practica 7 - Balance en sistema de flujo

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLOGICAS 
 
INGENIERIA EN SISTEMAS AMBIENTALES 
 
BALANCE DE MASA Y ENERGIA 
 
PRACTICA 7.- BALANCE DE UN SISTEMA DE FLUJO 
 
BADILLO ZAMORANO YARED VIRIDIANA 
 
PROFESORAS: GARCIA VAZQUEZ MARIA DELIA 
VELAZQUEZ CONTRERAS CLAUDIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
06/05/2021 3AM2 
 
Introducción 
Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio 
de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y 
evitan al mismo tiempo que se mezclan entre sí. En la práctica, los 
intercambiadores de calor son de uso común en una amplia variedad de 
aplicaciones, desde los sistemas domésticos de calefacción y 
acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la producción de 
energía en las plantas grandes. Los intercambiadores de calor difieren de las 
cámaras de mezclado en el sentido de que no permiten que se combinen los 
dos fluidos que intervienen. 
En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender Convección 
en cada fluido y conducción a través de la pared que loa separa. En el análisis 
de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un 
coeficiente total de transferencia de calor U que toma en cuenta la 
contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la 
transferencia de calor entre los dos fluidos en un punto dado a un 
intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, 
la cual varía a lo largo de dicho intercambiador. 
En términos resumidos los intercambiadores de calor son Un intercambiador 
de calor es un radiador diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre 
la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Son elementos 
fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, 
acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, 
además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, 
calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc. 
 Balance de energía 
La ecuación de balance de energía para un intercambiador de calor es: 
Aporte de calor al fluido frio – aporte de calor al fluido caliente + perdidas de 
calor=0 
Los problemas del balance de energía pueden ser: 
1. Se conocen como caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2), el calor 
transferido (q) y las temperaturas de entrada y salida de ambas 
corrientes (T1, T2, t1, t2) en este caso solo se comprueban los calores 
específicos y latentes de ambas corrientes y el calor transferido por 
ambas. 
2. Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2), y las 
temperaturas de entrada y de salida de una corriente, así como entrada 
de la otra (T1, T2, t1) en este caso solo se calcula el calor cedido en una 
corriente (q) y se utiliza este para determinar la temperatura de salida 
de la otra (t2) 
3. Se conoce el caudal de una corriente (Q1) y las temperaturas de entrada 
y de salida de ambas corrientes (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se calcula 
el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza para calcular el caudal de 
la otra corriente (Q2) 
4. Se conoce el caudal de una corriente (Q1) y las temperaturas de entrada 
de ambas corrientes (T1, t1) en este caso hay que calcular las 
temperaturas de salida de ambas (T2, t2) y el calor transferido (q). Este 
calculo introduce el concepto de Temperatura de acercamiento. El 
punto de acercamiento es aquel en el que la temperatura de las dos 
corrientes es más próxima 
Objetivo 
▪ Conocer el funcionamiento y los diferentes tipos de equipos de 
transferencia de calor 
▪ Realizar y entender un balance de un sistema de flujo 
Desarrollo 
Resumen de los equipos 
⬧ Enfriadores en cascada: Consiste en una serie de tubos montados 
horizontalmente unos sobre otros. El agua de enfriamiento de un 
depósito de distribución se desliza sobre cada tubo y a continuación, va 
a un dren. El fluido caliente circula generalmente en flujo a 
contracorriente del fondo a la parte superior del grupo de tubos. 
Se pueden utilizar para la conservación de congelados, de tejidos, 
plasma y vacunas también para el proceso de liofilización. 
⬧ Evaporadores: Son intercambiadores de calor cuya principal función es 
trasladar la energía térmica de la estancia que a de ser enfriada a un 
líquido o sistema refrigerante. El calor siempre es transferido desde los 
elementos que tienen mayor temperatura a los que tienen menos. La 
evaporación tiene lugar al sufrir el intercambio de calor. El evaporador 
absorbe el calor sensible del medio que se busca refrigerar para 
transformarlo en calor latente que se incorpora al refrigerante en su 
estado de vapor que después se pasa por un condensador que genera 
un cambio de estado inverso, por lo tanto, de vaporización a líquido. 
Se utiliza en alimentos como mermeladas, en farmacéutica en síntesis 
orgánica y en plásticos para concentraciones de monómeros, polímeros 
y aceites. Existen los evaporadores inundados, multitubular, de placa, 
de aire de tubos lisos, de aire de circulación natural y de aire de 
circulación forzada. 
⬧ Intercambiador de doble tubo: Consiste en dos tubos concéntricos, lisos 
o aletados, normalmente el fluido frio se coloca en el espacio anular y el 
caliente en el interior del tubo interno. Están diseñados para productos 
de baja-media viscosidad y para que los fluidos no presenten un cambio 
de estado. Se pueden utilizar en la industria petroquímica, refinerías, 
procesos criogénicos, industria farmacéutica, química, alimentaria entre 
otras. Puede utilizarse para para el procesamiento de productos como 
mermelada, leche condensada, leche evaporada u otro tipo de 
alimentos viscosos. 
⬧ Intercambiador de tubo en espiral: Tiene una tasa de transferencia de 
calor significativamente mayor, más eficiencia térmica y menor costo de 
mantenimiento, alto rango de operación en presión y temperatura. Se 
utiliza para enfriamiento de gases a alta presión, tratamiento de lodos, 
enfriamiento de aceites hidráulicos y transformadores eléctricos y en el 
calentamiento de combustóleo 
⬧ Intercambiadores de superficie raspada: Es diseñado para intercambiar 
la máxima cantidad de calor por unidad de área mediante la generación 
de tanta turbulencia como sea posible. Se utiliza principalmente en 
proceso de productos de alta viscosidad e incluso con solidos trozados 
difíciles de calentar y/o enfriar en otros intercambiadores. Opera a 
temperaturas muy altas, procesa materias particuladas y la continua 
rotación de las láminas del raspador también permite mayor 
transferencia de calor y menores quemaduras. 
⬧ Intercambiador de calor de tubo en U: Consiste en un espejo 
estacionario, tubos en U, deflectores o placas de soporte, espaciadores 
y tirantes apropiados. Se utiliza para elevar la temperatura de un fluido 
gracias a otro más caliente, refrescar un fluido con otro de menor 
temperatura, llevar a punto de ebullición un fluido, condensar gases. Es 
altamente eficiente, tanto térmicamente como mecánicamente 
hablando, tienen aplicaciones como en refrigeración, calefacción, 
procesos evaporativos y de condensación, se usan en la industria 
alimenticia y farmacéutica. 
⬧ Intercambiador de placa en espiral: Es un dispositivo que consiste en un 
par de placas laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares 
largos para los fluidos con flujo en contracorriente. La trayectoria 
continua elimina la inversión del flujo las desviaciones y los problemas 
de dilataciones diferenciales. Se utiliza en calderas, frigoríficos, 
reactores nucleares, plantas químicas, dispositivos militares y aire 
acondicionado 
⬧ Intercambiador de película descendente: Consiste en una serie de tubos 
a través de los cuales desciende el flujo. La película descendenterequiere una distribución uniforme del líquido de alimentación, la 
película liquida se mueve hacia abajo por los tubos. Se puede utilizar en 
líquidos demasiado viscosos, líquidos donde el tiempo de retención 
debe ser minimizado, líquidos que requieren una diferencia de 
temperatura limitada. Se utiliza para elaborar sosa caustica, pectina, 
sorbitol, jugos de fruta sacarosa entre otros. 
 
Problema resuelto 
Se pretende calentar a 85°C un caudal masico de un producto de 3000 
kg/h. Para este proceso se dispone de un intercambiador de calor en el 
que se intercambian 150 kW. ¿hasta qué temperatura se deberá 
precalentar el producto antes de introducirse al intercambiador de 
calor? 
NOTA: Considere un Cp de 4.18 Kj/Kg°C del flujo 
Q=m*cP*ΔT 
Solución: 
 
150
𝑘𝐽
𝑠𝑒𝑔
= 3000
(
𝑘𝑔
ℎ
∗1ℎ
3600𝑠𝑒𝑔
)4.18 𝑘𝐽
𝑘𝑔.°𝐶
* (85-T)°C 
 
150
𝑘𝐽
𝑠𝑒𝑔
= 296.08
𝑘𝐽
𝑠𝑒𝑔
− 3.48 ∗ 𝑇 
T=41.97°C 
Bibliografía 
• Jaramillo, O. A. (2007). Intercambiadores de calor. Centro de Investigación en Energía., 
Mexico DF. 
• Mills, A. F., & Régules, S. (1995). Transferencia de calor (Vol. 542). México: Irwin. 
• Marin, J. G. A., & ZULUAGA, D. A. H. (2012). Intercambiadores de calor de tubo en 
espiral. Revista UIS Ingenierías, 11(2), 203-213. 
• González-Mendizabal, D. (2002). Guía de intercambiadores de calor: tipos generales y 
aplicaciones. Universidad Simón Bolívar.