INTERCAMBIADORES DE CALOR TRANSFERENCIA DE CALOR

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA AMAZONÍA PERUANA 
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA 
INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
• Los intercambiadores de calor en general son dispositivos o sistemas en los que el calor se 
transfiere de un fluido circulando a otro y en algunos puede circular más de dos fluidos. 
• Estos dispositivos pueden tener una estructura tubular o una estructura de placas apiladas. 
• Tal vez la aplicación más común e históricamente más antigua se puede encontrar en una 
planta de generación de energía. 
 
Ejemplos: generador de vapor o caldera, condensador de vapor enfriado por agua, calentador de 
agua caliente de suministro, regenerador de aire de la combustión. 
 
 
CONSIDERACIONES 
 
• Cuando se instala un intercambiador de calor en un sistema de transferencia de calor, se 
necesita una caída de temperatura para transferir el calor, esta se puede disminuir utilizando 
un intercambiador de calor más grande, pero esto aumentará el costo del intercambiador de 
calor. 
• En un diseño ingenieril completo de equipo de intercambio de calor, son importantes las 
características del desempeño térmico y los requerimientos de la potencia de bombeo y la 
economía del sistema. 
• La función de los intercambiadores de calor ha adquirido más importancia recientemente 
ya que los ingenieros tienen más interés en los aspectos energéticos. Optimizar sus diseños 
en términos de: análisis térmico, rentabilidad económica de la inversión y retorno de 
energía de un sistema. 
• Así pues, se debe considerar la economía, la disponibilidad, cantidad de energía y de 
materia prima, necesarios para efectuar una tarea dada. 
 
 
TIPOS BÁSICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
Un intercambiador de calor es un dispositivo en el que se transfiere calor entre una sustancia más 
caliente a una más fría, que suele ser entre fluidos. Existen tres tipos básicos de intercambiadores 
de calor: 
 
 DE CONTACTO DIRECTO: En este tipo de intercambiador de calor los fluidos, caliente 
y frio entran en contacto uno con otro de manera directa. 
Un ejemplo de este dispositivo es una torre de enfriamiento en la que un rocío de agua que 
cae desde la parte superior de la torre entra en contacto directo y se enfría por una corriente 
de aire que fluye hacia arriba. En otros sistemas de contacto directo se utilizan líquidos 
inmiscibles o un intercambio de un sólido a un gas. 
 
 REGENERADORES: Los fluidos, caliente y frio ocupan alternadamente el mismo espacio 
en el núcleo del intercambiador o matriz (sirve como un dispositivo de almacenamiento de 
calor que periódicamente se calienta por el más candente de los dos fluidos y después 
transfiere el calor al fluido más frío). Dentro de estos tenemos diferentes configuraciones. 
 
• Regenerador Rotatorio: una matriz circular gira y alternadamente expone una parte 
de su superficie al fluido caliente y después al fluido frio. 
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• Matriz Fija: Los fluidos, caliente y frio pasan alternadamente a través de un 
intercambiador estacionario y para una operación continua se necesitan dos o más 
matrices 
 
 
 
 RECUPERADORES: Los fluidos, caliente y frio están separados por una pared y el calor 
se transfiere por una combinación de convección hacia y desde la pared y conducción a 
través de la pared. En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de 
disposición del flujo: 
 
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• La configuración más simple de este tipo de intercambiador de calor consiste en un 
tubo dentro de un tubo. En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por 
el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos 
tubos. 
 
 
a) Los dos fluidos, el frío y el caliente, 
entran en el intercambiador por el 
mismo extremo y se mueven en la 
misma dirección. 
b) Los fluidos entran en el intercambiador 
por los extremos opuestos y fluyen en 
direcciones opuestas.
 
• Quizás el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones 
industriales sea el de tubos y coraza. Estos intercambiadores de calor contienen un 
gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en una carcaza con sus 
ejes paralelos al de éste. 
 
La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por 
dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la 
coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a 
moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia 
de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. 
 
 
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• Para calentar o enfriar gases con frecuencia es conveniente utilizar un 
intercambiador de calor de flujo transversal. En un intercambiador de calor de ese 
tipo uno de los fluidos pasa a través de los tubos en tanto que el fluido gaseoso se 
obliga a pasar a través del paquete de tubos. El flujo del fluido exterior puede ser 
forzado o por convección natural. 
 
En este tipo de intercambiador el gas que fluye a través del tubo se considera mezclado, 
en tanto que el fluido en el tubo se considera sin mezclar. 
 
 
 
• Otro tipo de intercambiador de calor de flujo transversal de uso común en la 
industria de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire se muestra en la 
figura. En esta configuración el gas fluye a través de un paquete de tubos con aletas 
y está sin mezclar debido a que está confinado a pasajes de flujo separad
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En el diseño de intercambiadores de calor es importante especificar si los fluidos están mezclados 
o sin mezclar y cuál de los fluidos está mezclado. También es importante equilibrar la caída de 
temperatura obteniendo coeficientes de transferencia de calor aproximadamente iguales en el 
exterior e interior de los tubos. Si esto no se hace, una de las resistencias internas puede ser 
indebidamente grande y ocasionar una caída de temperatura global innecesariamente alta para 
una tasa de transferencia de calor dada, lo que a su vez demanda un equipo más grande que resulta 
en mayores costos. 
 
Con la gran variedad de aplicaciones y configuraciones estructurales posibles de intercambiadores 
de calor, es importante proporcionar un esquema de clasificación para simplificar su proceso de 
selección. Este representa los criterios más simples que se pueden adoptar: 
 
1. EL TIPO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR: 
 
• Recuperador. Es un intercambiador de calor convencional en el que el calor se recupera o 
recobra por la corriente de fluido frío de la corriente de fluido caliente. Las dos corrientes de 
fluido circulan de manera simultánea, posiblemente en una variedad de configuraciones de 
flujo, a través del intercambiador de calor. 
 
• Regenerador. Los fluidos caliente y frío fluyen alternadamente a través del intercambiador, 
lo que esencialmente actúa como una unidad de almacenamiento y disipación de energía 
transitoria. 
 
 
 
 
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2. EL TIPO DE PROCESO DE INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE LOS FLUIDOS: 
 
• Contacto directo. Los dos fluidos caliente y frío fluyen en el mismo espacio sin una pared 
divisora. 
 
• Contacto directo, o transmural. Los fluidos caliente y frío están separados por un material 
sólido, que en general suele ser de geometría tubular o de placa. 
 
3. FASE TERMODINÁMICA O ESTADO DE LOS FLUIDOS: 
 
• Una fase. 
• Evaporación o ebullición. 
• Condensación. 
 
Este criterio se refiere al estado de la fase de los fluidos caliente y frío y las tres categorías se 
refieren a casos en los que los dos fluidos mantienen un flujo de una fase y uno de los dos fluidos 
experimentaevaporación o condensación del flujo. 
 
4. EL TIPO DE CONSTRUCCIÓN O GEOMETRÍA: 
 
• Tubular. 
• Placa. 
• Superficie extendida o con aletas. 
 
Un ejemplo común de cada una de las primeras dos categorías, respectivamente, es el 
intercambiador de calor de coraza y tubos y el intercambiador de placas y marco. Un 
intercambiador de superficie extendida o con aletas podría tener una geometría tubular (tubo-
aletas) o con placas (placas-aletas). Con frecuencia se le refiere como intercambiador de calor 
compacto, en especial cuando tiene una densidad de área superficial grande, es decir, una relación 
del área al volumen de transferencia de calor relativamente grande. 
 
 
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados 
por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por 
convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido 
frío de nuevo por convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los 
coeficientes de transferencia de calor por convección. 
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La red de resistencias térmicas asociada con 
este proceso de transferencia de calor 
comprende dos resistencias por convección y 
una por conducción. Para un intercambiador 
de calor de doble tubo, la resistencia térmica 
de la pared del tubo es: 
 
 
en donde k es la conductividad térmica del 
material de la pared y L es la longitud del tubo. 
Entonces la resistencia térmica total queda: 
En el análisis de los intercambiadores de calor 
resulta conveniente combinar todas las 
resistencias térmicas que se encuentran en la 
trayectoria del flujo de calor del fluido caliente 
hacia el frío en una sola resistencia R y 
expresar la razón de la transferencia de calor 
entre los dos fluidos como: 
 
en donde U es el coeficiente total de transferencia de calor, cuya unidad es W/m2 · °C, la 
cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convección común, h. 
 
 
Nótese que UiAi =UoAo, pero Ui ≠Uo a menos que Ai = Ao. Por lo tanto, el coeficiente de 
transferencia de calor total U de un intercambiador de calor no tiene significado a menos que se 
especifique el área sobre la cual se basa. En especial, éste es el caso cuando uno de los lados de 
la pared del tubo tiene aletas y la otra no, ya que el área superficial del lado con aletas es varias 
veces mayor que la que no las tiene. 
 
Cuando la pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material del mismo es alta, 
como suele ser el caso, la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable (Rpared ≈ 0) y las 
superficies interior y exterior del mismo son semejantes (Ai ≈ Ao ≈As). Entonces la ecuación para 
el coeficiente de transferencia de calor total se simplifica para quedar: 
 
 
 
Factor De Incrustación 
 
El coeficiente global de transferencia de calor de un intercambiador de calor en ciertas 
condiciones de operación, en especial en la industria de procesos, a menudo no se puede predecir 
solo a partir de un análisis térmico. Durante la operación de un intercambiador de calor con la 
mayoría de los líquidos y algunos gases, gradualmente se acumulan depósitos en la superficie de 
transferencia de calor. Los depósitos pueden ser, oxido, incrustaciones en la caldera, sedimento, 
coque o cualquier variedad de otras cosas. Su efecto, al que se le refiere como ensuciamiento, es 
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aumentar la resistencia térmica. En general el fabricante no puede predecir la naturaleza del 
depósito de suciedad o la tasa de ensuciamiento. Por tanto, solo se puede garantizar el desempeño 
de intercambiadores limpios. La resistencia térmica de los depósitos suele obtenerse solo a partir 
de pruebas reales o por experiencia. Si las pruebas de desempeño se efectúan en un intercambiador 
de calor y se repiten después de que la unidad ha estado en servicio durante cierto tiempo, la 
resistencia térmica del depósito (o factor de ensuciamiento) Rd se puede determinar con la 
relación. 
 
Los factores de ensuciamiento se deben aplicar como se indica en la ecuación siguiente para el 
coeficiente global de transferencia de calor de diseño Ud de tubos sin aletas con depósitos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA 
 
En intercambiadores de calor, tanto en contracorriente como en los de flujo paralelo, la 
temperatura de cada corriente va cambiando, por lo tanto, al expresar la velocidad de transferencia 
de calor se define una temperatura media entre los fluidos: 
 
�̇� = 𝑈𝐴𝑠∆ 𝑇𝑚 
 
Dado que la superficie de transferencia de calor dentro del tubo es menor que la de afuera, se 
asume con poco error para tubos de poco espesor que el área de transferencia por unidad de 
longitud de tubo es igual a πDm, con Dm = ½ (D0+Di) 
 
 
 
Para una longitud infinitesimal, asumiendo U = Cte, la velocidad de transferencia de calor desde 
el fluido de afuera al de adentro del tubo es: 𝑑�̇� = 𝑈 𝑑𝐴 ∆ 𝑇𝑥 
 
Los cambios de temperatura de los fluidos de afuera y de adentro del tubo para la distancia dx 
son: dTCx y dTF x. Asumiendo que no hay transferencia de calor hacia afuera del intercambiador 
y que ∆EC = 0, tenemos: 
 
 
Que integrando a lo largo del tubo A-B: 
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Relacionándolas: 
 
Es decir: 
 
Siendo: 
 
 
EJERCICIO 
 
Determine el área superficial de transferencia de calor necesaria para un internrcambio de calor 
construido de un tubo de diametro exterior de 0.0254 m para enfriar 6.93 kg/s de una solucion de 
alcohol etilico a 95% (Cp = 3810 J/kg k) de 65.6 a 39.4 °C, utilizado 6.30 kg/s de agua disponible 
a 10 °C. suponga que el coeficiente global de transferencia de calor basado en el area de los tubos 
exteriores es 568 W/m2 y considere cada una de las configuraciones siguientes: 
a) Flujo parapelo en los tubos y la coraza 
b) Contraflujo en los tubos y coraza 
c) Intercabiador a contraflujo con dos pasos por la coraza y 72 pasos por los tubos, con el 
alcohol flujendo a traves de la coraza y el agua fluyendo a traves de los tubos. 
d) Flujo transversal, con un paso por tubos y un paso por la coraza, fluido mezclado en el 
lado de la coraza. 
 
 
 
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SOLUCIÓN: 
 
La temperatura de salida del agua para cualquiera de las configuraciones se puede obtener de un 
balance de energia global, suponiendo que la perdida de calor a la otmosfera es insignificante. 
Escribiendo el balance de energía como; 
 
�̇�ℎ𝑐𝑝ℎ(𝑇ℎ,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑇ℎ,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) = �̇�𝑐𝑐𝑝𝑐(𝑇𝑐,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑐,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 
 
y sustituyendo los datos en cada ecuacion, se obtiene 
 
(6.39)(3810)(65.6-39.4) = (6.30)(4187)(TC, salida – 10) 
 
De donde la temperatura de salida del agua se determina que es 36.2 °C. La tasa de flujo 
de calor del alcohol al agua es: 
 
 𝑞 = �̇�ℎ𝑐𝑝ℎ(𝑇ℎ,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑇ℎ,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) = (6.93𝑘𝑔/𝑠)(3810𝐽/𝑘𝑔 𝑘)(65.6 − 39.4)(𝑘) 
 
a) La LMTD para flujo paralelo es: 
 
LMTD = 
∆𝑇𝑎 − ∆𝑇𝑏 
ln(∆𝑇𝑎 /∆𝑇𝑏 )
= 
55.6 − 3.2
ln(55.6/3.2)
= 18.4 °𝐶 
 
El área superficial de transferencia de calor es: 
 
𝐴 = 
𝑞
(𝑈)(𝐿𝑀𝑇𝐷)
= 
(691800𝑊)
(568 𝑊/𝑚2𝐾)(18.4 𝑘)
= 66.2 𝑚2 
 
La longitud de 830 m del intercambiador para un tubo de diametro exterior de 0.0254 m 
seria demasiado grande para fines prácticos. 
 
 
b) Para la configuración a contraflujo, la diferencia de temperatura media apropiada es 65.6 
– 36.2 = 29.4 °C, debido a que �̇�𝑐𝑐𝑝𝑐 = �̇�ℎ𝑐𝑝ℎ. El área requerida es: 
 
𝐴 = 
𝑞
(𝑈)(𝐿𝑀𝑇𝐷)
= 
(691800𝑊)
(568 𝑊/𝑚2𝐾)(29.4𝑘)
= 41.4 𝑚2 
 
Que es casi 40% menor que el área necesaria para el flujo paralelo. 
 
c) Para la configuración a contraflujo de dos pasos por la coraza, la diferencia de 
temperatura media apropiada se denomina aplicando el factor de corrección encontrado 
de la figura 8.15 a la temperatura media para contraflujo: 
 
𝑃 = 
𝑇𝑐,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑐,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑇ℎ,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑇𝑐,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
= 
36.2 − 10
65.6 − 10
= 0.47 
 
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Y la relacion de la tasa de capacidad térmica es: 
 
𝑍 = 
�̇�𝑡𝑐𝑝𝑡
�̇�𝑠𝑐𝑝𝑠
= 1 
 
De la gráfica de la figuira 8.15, F = 0.97 y el área de transferencia de calor es: 
𝐴 = 
41.4
0.97
= 42.7 𝑚2 
 
La longirud del interambiador para 72 tubos de diámetro exterior de 0.0254 en paralelo 
sería: 
𝐿 = 
𝐴/72
𝜋𝐷
= 
42.7/72
𝜋(0.0254)
= 7.4 𝑚 
 
Esta longitud es razonable, pero si fuera deseable acortar el intercambiador, se podrían 
emplear más tubos. 
 
d) Para la configuración de flujo transversal, el factor de corrección se determina de la 
gráfica de la figura 8.16 que es 0,88. El área superficial requerida es de 47.0 m2, casi 10% 
mayor que para el intercambiador en el inicio c). 
 
EFICIENCIA DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR 
 
 
Esta forma es conveniente cuando se conocen todas las temperaturas terminales necesarias para 
la evaluación de la temperatura media apropiada y la ecuación se emplea mucho en el diseño de 
intercambiadores de calor para especificaciones dadas. Sin embargo, existen muchas ocasiones 
cuando el desempeño de un intercambiador de calor (es decir, U) se conoce o al menos se puede 
estimar, pero las temperaturas de los fluidos salientes del intercambiador no se conocen. Este tipo 
de problema se encuentra en la selección de un intercambiador de calor o cuando la unidad se ha 
probado a un gasto, pero las condiciones de servicio requieren diferentes gastos de uno o de los 
dos fluidos. En libros y manuales de diseño de intercambiadores de calor, a este tipo de problema 
también se le refiere como problema de evaluación, donde las temperaturas de salida o la carga 
de calor total se necesita determinar, dado el tamaño (A) y el desempeño convectivo (U) de la 
unidad. Las temperaturas de salida y la tasa de flujo de calor se pueden determinar sólo mediante 
un procedimiento muy tedioso de prueba y error si se utilizan las gráficas presentadas en la sección 
anterior. En esos casos es deseable evitar por completo cualquier referencia a la diferencia de 
temperatura media logarítmica o a cualquier otra diferencia. Un método para lograr esto es el 
propuesto por Nusselty y Ten Broeck.. 
 
Para obtener una ecuación de la tasa de transferencia de calor que no comprenda ninguna de las 
temperaturas de salida, se introduce la eficiencia del intercambiador de calor E, que se define 
como la relación entre la tasa de transferencia de calor real en un intercambiador de calor con la 
tasa de intercambio de calor máxima posible. Esta última se obtendría en un intercambiador de 
calor a contraflujo de área de transferencia de calor infinita. En este tipo de unidad, si no hay 
pérdidas de calor externas, la temperatura de salida del fluido más frío es igual a la temperatura 
de entrada del fluido más caliente cuando , cuando , la temperatura de 
salida del fluido más caliente es igual a la temperatura de entrada del más frío. En otras palabras, 
la eficiencia se compara con la tasa de transferencia de calor real con la tasa máxima cuyo único 
límite es la segunda ley de la termodinámica. 
 
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donde Cmin es la magnitud menor de mhcph y mccpc. Se puede observar que el denominador en la 
ecuación es la transferencia de calor máxima termodinámicamente posible entre los fluidos 
caliente y frio circulando a través del intercambiador de calor, dadas sus, temperatura de entrada 
y gastos másicos respectivos, o la energía disponible máxima. El numerador es la transferencia 
de calor real alcanzada en la unidad y de aquí que su efectividad E representa un desempeño 
termodinámico del intercambiador de calor. 
 
Una vez que se conoce la efectividad de un intercambiador de calor, la tasa de transferencia de 
calor se puede determinar directamente con la ecuación 
 
La ecuación es la relación básica en este análisis puesto que expresa la tasa de transferencia de 
calor en términos de la eficiencia, de la tasa de capacidad térmica menor y de la diferencia entre 
las temperaturas de entrada. La ecuación es adecuada para fines de diseño. El método para deducir 
una expresión para la efectividad de un intercambiador de calor se ilustrará aplicándolo a una 
configuración de flujo paralelo. 
 
Despejando E se obtiene 
 
 
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FUENTES Y BIBLIOGRAFÍA 
 
 
 DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA - www.fisica.uns.edu.ar 
› albert › archivos 
 Yunus Cengel. Transferencia de calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. Cuarta 
edición. México. McGRAW-HILL/Interamericana Editores, S.A. de C.V. 
 Frank Kreith / Raj M. Manglik / Mark S.Bohn. Principios de transferencia de calor. 
Séptima edición. México. Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.