Pirotubular con Ductos para el Movimiento Convectivo 
 del Agua 48 
1.18 Caldera de Dos Pasos para Gas o Diesel 50 
1.19 Caldera de Dos Pasos con Hogar Corrugado, Combustible 
 Gas o Diesel 50 
1.20 Caldera de Tres Pasos Combustible Gas o Diesel 51 
1.21 Caldera de Cuatro Pasos para Combustible Gas o Diesel 51 
1.22 Caldera de Paquete 52 
1.23 Carta Generalizada de Compresibilidad 61 
1.24 Modelo de Dalton 61 
 
 xiv 
3.1 Dimensiones interiores de la sauna 74 
3.2 Esquema de Funcionamiento 75 
Nº Pág. 
3.3 Dimensiones Exteriores de la Sauna 79 
3.4 Tubería que lleva el vapor de la caldera a la sauna 87 
3.5 Caída de presión en la tubería 88 
3.6 Cilindro de la caldera 92 
3.8 Variación de la Resistencia del Acero con la Temperatura 93 
3.9 Esfuerzo Normal por Tracción 96 
3.10 Deformación de las tapas por efecto de la presión interna 98 
3.11 Esfuerzos radiales en el cilindro 98 
3.12 Sección longitudinal del cilindro de la caldera 99 
3.13 Sección transversal del cilindro de la caldera 100 
3.14 Mitad de la sección de un anillo del cilindro 101 
3.15 Esquema de cargas de un extremo del cilindro 102 
3.16 Calentamiento de la Caldera 106 
3.17 Sección Transversal de la tapa ya barolada 107 
3.18 Proceso de Combustión del Propano 111 
3.19 Calentamiento de los tubos de fuego 114 
3.20 Conducción de calor radial a través de un cilindro hueco 115 
3.21 Longitud de los tubos de fuego 118 
3.22 Curva típica para ebullición de alberca 120 
3.23 Fuerza circuladora en calderas de circulación natural 126 
3.24 Nivel de carga de agua en la caldera 127 
3.25 Sección transversal del cilindro y aislamiento térmico 128 
3.26 Relación cualitativa entre r2 y Q 131 
3.27 Preparación de juntas posibles para la construcción 132 
3.28 Válvula de alivio recomendada por el Código ASME 135 
3.29 Termómetro 136 
3.30 Caldera de Vapor 137 
3.31 Control automático 138 
 
 xv 
3.32 Curva termodinámica Presión versus Temperatura 141 
3.33 Curva Presión versus tiempo 141 
 
 xvi 
RESUMEN 
 
 
Se estudian en forma abreviada los tipos de calderas más comunes: las 
acuotubulares y las pirotubulares, así como el proceso corrosivo del acero por el 
contacto con el agua, y el tratamiento del agua para calderos; evidentemente 
todos estos temas son tratados con un calado somero, debido a que su extensión 
y profundidad ameritan por sí solos otros temas de tesis, se toman los aspectos de 
mayor importancia y relevancia para el proyecto particular que es la construcción 
de una caldera para alimentar un baño sauna. 
 
El modelo de la sauna se toma de una información internacional, el Catálogo 2007 
de la empresa española PROEQUIP. En el que se establecen los parámetros 
dimensionales, los parámetros de funcionamiento como temperatura y tiempo de 
permanencia en el interior de la sauna por el usuario, son recomendaciones 
recogidas de varias investigaciones en fuentes informativas tipo enciclopedia. 
 
Se justifica mediante la utilización de modelos matemáticos y termodinámicos la 
selección del vapor saturado y seco, alejándose del concepto tradicionalmente 
aceptado, que por definición las calderas operan con vapor saturado, mientras que 
los generadores de vapor lo hacen con vapor sobrecalentado. El tipo de 
combustible a utilizar considera: existencia en el mercado, facilidad de adquisición, 
transporte, costo, almacenamiento, rendimiento térmico, tecnología de 
combustión, instrumental para el control de la mezcla, contaminación y seguridad 
industrial. 
 
El diseño mecánico de la caldera se inicia con la consideración de que ésta es una 
caldera de circuito abierto, es decir que a diferencia de las calderas populares no 
existe retorno del condensado, lo que baja ostensiblemente la necesidad de 
controlar la dureza del agua, porque son despreciables los elementos en los que 
se pueden encontrar depósitos de calcio, incrustaciones y lodos. 
 
 xvii 
El diseño se realiza para una caldera en la que los parámetros de diseño más 
significativos son: el volumen total del sauna de 1.37 m3, la temperatura de la 
mezcla del vapor y el aire de 90 ºC., y el tiempo de exposición 15 minutos. El 
análisis de la cantidad de vapor que se necesita para operar la sauna, toma en 
consideración la condición de ingeniería que tanto al vapor como al aire y la 
mezcla fina de ellos son gases ideales. Ante la eventualidad de que la caldera se 
quede seca porque todo el líquido se transformó en vapor, se calcula la cantidad 
de líquido a llenarse sea suficiente para un día de funcionamiento. 
 
El diseño de los tubos calentadores, en cantidad y dimensiones así como de los 
ductos para favorecer el movimiento convectivo del líquido se hacen en base a 
cálculos de transferencia de calor, de la misma forma se procede para el cálculo 
del aislamiento térmico. El sistema de control de la caldera básicamente toma en 
cuenta la presión en el interior de ésta, valor que es detectado por un manómetro 
y mediante un presóstato se lleva la señal a un sistema de control para que cierre 
o abra la válvula del suministro de gas a los quemadores, la seguridad a las 
sobrepresiones se da mediante una válvula de alivio. 
 
El presente proyecto trata de cubrir en la forma más objetiva todos los temas 
necesarios, para que los procesos de diseño, cálculo y construcción sean factibles 
y seguros. Está en la consciencia del grupo de investigación que subsisten 
muchos temas por evacuar, como la proyección que puede y debe generar el 
presente proyecto, la calificación de los materiales del mercado nacional para la 
construcción y la generación de tecnología propia, finalmente con el 
convencimiento de que se ha abierto una puerta en el campo de las 
investigaciones térmicas, se tiene la confianza de que los procesos 
termodinámicos los tratarán futuras tesis de grado, elevando así el acervo cultural 
de la Facultad de Ingeniería Mecánica. 
 
 
 
 
 
 
 xviii 
INTRODUCCIÒN 
 
 
 
El problema técnico del presente proyecto está relacionado con la concepción y 
manufactura de un generador de vapor, que permita a los estudiantes de la 
Carrera de Mecánica presenciar de cerca el funcionamiento de un equipo como 
este. 
 
El objetivo del presente proyecto es utilizar eficientemente los conceptos, 
postulados y leyes de la Ingeniería Mecánica en el diseño, cálculo y construcción 
de una caldera cuyo producto principal sea el vapor de agua en estado saturado y 
seco, en cantidad suficiente y en las condiciones físico – mecánicas necesarias 
para su utilización en un baño sauna. 
 
Partede los objetivos específicos planteados para alcanzar en el desarrollo de 
este proyecto, es comprender el funcionamiento de un caldero, diseñar un equipo 
sencillo, económico y práctico en su uso, que se pueda construir con las normas 
disponibles y con los materiales existentes en el país. 
 
Considerando la ausencia de un equipo como éste en la Facultad de Ciencias de 
Ingeniería, y todo el conocimiento adquirido durante la carrera que se puede 
aplicar para el diseño y construcción de dicho equipo, se puede justificar este 
proyecto como previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO I 
MARCO TEÓRICO 
 
Se toman los aspectos de mayor importancia y relevancia para el proyecto 
particular que es la construcción de una caldera para alimentar un baño sauna, 
para lo cual se desarrolla un esquema general en la figura Nº 1.1 que muestra 
el modelo inicial del equipo que se diseña en el capítulo III. 
 
Fig. Nº 1.1 Esquema General 
 
 
El vapor de agua es un elemento conocido en la humanidad desde tiempos 
inmemoriales, su utilización ha sido muy variada a través de los siglos; se 
conoce por la Historia que en el siglo I, de nuestra era, el matemático Heron de 
Alejandría, a quien muchos tratadistas consideran como el primer Ingeniero 
Mecánico de la humanidad, había construido una turbina de vapor y hace 
mención de su funcionamiento en un tratado que denominó Eolipias, se sabe 
también que varios otros trabajos relacionados con la Ingeniería Térmica fueron 
realizados en la edad media y el renacimiento. 
 
En los siglos XVII y XVIII aparecen las primeras máquinas de vapor, con ellas 
se inicia la Revolución Industrial y su desarrollo no se ha interrumpido hasta 
ahora, por lo que resulta evidente que es una verdad ineludible aquella frase de 
 
 
2 
que “El desarrollo de una civilización está en relación directa con su capacidad 
de dominar e industrializar el fuego”. 
 
Característica general de todo proyecto técnico es tener una materia prima a la 
que se dedica a transformar, con el propósito de hacerla trabajar en diversas 
condiciones, se hace necesario entonces y es de fundamental importancia, 
conocer las características físico mecánicas de ésta, para proyectar un equipo 
que aproveche al máximo las posibilidades y respete las limitaciones, de lo que 
hoy se denomina como fluido de trabajo. En el presente proyecto se empleará 
agua potable la que se convertirá en vapor en la caldera y mediante un sistema 
de conducción será llevada al baño sauna para su utilización. 
 
 
1.1 EL AGUA 
 
 
El antiguo pensamiento filosófico consideraba al agua uno de los cuatro 
elementos básicos de la naturaleza: y no fue sino hasta el año de 1781 en que 
el químico británico Henry Cavendish sintetizó agua detonando una mezcla de 
hidrógeno y aire. En 1783 el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier 
propuso que el agua era un elemento compuesto de oxígeno e hidrógeno. 
Finalmente en el año de1804, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el 
naturalista alemán Alexander von Humboldt demostraron conjuntamente que el 
agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno. 
 
 
Generalmente agua, es el nombre común que se aplica al estado líquido del 
compuesto químico de hidrógeno y oxígeno cuya fórmula molecular es H2O. Se 
acepta que geométricamente la molécula de agua es plana y tiene forma de V, 
formando un ángulo de 104° 28´ 105º como muestra la figura Nº 1.2. Al estar 
unido cada átomo de hidrógeno con un elemento muy electronegativo como el 
oxígeno, el par de electrones del enlace estará muy atraído por éste. Estos 
forman una región de carga negativa, que polariza eléctricamente a la molécula, 
la desigual distribución de carga consecuencia del mayor efecto atractivo del 
 
 
3 
oxígeno sobre los electrones del enlace, le da el carácter de polar. Esta 
cualidad polar explica el fuerte enlace entre las moléculas. 
 
Fig. Nº 1.2 Molécula de Agua 
 
 
1.1.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS 
 
 
El agua se emplea en la fabricación de papel; en procesos textiles; como 
disolvente; como refrigerante industrial; en procesos de hidrólisis; en sistemas 
hidráulicos; como fuente de energía y como generadora de vapor, algunas de 
sus constantes físicas se muestran en la tabla Nº 1.1 
 
 Tabla Nº 1.1 Constantes físicas del agua 
 
Masa molecular [uma] 18,6 
Punto de fusión a 1 atm. de presión [ºC] 0 
Punto de ebullición a 1 atm. [ºC] 100 
Densidad en estado sólido a 0 ºC [g/cm3] 0,915 
Densidad en estado líquido a 0 ºC [g/cm3] 0,99987 
Densidad en estado líquido a 4 ºC [g/cm3] 1,00 
Densidad en estado líquido a 100 ºC [g/cm3] 0,9583 
Calor de fusión [Kcal / mol] 9,719 
Temperatura crítica [ºC] 374,1 
Presión crítica [atm] 217,7 
 
Fuente: La Enciclopedia SALVAT, Volumen 1, Pág. Nº 209 
 
 
4 
Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobreenfriado, es 
decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté 
por debajo de su punto de congelación; como ejemplo se cita el hecho de que 
se la puede enfriar fácilmente a unos -25 °C sin que se congele. El agua 
sobreenfriada se puede congelar agitándola, descendiendo más su 
temperatura o añadiéndole un cristal u otra partícula de hielo. Debido a que es 
un elemento tan difundido en la naturaleza, sus propiedades físicas se 
utilizaron como patrones para definir, la unidad de masa, y las escalas de 
temperatura. 
 
El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres 
estados de la materia, sólido, líquido y gas. En la naturaleza existe como sólido 
o hielo, el que se encuentra en los glaciares y los casquetes polares, así como 
también en forma de nieve, granizo y escarcha en el invierno, y en las nubes 
formadas por cristales de hielo. Existe en estado líquido en las nubes de lluvia 
formadas por gotas de agua, y en forma de rocío en la vegetación. Además, 
cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre en forma de pantanos, 
lagos, ríos, mares y océanos. Como gas, o vapor de agua, existe en forma de 
niebla, vapor y nubes. El vapor atmosférico se mide en términos de humedad 
relativa, que es la relación de la cantidad de vapor de agua en el aire a una 
temperatura dada respecto a la máxima que puede contener a esa temperatura. 
 
 
1.1.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. 
 
El agua, componente principal de la materia viva, constituye del 50 al 90% de 
la masa de los organismos vivos. El protoplasma en las células vivas, es una 
disolución de grasas, carbohidratos, proteínas, sales y otros compuestos 
químicos similares en agua, donde actúa como disolvente transportando, 
combinando y descomponiendo químicamente esas sustancias. La sangre de 
los animales y la savia de las plantas contienen gran cantidad de agua. 
 
 
5 
Desempeña también un papel importante en la descomposición metabólica de 
moléculas tan esenciales como las proteínas y los carbohidratos. Este proceso, 
llamado hidrólisis, se produce continuamente en las células vivas. 
 
Desde el punto de vista químico propiamente dicho, el agua es un compuesto 
estable: es ampliamente conocida la característica que su vapor no empieza a 
disociarse hasta los 1300 ºC. Pero puede descomponerse por la acción de los 
cuerpos que se combinan fácilmente con alguno de sus elementos, tal como lo 
hacen el flúor, el cloro y el bromo. También la descomponen los metales 
alcalinos y los alcalinotérreos, así mismo produce reacciones de hidrólisis 
descomponiendo sales de ácidos débiles, ésteres, etc. Actualmente el agua es 
considerada uno de los agentes ionizantes más conocidos, puesto que se 
observa que todas las sustancias son de alguna manera solubles en agua, 
debido a esta característica, se le conjetura frecuentemente como el disolvente 
universal. El agua combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona 
con los óxidos de los metales formandoácidos y actúa como catalizador en 
muchas reacciones químicas importantes. 
 
Respecto de la pureza del agua se puede afirmar que el agua de la lluvia es 
bastante pura, pues apenas contiene sales minerales en disolución, pero en el 
agua corriente de lagos y ríos las impurezas que suelen encontrarse figuran las 
sales de calcio y magnesio, como bicarbonatos, sulfatos y nitratos, etc. El agua 
que contiene sales de calcio y de magnesio en proporción excesiva (más del 
0.05%) se llama agua dura. 
 
El agua está presente también en la porción superior del suelo, en donde se 
adhiere, por acción capilar, a las partículas del mismo. En este estado, se le 
denomina agua ligada y tiene unas características diferentes del agua libre. Por 
influencia de la gravedad, el agua se acumula en los intersticios de las rocas 
debajo de la superficie terrestre formando depósitos de agua subterránea. 
 
 
6 
Existen muchas propiedades muy significativas del agua que no se citan en el 
presente estudio, esto se debe a que son características que no contribuyen 
significativamente a la solución del problema técnico planteado, el 
comportamiento secuencial del agua frente a la adición de una fuente de 
energía calorífica, constituye el propósito fundamental del presente proyecto, 
para conceptuar, comprender y establecer aplicaciones industriales de este 
proceso y fenómeno se recurre al estudio y aplicación de la Termodinámica del 
agua. 
 
1.2 PROCESOS TERMODINÁMICOS DEL AGUA 
 
 
En el presente estudio se considera el agua potable disponible en la red, como 
una sustancia pura, es decir que se desechan las consideraciones de dureza 
propias del agua, de la mayoría de las regiones del Ecuador. A partir de esta 
estimación y conceptualización se analizará el proceso termodinámico 
mediante el cual el agua se transforma en vapor mediante la adición de calor, 
se hace por tanto necesario el estudio de las propiedades termodinámicas de la 
sustancias puras. 
 
 
Es evidente que la termodinámica proporciona un gran número de ecuaciones 
que relacionan las propiedades de las sustancias. Las propiedades dependen 
de la naturaleza de la sustancia y difieren de una sustancia a otra. En ningún 
sentido la termodinámica es un modelo o descripción del comportamiento de la 
materia; en vez de esto, su utilidad depende de la disponibilidad de valores 
experimentales o teóricos de un mínimo número de propiedades. A partir de 
datos apropiados, la termodinámica permite el desarrollo de un conjunto 
completo de valores de las propiedades termodinámicas mediante las cuales 
se pueden calcular los efectos de calor y de trabajo en los diversos procesos y 
determinar las condiciones de equilibrio en distintos sistemas 1 
 
1 Michael M. Abbott: Termodinámica, pág. 101 
 
 
7 
1.2.1 SISTEMAS PRESIÓN VERSUS TEMPERATURA 
 
 
Los sistemas P v T, son aquellos que están constituidos por sustancias puras, 
es decir materiales en los que la composición química es homogénea y 
permanece invariable aunque se presenten en diferentes fases; el nombre de P 
v T hace relación a que las variables más significativas en el sistema son la 
presión el volumen específico y la temperatura. 
 
 
Por varios años la ciencia y la industria han almacenado datos de los más 
importantes gases y líquidos. Estos datos pueden ser presentados en forma de 
funciones matemáticas: P = f(v,T), a las que se las conoce como ecuaciones de 
estado, las que generalmente se expresan en forma tabular, gráfica y analítica, 
el gráfico de la función P = f (v,T) es una superficie en el espacio 
tridimensional, como la que muestra la figura Nº 1.3. 
 
Fig. Nº 1.3 Diagrama de fase para el agua 
 
 
 
 
Fuente: Frank Kreith Mechanical Engineering Handbook 
 
La figura Nº 1.4 muestra la proyección de la superficie espacial en el plano 
temperatura - presión, a esta curva generalmente se conoce como diagrama 
 
 
8 
de fase, la temperatura a la cual tiene lugar la evaporación o cambio de líquido 
a vapor se denomina temperatura de saturación, a esta temperatura 
corresponde una presión dada que se conoce como presión de saturación, 
para cada sustancia las diferentes presiones de saturación, tienen diferentes 
temperaturas de saturación. La proyección de la superficie termodinámica 
sobre el plano presión volumen se muestra en al figura Nº 1.5 
 
 
Fig. Nº 1.4 Proyección Lateral del Diagrama de Fase para el Agua 
 
 
 
Fuente: Frank Kreith Mechanical Engineering Handbook 
 
 
En la figura Nº 1.5 la curva central continua, la parte que va desde A hasta C se 
denomina curva del líquido saturado o “Línea de Liquidus” y la sección desde C 
hasta B la curva del vapor saturado. El área bajo la curva ACB representa la 
región de dos fases donde coexisten en equilibrio el líquido saturado y el vapor 
saturado. El punto C es el punto crítico cuyas coordenadas son Pc y vc, En la 
figura se incluyen varias isotermas o líneas de temperatura constante. 
 
 La isoterma crítica a temperatura Tc pasa por el punto crítico. Las isotermas 
de temperaturas más altas T1 y T2 , están sobre la isoterma crítica. 
 
 
9 
Las isotermas de temperaturas más bajas están por debajo de la crítica, están 
formadas por tres secciones, la región superior al punto crítico donde son 
curvas continuas casi paralelas al eje de la presión y cuyo comportamiento se 
semeja al de un gas perfecto 2 , atraviesan la región líquida y son muy 
empinadas, debido a que los líquidos no son muy compresibles; es decir, se 
necesitan grandes cambios de presión para efectuar un pequeño cambio de 
volumen. 
 
Fig. Nº 1.5 Curva Presión – Volumen para el Agua 
 
Fuente: Frank Kreith Mechanical Engineering Handbook 
 
La región central que pasa por la zona de dos fases en la que, se consideran 
son superficies regladas3, esto quiere decir que están formadas por rectas 
paralelas al eje del volumen específico. El paralelismo de las isotermas se debe 
a que las mezclas en equilibrio de líquido y vapor a una temperatura fija tienen 
una presión fija, la presión de vapor independientemente de las proporciones 
de líquido y vapor. 
 
2 Zemansky Marcus: Calor y Termodinámica, Pág 32 
3 Gordon J. Van Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística: Pág. 80 
 
 
10 
Los puntos situados a lo largo de esta línea horizontal representan diferentes 
proporciones de líquido y vapor, comprendidas desde líquido únicamente a la 
izquierda, hasta vapor únicamente a la derecha. 
 
 
Las secciones de las isotermas situadas a la derecha de la línea de vapor 
saturado CB están en la región de vapor. El vapor en esta región se denomina 
vapor sobrecalentado para distinguirlo del vapor saturado y seco que se 
ocasiona en la línea CB 
 
 
1.2.2 CAMBIO DE FASE 
 
 
Siempre que se cruza una de las curvas de la figura Nº 1.3 ocurre una 
transición o cambio de fase, y de este diagrama es evidente que los cambios 
de fase de las sustancias puras suceden a temperatura y presión constante. 
Sin embargo, las funciones termodinámicas extensivas cambian bruscamente 
como resultado de una transición de fase. Así el volumen del líquido saturado 
es muy diferente al correspondiente al vapor saturado a las mismas presión y 
temperatura. De una transición de fase resultan también cambios discretos de 
energía interna, entalpía y entropía. La excepción es la función de Gibbs, que 
no cambia durante la fusión, vaporización, sublimación, o una transformación 
alotrópica que suceda a temperatura y presión constantes. 
 
 
De acuerdo con lo expuesto y tendiendo en cuenta que un cambio de fase 
representa una transición entre dos fases que coexisten en equilibrio, se aplica 
la fórmula 1.1 al proceso de cambio: 
 
   0, PTtdG (1.1) 
 
 
11 
Para una sustancia pura, Presión y Temperaturason realmente constantes, y 
de acuerdo con la fórmula 1.1 la función total de Gibbs en el sistema cerrado 
en el cual sucede la transición, también debe ser constante. Esto únicamente 
pude ser verdadero si la función molar de Gibbs es la misma para ambas fases. 
Así para las dos fases coexistentes,  y , de una sustancia se debe tener la 
expresión dada por la fórmula 1.2 
 
  dGdG  (1.2) 
 
La función termodinámica de Gibbs se puede definir mediante la fórmula 1.3: 
 
 TSPVUTPGG  ),( (1.3) 
donde: 
G = Función de Gibbs 
P = Presión 
T = Temperatura 
U = Energía Interna 
S = Entropía 
V = Volumen 
 
En base molar, la derivada de la función de Gibbs se expresa mediante la 
fórmula 1.4 
ii dndPnVdTnSnGd  )()()( (1.4) 
 
La fórmula 1.4 aplicada a un mol de material puro y homogéneo se reduce 
inmediatamente a: 
 
VdPSdTdG  (1.5) 
 
Sustituyendo la fórmula 1.5 en la 1.2 se obtiene: 
 
dPVdTSdPVdTS   (1.6) 
 
Trasladando términos la fórmula 1.6 se puede expresar mediante la fórmula 1.7 
 
 
 
12 


VV
SS
dT
dP

 (1.7) 
 
Puesto que la presión en la fórmula 1.7 es siempre la presión de saturación en 
el límite apropiado de fase, se puede hacer esto explícito, escribiendo Psat en 
lugar de P. Además  VVySS  , que representan cambios de 
propiedad de la transición de fase, se expresan más convenientemente como 
 VyS  , y la fórmula 1.7 se puede escribir como: 
 


V
S
dT
dPsat

 (1.8) 
 
Una transición de fase que ocurre a Temperatura y Presión constantes, 
requiere un intercambio de calor entre la sustancia tomada como el sistema y el 
medio que la rodea. Cuando la transición se realiza reversiblemente este calor 
se denomina calor latente y es igual al cambio de entalpía, lo que se puede 
expresar mediante la fórmula 1.9 
 
HQ  (1.9) 
 
Además para un proceso reversible a Temperatura constante, se puede 
escribir: 
T
Q
S   (1.10) 
 
Al reemplazar la fórmula 1.9 en la 1.10 se tiene: 
 
T
H
S
  (1.11) 
La fórmula 1.11 involucra únicamente propiedades, por consiguiente no 
depende de la suposición inicial, condición de reversibilidad del proceso hecha 
en su deducción, al combinarla con la fórmula 1.8 se tiene la fórmula de 
Clayperon, que se expresa mediante la fórmula 1.12 
 
 
13 


VT
H
dT
dPsat


.
 (1.12) 
 
La fórmula 1.12 se aplica a cualquier cambio de fase de una sustancia pura y 
relaciona la pendiente de la curva límite de fase, presión temperatura, 
apropiada, a una temperatura y presión dadas, con el cambio de entalpía al 
que también se conoce como calor latente y el cambio de volumen de la 
transición de fase a las misma presión y temperatura. 
 
 
La notación utilizada por la ingeniería térmica es la de las tablas de vapor de 
agua, la que se empleará en el presente estudio, ya que se trabajará con el 
cambio de fase del agua en la producción de vapor. 
 
En las propiedades termodinámicas del agua se emplea una amplia notación 
muy conocida, en la que se emplea subíndices en lugar de superíndices para 
designar las fases saturadas y subíndices dobles sin el prefijo  para denotar 
los cambios de fase, como indica la tabla Nº 1.2 
 
 Tabla Nº 1.2 Subíndices para las tablas termodinámicas 
 del agua 
 
s = sólido saturado 
f = líquido saturado (f; del alemán flüssig) 
g = vapor o gas saturado 
sf = fusión 
fg = vaporización 
sg = sublimación 
 
Fuente: Gordon J. Van Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística: 
 
Aplicando la notación de la tabla 1.2 a la fórmula 1.12 para la vaporización se 
tiene: 
)(. fg
fg
fg
fg
sat
VVT
HH
VT
H
dT
dP

 (1.13) 
 
 
 
14 
En la fórmula 1.13 se pueden introducir una aproximación razonable para los 
procesos de vaporización, a ésta generalmente se conoce como asunciones de 
ingeniería o parámetros de proyecto. Para el proceso de vaporización a baja 
presión se supone que la fase vapor es un gas ideal y que el volumen molar de 
la fase condensada, volumen molar del líquido saturado es despreciable 
comparado con el volumen molar de la fase vapor. 
 
 
En el caso de la vaporización si se considera que el volumen del vapor es 
mucho mayor que el volumen de líquido se puede escribir la fórmula 1.14 
 
gfgfg VVVVV  (1.14) 
 
De acuerdo con la fórmula 1.14, la fórmula 1. 13 puede ser reescrita como: 
 
g
fg
sa t
VT
H
dT
dP
.
 (1.15) 
 
Aceptando que el vapor es un gas ideal se puede escribir: 
 
sa tg P
TR
V
. (1.16) 
donde: 
R = constante universal de los gases 
 
Al reemplazar 1.16 en 1.15 se tiene: 
 
sa t
fg
sa t
P
TR
H
dT
dP
2.
 (1.17) 
 
Despejando la entalpía en la fórmula 1.17 se tiene: 
 
 
 
15 



T
d
Pd
RH
sa t
fg 1
)(ln
 (1.18) 
 
La fórmula 1.18 se denomina Ecuación de Clausius – Clayperon y permite la 
determinación de un valor aproximado del calor latente a partir únicamente de 
los datos de la presión de saturación, no se requieren datos volumétricos. 
 
 
De la fórmula 1.18 se puede expresar que el valor de Hfg se obtiene de la 
pendiente de una gráfica de Ln Psat en función de 1/T. Sin embargo es un 
hecho que tal gráfica construida a partir de datos experimentales produce 
líneas que son casi rectas, de lo cual se deduce que el calor latente de 
vaporización Hfg es independiente de la temperatura. Esto se aleja de la 
realidad. En efecto Hfg debe hacerse cero en el punto crítico, donde las fases 
se vuelven idénticas. La inconsistencia se presenta por que la fórmula 1.18 se 
basa en suposiciones que tienen validez aproximada únicamente a bajas 
presiones, esto es a presiones muy por debajo de la presión crítica 
considerada4. Los valores de presión a utilizarse en el presente proyecto son 
relativamente bajos comparados con la presión crítica del Agua 3203.6 PSI. 
 
 
1.2.3 VAPOR DE AGUA 
 
 
Cuando el agua por efecto de la adición de calor se transforma en vapor se 
convierte en una sustancia gaseosa, pero la transformación no es instantánea 
sino que existe un tiempo en que coexisten las dos fases la líquida y el vapor 
saturado, en estas condiciones muchos tratadistas le llaman vapor húmedo a la 
mezcla, este vapor presenta las clásicas dificultades de una mezcla para ser 
bombeado, por ello en los casos de turbinas y maquinaria se prefiere un vapor 
que no contenga líquido, para conocer cuanto de líquido existe en un vapor, se 
analiza una relación matemática conocida como la calidad del vapor. 
 
4 Michael M Abott: Termodinámica Pág: 165 
 
 
16 
1.2.3.1 Calidad del vapor 
 
 
La calidad también conocida como fracción másica o título del vapor es la 
razón de la masa de vapor a la masa total, se puede expresar mediante la 
fórmula Nº 1.19 
 
fg
g
t
g
mm
m
m
m
x  (1.19) 
 
donde: 
x = calidad del vapor 
mg = masa del vapor 
mt = masa total de la mezcla 
mf = masa del líquido  = símbolo para indicar definición 
 
 
En la figura Nº 1.6 se puede advertir que para los puntos situados sobre la 
línea de liquidus, la masa del vapor saturado es nula, mientras que la masa del 
líquido saturado es grande, aplicando esta condición a la fórmula 1.19 se tiene: 
 
0
0
0  fmx (1.20) 
 
La fórmula 1.20 indica que el valor de la calidad es cero cuando se está sobre 
la línea de líquidus AC y, para cuando se esta sobre la línea de vapor CB, la 
masa del líquido se hace cero y solo existe la masa del vapor, reemplazando 
esta condición en la fórmula 1.19 se tiene: 
 
1
0
 g
g
m
m
x (1.21) 
 
A partir de la fórmulas 1.20 y 1.21, se puede afirmar entonces que el valor de la 
calidad de un vapor va de cero hasta uno. 
 
 
17 
Fig. Nº 1.6 Volúmenes Específicos para el Cambio de Fase del Agua 
 
 
Fuente:Gordon J. Van Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística: 
 
 
Debido a que la fórmula 1.19 que define a la calidad del vapor saturado está en 
función de las masas, y éstas por lo general no son conocidas, se hace 
necesario expresar ésta en función de los valores de los volúmenes específicos, 
ya que para cada presión de saturación y temperatura mediante las tablas 
termodinámicas se conocen los valores de los volúmenes específicos, 
entalpías y entropías. 
 
El volumen específico que es un concepto inverso a la densidad, para un 
volumen de control de un sistema termodinámico, será el cociente entre su 
volumen total para su masa total, el que se puede expresar mediante varias 
expresiones como lo indica la fórmula 1.22 
 
gf
g
gf
f
gf
gf
t
t
mm
V
mm
V
v
mm
VV
m
V
v 
 (1.22) 
 
satP 
C 
 
 
18 
El volumen total del líquido en el sistema así como el volumen total del vapor, 
de acuerdo con la fórmula 1.22 se pueden expresar de la siguiente forma: 
fff mvV . (1.23) 
ggg mvV . (1.24) 
 Reemplazando las fórmulas 1.23 y 1.24 en la fórmula 1.22 se tiene: 
 
gf
gg
gf
ff
mm
mv
mm
mv
v 
..
 (1.25) 
   


















g
g
gf
gg
f
f
gf
ff
m
m
mm
mv
m
m
mm
mv
v
1
1
.
1
1
.
 
11 



g
f
g
f
g
f
m
m
v
m
m
v
v (1.26) 
Multiplicando numerador y denominador de la fórmula 1.19 por el inverso de la 
masa de vapor se tiene: 
1
1


g
f
m
m
x (1.27) 
Despejando en la fórmula 1.27 el cociente de las masas de líquido y vapor se 
tiene: 


  11
xm
m
g
f (1.28) 
 
Para encontrar el cociente entre las masas de vapor y líquido, se toma el 
inverso de la fórmula 1.28 
1
1
1


x
m
m
f
g (1.29) 
 
Al reemplazar las fórmulas: 1.28 y 1.29 en la 1.26 y realizando las operaciones 
algebraicas se tiene: 
 
 
19 
gf vxxvv .)1(  (1.30) 
 
Destruyendo el paréntesis en la fórmula 1.30 y efectuando operaciones 
algebraicas se tiene: 
fgf vxvv . (1.31) 
donde: 
fgfg vvv  (1.32) 
 
1.2.3.2 Vapor húmedo 
 
Cuando el vapor se encuentra dentro del área de la campana se conceptúa que 
el vapor es un vapor saturado o húmedo, es decir que existe una mezcla de 
vapor y líquido. El vapor de agua puro es un gas invisible, con frecuencia, no 
obstante, cuando el agua hierve, el vapor arrastra minúsculas gotas de agua, y 
puede verse la mezcla blanquecina resultante. Un efecto similar tiene lugar 
cuando se expulsa vapor de agua seco a la atmósfera, más fría. Parte del 
vapor se enfría y se condensa formando las familiares nubes blancas que se 
ven cuando hierve una cazuela en la cocina. En estos casos se dice que el 
vapor está húmedo.5 
 
Industrialmente el vapor saturado es considerado una mezcla que presenta 
dificultades para ser bombeada, la condición de que existan cantidades de 
agua que generalmente se presentan en forma de pequeñas esferas líquidas le 
dan la característica de corrosiva a esta agua, tal es el caso del fenómeno de la 
cavitación que se presenta especialmente en la turbinas de generación 
eléctrica en las que se prefiere vapor que no contenga agua en su interior. 
 
Para el presente proyecto, teniendo en mente el ahorro energético, se prevé 
que el empleo de vapor de muy alta energía no es necesario, ya que la presión 
en el interior del generador debe ser solo la suficiente para que le permita llegar 
mediante las cañerías al baño sauna, además su utilización debe considerarse 
fundamentalmente como un medio de calentamiento. 
 
5 Frank Kreith: Mechanical Engineering Hand Book Pág. 180 
 
 
20 
1.2.3.3 Vapor saturado y seco 
 
Cuando por efecto de la adición de calor toda la masa de líquido se ha 
transformado en vapor, se dice que vapor es saturado y seco para distinguirlo 
del vapor que contiene humedad, en las figuras Nº 1.4 y 1.5 se puede advertir 
que la línea horizontal de la presión constante corta la línea de vapor CB, por lo 
general el vapor saturado y seco por su condición de gas es más fácil de ser 
transportado y bombeado, no presenta las características de la mezcla de las 
dos fases, en este caso la calidad vale 1 y el volumen específico es el del vapor 
 
1.2.3.4 Vapor sobrecalentado 
 
Cuando por efecto de la adición de calor el vapor traspasa la línea de vapor CB, 
figura 1.7, éste entra en la región del vapor sobrecalentado, zona ubicada a la 
derecha de la línea de vapor y bajo la temperatura y presión críticas. En la 
figura Nº 1.7, la trayectoria DE, es una recorrido caracterizado por la 
independencia de la presión y la temperatura, donde el volumen específico es 
mucho mayor que el volumen del vapor saturado y seco. Este vapor es muy 
apetecido en la producción industrial de energía eléctrica por que al no 
contener agua, evita la cavitación de los álabes de las turbinas. 
 
Fig. Nº 1.7 Volumen Específico del Vapor Sobrecalentado 
 
 
 
Fuente: Gordon J. Van Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística: 
 
 
21 
1.3 BAÑO SAUNA 
 
Los vestigios de las estancias más antiguas dedicadas exclusivamente al baño 
hallados hasta el momento son las de la ciudad Hindú de Mohenjo-Daro, cuya 
fecha es anterior al 2000 a.C. También han aparecido instalaciones de este tipo 
en el palacio de Cnosos, en la isla griega de Creta, construidas 
aproximadamente entre 1700 y 1400 a.C., y en la ciudad real de Egipto Tell el-
Amarna, edificada hacia el año 1350 a.C. 
 
Las pinturas decorativas sobre ánforas de la antigua Grecia revelan la 
existencia de artefactos primitivos similares a las duchas, y Homero habla en la 
Iliada de tinas para bañarse. Las termas primitivas eran tan sólo dependencias 
de los gimnasios y disponían únicamente de agua fría, pero hacia finales del 
siglo V a.C. se empezaron a convertir en complejas instalaciones 
independientes, situadas por toda la ciudad, que ofrecían baños de vapor y 
piscinas (albercas) mixtas de agua caliente, templada y fría. En Grecia y Roma 
el baño se convertía a menudo en un complicado ritual de cuidados corporales, 
que incluía la práctica de ejercicio, masajes con aceites especiales, una 
sucesión de baños a diferentes temperaturas, la limpieza a fondo de la piel y al 
final un nuevo ungimiento con cremas u otros afeites.6 
 
Desde la antigüedad la limpieza del cuerpo con agua se ha relacionado a 
numerosas ceremonias religiosas, en especial a los ritos de purificación. Estas 
prácticas todavía son importantes para religiones como la musulmana e hindú. 
El mikveh de la religión judía y el bautismo de la católica provienen de la 
inmersión ritual. Por otra parte, numerosas culturas han considerado el aseo 
personal como una rutina saludable y placentera, sobre todo las culturas 
clásicas Griega y Romana, y esta tradición se ha transmitido a lo largo del 
tiempo a otras culturas, como la islámica, hasta llegar al mundo moderno 
occidental. Además, puede servir como medio de relación social, y prueba de 
ello es el hecho de que sea una práctica común desde tiempos remotos en 
zonas tan distantes como Escandinavia, Turquía, Irán o Japón. 
 
6 Enciclopedia Barsa: Pág 634 
 
 
22 
En Escandinavia, donde no llegó la romanización pero el cristianismo tardó en 
imponerse, se generalizaron una especie de baños de vapor, cuyo origen se 
remonta a los pueblos de las estepas euroasiáticas. Para ello cada hogar 
contaba con una instalación, llamada sauna, que consistía en una pequeña 
habitación de madera con un banco a lo largo de las paredes. En ella se podía 
lavar toda la familia, tonificar la piel mediante suaves golpes con ramas de 
abedul, aclararse en agua templada y terminar con un baño de agua helada 
para activar la circulación sanguínea. 7 
 
La Real Academia de la Lengua Española definea la Sauna como: (Del finés 
sauna). f. Baño de vapor, en recinto de madera, a muy alta temperatura, 
que produce una rápida y abundante sudoración, y que se toma con fines 
higiénicos y terapéuticos. Existe también el baño turco que es de la 
misma manera un proceso de limpieza corporal, pero que se diferencia 
en algunos aspectos. 
Una alternativa a la sauna que cada vez recoge más adeptos es el baño turco 
también conocido como hamam. Las versiones que se pueden encontrar en 
América raramente coinciden con la fórmula original, que destinaba un edificio 
para albergar el hamam y su sistema de salas de calor dotadas de diferentes 
temperaturas: la primera, a 45° grados; la segunda, a 55° y la tercera, a 70°, 
así respetan los cuatro elementos básicos: el calor seco, el calor húmedo, el 
frío y el masaje. Estos elementos estimulan y limpian el cuerpo además de 
mejorar la salud de forma parecida a la sauna, pero no hay duda que resulta 
menos impactante. 
1.3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN BAÑO SAUNA 
 
Reza un proverbio vikingo que en la sauna se evapora hasta la ira. Y es que 
este medio de relajación ofrece incontables ventajas: desintoxica la piel, 
purifica el organismo, dilata los bronquios, regula la presión sanguínea, mejora 
el ritmo cardíaco y circulatorio. 
 
7 Salvat Editores: La Enciclopedia Pág: 235 
 
 
 
23 
Los baños de vapor eran una costumbre muy difundida entre turcos y romanos 
y todavía hoy, como en aquellos tiempos, el ser humano sigue beneficiándose 
de sus numerosas propiedades para mejorar la calidad de vida y alcanzar un 
estado físico y psíquico armónico. Con el baño de vapor se consigue, como 
principal beneficio, una distensión total de los músculos que ayudan a aliviar el 
estrés y a limpiar, depurar e hidratar nuestra piel de suciedad y toxinas. 
 
Al dilatar los poros, el vapor permite una limpieza profunda y duradera de la piel, 
dejando la epidermis lisa y aterciopelada. El vapor caliente y húmedo 
contribuye, a combatir los problemas de las vías respiratorias: garganta, nariz y 
bronquios reciben efectos muy beneficiosos. Por otro lado, al desarrollar un 
efecto calmante sobre el sistema nervioso, permite una total relajación. 
Sin embargo, para obtener el máximo provecho y evitar posibles riesgos se 
debe conocer muy bien su funcionamiento. Desde el momento en que se 
ingresa en la sauna, el cuerpo experimenta una serie de reacciones. Las 
primeras son la transpiración y la hidroforesis (apertura de los poros de la piel). 
Como consecuencia se produce la eliminación de toxinas y una limpieza de la 
epidermis en profundidad. Después, la elevada temperatura y el grado de 
humedad estimulan el riego sanguíneo y la regeneración de las células, lo que 
significa que la sauna puede ayudar a aliviar varias enfermedades cutáneas y 
respiratorias. La concentración de calor resulta también positiva para el sistema 
cardiovascular, dado que el corazón, al adaptarse a la vasodilatación, bombea 
más fuerte lo que favorece la circulación. De igual modo, las altas temperaturas 
influyen en las terminaciones nerviosas, provocando una ralentización de los 
impulsos sensitivos que van de la piel al cerebro. Resultado: el individuo 
experimenta una relajación, en la que radica el efecto antiestrés de la sauna. 
La sauna puede resultar ser peligrosa para quienes padecen determinadas 
enfermedades del corazón, ya que sudar abundantemente provoca que se 
concentren también los fluidos corporales, por lo que la sangre se torna más 
densa y esto puede provocar un ataque cardiaco. Por ello, los especialistas 
recomiendan tanto en caso de hipertensión como en personas cardiópatas 
consultar con el médico la conveniencia o no de acudir a una sauna. 
 
 
24 
Asimismo, hay estudios médicos que advierten de que el abuso de las sesiones 
de sauna puede ser perjudicial para la vida sexual. Esta conclusión se 
fundamenta en que el calor de una sauna puede reducir drásticamente la 
cantidad y calidad del semen masculino, y en el caso de las mujeres, ocasionar 
fuertes hemorragias menstruales e incluso el interrumpir la ovulación. Otro dato 
muy importante arrojan estudios realizados en EEUU, que demuestran que los 
bebés nacidos de mujeres que utilizan la sauna con frecuencia presentan el 
doble de probabilidades de padecer espina bífida, a consecuencia del excesivo 
calentamiento del útero. Por ello, se advierte de que la mujer embarazada no 
debe acudir a saunas y quienes planeen quedarse embarazadas deberían 
limitar cada sesión a 15 minutos entre periodos de enfriamiento. 8 
 
1.3.1.1 Beneficios terapéuticos de la sauna 
 
 Mejoría de la circulación. A medida que el corazón acelera sus latidos 
para llevar sangre hasta la superficie de la piel con el fin de enfriarla, la 
velocidad circulatoria elimina más deprisa los productos de desecho del 
cuerpo. 
 Mejoría de la respuesta del sudor. El cuerpo caliente respira para 
enfriarse, entrenando las glándulas sudoríferas y manteniendo funcional la 
respuesta del sudor para favorecer la regulación termal fuera de la sauna, 
especialmente durante el ejercicio y el tiempo cálido. 
 Eliminación de toxinas. Se sabía que en la sauna se elimina minerales 
del cuerpo, pero su papel de ayudar a la expulsión de toxinas era 
desconocida, hasta que se efectuó un análisis y la lista de plomo 
expulsado durante una sesión de sauna resultó impresionante. Es cierto 
que los minerales positivos para el organismo también se eliminan cuando 
sudamos mucho, por lo que debemos asegurar su reemplazo con una dieta 
sana y no arriesgarnos a perder líquidos que no nos sobran. 
 
8 Enciclopedia de la Salud, Pág: 350 
 
 
25 
 Alivio del dolor. La combinación de calor corporal, mejoría de la 
circulación, emisiones de endorfinas y calentamiento de las articulaciones 
rígidas alivia el dolor y las molestias. Un cuerpo caliente también es menos 
sensible al dolor. 
 Ayuda para el sueño. Al relajar el cuerpo y eliminar muchos de los dolores, 
la sauna nos permite dormir mejor. 
 Mejoría de la función cardiovascular. Los investigadores japoneses 
dicen que el uso de la sauna puede ayudar a las personas con fallos 
cardíacos congestivos a mejorar su eficiencia de bombeo cardíaco y el flujo 
sanguíneo. Su investigación utilizó una sauna templada, a temperaturas de 
unos 60 grados. 
 Mejor respiración. Investigadores holandeses preocupados porque la 
sauna pudiera producir broncoconstricción (y dificultades respiratorias) 
descubrieron que sucedía exactamente lo contrario. Comprobaron que los 
pacientes con enfermedades pulmonares obstructivas mejoraban 
transitoriamente sus funciones pulmonares. 
 Alivio de la artritis. La sauna puede reducir los efectos de la artritis 
reumatoide. Investigadores rusos descubrieron que la sauna ejerce un 
efecto positivo sobre el sistema locomotor y el estado psicoemocional 
además de aliviar el dolor. 
 
1.3.2 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR A EMPLEARSE 
 
 
El tipo de vapor a emplearse en el proyecto es un concepto que especifica 
básicamente la calidad del mismo, es lógico suponer que no se empleará un 
vapor sobrecalentado por las siguientes consideraciones: en primer lugar por el 
alto costo en combustible que implica su generación, una segunda observación 
pone de manifiesto que no se requiere un vapor de alta energía, es decir con 
alta entalpía como el que se requiere para mover los álabes de una turbina. 
 
 
26 
El proyecto requiere un vapor saturado con una calidad entre el líquido 
saturado y el vapor saturado y seco, que posea una presión suficiente para 
permitirle fluir por las tuberías y llenar el cuarto de la sauna calentando el aire 
del mismo. “Cerciórese de que la temperatura de la sauna es adecuada (entre 
80 y 90 ºC) para que la piel alcance los 39-40 grados, mientras semantiene el 
interior del cuerpo entre 38 y 38.5ºC”.9 
 
Evidentemente se procurará que la presión y temperatura del vapor sean las 
mínimas posibles, para que la lámina de acero con la que se construirá el 
recipiente del generador de vapor no resulte muy gruesa y no eleve demasiado 
el costo del proyecto. 
 
 
1.3.3 PARÁMETROS DEL PROYECTO 
 
 
Inicialmente se hace indispensable para la conceptualización del proyecto 
definir algunos de sus parámetros 
 
Fig. Nº 1.8 Diagrama de Bloques del Proyecto 
 
 
 
9 Baño Sauna: Microsoft ENCARTA 2007 
 
 
27 
 
En la figura Nº 1.8 se puede apreciar que el proyecto básicamente consta de 
un generador de vapor o caldera, un depósito de vapor y el cuarto de la sauna, 
el volumen de éste es inevitable determinar para proyectar la cantidad de vapor 
necesario para el proyecto. 
 
Debido a condiciones económicas y tomando en consideración que en los 
proyectos tesis de grado se construyen únicamente prototipos, los proponentes 
escogen un tipo de sauna con capacidad para dos personas sentadas, el 
modelo y las dimensiones generales del mismo se han tomado del Catálogo de 
Ventas año 2007 de la empresa española PROEQUIP, y se muestran en la 
figura Nº 1.9 
Fig. Nº 1.9 Sauna Modelo Elegance 02 
 
 
 
Dimensiones: A = 80 cm., L= 100 cm., Al = 200 cm. 
Fuente: Catálogo PROEQUIP 2007 
 
De acuerdo con las dimensiones de la figura Nº 1.9, sin considerar el cielo raso 
abovedado la sauna tiene un volumen máximo de 1.60 m3, el que se puede 
considerar como el volumen de aire necesario a calentar en la sauna del 
proyecto, obviamente en este cálculo se han despreciado los volúmenes de las 
bancas para sentarse y el de los cuerpos de las personas que ingresan. 
 
 
28 
El tiempo durante el cual la sauna debe permanecer a la temperatura de 
operación (90 ºC.) es el indicado por la Ciencia Médica para este tipo de baño, 
los proponentes del proyecto consideran la siguiente recomendación como 
válida “Lo normal es que de los 8 -12 minutos el cuerpo sienta ya ganas de 
refrigerarse. Y en ese momento hay que salir, sin tomar en consideración si se 
ha transpirado lo suficiente o no. Las personas muy acostumbradas pueden 
permanecer hasta 15 minutos, pero se recomienda descansar después de ese 
periodo”. 10 Para los cálculos y diseño de la caldera se asumirá como 
parámetro de diseño el tiempo de operación el máximo expresado: 15 minutos. 
Este dato permitirá calcular la cantidad de energía calórica necesaria y por 
ende el flujo de vapor que el proyecto requiere. 
 
 
1.4 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO 
 
 
Para lograr el cambio de fase del agua es necesario añadir calor a la misma, la 
fuente de calor, en la actualidad podrá provenir de la combustión del diesel, del 
gas licuado de petróleo o del calentamiento de resistencias eléctricas, la 
selección del combustible a emplearse es un parámetro crítico en el proyecto 
porque de él depende el costo de operación del la sauna, la complejidad del 
diseño de la caldera y el sistema de control de la misma. 
 
 
Evidentemente se han despreciado otras fuentes de energía térmica como la 
combustión de leña o carbón y la energía solar, las dos primeras son fuentes 
de energía que hoy en día son muy difíciles de encontrar, la leña prácticamente 
se ha extinguido y el carbón existe solamente para la preparación de parrilladas, 
es por tanto un combustible que no puede ser considerado de fácil adquisición, 
además su elevado costo no lo hace rentable para el proyecto. El proyecto 
tesis en la carrera de Ingeniería Mecánica por otra parte debe ser consecuente 
con las regulaciones ecológicas y evitar contribuir con el calentamiento global. 
 
10 Baño Sauna: Microsoft ENCARTA 2007 
 
 
 
29 
La energía solar requeriría a priori de un reflector parabólico de gran tamaño, 
con costo elevado y fiabilidad baja debido a la nubosidad casi constante en la 
región interandina del país. Las tres fuentes de calor que se han escogido para 
el proyecto se consideran combustibles. El término combustible se limita por lo 
general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo 
grandes cantidades de calor. Las reacciones químicas de la combustión 
suponen la combinación del oxígeno con el carbono, hidrógeno o azufre 
presentes en los combustibles. Los productos finales son dióxido de carbono, 
agua y dióxido de azufre. Las demás sustancias presentes en los combustibles 
no contribuyen a la combustión, pero salen en forma de vapor o permanecen 
después de la combustión en forma de ceniza. 
 
La eficacia del combustible, o capacidad calorífica, se mide normalmente en 
términos de energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada del 
combustible se quema bajo condiciones estándar o patrón. 
 
1.4.1 DIESEL 
 
 
Debido a que existe una gran variedad de combustibles líquidos en el mercado 
y siendo muy extendido en nuestro país el uso del diesel y el bunker, como 
elementos combustibles para calderas, se analiza a guisa de ejemplo teórico el 
diesel. 
 
El combustible diesel es un derivado del petróleo, a su vez, éste es un aceite 
mineral que contiene muchos hidrocarburos, sus características específicas 
tienen la propiedad que varían considerablemente de un tipo a otro de producto. 
El petróleo se encuentra en el subsuelo de algunos países del mundo, su 
identificación se la hace mediante comparación con los petróleos de producción 
norteamericana.”Los petróleos crudos de los campos productores de 
Pensilvania – Nueva York, depositan al enfriarse un material de consistencia 
similar a la cera, la parafina, se les conoce como petróleos de base de parafina. 
 
 
30 
Los petróleos de California y de la costa del Golfo contienen a veces 
materiales asfálticos y se les llama con frecuencia petróleos en base de asfalto, 
pero es preferible usar el término base de nafteno, por que los petróleos de 
mejor clase o grado de este tipo contienen poco y a veces nada de asfalto. Los 
petróleos de base intermedia, producidos en los campos de centro América, 
tienen algunas características de los petróleos de base de parafina y de los de 
base de nafteno. Aproximadamente el 85% de los petróleos crudos del mundo 
pertenecen a las tres clases anteriores.11 
 
La mayoría de los hidrocarburos líquidos son mezclas de hidrocarburos que se 
obtienen del petróleo crudo por medio de los procesos de destilación y 
desintegración a los que también se denominan cracking. Por tanto, a partir del 
petróleo crudo se pueden producir una variedad de combustibles diferentes, 
siendo los más comunes la gasolina, el kerosén, el combustible diesel y el 
combustóleo o aceite combustible. Dentro de estas clasificaciones hay una 
gran variedad de grados y cada uno de ellos está compuesto por un gran 
número de hidrocarburos diferentes. La diferencia más importante entre estos 
combustibles es la curva de destilación, que se muestra en la figura 1.10. 
Fig. Nº 1.10 Curva de Destilación Típica de algunos Combustibles 
Hidrocarburos 
 
 
 
Fuente: Richard E Sontang: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística 
 
11 Lionel Marks: Manual del Ingeniero Mecánico Sec 7 Pág. 875 
 
 
31 
1.4.1.1 Características del diesel como combustible 
 
El aceite de gas (gas oil), debe su nombre al hecho de que alguna vez, en los 
primeros años de su utilización en Inglaterra, se empleó en la preparación de 
gas de alumbrado, también se lo llama fuel oil, combustible diesel o 
simplemente diesel, éste, básicamente constituye una mezcla de hidrocarburos 
obtenida por destilación fraccionada del petróleo crudo. Tiene varias 
aplicaciones industriales, se lo emplea como combustible para motores de 
compresión a los que generalmente se denominan motores diesel,se destina 
también para la generación termoeléctrica, la calefacción doméstica y la 
navegación. 
 
El proceso básico al que se somete al petróleo crudo en una refinería para 
obtener el gas oil, consiste en separarlo en sus principales componentes por 
medio del proceso químico de la destilación fraccionada. El gas oil ligero es la 
fracción que hierve entre 230 y 300 ºC y contiene hidrocarburos con cadenas 
carbonadas de entre 13 y 17 átomos de carbono. El gas oil pesado es la 
fracción que entre otras propiedades físico mecánicas, se inflama 
exclusivamente por compresión y hierve entre 300 y 400 ºC, además contiene 
hidrocarburos que forman cadenas de hasta 25 átomos de carbono. 
 
En las refinerías, por lo general, el gas oil producido mediante la destilación 
fraccionada, pasa directamente a los depósitos de almacenamiento, aunque en 
algunos casos es necesario eliminar el alto contenido de azufre; en otras 
ocasiones, parte del gasoil más pesado pasa a la unidad de craqueo catalítico, 
donde se descompone en gasolina y gas, productos con mayor demanda que 
el propio gas oil. La fracción pesada de la destilación se conoce como bunker 
un material que también es utilizado para la generación de vapor, Las 
características del combustible diesel varían muchísimo como se puede 
observar en la tabla Nº 1.3 
 
 
32 
Tabla Nº 1.3 Características del combustible diesel 
PODER CALORÍFICO SUPERIOR [KJ / Kg] 43.02- 46.52 
INTERVALO DE DESTILACIÓN 175 º C - 400 º C 
COMPOSICIÓN ÚLTIMA 
C: 85 - 88 % 
H: 15 - 10 % 
Z : hasta 2 % 
O y N combinados hasta 2% 
 
Fuente: Lionel Marks: Manual del Ingeniero Mecánico 
 
La amplia variedad de combustibles es consecuencia de la existencia de los 
numerosos modelos de motores, en los que se establece que no todos pueden 
consumir cualquier combustible cuyas características esté dentro de estos 
límites. Las normas ASTM D975 y MIL _ F 16884B, se encargan de determinar 
las exigencias de combustible de alto grado con garantía de comportamiento 
satisfactorio para cualquier motor, como se indica en la Tabla 1.4. 
 
Tabla Nº1.4 Grados del diesel 
 
GRADO CARACTERÍSTICA 
1 - D 
Aceite combustible, destilado, volátil, para 
motores cuyo servicio requiera cambios 
frecuentes de velocidad y carga. 
2 - D 
Aceite combustible destilado, de baja 
volatilidad, para motores en servicio industrial 
o móvil pesado 
4 - D Aceite combustible para motores de 
velocidad baja y media 
 
Fuente: Lionel Marks: Manual del Ingeniero Mecánico 
 
 
1.4.1.2 Proceso de combustión del diesel 
 
” Al tratar de la combustión de combustibles líquidos es conveniente expresar 
su composición en términos de un solo hidrocarburo, aún cuando ésta sea una 
mezcla de varios. Así la Gasolina suele considerarse como si fuera el octano, 
C8H18 y el combustible Diesel se considera que es el dodecano C12H26” 12. 
 
12 Richard Sontang: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística: Pág.: 440 
 
 
33 
El procedimiento de combustión del diesel hace necesario la utilización del 
quemador, dispositivo que ayuda a producir la combustión dentro del hogar. 
“Dependiendo del combustible a quemar, varían los sistemas de quemadores, 
para diesel Nº 2 se necesita únicamente atomizar por presión el combustible, 
pero si se tratara del bunker o diesel Nº 6 por su viscosidad para poder 
atomizarlo y combustionarlo se necesita precalentarlo y atomizarlo por medios 
mecánicos (presión) ayudándonos de una fuente de aire comprimido”13 . 
 
 
 
La combustión se produce cuando la mezcla del combustible y el aire se 
realiza a temperaturas elevadas. El aire entrega oxígeno, el cual se une 
químicamente con el carbono, hidrógeno y unos pocos elementos del 
combustible para producir calor. La cantidad de aire necesario depende del tipo 
de combustible, del equipo, de las condiciones de operación y ubicación, se 
cuantifica su valor por medio de un análisis teórico de combustión, las 
recomendaciones del fabricante y por el trabajo efectivo a realizarse. 
Demasiado aire trae como consecuencia una cantidad excesiva de gases 
calientes saliendo por la chimenea con la correspondiente pérdida de calor. La 
falta de aire, implica que una parte del combustible quede sin quemarse o se 
presente parcialmente quemado. Es muy importante que la mejor proporción 
aire – combustible se determine y se mantenga para asegurar un alto 
rendimiento. El aire y el combustible deben ser cuidadosamente mezclados 
debido a que cada partícula de combustible deberá entrar en íntimo contacto 
con el oxígeno que contiene el aire justo antes de que se produzca la 
combustión. 
 
 
Si la distribución del aire es pobre habrá una cantidad de aire en exceso en 
algunas partes del combustible y una deficiencia en otras, en este principio se 
basan los diseños para logar una adecuada distribución de aire en la zona del 
quemador. 
 
 
13 LA LLAVE: Seminario sobre mantenimiento de calderas, año 2004 Pág. 10 
 
 
34 
Los materiales que están en la naturaleza están en íntimo contacto con el aire, 
aún así, no se puede decir que se están quemando. Realmente la reacción 
química de combustión se realiza permanentemente, pero es tan lenta que 
tarda mucho tiempo para mostrar sus productos, por eso se la denomina 
corrosión y no combustión. La corrosión del acero cuando se expone a la 
atmósfera es un ejemplo de esta oxidación. 
 
 
Cuando el material combustible alcanza su temperatura de ignición, la 
oxidación se acelera y el proceso se denomina combustión. Por lo antes 
expuesto se ve la necesidad de mantener la mezcla aire –combustible a una 
temperatura lo suficientemente alta como para promover la combustión. 
Cuando la llama va en contacto con las paredes de un caldero relativamente 
frío, las partículas de carbono son depositadas en forma de hollín. 
El diesel como combustible tiene particularidades que se ponen de manifiesto 
en la tabla 1.5 
 
Tabla Nº 1.5 Especificaciones para los aceites combustibles diesel 
ENSAYO 
METODO 
ASTM 
GRADO DE DIESEL 
NORMA 
MIL-F 
16884-B 
1-D 
2-
D 4-D 
Límite 
PUNTO DE INFLAMACIÓN, mín., [ºC] D93-52 38 52 54 65 
AGUA Y SEDIMENTO. máx.% en 
volumen D96-52T Trazas 0,1 0,5 Trazas 
VISCOSIDAD [SSU] a [38ºC] D88-53 
MÍNIMA 1,4 32 45 33 
MÁXIMA …….. 45 125 45 
RESIDUO DE CARBÓN [%] en peso, 
máx. D524-52T 0,15 0,4 ……… 0,2 
CENIZA [%] en peso, máximo D482-46 0,01 0 0,1 0,005 
AZUFRE[%] en peso, máximo D129-52 0,5 1 2 1 
 
Fuente: Lionel Marks: Manual del Ingeniero Mecánico 
 
 
 
 
 
 
35 
1.4.2 GAS LICUADO DE PETRÓLEO 
GLP es la abreviatura que se usa comercialmente para determinar a los "gases 
licuados del petróleo", esta denominación es aplicada a diversas mezclas de 
propano y butano que alcanzan el estado gaseoso a temperatura y presión 
ambiente, y que tienen la propiedad de pasar a estado líquido a presiones 
relativamente bajas, propiedad que se aprovecha para su almacenamiento, 
transporte y distribución en recipientes a presión. 
 
Los GLP fueron descubiertos por primera vez en los Estados Unidos, durante 
los años 1900 y 1912 al observar que la gasolina natural no refinada tenía una 
gran tendencia a evaporarse debido a la presencia de estos hidrocarburos 
ligeros. Los GLP se pueden producir tanto a partir de la refinación del petróleo 
como del gas natural. 
 
1.4.2.1 GLP en refinerías 
 
El proceso de obtención de los GLP, empieza cuando el petróleo crudo 
procedente de los pozos es llevado a una refinación primaria, en la que se 
obtienen diferentes destilados como: gas húmedo, naftas o gasolinas, 
queroseno, gasóleos atmosféricos o diésel, y gasóleos de vacío. 
 
Los gasóleos de vacío son la materia prima para la producciónde gasolinas en 
los procesos de destilación fraccionada catalítica, llamada simplemente 
craqueo catalítico o procesos FCC, por sus siglas en inglés (Fluid Catalytic 
Cracking). En éstos mediante un reactor primario a base de un catalizador a 
alta temperatura, se obtiene el GLP, gasolinas y otros productos más pesados. 
Esa mezcla luego se separa en trenes de destilación. 
http://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo
http://es.wikipedia.org/wiki/Gasolina
http://es.wikipedia.org/wiki/Queroseno
http://es.wikipedia.org/wiki/Gas%C3%B3leo
http://es.wikipedia.org/wiki/Ingl%C3%A9s
 
 
36 
1.4.2.2 GLP de gas natural 
 
Se conoce como gas natural a una mezcla de gases entre los que se encuentra 
en mayor proporción el metano. Se utiliza como combustible para usos 
domésticos e industriales y como materia prima en la fabricación de plásticos, 
fármacos y tintes. 
 
En una muestra de gas natural es clásico que la proporción en la que el 
metano se encuentra sea del 75 al 95% del volumen total, por este motivo se 
suele llamar metano al gas natural. El resto de los componentes son etano, 
propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y 
argón. 
 
Aunque existen en la naturaleza yacimientos que proporcionan exclusivamente 
gas natural, la producción de éste va mayoritariamente asociada al petróleo y 
sus yacimientos, ya que sale a la superficie junto a él cuando se perfora un 
pozo. Sin embargo, el desarrollo del gas natural se realizó con posterioridad al 
uso del petróleo. En los primeros tiempos de la explotación petrolera y aun en 
la actualidad, el gas natural que aparece en las perforaciones se quema como 
un residuo más, ya que, a pesar de su enorme poder calorífico, no se puede 
aprovechar por los grandes problemas tecnológicos que plantea su 
almacenamiento y transporte. 
 
Antes de trasportar el gas natural, se lo opera mediante un proceso de 
destilación fraccionada en las llamadas plantas despentanizadoras, donde 
separan el metano del resto de hidrocarburos que lleva asociados, los que 
fundamentalmente van desde los etanos a los pentanos. 
 
 
 
37 
 Se debe tomar en cuenta el hecho de que el gas natural no puede ser licuado 
simplemente bajo presión porque su temperatura crítica, 190 K ( -83 ºC), es 
muy baja, por tanto, debe ser enfriado hasta temperaturas inferiores a ella 
antes de licuarse. Una vez licuado debe ser almacenado en contenedores muy 
bien aislados, y su transporte se realiza por tuberías fabricadas con materiales 
y soldaduras especiales para resistir grandes presiones. Sin embargo en 
algunos países el gas natural se utiliza como combustible doméstico e 
industrial, porque además de su alto poder calorífico, su combustión es 
regulable y produce escasa contaminación. 
 
El GLP se caracteriza por tener un poder calorífico elevado y una densidad 
mayor que la del aire. Para fines de los cálculos termodinámicos en la 
combustión se suele aproximarlo tanto al propano como al butano que son sus 
componentes principales. 
 
El propano químicamente hablando, es un compuesto orgánico, cuya molécula, 
saturada, está compuesta por tres átomos de carbono y 8 de hidrógeno 
(fórmula C3H8) y la estructura molecular que se muestra en la figura Nº 1.11 
 
Fig. Nº 1.11 Estructura Molecular del Propano 
 
 
 
Fuente: Richard Sontang: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística 
http://es.wikipedia.org/wiki/Poder_calor%C3%ADfico_superior
http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_%28f%C3%ADsica%29
 
 
38 
El butano es parecido al propano, salvo que su molécula, también saturada, 
está compuesta por cuatro átomos de carbono y 10 de hidrógeno (fórmula 
C4H10). y la estructura molecular que se muestra en la figura Nº 1.12 
 
Fig. Nº 1.12 Estructura Molecular del Butano 
 
 
 
Fuente: Richard Sontang: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística 
 
Como se puede advertir a partir de las figuras 1.11 y 1.12 el propano y el 
butano pertenecen al la familia parafínica de los hidrocarburos, la que se 
caracteriza por tener una fórmula del tipo 22 nn HC , cadena saturada y los 
nombres de los compuestos todos terminan en “ano”. 
 
Comercialmente hablando, cuando nos referimos a propano hablamos de una 
mezcla del 80% de hidrocarburos C3 y un máximo del 20% de hidrocarburos C4. 
Por su parte, lo que se vende bajo la denominación butano es un líquido que 
consta de un mínimo del 80% de hidrocarburos C4 y un máximo del 20% de 
hidrocarburos C3. Las proporciones anteriores pueden variar en función de la 
aplicación que se de al gas. 
 
 
 
39 
A presión atmosférica y temperatura ambiente (1 atmósfera y 20°C), el Gas 
Licuado de Petróleo se encuentra en estado gaseoso. Para obtener líquido a 
presión atmosférica, la temperatura del butano debe ser inferior a -0,5°C y la 
del propano a -42,2°C. En cambio, para obtener líquido a temperatura ambiente, 
se debe someter al GLP a presión. Para el butano, la presión debe ser de más 
de 2 atmósferas. Para el propano, la presión debe ser de más de 8 atmósferas. 
 
Un litro de líquido se transforma en 272,6 litros de gas para el propano y 237,8 
litros de gas para el butano. En su estado puro, tanto el butano como el 
propano son inodoros; sin embargo, para hacerlos más fácilmente detectable 
en el caso de fugas, se les añade un compuesto odorizador (sulfuro de 
mercaptano) que los hace perceptibles antes de que la mezcla GLP-aire pueda 
ser explosiva. 
 
Tanto el propano como el butano no son tóxicos, aunque al ser más densos 
que el aire tienden a desplazarlo y pueden provocar la muerte por asfixia al 
impedir que el aire llegue a los pulmones y oxigene la sangre. Desde el punto 
de vista de la ingeniería son materiales combustibles cuya utilización es 
general, debido a que son fácilmente transportables, envasables y su costo no 
es muy elevado con respecto a otros combustibles, los poderes caloríficos se 
muestran en la Tabla 1.6 
Tabla Nº 1.6 Poder calorífico 
HIDROCARBURO MJ /Kg. 
BUTANO COMERCIAL 
Poder Calorífico Superior 45.79 
Poder Calorífico Inferior 49.68 
PROPANO COMERCIAL 
Poder Calorífico Superior 46.39 
Poder Calorífico Inferior 50.45 
Fuente: Lionel Marks. Manual del Ingeniero Mecánico 
 
 
40 
1.4.3 CALENTAMIENTO ELÉCTRICO 
 
Una fuente para calentar el agua, constituyen las resistencias eléctricas, para el 
análisis respectivo se deben conocer sus peculiaridades, lo que permitirá 
comparar con otros sistemas de calentamiento y escoger la mejor alternativa. 
 
1.4.3.1 Resistencias eléctricas 
 
En variadas fuentes se encuentra que para el uso en reóstatos, hornos 
eléctricos, estufas y calentadores es necesario un material resistente con alto 
punto de fusión y gran resistividad eléctrica, que no se desintegre ni corroa a 
temperaturas elevadas. En su gran mayoría estas condiciones son satisfechas 
por las aleaciones de níquel – cromo y las de cromo – níquel – hierro, entre los 
materiales de mayor presencia en el mercado se encuentran los indicados en: 
 
 Tabla Nº 1.7. Propiedades de los metales, aleaciones y materiales para 
 resistencias eléctricas. 
MATERIAL COMPOSICIÓN 
D
E
N
S
ID
A
D
 R
E
LA
TI
V
A
 
R
es
is
te
nc
ia
 a
 2
0º
C
 
µΩ
m
. 
 
C
oe
fic
ie
nt
e 
de
 r
es
is
te
nc
ia
 
po
r 
te
m
pe
ra
tu
ra
, x
 1
0-
3 
 º
C
-1
 
IN
T
E
R
V
A
LO
 D
E
 
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
 º
C
 
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
 M
Á
X
IM
A
 D
E
 
T
R
A
B
A
JO
 º
C
 
P
U
N
T
O
 D
E
 F
U
S
IÓ
N
 º
C
 
ADVANCE Cu 0,55; Ni 0,45; 8.9 0.40 0. 02 20 - 100 500 1210 
COMET Ni 0,30;Cr 0,05; Fe 0,65 8,15 0.95 0. 88 20 - 500 600 1480 
BRONCE 
COMERCIAL Cu,Zn 8,70 0.042 2.0 0 - 100 …….. 1015 
HYTEMCO Ni 0,50; Fe 0,50 8,46 0.20 4.5 20 - 100 600 1425 
MAGNO Ni 0,955; Mn 0,045 8,75 0.20 3.6 20 - 100 400 1435 
MANGANIN 
Cu 0,84; Mn 0,12;Ni 
0,04 8,19 0.482 0. 015 15 - 35 100