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VIII CAIQ 2015 y 3ras JASP 
 
AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ 
 
40 mm 
INCORPORACIÓN DE NUEVAS HERRAMIENTAS DE 
ENSEÑANZA EN EL DISEÑO Y EVALUACIÓN DE EQUIPOS DE 
INTERCAMBIO DE CALOR 
 
E. Albizzati*, M. S. Guala, S. Orué, F. Yabale, D. Bonassi 
Facultad de Ingeniería Química 
(Universidad Nacional del Litoral) 
Santiago del Estero 2654-3000-Santa Fe-Argentina 
albizati@fiq.unl.edu.ar 
 
Resumen. En este trabajo se presenta la aplicación del simulador UniSim 
Design Suite-UniSim Heat Exchanger Modeler en la enseñanza de los 
temas: intercambiadores de calor de carcasa y tubos e intercambiadores de 
calor de placas sellados. En el primer caso se resuelve un problema típico de 
diseño con el conocido método de Kern, y luego se efectúa la simulación de 
su funcionamiento con el programa, que emplea el avanzado método de los 
caudales parciales para evaluar el coeficiente de transferencia de calor del 
lado de la carcasa. Con respecto al tema intercambiadores de placas, se 
realiza la determinación del coeficiente total de transferencia y de la caída 
de presión en un equipo a escala piloto; posteriormente aplicando el 
programa UniSim se simulan dispositivos similares al experimental para el 
efecto del ensuciamiento y de la circulación de los fluidos. En los casos de 
estudio se compararon los resultados predichos por el software con los 
obtenidos mediante los procedimientos de cálculo y las determinaciones 
experimentales, recurriendo para su análisis e interpretación a la bibliografía 
técnica específica y a conceptos teóricos brindados por la cátedra. 
 Palabras clave: enseñanza de la ingeniería, intercambiadores de calor, 
 simulación de procesos. 
 
1. Introducción 
 
* A quien debe enviarse toda la correspondencia 
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Los equipos de transferencia de calor forman parte importante de las operaciones y 
procesos que se llevan a cabo en distintas escalas, por lo cual son objeto de estudio y 
continuo análisis a fin de mejorar su eficiencia y posibilitar su efectiva implementación 
en la práctica. Entre los equipos se destacan los intercambiadores de calor tubulares y de 
placas, tanques agitados, lechos de sólidos, condensadores, evaporadores y hornos, 
empleados para la transferencia de calor sensible y latente, en operaciones en simples o 
múltiples fases. 
 
Por otra parte, el avance tecnológico de los últimos años ha hecho que los programas 
de cálculo y simulación sean cada vez más útiles para entender los procesos térmicos, 
generar soluciones a los problemas operativos, y predecir resultados en forma confiable 
y en menor tiempo, por lo que resulta necesario incorporar efectivamente estas 
herramientas en etapas intermedias y terminales de todas las carreras de ingeniería. 
 
En publicaciones recientes, se ha presentado la aplicación de la simulación orientada 
a la enseñanza de la Ingeniería Química, persiguiendo variados objetivos y utilizando 
diversos elementos computacionales (Agudelo y Barrera Zapata, 2015; Cartaxo et al., 
2014; Iglesias y Paniagua, 2013; Pérez y Medina, 2014). 
 
En la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Litoral las 
asignaturas Transferencia de Energía y Operaciones forman parte de las carreras de 
Ingeniería Química y de Ingeniería en Alimentos. Ambas asignaturas tiene como 
propósito la enseñanza de los principales sistemas de transferencia de calor, 
desarrollando tanto las correspondientes bases teóricas como sus aplicaciones en 
equipos industriales. 
 
En el marco expuesto y teniendo en cuenta que en toda asignatura se debe realizar un 
mejoramiento continuo, se ha procedido a la revisión de los conocimientos básicos 
impartidos y de los criterios establecidos para la experimentación, diseño y evaluación 
de los equipos térmicos. Asimismo se ha incorporado el software comercial específico, 
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UniSim Design Suite-UniSim Heat Exchanger Modeler y se hace uso del mismo en 
temas de enseñanza preseleccionados a esos efectos. 
 
En este trabajo se muestran dos casos donde se ha incorporado el referido software en 
temas de las asignaturas: intercambiadores de calor de carcasa y tubos, e 
intercambiadores de calor de placas, integrándolo con las otras modalidades empleadas 
en la enseñanza, que son clases de teoría, talleres de resolución de problemas y trabajos 
prácticos de planta piloto. 
 
2. Casos de estudio 
 
2.1. Intercambiador de carcasa y tubos 
 
En primer lugar se plantea a los alumnos la resolución de una situación problema, que 
consiste en el diseño de un intercambiador de carcasa y tubos para enfriar en estado 
estacionario una corriente de 2-propanol desde una temperatura de 75°C a 30°C. Para lo 
cual se dispone de agua a 22°C que no se debe calentar por encima de 30°C. El 
estudiante realiza un diseño utilizando elementos tradicionales, calculadoras, y material 
bibliográfico. El método empleado es de Kern (DMK), que requiere adoptar en 
principio el equipo siguiendo las normas establecidas, para luego verificar si es 
adecuado para el fin propuesto (Cao, 2008; Kern, 1965). 
 
En esta instancia se realizan adopciones y cálculos aplicando las ecuaciones de 
balance térmico y de transferencia de calor, que permiten contar al final de la resolución 
con información sobre la geometría del intercambiador, que tiene un paso por la carcasa 
y cuatro pasos por los tubos y los fluidos no circulan en contracorriente perfecta, por lo 
que se estima una fuerza impulsora efectiva (Tabla 1). 
 
En el diseño del intercambiador además se computan el coeficiente total de 
transferencia calor, y los coeficientes y las caídas de presión del lado de la carcasa y de 
los tubos, por donde circulan el alcohol y el agua respectivamente. 
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Tabla 1. Diseño del intercambiador de carcasa y tubos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Luego, con el diseño obtenido se simula el funcionamiento del intercambiador 
mediante el software Unisim Design Suite, eligiendo entre los distintos modelos de 
intercambio de calor Steady State Rating, en el cual se necesario incorporar las 
características del equipo y de las corrientes de entrada, para calcular las temperaturas 
de las corrientes de salida, las caídas de presión y los coeficientes de transferencia de 
calor. 
 
Los resultados obtenidos de la simulación (SIM) se encuentran en la Fig. 1. Las 
diferencias obtenidas entre el primer cálculo y la simulación se justifica a partir de que 
UniSim utiliza como método el conocido como análisis de los caudales parciales (Cao, 
2008; Serth y Lestina, 2014). 
Intercambiador de carcasa y tubos DMK 
 
Caudal fluido caliente (kg/h) 
 
20000 
Caudal fluido frío (kg/h) 83800 
Temperatura entrada fluido caliente (ºC) 75 
Temperatura entrada fluido frío (ºC) 22 
Área total de intercambio (m
2
) 69 
Resistencia de ensuciamiento del agua (m
2
 h ºC/kJ) 4,8 10
-5
 
Temperatura salida fluido caliente (ºC) 30 
Temperatura salida fluido frío (ºC) 
Diámetro interno de la carcasa (mm) 
Distancia entre deflectores (mm) 
Número total de tubos 
Diámetro interno de los tubos (mm) 
Diámetro externo de los tubos (mm) 
Largo de los tubos (m) 
Arreglo triangular (30º espaciado 23,81 mm) 
30 
590120 
384 
14,83 
19,05 
3 
 
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El método de Kern considera un flujo ideal de la corriente que circula por la carcasa y 
muy utilizado por su simplicidad, para cálculos preliminares, estudios de factibilidad y 
presupuestos. El método de los caudales parciales es un modelo hidráulico avanzado 
que se utiliza en la carcasa, siendo una poderosa herramienta para el diseño y análisis de 
los intercambiadores de carcasa y tubos. 
 
 
 
Fig. 1. Simulación del intercambiador de carcasa y tubos. 
 
Al analizar la simulación de las corrientes de salida, se puede observar que el alcohol 
no se ha enfriado hasta la temperatura de 30°C deseada, sino que ha alcanzado una 
temperatura de 31,9 °C. Con SIM tanto el coeficiente como la caída de presión del 
fluido que circula por la carcasa, dan valores menores que los obtenidos por el método 
de Kern (Tabla 2). 
 
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Dichos bajos valores influyen en el coeficiente total de transferencia y también en la 
temperatura de la corriente de salida del fluido caliente. En la tabla se verifica que SIM 
predice un coeficiente total que es casi el 60 % del valor alcanzado con DMK, mientras 
que la caída de presión para el alcohol es un 80 % menor. 
 
Tabla 2. Comparación del funcionamiento de intercambiadores de carcasa y tubos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para un mayor aprovechamiento del software y haciendo uso de los conceptos 
teóricos, se propone una variante del caso simulado. Se contempla un aumento del 
caudal de agua que circula por los tubos, y mediante la operación lógica Adjust que 
ofrece UniSim, se tiene como objetivo que la temperatura de salida del 2-propanol sea 
de 30°C. 
 
En esta situación, se concluye que la propuesta no es una alternativa válida ya que es 
necesario aumentar mucho el caudal de la corriente fría para llegar a la temperatura 
fijada. Aunque aumenta el coeficiente de transferencia del agua, además crece la caída 
de presión de esta corriente alcanzando valores por encima de los recomendados. Puede 
agregarse aquí que, como se ve en la última tabla, el coeficiente de transferencia del 
fluido caliente es mucho menor que el mismo coeficiente del fluido frío, e influye en 
mayor medida sobre el coeficiente total de transferencia del intercambiador. 
 
2.2 Intercambiador de calor de placas 
Intercambiador de carcasa y tubos SIM DMK 
 
Coeficiente de transferencia fluido caliente (W/m
2
 ºC) 
 
784 
 
1141 
Coeficiente de transferencia fluido frío (W/m
2
 ºC) 5514 4657 
Coeficiente total de transferencia (W/m
2 
ºC) 
Potencia calórica (kW) 
560,9 
776,6 
908,2 
779,7 
Caída de presión fluido caliente (atm) 
Caída de presión fluido frío (atm) 
0,21 
0,47 
0,39 
0,37 
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En este caso, en la planta piloto de la Facultad se realizan determinaciones en un 
intercambiador de placas sellado mediante juntas. Las corrientes circulantes en el 
equipo son: una de agua previamente calentada con vapor directo de la caldera, y otra de 
agua fría; Las corrientes circulan en contracorriente, la fría con cinco pasos y la caliente 
por cuatro pasos (Fig. 2). Las placas del equipo son de acero inoxidable, del tipo 
Chevron con un ángulo de corrugación de 30º, y un área de intercambio de calor igual a 
0,06 m
2
. 
 
 
 
Fig. 2. Esquema del intercambiador de placas de planta piloto. 
 
El objetivo de las experiencias es conocer el coeficiente total de transferencia de calor 
del intercambiador y la caída de presión del fluido calentado en función de los caudales 
alimentados, manteniendo éstos muy próximos entre sí en cada corrida. En las 
experiencias que se realizan en estado estacionario, se miden los caudales que ingresan, 
y las temperaturas y presiones de las corrientes de agua a la entrada y salida del equipo. 
 
Para calcular la potencia calórica intercambiada se emplean datos recopilados en cada 
corrida y los balances de energía térmica de las corrientes; con la ecuación de 
transferencia de calor se obtiene el coeficiente total, teniéndose en cuenta que la fuerza 
impulsora promedio en el intercambiador se debe corregir cuando los fluidos no 
circulan en contracorriente perfecta (Cao, 2008; Ibarz y Barbosa Cánovas, 2005). 
 
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Posteriormente aplicando el programa UniSim Heat Exchanger Modeler se simulan 
dispositivos similares al experimental. Los equipos difieren entre ellos por el modo en 
que circulan las corrientes de agua, y ambos poseen una placa menos que el equipo de 
planta piloto. Los sistemas simulados tienen ocho canales, pero en el dispositivo SIM1y 
SIM2 los dos fluidos circulan con cuatro pasos, mientras que en el SIM3 se mantienen 
los valores de los caudales de entrada, pero la circulación de las corrientes es sólo en un 
paso. 
 
Al efectuar las simulaciones, como el tipo de placa usado en el equipo piloto no se 
encuentra catalogado en el software, se deben definir sus características geométricas y 
material de construcción en la etapa de la carga de datos. Otra información básica para 
las simulaciones son: caudal, temperatura y presión de entrada del agua, y valores 
estimados de la temperatura de salida y caída de presión de las corrientes caliente y fría. 
 
Los resultados obtenidos en la planta piloto (IPPP) y con el software SIM1 posibilitan 
analizar el efecto de la variación del caudal de los fluidos circulantes sobre el 
coeficiente total de transferencia y la caída de presión del fluido que se calienta (Fig. 3) 
 
Fig.3. Valores del coeficiente total de transferencia y caída de presión de la corriente 
fría en función del caudal ( ◊ IPPP, SIM1). 
 
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Al comparar la simulación SIM1 con el equipo experimental, se observa que tanto el 
coeficiente como la caída de presión crecen con el caudal de acuerdo con las 
correlaciones disponibles para intercambiadores tipo Chevron. Se observa también que 
los valores predichos en la simulación, son similares a los presentados en la bibliografía 
para intercambiadores de placas que operan con fluidos poco viscosos (Cao, 2008; Ibarz 
y Barbosa-Cánovas, 2005). 
 
Por otra parte, los resultados muestran que el coeficiente de transferencia computado 
con la simulación SIM1 es bastante mayor que el obtenido en el intercambiador piloto, 
y asimismo no se ven grandes discrepancias entre el valor de la caída de presión 
predicha y la medida para la corriente fría. 
 
Aunque espera que, como las condiciones operativas fijadas en IPPP y en SIM1 son 
semejantes, el coeficiente de transferencia también lo sea, sin embargo se debe 
contemplar que la simulación es realizada sin considerar ensuciamiento. La diferencia 
entre los coeficientes totales entonces puede ser atribuida a la presencia de un 
importante ensuciamiento del equipo. Se pueden comparan los resultados de la 
simulación con los experimentales, por ejemplo para unasituación en la que el caudal 
de alimentación es cercano a 250 kg/h y así estimar el valor del ensuciamiento. 
 
Cuando se realiza la corrida SIM2 (Tabla 3) se fija un valor de la resistencia de 
ensuciamiento manteniéndose las restantes condiciones similares a las del caso SIM1. 
Dado que ahora el coeficiente de transferencia obtenido se aproxima al resultante de la 
experiencia, se estima que la resistencia 3,0. 10 
-4 
m
2
 ºC/W representa razonablemente el 
comportamiento del equipo piloto. 
 
Tanto en SIM2 como en IPPP la fuerza impulsora efectiva aumenta, pero ello no 
compensa el efecto de la caída del coeficiente total sobre la caída del valor de la 
potencia calórica intercambiada. En las situaciones computadas no hay diferencias 
notables entre los coeficientes de transferencia individuales de ambos fluidos, y la 
resistencia térmica de las placas es muy baja. 
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Finalmente con la simulación SIM3, se analiza el impacto de la circulación de los 
fluidos en el comportamiento, ya que los caudales que ingresan se dividen en cuatro 
ramas que circulan en contracorriente por el intercambiador. Como en SIM1 y SIM3 no 
se incluye ensuciamiento, puede decirse que las diferencias en los coeficientes totales e 
individuales de transferencia se deben al menor caudal circulante en cada canal. 
 
Tabla 3. Comparación del funcionamiento de intercambiadores de placas. 
 
En SIM1 circula por cada canal cuatro veces el caudal que corresponde a SIM3, lo 
que influye sobre los valores de los coeficientes antes citados, que se reducen a cerca 
del 40%. En la última simulación, la fuerza impulsora tiene un valor relativamente 
Intercambiador de placas IPPP SIM1 SIM2 
 
Caudal fluido caliente (kg/h) 
 
261 
 
250 
 
250 
Caudal fluido frío (kg/h) 244 250 250 
Temperatura entrada fluido caliente (ºC) 69,4 75 75 
Temperatura entrada fluido frío (ºC) 19 15 15 
Área total de intercambio (m
2
) 0,48 0,42 0,42 
Número total de placas 10 9 9 
Resistencia de ensuciamiento (m
2
 ºC/W) ? 0 3,0. 10 
-4
 
Temperatura salida fluido caliente (ºC) 33,1 22,3 30,5 
Temperatura salida fluido frío (ºC) 60,4 67,7 59,4 
Potencia calórica (kW) 10,946 15,432 13,021 
Coeficiente de transferencia fluido caliente (W/m
2
 ºC) - 12253 12730 
Coeficiente de transferencia fluido frío (W/m
2
 ºC) - 11821 11518 
Coeficiente total de transferencia (W/m
2 
ºC) 2089 5055 2012 
Resistencia de la placa (m
2
 ºC/W) ? 3,16. 10 
-5
 3,16. 10 
-5
 
Fuerza impulsora efectiva (ºC) 10,92 7,3 15,45 
Caída de presión fluido caliente (bar) - 0,685 0,676 
Caída de presión fluido frío (bar) 0,650 0,699 0,706 
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elevado, pero aún así existe una menor potencia calórica transferida. Debe remarcarse 
que en SIM3 la caída de presión decrece notablemente debido a la reducción del caudal 
circulante por cada canal, tanto para la corriente fría como para la caliente. 
 
3. Conclusiones 
 
Aplicando el programa UniSim se simulan intercambiadores de calor de gran uso en 
la industria, pudiéndose emplear esta técnica como complemento de otras modalidades 
tradicionales de enseñanza en las carreras de Ingeniería. 
 
La comparación de los resultados predichos por el software con los obtenidos 
experimentalmente o con los generados en procedimientos de diseño, posibilita 
profundizar los elementos teóricos propios de las asignaturas y asociadas a las técnicas 
utilizadas. 
 
La incorporación del simulador de procesos en las asignaturas brinda una mayor 
comprensión de los conceptos relacionados con los equipos de transferencia de calor, y 
ha motivado a los alumnos al uso inteligente de una herramienta con la que se 
encontrarán en su futuro desempeño laboral. 
 
Referencias 
Agudelo Y., Barrera Zapata, R. (2015). Uso del Software Aspen Plus como Herramienta de Enseñanza en Ingeniería 
de las Reacciones Químicas. Revista Educación en Ingeniería, 10, 19, 57. 
Cao E. (2008). Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos. 4ta. Ed. Nueva Librería. Buenos Aires. 
Cartaxo, S. J. M. , Silvino P.F. G., Fernandes F. A. N. (2014). Transient Analysis of Shell-and-Tube Heat Exchangers 
Using an Educational Software. Education for Chemical Engineers, 9, 3, 77. 
Ibarz A., Barbosa-Cánovas G. V. (2005), Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos. Mundi-Prensa. 
Madrid. 
Iglesias O., Paniagua C. N. (2013). Conceptos Básicos de Simulación de Procesos en Simuladores Modulares. 1ra. 
ed. Editorial de la Universidad Nacional de La Plata. La Plata, BA. 
Kern D. (1965). Procesos de Transferencia de Calor. Compañía Editora Continental. México. 
Pérez G. A. ,Medina J. R. (2014). Enseñanza de Ingeniería de Procesos Basada en Software de la Especialidad. 
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería, 3, 7, 51. 
Serth R. W., Lestina T. G. (2014). Process Heat Transfer. 2nd ed. Academic Press. San Diego, CA. 
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