M.

-CALDEROS
 TABLA DE SATURACIÓN DEL VAPOR DE AGUA

Entalpía (kJ/kg) Entropía (kJ/kg-K)

T (°C) P (bar)

hf hfg hg sf sfg sg
0 0.006 0.01 2,501.3 2,501.4 0.000 9.156 9.156
5 0.009 20.98 2,489.6 2,510.6 0.076 8.950 9.026
10 0.012 42.01 2,477.7 2,519.8 0.151 8.750 8.901
15 0.017 62.99 2,465.9 2,528.9 0.225 8.557 8.781
20 0.023 83.96 2,454.1 2,538.1 0.297 8.371 8.667
25 0.032 104.89 2,442.3 2,547.2 0.367 8.191 8.558
30 0.042 125.79 2,430.5 2,556.3 0.437 8.016 8.453
35 0.056 146.68 2,418.6 2,565.3 0.503 7.848 8.353
40 0.074 167.57 2,406.7 2,574.3 0.573 7.685 8.257
45 0.096 188.45 2,394.8 2,583.2 0.639 7.526 8.165
50 0.123 209.33 2,382.7 2,592.1 0.704 7.373 8.076
55 0.16 230.23 2,370.7 2,600.9 0.768 7.223 7.991
60 0.20 251.13 2,358.5 2,609.6 0.831 7.078 7.910
65 0.25 272.06 2,346.2 2,618.3 0.894 6.938 7.831
70 0.31 292.98 2,333.8 2,626.8 0.955 6.800 7.755
75 0.39 313.93 2,321.4 2,635.3 1.016 6.667 7.682
80 0.47 334.91 2,308.8 2,643.7 1.075 6.537 7.612
85 0.58 355.90 2,296.0 2,651.9 1.134 6.410 7.545
90 0.70 376.92 2,283.2 2,660.1 1.193 6.287 7.479
95 0.85 397.96 2,270.2 2,668.1 1.250 6.166 7.416
100 1.0 419.04 2,257.0 2,676.1 1.307 6.048 7.355
120 2.0 503.71 2,202.6 2,706.3 1.528 5.602 7.130
140 3.6 589.13 2,144.7 2,733.9 1.739 5.191 6.930
160 6.2 675.55 2,082.6 2,758.1 1.943 4.808 6.750
180 10.0 763.22 2,015.0 2,778.2 2.140 4.446 6.586
200 15.5 852.45 1,940.7 2,793.2 2.331 4.101 6.432
220 23.2 943.62 1,858.5 2,802.1 2.518 3.768 6.286
240 33.4 1,037.32 1,766.5 2,803.8 2.702 3.442 6.144
260 46.9 1,134.37 1,662.5 2,796.9 2.884 3.118 6.002
280 64.1 1,235.99 1,543.6 2,779.6 3.067 2.790 5.857
300 85.8 1,344.00 1,404.9 2,749.0 3.253 2.451 5.705
330 128.5 1,525.30 1,140.6 2,665.9 3.551 1.891 5.442
360 186.5 1,760.50 720.5 2,481.0 3.915 1.138 5.053
374 220.9 2,099.30 0.0 2,099.3 4.430 0.000 4.430
 EJERCICIOS DE GENERADORES DE VAPOR
1boiler horse power=1 BHP= 13,15 HP= 9,8 kW

1.- ¿Cuál es la potencia requerida de una hornilla eléctrica para evaporar agua fría a 20°C; a
1 bar de presión, en una olla con 20 kg. De agua; en 50 minutos?
CL100°C=2257 kJ/Kg CFusión0°c=334,4kJ/Kg CeH20(V)=2,02kJ/Kg-K
CeH20(L)=4,18 kJ/Kg-k CeH20(HIELO)=2,09 kJ/Kg-K

Solución

Q = Qsensible + Qlatente
Q = mxCexΔT + mxCL =
Q=

Nota:

2.- ¿Cuál es la potencia estimada que debe entregar una hornilla a gas GLP; para poder
obtener vapor sobrecalentado a 220°C (10 bar absoluto), en 30 minutos; usando una olla de
alta presión, y partiendo de una masa de 5 kg de hielo a -10°C(1 atm)?
CL100°C=2257 kJ/Kg CFusión0°c=334,4kJ/Kg CeH20(V)=2,02kJ/Kg
CeH20(L)=4,18 kJ/Kg CeH20(HIELO)=2,09 kJ/Kg

Solución
T
f 10bar
220°C

1bar
e’
180°C f’

d
100°C e

b
0°C
c
-10°C a S

Q = Qsab(s) + Qlbc(s)+ Qscd(l) + Qlde(l) + Qsef(vsc)

Q= [ ]
Q= [ ]
Q=
3.- El caldero pirotubular de la figura tiene una presión de diseño de 135 psi (9 bar manométrica, 10
bar absolutos), y un flujo de vapor de 690 lb/h. El caldero es de un solo tiro, 6 mts. de largo. El tubo de
fuego tiene una longitud de 2,5 mts. y un diámetro exterior de 26” (wall .375”). El haz de tubos es de 2”
de diámetro nominal Schedule 40 (outside diameter 2.375”, wall .154”). La potencia del caldero es de
20 BHP. (haz de tubos: 16 tubos)

a) Calcular la superficie aproximada de transferencia de calor del caldero, en metros cuadrados.

b) ¿Hasta qué temperatura aproximada en °C, puede llegar el agua del caldero?
c) Tarea: Hallar el tiempo que necesitan inicialmente los 1,2m3 de agua, para llegar a 100°C (a 1
atm).Temperatura ambiente 20°C

Calor específico de sólido, líquido y vapor.

ce(s)=2,09 kJ/kg.K; ce(l)=4,18 kJ/kg.K; ce(v)=2,02 kJ/kg.K

SOLUCION:

a)
25.4 mm 1m
A = 2.5 m x  x 25.625 pulg x x (N = 16 tubos)
1” 1000 mm (A = área)
0.0254 m
2
+ 3.5 x  x 2.221 pulg x x N = 5.11 + 0.62 N = 15 mts
1pulg

b) 10 bar T  180 °C (tablas de vapor)

c)20BHP=m*v.ce.T=(.V/t).ce.T

20(9,8kJ/s)=(1kg/lt).(1,2.103 lt/ t ).4,18kJ/(kg.K).(100-20)K

Luego: t =2046s= 34,1min

4.- El caldero de la U de Lima, tiene como especificaciones una presión de diseño de 150 psi., una
producción de vapor de 690 lb/h, y una potencia de 20 BHP.
a) Según las clasificaciones ¿De qué tipo de caldero se trata?
b) Haga un esquema del caldero, indicando la posición del quemador, la chimenea y su apariencia
interior.
c) ¿Qué temperatura máxima podría alcanzar el caldero?
d) ¿A qué condiciones de temperatura y presión puede trabajar el caldero únicamente con vapor de
agua de alimentación sobrecalentado?

SOLUCION:
a) Es un caldero vertical
vapor
b)
chimenea

petróleo

flama

agua de alimentación

quemador gases quemados

aire

c)Pman = 150 psi; Pabs  165 psi  11 bar; luego T  185° C (tablas de vapor)
d)Es imposible. El caldero tiene líquido y vapor saturado.

5.- Un caldero pirotubular de 20 BHP opera a presión absoluta de 3,6 bar. Como el vapor producido
está en condiciones de vapor saturado, se desea seleccionar el proceso para obtener vapor
sobrecalentado entre el uso de un horno eléctrico o el uso de un compresor de vapor.
a)Determinar si se logra obtener vapor sobrecalentado al comprimir el vapor producido en el caldero
hasta la presión absoluta de 6,1 bar. La compresión es politrópica con un exponente politrópico de n=
1,2
b)Calcular la energía calorífica transferida desde los gases de combustión hacia el agua para su
calentamiento y vaporización. El caldero consume 6 galones por hora de combustible. La densidad del
combustible es aproximadamente 0,9 kg/lt. 1 galón = 3,8 lts. El poder calorífico del combustible se
estima en 45000 kJ/kg. Eficiencia del caldero 76%
c)Pérdidas de calor por chimenea y paredes exteriores
d)Masa de vapor máxima , en kg/h

Solución:
a)PCALDERO = 3,6 bar abs. ; T CALDERO = 140 °C (de tablas)
Se comprime hasta 6,1 bar abs.: T 2 = T1 (P2 / P1)n-1/n = (140 + 273) (6,1/3,6)1,2 – 1/1,2
= 451 °K = 178 °C
Pero a 6,1 bar ; TV.S. = 160 °C (tabla); Luego: está sobrecalentado
b)Flujo másico del combustible:
6 gal/hora x 3,8 l/gal x 0,9 kg/lt x 1h/3600 seg = 0,0057 kg/seg
Energía calorífica transferida:
0,0057 kg/seg x 45000 KJ/kg = 256,5 KJ / seg  257 KJ/seg
c)=Qagua/257kW=0,76 ; Qagua=257(0,76)=195kW ; Q=257-195=62kW
d) 690lb/h=314kg/h
6.- Una caldera se alimenta con 10000 lb/hora de agua de 82 °C a 104 °C (presión del caldero 8 bar
manométrico) (calor específico = 4,2 kJ/kg K y calor latente = 2040 kJ/kg)
a) ¿Cuánto calor recibe el agua para calentarse y evaporarse (kW)?
b) Una vez encendido el caldero, ¿A partir de qué presión manométrica se empieza a producir vapor
de agua, si el caldero se encuentra en la ciudad de Huancayo a 0,65 bar de presión atmosférica?

Solución:
a) Q = m (Cesp ΔT + CLATENTE) = m [4,2 kJ/kg K(104 – 82) °C + 2040 kJ/kg] =
10000 lb/h x 1h/3600 seg x 0,453 kg/lb [92,4 kJ/kg + 2040 kJ/kg] = 2682,6 kJ/seg;
Q = 2682,6 kW
b) 0 psi.

7.- En una caldera de 100 BHP se evalúa la emisión de los gases de chimenea como parte de un
estudio de impacto ambiental (1 BHP=34,5 lb vapor/h). Los gases calientes a través del tubo de fuego
pasan desde 900°C hasta 250°C para transferir calor hacia el agua en el interior de la caldera.
Luego, los gases se enfrían cuando salen a través de la chimenea hasta alcanzar aproximadamente
la temperatura ambiente (25°C). El agua absorbe calor a razón de 2950 kJ/kg para calentarse y
evaporarse. El calor específico promedio de los gases y el agua es 1,1 kJ/kg.K y 4,2 kJ/kg.K. Calor
latente del agua es 2278 kJ/kg.
a)Determinar la producción de vapor máxima, en kg/s . GASES COMBUSTIONADOS

b)Calcular el flujo de masa de los gases de la combustión que 20 °C

calientan el agua, en kg/s. VAPOR

c)Hallar las pérdidas de calor por la chimenea.

d)Hallar la eficiencia del caldero, si COMBUSTIBLE Q
PERDIDAS
hay pérdidas adicionales de 600kJ/s por
fugas de calor en la carcaza, tuberías, VAPOR

trabajo del quemador, bombeo de Q AGUA

agua, accesorios 900 °C

250 °C
GASES

AIRE
QUEMADOR
CALDERA DE 100 BHP

SOLUCION:
Qagua 34,5 lb
a) mg = ; magua = x 100 BHP = 3450 lb/hr
X

Ce (900–250) °C 1 BHP hr

3450 lb/hr x 1 kg/2,2 lb x 1h/3600 seg = 0,4356 kg/seg

Qagua = 0,4356 kg/seg x 2950 kJ/kg = 1285 kJ/seg

1282 kJ/seg
b) mg = = 1,79 kg/seg
1,1 kJ/kg K (650) K

c)Q perdidas = mg X Ceg X T= 1,79kg/s x 1,1kJ/kg.K x (250-20)K = 452,9 kJ/s

d)Qtotal gases=Qcomb=1,79kg/s x 1,1 kJ/kg.K (900-20)K+ 600kj/s = 2340,4 kj/s

=Qagua/Qtotal gases=55%
8.- Una fábrica de Mermelada de Fresa en el pueblo
de Ticlio (datos ambientales promedio 0,59 bar y
Salida Salida de vapor
10°C) tiene un caldero pirotubular de 350 BHP con una
de
capacidad de vapor de 12075 lb/h a ser usada gases
en las marmitas del proceso. La presión Haz de
manométrica de trabajo del caldero es 11,4 bar. tubos

Según el esquema, el tubo de fuego es  20 Sch Soplado

80S, diá. exterior 20”, diá. interior 19”. El haz de Tiro de fuego
tubos es  4 Sch 40S, dia. ext. 4,5”, espesor de Agua de

pared 0,237”. El agua blanda de reposición por 8m alimentación

consumo de vapor deberá ser alimentada por uno de
los tipos de bombas Worthington cuya curva H-Q se
anexa. (ver también tablas de evaporación del agua).

a) Considerando una altura de pérdidas del orden Bombas Worthington

de 16 m de agua entre la succión y la descarga al ANSI 10, ANSI 05, ANSI 03
caldero ¿cuál es la altura del punto de
160
funcionamiento aproximadamente?
b) ¿Cuál sería el caudal mínimo aproximado de 140

ALTURA mt.de agua

agua, en m 3/h, que deben asegurar las bombas al 120

caldero? 100

c) ¿Cuántas bombas de agua en serie 80

Worthington iguales recomienda, indicando tipo, 60
carga y caudal de cada una? 40
d) Graficar la curva caudal vs. altura del sistema. e) 20
¿A que temperatura aproximada se encontrará 0

el agua del caldero cuando este produce el vapor 0 0.5 1 1.5 2

a la presión ambiente? CAUDAL lt/s

Temperatura de Presión Densidad del Agua

ebullición (°C) (bar) (kg/m3)
10 0,012 999,7 0,0094
20 0,023 998,3 0,0172
40 0,074 992,2 0,0512
60 0,200 983,1 0,1302
80 0,47 971,6 0,2932
100 1,01 958,1 0,5974
120 1,98 942,8 1,1210
140 3,61 925,9 1,966
160 6,18 907,3 3,259
180 10,03 886,9 5,160
200 15,55 864,7 7,867
Solucion:

a) HPF = HB = HSIS = 16 m + 11,4 bar x 10,33 m/1bar = 134 m de agua

b) m = 12075 lb/hora x 1 kg/2,2 lb = 5488,6 kg/h;
mVAPOR = mAGUA ; 5488,6 kg/h = 870 kg/m3 x VAGUA
QAGUA = 6,3 m3 /h = 1,75 lt/seg
c) Cada bomba para un QAGUA = 1,75 lt/seg da HB (ANSI 10) = 70 mts

2 bombas ANSI 10 garantizan HB total = 134 mts; es decir cada una HB (ANSI 10) =
67 mts → Q = 1,8 lt/seg
d) HSIS = 118 M + K(1,8)2 = 134 → K = 4,94 ; HSIS = 118 + 4,94 Q2
e) TCALD = 83 °C si la P = 0,59 bar

134
P.F
118
1,8