UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Laboratorio Ingeniería de Termofluidos.

Profesor:

Grupo: 01.

Práctica 2: Ciclo Rankine.

Semestre: 2022-1
Práctica 2: Ciclo Rankine.

Objetivos:

 Calcular la superficie de calefacción, la capacidad y eficiencia de una

caldera, y los gastos de combustible y vapor de la misma.
 Estudiar brevemente la naturaleza del vapor, la importancia de la humedad
en el mismo, y cómo se mide.

Temas de Investigación:

 Clasificación General de las Calderas:

o Clasificación: Las calderas se pueden clasificar de distintas maneras

de acuerdo a sus características principales. Algunos de los criterios
que se utilizan para clasificarlas incluyen, pero no se limitan a el
material de construcción, el servicio que suministran, el combustible
utilizado, el fluido calentado, y según el tipo de cámara de
combustión, así como la forma en la que expulsan los gases
resultantes del proceso de calentado.

 De acuerdo a la disposición de los fluidos: Aquí, las dos

categorías principales son Calderas de tubos de Agua o de
Tubos de Humo.
 De acuerdo a la transmisión del calor: Calderas de
convección, de radiación o ambas.
 De acuerdo al tiro: Las calderas en este caso pueden ser
para su uso en hogar de manera presurizada o equilibrada.
 De acuerdo a el sistema de apoyo empleado: Podrían ser
calderas apoyadas o calderas suspendidas.
 De acuerdo a su implantación: Las calderas pueden ser
calderas terrestres o calderas marinas.
 De acuerdo a su ubicación: Serían calderas de interior y
calderas protegidas contra intemperie.
 De acuerdo a su operación: Las calderas pueden ser calderas
automáticas, calderas semiautomáticas o calderas de
operación manual.
  De acuerdo a la circulación de los fluidos: Podemos tener
calderas de circulación natural, calderas de circulación
asistida o calderas de circulación forzada.
 De acuerdo a la presión de trabajo: Las calderas pueden ser
de baja presión, presión media o alta.
 De acuerdo a el sistema de vaporización: La clasificación de
las calderas sería de calderas de vaporización lenta o
calderas de vaporización rápida.
 De acuerdo a su uso: Serían calderas fijas o calderas móviles
 De acuerdo a las fuentes de calor: Podemos tener calderas
para combustibles, calderas mixtas, calderas de
recuperación de calor o calderas eléctricas.
 De acuerdo a la forma en que fluyan los gases de la
combustión: Las calderas serían calderas de paso directo o
calderas de retorno.
 De acuerdo a el medio de transporte de calor: Pueden ser
calderas de vapor, calderas de agua caliente, calderas de
agua sobrecalentada o calderas de fluido térmico.

o Dispositivos:

 De purga y vaciado: Las calderas industriales de vapor

deberán disponer de una válvula de vaciado situada en la
parte más baja de la caldera, pudiendo usarse dicha válvula
para realizar las tareas de purgado. El dispositivo de vaciado no
es del tipo autobloqueante no pudiendo bloquearse en la posición
cerrada, debiendo instalarse en la tubería un dispositivo para
realizar el corte para ser accionado por el operador industrial de
calderas. En el caso que las válvulas de vaciado de dos o más
calderas se conecten a una tubería de descarga común, se
tendrán que instalar dos válvulas para cada uno de los tubos
de descarga, siendo una de estas válvulas del tipo
antirretorno para evitar que en determinadas circunstancias
en la que se pudiera encontrar una de las calderas
industriales pudiera afectar a las otras calderas.

 Indicadores de nivel: Las calderas industriales de vapor,

deberán disponer por lo menos de dos indicadores de nivel que
serán independientes, donde uno de ellos tendrá que ser un tubo
transparente conectado a la carcasa de la caldera. E n el caso de
las calderas industriales pirotulubares pequeñas solo será
 necesario disponer de un indicador que contará con una
lectura indirecta, correspondiente a calderas de vapor y
agua caliente que trabajen a una presión inferior a 32 bares,
o un producto presión x volumen menor que 200 bar. Para
las calderas de vapor este indicador de nivel puede ser
directo o indirecto. En las calderas de agua caliente solo se
requiere para generadores de agua caliente presurizados por
vapor.

o Principio de funcionamiento: El principio básico del funcionamiento de

las calderas consiste en una cámara donde, con la ayuda del aire
comburente, se produce la combustión y un intercambiador de calor,
donde el calor producido por la combustión se transmite al fluido
caloportador, encargado a su vez de llevar el calor a los puntos de
consumo. En el calentamiento del fluido caloportador de una caldera
intervienen los tres mecanismos de transmisión de calor reconocidos:
Conducción, radiación o convección.

 Sistemas principales:

 Quemador: Elemento de una caldera encargado de quemar el combustible.

 Hogar o cámara de combustión: Es la parte de la caldera donde se quema

el combustible y se encuentran las temperaturas más altas.

 Circuito de humos: Su característica principal es la de conducir los humos

que producen en la combustión hacia la caja de humos.

 Caja de humos: Es la parte de la caldera donde confluyen los humos que

después salen hacia el exterior por la chimenea.

 Retorno de agua: Es la toma por donde retorna el agua que viene de los
radiadores o el acumulador.

 Salida de agua: Es la toma por donde el agua es enviada a la instalación una

vez ha entrado en la caldera y se ha calentado.

 Circuito de agua: Es la parte de la caldera por donde el agua circula

mientras se calienta al absorber el calor que es transmitido por radiación,
conducción y convección.
  Alimentación de agua:

El agua de alimentación de la caldera se utiliza para producir vapor.

La presión del vapor (0.5 - 100 bar) determina la temperatura y la capacidad energética,
pero también la calidad del agua de alimentación.
La regla general expone que cuanto más alta sea la presión, más estricta deberá ser la
calidad del agua de alimentación de la caldera.

Algunos problemas causados por las impurezas en el agua de alimentación son:

 Formación de costras

 Corrosión

 Priming (formación de burbujas de aire)

 Adherencia del vapor al cilindro (de minerales volátiles)

Algunos parámetros importantes del agua de alimentación son:

 pH.

 Dureza.

 Concentración de oxígeno y del dióxido de carbono.

 Silicatos.

 Sólidos disueltos.

 Sólidos suspendidos.

 Concentración de materia orgánica.

 Combustible:

 Gas natural: Los tipos de calderas que funcionan con gas natural, o también llamada gas
ciudad o canalizado, son una opción relativamente económica. También es considerada
una energía bastante limpia, aunque como todos los combustibles fósiles, sus humos
contribuyen al efecto invernadero. Es el suministro más fácil en las ciudades que cuentan
con la canalización del gas ya instalada en las calles y en los edificios. Es fácil reconocerlo,
ya que las empresas suministradoras dejan la instalación de tuberías preparada hasta la
ventana de la cocina de todas las viviendas, con la llave cerrada y precintada. Dentro de
 los diferentes tipos de suministro energético, el gas natural es muy cómodo, ya que no
necesitamos espacio en nuestra vivienda para depósitos ni botellas.
 Gas propano: Los tipos de calderas a gas propano son en principio iguales a las que tienen
tipo de suministro de gas natural. Incluso es relativamente fácil, para un instalador
homologado de calefacciones y con carnet de industria para gases combustibles, hacer el
cambio en una caldera de gas natural a propano o viceversa. Las únicas diferencias
existentes con estos dos tipos de suministro energético, es el poder calorífico de cada uno
de los gases, y la forma que suministro. En cuanto al tipo de suministro, el propano tiene 3
formas de llegar a nuestra caldera: en botellas, en tanque o deposito, o canalizado desde
un deposito centralizado.
 Gas propano en botellas: Las botellas de propano tienen dos formatos, unas pequeñas de
13 kg y color naranja, iguales a las de butano, pero con una franja horizontal negra, para
diferenciarlas de aquellas. Y en botellas de 35 kg, que son más estrechas y altas. Por lo
general se usan las de 35 kg, y en conjuntos de 5+5 botellas. De forma que se usan a la vez
5, y las otras 5 son de reserva, para usar mientras viene el camión de suministro de las
botellas.
 Gas propano en depósito: Es otra opción para vivienda unifamiliar aislada, similar a las
botellas, pero con la ventaja que cabe más gas, con lo que nos aseguramos más tiempo de
uso sin tener que reponer. Pero con el inconveniente que necesitamos más espacio para el
deposito, ya que la normativa obliga a que a su alrededor exista un espacio protegido por
una valla, que varia en función de la capacidad del deposito.
 Gasóleo: Las calderas de gasóleo tienen varios inconvenientes frente al gas. El primero es
que, dentro de los tipos de suministro energético, el gasóleo es bastante contaminante, si
no el que más. Además, por su olor, o se hace conveniente su instalación dentro de la
vivienda y se buscan ubicaciones alternativas como un lavadero, y un cuarto técnico en el
exterior de la vivienda. Además, por lo general, también se necesita de un depósito que
puede ser de 1000 litros, o de mayor capacidad. Por lo que se necesita un espacio
adicional, y debidamente protegido, para evitar manipulaciones ajenas a los instaladores
profesionales y accidentes.
 Biomasa: Los tipos de calderas de biomasa, son susceptibles de utilizar diferentes tipos de
suministro energético. En el mercado, podemos encontrar tipos de calderas de pellet, de
astilla de madera, de cascara de frutos secos, de hueso de aceituna, de leña, etc. Incluso
hay modelos que son policombustible, es decir, que podemos usar más de uno de los
mencionados. Estos tipos de suministro energético tiene también algunas desventajas,
como son la necesidad de disponer de un almacén medianamente grande, para almacenar
el suficiente combustible. Y de esta forma, alargar las solicitudes de reposición o llenado.
Otro problema de estos tipos de suministro energético es la suciedad o polvo que
generan, por lo que son muy incomodas tenerlas instaladas dentro de la vivienda.
 Electricidad: Dentro de los tipos de suministro energético, la electricidad es a priori el más
limpio, para el usuario. Y conlleva ventajas como la facilidad de instalación, ya que no
necesita de una chimenea de humos. Esta ventaja hace que las calderas eléctricas puedan
instalarse en cualquier lugar dentro de la vivienda, sin tener la necesidad de estar cerca de
una pared exterior o de una chimenea del edificio. Al no utilizar combustibles fósiles
también es limpia, por lo que no tendremos que preocuparnos por malos olores ni polvo u
 otra suciedad. Podemos distinguir dos tipos de equipos eléctricos para calefacción. La
caldera eléctrica propiamente dicha, y la bomba de calor de aerotermia.

 Aire:

La mezcla de aire o gas y combustible en las calderas industriales, cuando se realiza por medios
mecánicos, crea una combustión muy rápida que incrementa la temperatura. Este procedimiento
debe ser observado por un operador de calderas cualificado.

Para realizar esta combustión, el aire o gas empleado puede clasificarse de dos maneras. Según su
temperatura, o en base a su procedencia. Veamos los distintos tipos con más detalle: Clasificación
de los distintos tipos de aire o gas empleados en la combustión de calderas industriales Según su
temperatura:

 Aire ambiente: Es el que rodea por todas partes a la caldera. Por norma general suele
estar a temperatura ambiente. Dentro de este tipo de aire empleado para la combustión
encontramos dos variedades distintas. Aire seco y aire saturado, a continuación vamos a
ver la definición de ambos tipos, aunque debes saber que en la combustión de calderas
industriales suele existir una combinación de ambos. Aire seco: Es el que no está mezclado
con vapor de agua, aunque su nombre es en realidad un término comparativo, pues
siempre existe una pequeña cantidad de agua en todo aire encontrado en la naturaleza.  
Aire saturado: Este retiene la máxima cantidad de vapor de agua que puede. La cantidad
almacenada dependerá de la temperatura y la presión a la que esté sometido.

 Aire atemperador: El aire o gas se precalienta mediante una segunda corriente de aire a la
cual se incorpora. Este se encuentra a menos temperatura que la corriente de aire, de
manera que puede variar sus grados. 

 Aire precalentado: Como su propia nombre indica está más caliente que la temperatura
ambiente donde se encuentra la caldera o calderas industriales. Por otro lado, según
donde se origine la mezcla, en el curso operador de calderas industriales podremos
diferenciar entre varios tipos de aire o gas: Tipos de aire o gas en la combustión de
calderas industriales en función al origen de la mezcla:

o Aire primario: Se introduce junto al combustible, antes de los quemadores.

o Aire secundario: Se suministra al hogar con el fin de servir como complemento al
primario. De esta forma facilita la combustión de las calderas industriales.
o Aire terciario: Este de nuevo se introduce en el hogar, pero esta vez complementa
tanto al primario como al secundario.

 Aire de cierre: Se emplea para sellar un recinto alimentado por una presión mayor de la
que existe en el recinto cercano. En todo momento, un operador de calderas industriales
cualificado deberá observar que el aire o gas puede ser introducido por un conducto
específico, quedando una canalización para el paso correcto. Conociendo los distintos
 tipos de aire o gas podemos hacernos una mejor idea del mecanismo de estos sistema,
utilizándolos de la forma más efectiva.

Cálculos:

De acuerdo con la tabla de datos obtenidos, se tiene que:

1.- Calcularemos la capacidad nominal:
2.- Calculamos la capacidad real:

3.- Cálculo de la eficiencia:

4.- Cálculo de los equivalentes de vaporización.
5.- Cálculo del factor de vaporización:

6.- Calorímetro de estrangulamiento:

7.- Calorímetro eléctrico:

Conclusión:
Con base en los resultados obtenidos en cada una de las 7 actividades presentes en la
práctica, así como el desarrollo matemático y práctico que se llevó a cabo en la misma, se
concluye que los objetivos planteados al comienzo de ésta se concretaron de manera
satisfactoria, adquiriendo los conocimientos y habilidades requeridos para llevar a cabo el
análisis y estudio de una caldera.

Bibliografía:

 Flores Chambi, A. S., & Guzmán Tello, C. A. Diseño de un Módulo Didáctico de

Intercambiador de Calor de Coraza y Tubos para la Ampliación del Sistema de Vapor del
Laboratorio de Termofluidos de la Universidad Católica de Santa María.
 ZELAYA, J. L. A. (2015). TEXTO: INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA
EXPERIMENTAL (Doctoral dissertation, UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO).
 Arroyo, G., & Fabián, A. (2017). Diseño de un sistema de monitoreo para una caldera
pirotubular con estudio teórico y experimental de su funcionamiento.