N1 Fundamentos · Lección 2 de 8 · 30 min

Balances de masa y energía de una caldera de vapor

Diseño de proyectos de bioenergía

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Calcular el calor que pide una planta a partir de las toneladas de vapor que usa y del calor que necesita cada tonelada.
Convertir ese calor en combustible (bunker o cascarilla) y en ceniza, con la eficiencia de la caldera.
Explicar por qué cambiar de combustible convierte un proyecto energético en uno logístico.

Conviene saber antes

Lección 9.1

Una caldera hace una sola cosa: calienta agua hasta convertirla en vapor. La planta usa ese vapor para cocinar, secar o esterilizar. Para diseñar el cambio de combustible basta con tres preguntas: (1) ¿cuánto calor pide la planta?, (2) ¿cuánto combustible hace falta para darlo?, y (3) ¿qué sobra al final? A la cuenta de lo que entra y lo que sale se le llama balance: de energía para el calor y de masa para el combustible y la ceniza.

El punto de partida es un dato de tabla: cada tonelada de vapor a 10 bar, hecha con agua que entra a 80 °C, necesita ≈2,44 GJ de calor. Ese número sale de las tablas de vapor (NIST); cómo se lee y por qué cambia poco con la presión se explica en la lección 9.3.

\dot Q = \dot m_v\cdot q_v\qquad \dot m_c = \frac{\dot Q}{\eta\cdot e}\qquad \dot m_{ceniza}=\dot m_c\cdot a

El calor que pide la planta es el vapor por el calor de cada tonelada; el combustible es ese calor dividido por lo que entrega cada tonelada de combustible; la ceniza es una fracción fija del combustible.

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$\dot m_v$	Vapor que usa la planta	t/h
$q_v$	Calor por tonelada de vapor (de tablas de vapor)	GJ/t
$\eta$	Eficiencia de la caldera (base PCI)	adimensional
$e$	PCI del combustible	GJ/t o GJ/gal
$a$	Fracción de ceniza del combustible	adimensional

Ejemplo resuelto 1

¿Cuánto calor pide una planta que usa 5 t/h de vapor?

Una planta usa 5 t/h de vapor a 10 bar durante 6.000 h al año (supuestos de operación). Calcule el calor por hora, la potencia de la caldera y el calor útil del año.

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$q_v$	2,441	GJ por t de vapor	Tablas de vapor del NIST (detalle en la lección 9.3)
$\dot m_v$	5	t/h	Supuesto del caso
$t$	6.000	h/año	Supuesto del caso

Calor por hora: toneladas de vapor por el calor de cada tonelada.
$\dot Q = 5\times2{,}441 = 12{,}21\ \mathrm{GJ/h}$
Potencia: 1 MW entrega 3,6 GJ en una hora.
$\frac{12{,}21}{3{,}6} = 3{,}39\ \mathrm{MW_t}$
Calor útil del año.
$Q_{\text{año}}=12{,}21\times6000=73.239\ \mathrm{GJ}$

Resultado

\dot Q\approx3{,}4\ \mathrm{MW_t};\ \ Q_{\text{año}}\approx73.239\ \mathrm{GJ}

Interpretación: Es como tener encendidas a la vez ≈1.695 duchas eléctricas de 2 kW, todo el año. Una caldera de este tamaño está en el rango típico de 1–10 MW de las calderas industriales de vapor según la Agencia Danesa de Energía (2026a).

Ejemplo resuelto 2

Consumo de bunker y de cascarilla, y ceniza generada

Calcule el consumo anual de bunker (eficiencia 0,85) y de cascarilla (eficiencia 0,75), y la ceniza de la cascarilla (eficiencias supuestas).

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$e_{bunker}$	0,14808	GJ/gal	GREET 1.8d.1
$e_{casc}$	12,89	GJ/t	Tipanluisa et al. (2015)
$a$	19,3	%	Tipanluisa et al. (2015), análisis próximo

Bunker.
$\frac{73.239}{0{,}85\times0{,}14808}=581.871\ \text{gal/año}$
Cascarilla.
$\frac{73.239}{0{,}75\times12{,}89}=7.576\ \text{t/año}$
Ceniza.
$7.576\times0{,}193=1.462\ \text{t/año}$

Resultado

582\ \text{mil gal}\ \leftrightarrow\ 7.576\ \mathrm{t}\ \text{de cascarilla y}\ 1.462\ \mathrm{t}\ \text{de ceniza}

Interpretación: La planta pasa de no generar residuo sólido a manejar ≈5,8 t de ceniza por día laborable. La ceniza de cascarilla, rica en sílice, puede tener usos (Pode, 2016), pero primero es un costo logístico que debe presupuestarse.

Figura 1Calor útil del año y energía de combustible necesaria para producirlo (GJ/año)

Para el mismo vapor, la caldera de cascarilla necesita ≈13 % más energía de combustible que la de bunker, porque pierde más calor por la chimenea y la ceniza. Esa diferencia se paga en toneladas, camiones y almacén.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Calor útil del año y energía de combustible necesaria para producirlo (GJ/año)
Concepto	GJ
Calor útil que pide la planta	73.239
Energía de bunker necesaria (eficiencia 85 %)	86.164
Energía de cascarilla necesaria (eficiencia 75 %)	97.652

Fuente: Derivado: tablas de vapor del NIST (5 t/h, 6.000 h) y eficiencias supuestas de 85 % (bunker) y 75 % (cascarilla), base PCI.

Figura 2Diagrama de balance de masa y energía de una caldera de biomasa

Ejercicios

Cálculo●○○
Si la planta usara 8 t/h de vapor en vez de 5, ¿cuántos MW térmicos necesitaría la caldera?
Ver la solución
8 × 2,441 = 19,53 GJ/h; ÷ 3,6 = 5,43 MWt.
Cálculo●○○
¿Cuántas toneladas por hora de cascarilla consume la caldera del ejemplo a plena carga?
Ver la solución
12,21 GJ/h ÷ (0,75 × 12,89) = 1,26 t/h.
Criterio●○○
Explique a un gerente, en dos frases, por qué la ceniza debe estar en el presupuesto del proyecto.
Ver la solución
Cada tonelada de cascarilla deja ≈193 kg de ceniza, ≈1.462 t al año en esta planta. Hay que retirarla, almacenarla y llevarla a un destino (o venderla), y eso cuesta equipo, mano de obra y transporte.

Autoevaluación

El calor que pide una caldera se calcula con…
1. El precio del combustible
2. Las toneladas de vapor por el calor que necesita cada tonelada
3. La altura de la chimenea
4. El número de trabajadores
Ver la respuesta
Respuesta: B. Se multiplica la masa de vapor por el calor que necesita cada tonelada (≈2,44 GJ/t a 10 bar con agua a 80 °C).
Con 19,3 % de ceniza, 1.000 t de cascarilla dejan…
1. ≈19 t de ceniza
2. ≈193 t de ceniza
3. ≈1,9 t
4. Nada
Ver la respuesta
Respuesta: B. 1.000 × 0,193 = 193 t.
Para dar el mismo vapor, una caldera menos eficiente…
1. Consume menos combustible
2. Consume más combustible
3. Consume lo mismo
4. No produce ceniza
Ver la respuesta
Respuesta: B. El combustible es el calor dividido por la eficiencia: menos eficiencia, más combustible.

Referencias

Lemmon, E. W., Bell, I. H., Huber, M. L., & McLinden, M. O. (2026). Thermophysical properties of fluid systems. En P. J. Linstrom & W. G. Mallard (Eds.), NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. National Institute of Standards and Technology. https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
Danish Energy Agency. (2026a). Technology data: Industrial process heat (versión 0006). Danish Energy Agency. https://ens.dk/media/8517/download
Argonne National Laboratory. (2010). Lower and higher heating values of gas, liquid and solid fuels (GREET 1.8d.1). En Biomass Energy Data Book, apéndice A. https://courses.grainger.illinois.edu/npre470/sp2018/web/Lower_and_Higher_Heating_Values_of_Gas_Liquid_and_Solid_Fuels.pdf
Tipanluisa, L., et al. (2015). Estudio experimental de la combustión de la cascarilla de arroz en una cámara de lecho fijo. Revista de la Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Cuenca. https://publicaciones.ucuenca.edu.ec/ojs/index.php/quimica/article/download/337/284/1143
Pode, R. (2016). Potential applications of rice husk ash waste from rice husk biomass power plant. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1468–1485. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.09.051

Para profundizar

Lemmon, E. W., Bell, I. H., Huber, M. L., & McLinden, M. O. (2026). Thermophysical properties of fluid systems. En P. J. Linstrom & W. G. Mallard (Eds.), NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. National Institute of Standards and Technology. — Tablas de vapor gratuitas y trazables; la lección 9.3 enseña a usarlas.
Pode, R. (2016). Potential applications of rice husk ash waste from rice husk biomass power plant. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1468–1485. — Usos de la ceniza de cascarilla: cemento, sílice, adsorbentes. Convertir la ceniza en ingreso cambia el proyecto.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Balances de masa y energía de una caldera de vapor (Versión 2026-10) [Lección del curso «Diseño de proyectos de bioenergía»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/diseno-de-proyectos-de-bioenergia/balances-de-masa-y-energia/

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