N2 Aplicado · Lección 3 de 8 · 40 min

Dimensionamiento y selección de la caldera de biomasa

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 la carga térmica con entalpías de tablas de vapor (NIST) y explicar por qué la presión cambia poco el calor por kilogramo.
Seleccionar la tecnología de combustión (parrilla o lecho fluidizado) según el combustible y el tamaño.
Estimar la eficiencia por el método de pérdidas y el efecto de la humedad y los inquemados.
Dimensionar la capacidad con margen, carga mínima y respaldo.

Conviene saber antes

Lección 9.2
Curso 3, combustión

Del dato de tabla a la entalpía. En la lección 9.2 se usó que cada tonelada de vapor necesita ≈2,44 GJ. Ese número es una diferencia de entalpías: la entalpía es el contenido de energía por kilogramo de agua o de vapor, medido desde un estado de referencia, y se lee en tablas de vapor fiables; aquí se usan las del NIST Chemistry WebBook (formulación IAPWS-95). Una analogía útil es la altura en un mapa: no importa el valor absoluto, sino la diferencia entre el punto de llegada (el vapor) y el de partida (el agua de alimentación).

\dot Q = \dot m_v\,(h_v - h_{a})

Carga térmica: flujo de vapor por la diferencia de entalpías entre el vapor producido y el agua de alimentación (purga y pérdidas de vapor despreciadas).

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$\dot m_v$	Flujo de vapor	kg/h
$h_v$	Entalpía del vapor producido	kJ/kg
$h_a$	Entalpía del agua de alimentación	kJ/kg

Ejemplo resuelto 1

Carga térmica de una caldera de 5 t/h a 10 bar, con entalpías del NIST

Calcule la carga térmica para producir 5 t/h de vapor saturado a 1,0 MPa con agua de alimentación a 80 °C, y la energía útil anual con 6.000 h (supuestos de operación).

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$h_v$	2.777,1	kJ/kg	NIST: vapor saturado a 1,0 MPa (179,9 °C)
$h_a$	335,8	kJ/kg	NIST: agua a 80 °C y 1,0 MPa
$\dot m_v$	5.000	kg/h	Supuesto del caso

Salto de entalpía.
$\Delta h = 2.777{,}1 - 335{,}8 = 2.441{,}3\ \mathrm{kJ/kg}$
Carga térmica.
$\dot Q = 5000\times2.441{,}3 = 12{,}206\ \mathrm{GJ/h} = 3{,}39\ \mathrm{MW_t}$
Energía útil anual.
$Q_{\text{año}}=12{,}206\times6000=73.239\ \mathrm{GJ}$

Resultado

\dot Q\approx3{,}39\ \mathrm{MW_t};\ \ Q_{\text{año}}\approx73.239\ \mathrm{GJ}

Interpretación: El salto de 2.441,3 kJ/kg es el «≈2,44 GJ por tonelada» de la lección 9.2. Con él se dimensiona todo lo demás: combustible, ceniza, caldera y logística.

Figura 1Calor necesario por kg de vapor saturado según la presión (agua de alimentación a 80 °C)

Cuadruplicar la presión de 0,5 a 2,0 MPa solo aumenta un 2 % el calor por kg de vapor saturado: la presión se elige por la temperatura que pide el proceso, no por el consumo de combustible.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Calor necesario por kg de vapor saturado según la presión (agua de alimentación a 80 °C)
Presión (MPa)	Temperatura de saturación (°C)	Entalpía del vapor (kJ/kg)	Calor (kJ/kg)
0,495	151,45	2.747,7	2.411,9
0,693	164,54	2.762,3	2.426,5
0,9913	179,5	2.776,8	2.441
1,4971	198,2	2.790,9	2.455,1
2,0061	212,53	2.798,4	2.462,6

Fuente: NIST Chemistry WebBook, propiedades de saturación del agua (IAPWS-95), consultado el 2026-10-25; agua a 80 °C y 1,0 MPa: 335,8 kJ/kg.

El EPA (2007a) compara las dos tecnologías dominantes: la caldera de parrilla (stoker), simple y barata, y la de lecho fluidizado, más eficiente y flexible con combustibles difíciles pero más cara. En la planta de 100 t/día de su catálogo, la caldera de lecho cuesta más de tres veces la de parrilla; en tamaños grandes, solo un 35–40 % más. La cascarilla tiene particularidades: ceniza alta y rica en sílice, baja densidad y tendencia a dejar carbono en la ceniza; Armesto et al. (2002) estudiaron su combustión en lecho fluidizado burbujeante.

\eta = 1 - \frac{L_{gs}+L_{H_2O}+L_{inq}+L_{rad}+L_{otras}}{e}

Método indirecto (por pérdidas): la eficiencia es uno menos la suma de pérdidas por unidad de energía del combustible.

Variables de la ecuación 2
Símbolo	Significado	Unidad
$L_{gs}$	Pérdida por gases secos en la chimenea	MJ/kg
$L_{H_2O}$	Pérdida por la humedad del combustible y el agua de combustión	MJ/kg
$L_{inq}$	Pérdida por carbono inquemado en la ceniza	MJ/kg
$L_{rad}$	Pérdida por radiación y convección	MJ/kg

L_{inq} = a\,\frac{c}{1-c}\cdot 32{,}8\ \mathrm{MJ/kg}

Pérdida por inquemados: ceniza por kg de combustible, multiplicada por el carbono en la ceniza y por el poder calorífico del carbono (≈32,8 MJ/kg).

Variables de la ecuación 3
Símbolo	Significado	Unidad
$a$	Fracción de ceniza del combustible	adimensional
$c$	Fracción de carbono en el residuo sólido (ceniza + inquemados)	adimensional

Ejemplo resuelto 2

Pérdida por inquemados con cascarilla

Estime la pérdida por inquemados si el residuo sólido contiene 10 % de carbono (supuesto) con la ceniza de la cascarilla de Ventanas.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$a$	0,193	adimensional	Tipanluisa et al. (2015)
$c$	0,10	adimensional	Supuesto
$e$	12,89	MJ/kg	Tipanluisa et al. (2015)

Carbono inquemado por kg de combustible.
$0{,}193\times\frac{0{,}10}{0{,}90}=0{,}0214\ \mathrm{kg/kg}$
Energía perdida.
$0{,}0214\times32{,}8=0{,}703\ \mathrm{MJ/kg}$
Fracción del PCI.
$\frac{0{,}703}{12{,}89}=5{,}5\ \%$

Resultado

L_{inq}\approx5{,}5\ \%\ \text{del PCI}

Interpretación: Con ceniza alta, unos pocos puntos de carbono en la ceniza cuestan varios puntos de eficiencia. Por eso el contrato de la caldera debe garantizar el carbono en la ceniza, no solo la eficiencia nominal.

Ejemplo resuelto 3

Capacidad nominal, carga mínima y respaldo

La demanda media del proceso es 3,39 MWt con picos del 20 % (supuesto). Dimensione la capacidad nominal y verifique la carga mínima con el mínimo técnico de 20 % para combustibles sólidos de la Agencia Danesa de Energía.

Datos del ejemplo 3
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$\dot Q_{med}$	3,39	MWt	Lección 9.2
$f_{pico}$	1,20	adimensional	Supuesto
$c_{min}$	20	% de la nominal	DEA (2026a), astilla de madera

Capacidad para el pico.
$P_{nom}=3{,}39\times1{,}20=4{,}07\ \mathrm{MW_t}$
Carga mínima estable.
$P_{min}=0{,}20\times4{,}07=0{,}81\ \mathrm{MW_t}$

Resultado

P_{nom}\approx4{,}1\ \mathrm{MW_t};\ \ P_{min}\approx0{,}81\ \mathrm{MW_t}

Interpretación: Si el proceso tiene horas de demanda por debajo de la carga mínima, conviene un acumulador de vapor o mantener la caldera de bunker existente para las cargas bajas y como respaldo. La potencia nominal es la que se compra: con ella se escala el CAPEX en la lección 9.5.

Figura 2Eficiencia de calderas de biomasa según tecnología y humedad del combustible (%)

La humedad le cuesta a la caldera más que la elección de tecnología: pasar de combustible seco a 50 % de humedad resta 14 puntos; pasar de parrilla a lecho suma 3–4. La cascarilla, que sale seca de la piladora, parte con ventaja.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 2: Eficiencia de calderas de biomasa según tecnología y humedad del combustible (%)
Condición	Parrilla	Lecho fluidizado
Combustible seco	77	80
30 % de humedad	71	75
50 % de humedad	63	67

Fuente: EPA CHP Partnership (2007a), Biomass CHP Catalog, cap. 5, Tabla 5-7 (eficiencia «zero moisture» y ajustada por humedad). Base PCS.

Ojo con la base de la eficiencia. El EPA reporta sus eficiencias en base PCS (poder calorífico superior): su parrilla con combustible seco tiene 77,15 % en base PCS y una pérdida por el calor latente del agua formada de 5,69 % (Tabla 5-2), lo que equivale a ≈81,8 % en base PCI. Las eficiencias de este curso (cascarilla 75 % y bunker 85 %) están en base PCI, la misma del PCI de Tipanluisa et al. (2015) y de GREET. Mezclar bases cambia el consumo en 5–10 %.

Figura 3Comparación en corte de una caldera de parrilla y una de lecho fluidizado burbujeante

Ejercicios

Cálculo●●○
Si el agua de alimentación entra a 105 °C (desgasificador) en vez de 80 °C, con h = 440,9 kJ/kg (NIST a 1,0 MPa), ¿cuánto baja el consumo de cascarilla? ¿De dónde tiene que salir el calor que lleva el agua de 80 a 105 °C para que el ahorro sea real?
Ver la solución
Δh pasa de 2.441,3 a 2.336,2 kJ/kg: 4,3 % menos carga en la caldera, ≈326 t/año de cascarilla. Ese ahorro solo es real si el calentamiento de 80 a 105 °C viene de una fuente externa a la caldera: retorno de condensado, revaporizado de las purgas o un economizador con los gases de chimenea. Si el desgasificador se calienta con vapor vivo de la misma caldera, el calor solo cambia de lugar y el ahorro es prácticamente nulo (el desgasificador sigue siendo necesario para quitar el oxígeno disuelto).
Cálculo●○○
Recalcule la pérdida por inquemados si el carbono en el residuo sólido baja a 4 %.
Ver la solución
0,193 × 0,04 ÷ 0,96 × 32,8 = 0,264 MJ/kg, 2,0 % del PCI.
Criterio●●○
¿Qué tecnología recomendaría para la caldera del caso y por qué?
Ver la solución
Parrilla, por tamaño (≈3–4 MWt), costo (el lecho cuesta más de tres veces en la escala menor del EPA) y porque la cascarilla sale seca. Con condiciones: diseño para ceniza alta (extracción continua), materiales resistentes a la abrasión por sílice y garantía de carbono en la ceniza.
Criterio●●○
Liste tres pruebas de aceptación que exigiría al proveedor de la caldera.
Ver la solución
Prueba de rendimiento por el método de pérdidas con combustible del contrato; carga máxima y mínima sostenidas sin inestabilidad; emisiones de material particulado y CO dentro del límite, y carbono en la ceniza garantizado.

Autoevaluación

En el EPA (2007a), la eficiencia de una parrilla con combustible seco es…
1. 50 %
2. 63 %
3. 77 %
4. 95 %
Ver la respuesta
Respuesta: C. 77 % sin humedad; 63 % con 50 % de humedad.
La pérdida por inquemados crece con…
1. Menos ceniza
2. Más ceniza y más carbono en la ceniza
3. Más presión de vapor
4. Agua más caliente
Ver la respuesta
Respuesta: B. $L_{inq} = \dfrac{a\,c}{1 - c} \cdot 32{,}8\ \mathrm{MJ/kg}$ .
El mínimo técnico típico para una caldera de astilla según la DEA es…
1. 5 %
2. 20 %
3. 50 %
4. 90 %
Ver la respuesta
Respuesta: B. 20 % de la capacidad nominal.
Subir la presión del vapor saturado de 0,5 a 2,0 MPa…
1. Duplica el consumo
2. Cambia poco el calor por kg
3. Lo reduce a la mitad
4. No es posible
Ver la respuesta
Respuesta: B. El calor latente baja y el sensible sube; el total cambia ≈2 %.

Referencias

U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership. (2007a). Biomass combined heat and power catalog of technologies: 5. Biomass conversion technologies. EPA. https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-07/documents/biomass_combined_heat_and_power_catalog_of_technologies_5._biomass_conversion_technologies.pdf
Danish Energy Agency. (2026a). Technology data: Industrial process heat (versión 0006). Danish Energy Agency. https://ens.dk/media/8517/download
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/
Armesto, L., Bahillo, A., Veijonen, K., Cabanillas, A., & Otero, J. (2002). Combustion behaviour of rice husk in a bubbling fluidised bed. Biomass and Bioenergy, 23(3), 171–179. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(02)00046-6
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

Para profundizar

Jenkins, B. M., Baxter, L. L., Miles, T. R., Jr., & Miles, T. R. (1998). Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology, 54(1–3), 17–46. — La referencia clásica sobre propiedades de combustión de la biomasa y los problemas de ceniza.
Armesto, L., Bahillo, A., Veijonen, K., Cabanillas, A., & Otero, J. (2002). Combustion behaviour of rice husk in a bubbling fluidised bed. Biomass and Bioenergy, 23(3), 171–179. — Ensayos de combustión de cascarilla en lecho fluidizado burbujeante: útil si se evalúa esa tecnología.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Dimensionamiento y selección de la caldera de biomasa (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/dimensionamiento-de-caldera/

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