Generadores de Vapor

INTRODUCCIÓN

Como es bien sabido, la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, y el hombre en su afán de aprovechar mejor la energía que extrae de la naturaleza, para mejorar y garantizar su calidad de vida, ha originado diversas formas de realizarlo desde hace mucho tiempo, pero emplea parte de la misma energía para lograrlo, con variados dispositivos, sistemas y/o equipos, por ejemplo en las centrales termoeléctricas.

Un generador de vapor, es un equipo sometido a presión interna en el cual transforma una forma de energía en otra. Mediante él, se convierte energía química de un combustible o eléctrica proveniente de la red en energía térmica o trabajo mecánico. Ambas para uso externo al generador, ya sea en un proceso industrial productivo, acondicionamiento de servicios en edificios o para la utilización en turbinas de vapor con fines de generación eléctrica o movimiento mecánico. Debido a su diseño, acumulan grandes cantidades de energía en forma de calor latente en la masa de agua que se encuentra sometida a presión. En caso de falla estructural esta energía acumulada puede ser liberada en forma súbita con efectos expansivos provocando serios daños a sus alrededores y transeúntes. A su vez, son equipos que trabajan en conjunto con sistemas de alimentación de combustible, instalaciones eléctricas y de control, alimentación de agua y neumática que han de ser operados y mantenidos para evitar riesgos hacia las personas. La seguridad es, por lo tanto, un valor fundamental a tener presente durante su diseño, construcción, operación y mantenimiento; enfocándose en la prevención de accidentes y reduciendo los riesgos involucrados. Es por ello necesario su control y fiscalización, fijando reglamentaciones claras en la materia que contribuyan al desarrollo productivo seguro y eficiente.

CALDERAS

GENERADORES DE VAPOR 2013

Las calderas son la parte más importante del circuito de vapor ya que ahí es donde se crea el vapor. Una caldera puede definirse como un recipiente en el que se transfiere la energía calorífica de un combustible a un líquido, en el caso de vapor saturado, la caldera proporciona también energía calorífica para producir un cambio de la fase de líquido a vapor.

Componentes de una caldera

La estructura real de una caldera dependerá mucho del tipo que sea. No obstante, de forma general, podemos describir las siguientes partes:

Quemador: sirve para mezclar el combustible con aire y quemarlo.

Hogar: alberga el quemador en su interior, y en él se realiza la combustión del combustible y la generación de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua tiene lugar a través de su superficie. También en ella se generan las burbujas de vapor.

Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida en suspensión en la corriente de vapor.

Economizador: es un equipo de intercambio de calor para precalentar el agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentar la caldera.

Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

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Clasificación de las Calderas

1. Atendiendo a su posición:a) Horizontalesb) Verticales

2. Atendiendo a su instalación:a) Fija o estacionariab) Móviles o portátiles

3. Atendiendo a la ubicación del hogar:a) De hogar interiorb) De hogar exterior

4. Atendiendo a la circulación de los gasesa) Recorrido en un sentido (de un paso)b) Con retorno simple (de dos pasos)c) Con retorno doble (de tres pasos)

5. Con respecto a su forma de calefaccióna) Cilíndrica sencilla de hogar exteriorb) Con un tubo hogar (liso o corrugado)c) Con dos tubos hogares (liso o corrugado)d) Con tubo Galloway (calderas horizontales o verticales)e) Con tubos múltiples de humo (igneotubulares o pirotubulares)f) Con tubos múltiples de agua (hidrotubulares o acuotubulares)g) Con tubos múltiples de agua y tubos múltiples de humo (acuopirotubular

o mixtas)

6. De acuerdo a la presión del vapor que producen:a) De baja presión (hasta 2,0 kg/cm2)

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b) De mediana presión (sobre 2,0 kg/cm2 hasta 10 kg/cm2)c) De alta presión (sobre 10 kg/cm2 hasta 225 kg/cm2)d) Supercríticas (sobre 225 kg/cm2)

7. Con respecto al volumen de agua que contienen en relación con su superficie de calefacción:

a) De gran volumen de agua (más de 150 Ltrs. x m2 de superficie de calefacción SC)

b) De mediano volumen de agua (entre 70 y 150 Ltrs. x m2 de SC)c) De pequeño volumen de agua (menos de 70 Ltrs. x m2 de SC)

8. Según su utilización:a) De vaporb) De agua caliente

9. Según la circulación del agua dentro de la caldera:a) Circulación natural: El agua circula por efecto térmicob) Circulación forzada: El agua se hace circular mediante bombas.

10. Según el tipo de combustible:a) De combustible sólidob) De combustible líquidoc) De combustible gaseoso

Principales Tipos de Calderas

CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera.

El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección.

VENTAJAS

Menor costo inicial, debido a la simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad.

Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda del vapor.

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Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, porque las incrustaciones formadas en el interior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas.

Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

DESVENTAJAS

Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad. Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. Gran peligro en caso de explosión o ruptura, debido al gran volumen de agua

almacenado. No son empleadas para altas presiones.

Estas calderas pueden ser verticales u horizontales. Entre las calderas verticales pueden encontrarse dos tipos con respecto a los tubos:

De tubos semisumergidos: el agua no cubre totalmente a los tubos. De tubos totalmente sumergidos: en el segundo estos están totalmente

cubiertos.

Las calderas horizontales con tubos múltiples de humo, hogar interior y retorno simple o doble retorno son las llamadas calderas escocesas. Estas calderas, como cualquier otro tipo, pueden ser utilizadas con hogar para quemar carbón, leña o bien con quemadores de petróleo.

Se encuentran en este grupo de calderas locomóviles y las locomotoras que se caracterizan principalmente por ser de mediano volumen de agua, titaje forzado y cuentan con tres partes bien definidas:

a) Una caja de fuego b) Un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente por tubos de pequeño

diámetro, por cuyo interior circulan los gases calientes.c) Una caja de humos.

Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.

Por su construcción las calderas pirotubulares pueden ser de varios pasos:

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Configuración de calderas para dos pasos, con dos métodos en los que se invierte el calor del hogar para fluir a lo largo del segundo paso:

En la primera figura nos muestra una cámara seca donde el flujo de calor se invierte en una cámara refractaria en la parte externa de la caldera. Y en la segunda una caldera de cámara húmeda, donde la cámara de inversión está completamente dentro de la caldera.

CALDERA LANCASHIRE

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La cladera Lancashire podría trabajarse a una presión de 17 bar. Tenían un volumen grande de agua de mucha energía retenida, por tanto podía afrontar con facilidad demanadas repentinas de vapor (como el arranque y parada de la maquinaria de vapor), Este gran volumen de agua también significó que no era tan crítico el control de nivel y de calidad del agua como en las calderas modernas.

CALDERAS ECONÓMICAS

La caldera económica de doble circuito tiene sólo la mitad de tamaño que la equivalente a caldera Lancashire y tiene mayor eficacia térmica.

Un desarrollo más extenso de la caldera económica fue la creación de una caldera de cámara húmeda de tres pasos que es la configuración que usamos hoy en día.

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CALDERA COMPACTA

Se llama así por que viene como un paquete completo, una vez colocada en su sitio sólo necesita las tuberias de vapor, agua y de purga de fondo, suministro de combustible y conexiones eléctricas para que pueda trabajar. Estas calderas son clasificadas por el número de circuitos – el número de veces que los gases calientes de la combustion pasan a través de la caldera.

CALDERA DE LLAMA REVERSIBLE

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Esta es una variante de la caldera convencional. La cámara de combustión tiene forma de dedal y el quemador lanza la llama por el centro. La llama dobla atrás dentro de la cámara de la combustión hacia el frente de la caldera. Los tubos de humos rodean al dedal y pasan los gases de la combustión a la parte trasera de la caldera y la chimenea.

CALDERAS ACUOTUBULARES.

En estas calderas es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera.

Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea. Son de pequeño volumen de agua.

Las calderas acuotubulares son empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión.

La limpieza de estas calderas se lleva a cabo fácilmente porque las incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpia tubos accionados mecánicamente o por medio de aire. La circulación del agua, en este tipo de caldera, alcanza velocidades

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considerables con lo que se consigue una transmisión eficiente del calor; por consiguiente se eleva la capacidad de producción de vapor.

Se componen de uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores) unidos por tubos de pequeño diámetro por donde circula el agua. Estas calderas son apropiadas cuando los requerimientos de vapor, en cantidad y calidad son altos.

VENTAJAS

Menor peso por unidad de potencia generada. Por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de

evaporación, puede ser puesta en marcha rápidamente. Mayor seguridad para altas presiones. Mayor eficiencia. Son inexplosivas.

DESVENTAJAS

Su costo es mayor. Deben ser alimentadas son agua de gran pureza, ya que las

incrustaciones en el interior de sus tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos.

Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario trabajarlas a mayor presión que la necesaria en las industrias.

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CALDERA CON CALDERÍN LONGITUDINAL

Era el modelo original de la caldera acuotubular que trabaja con el principio de temperatura y densidad de agua.

El agua de alimentación fría entra en un calderín colocado longitudinalmente sobre la fuente de calor. El agua fría baja por una tubería de circulación por la parte trasera a unos tubos inclinados que son calentados. Según aumenta la temperatura de agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule el agua caliente y el vapor por las tuberías inclinadas de la tubería de circulación delantera entrando de nuevo al calderín. En el calderín las burbujas de vapor separan el agua produciendo el vapor para la planta.

CALDERA CON CALDERÍN CRUZADO

Es una variante de la caldera con calderín longitudinal, en la que el calderín se pone cruzado a la fuente de calor, funciona con el mismo principio que el calderín longitudinal solo que logra una temperatura más uniforme en el calderín.

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CALDERAS DE TUBOS CURVADOS O STIRLING

Es una mayor evolución de la caldera acuotubular. Trabaja con el principio de la temperatura y densidad de agua, pero utiliza cuatro calderines.

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Tipos de vapor

VAPOR SATURADO Y VAPOR RECALENTADO

Una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura se detiene hasta que se evapora el líquido, es decir, si la presión se mantiene constante, durante el proceso de cambio de fase la temperatura también lo hará. Durante un proceso de ebullición, el único cambio observable es un gran aumento en el volumen y una disminución constante en el nivel de líquido como resultado de una mayor cantidad de este convertido en vapor.

En un momento el cilindro contiene cantidades iguales de líquido y vapor (mezcla saturada de líquido y vapor). Conforme continúa la transferencia de calor, el proceso de evaporización continuara hasta evaporarse la última gota de líquido (vapor saturado). En este punto el cilindro está lleno de vapor, el cual se halla en el borde de la fase liquida y cualquier cantidad de calor que pierda lo hará condensarse (cambio de fase de vapor a liquido). Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado, y una sustancia entre los estados 2 y 4 se conoce como vapor húmedo o mezcla saturada de líquido vapor, debido a que en este estado las fases liquida y de vapor existen en equilibrio.

Una vez completado, el proceso de cambio de fase descrito anteriormente termina y se alcanza una región de una sola fase (en este caso vapor). En este punto, transferir más calor da como resultado un aumento de temperatura y de volumen específico. Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, que no es vapor saturado) se denomina vapor sobrecalentado.

Si todo el proceso anterior se invierte, enfriando el agua mientras se mantiene la presión en el mismo valor, el agua regresara al estado 1 trazando de nuevo la misma trayectoria, y de esta manera la cantidad de calor liberado corresponderá a la cantidad de calor agregada mediante el proceso de calentamiento.

Tablas De Vapor

Justo como un mapa (o un sistema de navegación GPS) es necesario cuando se conduce en un área nueva o como un programa de vuelos es indispensable cuando se va a tomar un vuelo, las tablas de vapor son esenciales para los usuarios de vapor en la industria. Este articulo presenta las tablas de vapor, puntualizando los diferentes tipos y ofreciendo una visión de conjunto de los diferentes elementos encontrados dentro de ellas.

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TABLAS DE VAPOR SATURADO

Una tabla de vapor saturado es una herramienta indispensable para cualquier ingeniero que trabaja con vapor. Típicamente es usada para determinar la temperatura de saturación del vapor a partir de la presión del vapor o viceversa, presión a partir de la temperatura de saturación del vapor. Además de presión y temperatura, estas tablas usualmente incluyen otros valores relacionados tales como entalpía específica (h) y volumen específico (v).

Estos datos encontrados en una tabla de vapor saturado siempre se refieren al vapor en un punto de saturación particular, también conocido como punto de ebullición. Este es el punto donde el agua (líquido) y el vapor (gas) pueden coexistir en la misma temperatura y presión. Debido a que el agua puede ser líquida o gas en este punto de saturación, se requieren dos conjuntos de datos: datos para el agua saturada (líquido), los cuales se marcan típicamente usando una "f" como subíndice, y datos para el vapor saturado (gas), los cuales se marcan típicamente usando una "g" como subíndice.

BASADO EN PRESIÓN Y EN TEMPERATURA

Debido a que la presión del vapor saturado y la temperatura del vapor saturado están directamente relacionadas entre sí, las tablas de vapor saturado generalmente se encuentran disponibles en dos formatos diferentes: basados en presión o basados en temperatura. Ambos tipos contienen la misma información la cual simplemente está ordenada de modo diferente.

Tabla de Vapor Saturado Basada en Presión

P R E S I Ó N( M A N O M É T R I C A )

T E M P . V O L U M E N E S P E C Í F I C O E N T A L P Í A E S P E C Í F I C A

k P a G º C m 3 / k g k J / k g

P T V f V g H f H f g H g

0 99.97 0.0010434 1.673 419.0 2257 2676

20 105.10 0.0010475 1.414 440.6 2243 2684

50 111.61 0.0010529 1.150 468.2 2225 2694

100 120.42 0.0010607 0.8803 505.6 2201 2707

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Tabla de Vapor Saturado Basada en Temperatura

T E M P .P R E S I Ó N

( M A N O M É T R I C A )V O L U M E N E S P E C Í F I C O E N T A L P Í A E S P E C Í F I C A

º C k P a G m 3 / k g k J / k g

T P V f V g H f H f g H g

100 0.093 0.0010435 1.672 419.1 2256 2676

110 42.051 0.0010516 1.209 461.4 2230 2691

120 97.340 0.0010603 0.8913 503.8 2202 2706

130 168.93 0.0010697 0.6681 546.4 2174 2720

140 260.18 0.0010798 0.5085 589.2 2144 2733

150 374.78 0.0010905 0.39250 632.3 2114 2746

USANDO PRESION MANOMETRICA Y PRESION ABSOLUTA

Las tablas de vapor saturado también puede usar dos tipos diferentes de presión: Presión Absoluta y Presión ManométricaLa presión absoluta es cero en relación a un vacío perfecto

La presión Manométrica es cero en relación a la presión atmosférica (101.3 kPa, o 14.7 psi).

Tabla de Vapor Saturado usando Presión Absoluta

P R E S I Ó N( A B S O L U T A )


k P a º C m 3 / k g k J / k g


0 -- -- -- -- -- --

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20 0.2 0.0010103 7.648 251.4 2358 2609

50 0.5 0.0010299 3.240 340.5 2305 2645

100 1.0 0.0010432 1.694 417.4 2258 2675

Tabla de Vapor Saturado usando Presión Manométrica

P R E S I Ó N( M A N O M É T R I C A )


k P a G º C m 3 / k g k J / k g


0 99.97 0.0010434 1.673 419.0 2257 2676

20 105.10 0.0010475 1.414 440.6 2243 2684

50 111.61 0.0010529 1.150 468.2 2225 2694

100 120.42 0.0010607 0.8803 505.6 2201 2707

Diagramas del Vapor de Agua

1. Diagramas de volumen :

Diagrama Temperatura – Volumen

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Diagrama Presión – Volumen

2. Diagramas de Presión:

Diagrama Presión – Temperatura

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3. Diagramas de Entropía

Diagrama de Temperatura - Entropía correspondiente al vapor de agua saturado seco.

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Diagrama de Temperatura - Entropía correspondiente al vapor de agua húmedo.

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Diagrama de Temperatura - Entropía correspondiente al vapor de agua recalentado.

Rendimiento

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El rendimiento se define como la relación entre la potencia útil que se obtiene al calentar agua y la carga desarrollada por el gas al quemarse.

Rendimiento Útil (µn)

El calor producido al quemarse un combustible en una caldera no se transmite íntegramente al agua de calefacción, se producen unas pérdidas que serán de mayor o menor magnitud dependiendo del diseño de la caldera y de la regulación de la combustión.

El rendimiento útil de una caldera será:

µn= Pu∗100%Pc

Donde:

Pu =Potencia útil de la caldera.Pc =Potencia calorífica obtenida al quemar un combustible.

Potencia útil (Pu)

La potencia útil de una caldera depende del caudal de agua (Q) que circula a través de ella y del salto térmico del agua que existe a la entrada (Te) y salida (Ts) de la caldera:

Pu=Q . (T S−T e ) .C e . Pe

Para el agua:Pu=Q . (T S−T e )

En donde:

Pu =Potencia útil en kcal/h.Q =Caudal en l/h.Ts =Temp. Del agua a la salida en °C.Te =Temp. De lagua a la entrada en °C.Ce = Calor específico en kcal/h. kg.°C. =1para agua.Pe = Peso específico en kg/dm³ = 1para el agua

La mayoría de fabricantes de calderas, en sus informaciones técnicas, indican las potencias útiles.

Potencia quemada (PC):

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La potencia obtenida al quemar un combustible depende del Poder Calorífico Inferior, siendo éste el calor que desprende al quemarse una unidad de peso o volumen y de la cantidad de combustible utilizado en una hora.

Pc=PCI .C

En donde:

Pc = Potencia quemada en kcal/h.C = Consumo combustible en kg/h ó Nm3/h.PCI= Poder Calorífico Inferior del combustible:

Gasóleo= 10.200kcal/kg. Fuelóleo= 9.700kcal/kg.

Antracita=7.000kcal/kg.

Además existen diferentes tipos de pérdidas de energía durante el proceso, entere las más significativas, están las siguientes:

Pérdidas de calor (en chimenea): Pérdidas en chimenea: Las pérdidas que se generan en la combustión y que salen a través de la chimenea son dos:

1. Pérdidas de calor sensible (Qhs): La pérdida de calor sensible en los productos de la combustión son las más importantes. Depende esencialmente del porcentaje de CO2y de la temperatura de humos en la chimenea.

2. Pérdidas de calor por inquemados (QI): Las pérdidas de calor por inquemados (qi) son las debidas principalmente por el carbono que no se ha quemado y que en combinación con el oxígeno forma CO.

Rendimiento de Combustión (ŊC)

El rendimiento de combustión (ŊC) es el obtenido después de deducir las pérdidas del calor sensible (qhs) y las de inquemados (qi).

ŋc=100−(qhs−qi)

Pérdidas de radiación y convección (QRC)

Las pérdidas por radiación y convección son las que genera la caldera con su entorno (qrc), podríamos llamarlas pérdidas residuales.

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Bibliografía1. Calderas y accesorios – Spirax Sarco ( Sábado 5:30)

http://www.spiraxsarco.com/ar/pdfs/training/gcm_04.pdf2. Calderas, generadores de vapor, hornos y secaderos en Eficiencia energética

– WIKIEOIhttp://www.eoi.es/wiki/index.php/Calderas,_generadores_de_vapor,_hornos_y_secaderos_en_Eficiencia_energ%C3%A9tica

3. Calderas http://www.sisman.utm.edu.ec/libros/FACULTAD%20DE%20CIENCIAS%20MATEM%C3%81TICAS%20F%C3%8DSICAS%20Y%20QU%C3%8DMICAS/INGENIER%C3%8DA%20MEC%C3%81NICA/09/Calderas/Libros/libro%20Calderas.pdf

4. Generadores de Vapor http://www.opex-energy.com/ciclos/calderas_hrsg.html

5. Estructura Básica de un Generador de Vapor http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF

6. Descripción de Calderas y Generadores de Vapor - Pedro Abarca Bahamondeshttp://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/9127/Capitulo1.pdf

7. Calculo de rendimientos en calderas e instalaciones – Energuía http://industriales.utu.edu.uy/archivos/mecanica-general/CALDERAS/Rendimiento%20De%20Calderas.pdf

8. Energía mediante vapor, Aire o Gas – W.H. Severnshttp://books.google.com.pe/books?id=gWAV5XxMgkIC&pg=PA81&lpg=PA81&dq=diagramas++de+entropia++del+vapor+de+agua&source=bl&ots=jjf08ns_oJ&sig=_UkeVsYMSTVEX5NBDMB4N2E3Dug&hl=es&sa=X&ei=b8xtUoCVJ9Wv4APgmoHwBg&ved=0CFMQ6AEwDQ#v=onepage&q&f=true

9. Diagramas de Propiedades – Ing. César Cepello http://unefa-termodinamica.blogspot.com/2009/06/diagramas-de-propiedades.html

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Generadores de Vapor

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