Intercambio de calor entre dos fluidos

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Intercambio de calor entre dos 
fluidos 
Operaciones unitarias con transferencia de 
calor. 
Calentamiento o enfriamiento de corrientes de 
proceso. 
Modificar estado físico mediante evaporación 
condensación. 
Una corriente cede calor a otra que lo recibe 
(intercambiadores de calor). 
Corrientes de proceso (participan en el balance 
de masa) 
Corrientes de servicio (no se mezclan con las 
corrientes de proceso, pero pueden afectar los 
balances energéticos) 
Introducción 
Transferencia de calor por unidad de tiempo (procesos continuos) 
W = flujo másico de una corriente 
Subíndices: h (fluido caliente), c(fluido frio), 1 (condición de entrada), 2 
(condición de salida). 
En temperaturas: T(fluido caliente), t(fluido frio). 
 
Q = cantidad de calor intercambiado por unidad de tiempo 
i = entalpía específica 
Expresiones de los balances 
entálpicos 
Para que haya transferencia de calor entre dos fluidos es necesario: 
1. Que haya un diferencial de temperatura (a mayor delta mayor velocidad de 
transmisión). 
2. Que ambos fluidos estén separados por una superficie (área de transferencia) 
 
 
U = coeficiente global de transferencia de calor 
Ecuación de cinética de transferencia de calor 
A depende de U, el cual se modifica en función de las características de diseño del 
equipo. 
En todo problema de diseño participan las ecuaciones de balance y de cinética. 
Participan también ecuaciones que permitan calcular el valor de U 
Área de transferencia y coeficiente 
de transferencia de calor 
Razón a la cual se transmite el 
calor desde un fluido a otro por 
unidad de superficie de pared y 
por grado de diferencia de 
temperatura entre ambos fluidos. 
Incluye los mecanismos de 
transporte de energía de 
convección y conducción, y si la 
radiación es significativa incluirá 
también dicho mecanismo. 
Coeficiente global de transmisión de 
calor 
U para paredes planas o ligeramente curvadas: 
𝑈 =
1
1
ℎ𝑖
+ 
𝑒𝑗
𝑘𝑗
𝑛
𝑗=1 +
1
ℎ𝑒
 
Para tuberías, se tiene dos casos: 
𝑈𝑖 =
1
1
ℎ𝑖
+
𝑒
𝑘
+
𝐷𝑖
ℎ𝑒𝐷𝑒
 Para el área interna de la tubería 
𝑈𝑒 =
1
𝐷𝑒
ℎ𝑖𝐷𝑖
+
𝑒
𝑘
+
1
ℎ𝑒
 Para el área externa de la tubería 
Si los tubos tienen paredes gruesas, se debe sustituir el término (e/k) por 
𝐷𝑖
2𝑘
𝑙𝑛
𝐷𝑒
𝐷𝑖
 𝑦 
𝐷𝑒
2𝑘
𝑙𝑛
𝐷𝑒
𝐷𝑖
 
Coeficiente global de transmisión de 
calor 
Cuando un equipo de transferencia de calor ha 
estado durante cierto tiempo en operación, se le 
depositan incrustaciones o basura en la parte 
interna y externa de los tubos. 
Esto agrega dos resistencias más de las que fueron 
consideradas en el cálculo de U 
𝑈𝑖𝑠 =
1
1
ℎ𝑖
+
𝑒
𝑘
+
𝐷𝑖
ℎ𝑒𝐷𝑒
+ 𝑅𝑠
 
𝑈𝑒𝑠 =
1
𝐷𝑒
ℎ𝑖𝐷𝑖
+
𝑒
𝑘
+
1
ℎ𝑒
+ 𝑅𝑠
 
Σ𝑅𝑠 = 𝑅𝑠𝑖 + 𝑅𝑠𝑒 
Resistencia de Ensuciamiento 
Disposición en corrientes 
paralelas 
MLDT 
Disposición en 
contracorriente 
MLDT 
La diferencia de temperatura 
promedio Tm depende de la 
distribución de flujo en el 
intercambiador de calor y su tipo de 
construcción 
 El cálculo del MLDT anterior se limita a los intercambiadores de flujo paralelo o a 
contraflujo. 
 Se desarrollan relaciones similares para los intercambiadores de flujo cruzado y de 
tubos y coraza de pasos múltiples (expresiones de extrema complejidad). 
 Se toma como referencia el MLDT calculado para contraflujo y se aplica un factor de 
corrección. 
MLDT para otros patrones de flujo 
 F depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas 
de entrada y de salida de las corrientes de fluido caliente y frío. 
 El factor de corrección es menor que la unidad (F < 1). El valor límite de F = 1 
corresponde al intercambiador a contraflujo 
MLDT para otros patrones de flujo 
Un intercambiador de calor se puede describir como un equipo en el que dos 
corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de 
enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas a la vez (superficie de contacto). 
Tipos: 
- Intercambiador de calor de tubos concéntricos (de doble tubo) 
- Intercambiador de calor de carcasa 
- Intercambiador de calor de aletas (superficie ampliada) 
- Intercambiador de calor de placas (superficie ampliable) 
- Intercambiador de calor especiales (bloque múltiple, de serpentín o en 
espiral, de tubos en espiral, otros) 
Intercambiadores de Calor 
 Intercambiador de calor de doble tubo o tubos concéntricos. Es el más simple. Flujo en 
paralelo o en contracorriente (contraflujo). 
 Intercambiador de calor tipo compacto. Gran área superficial de transferencia de calor 
por unidad de volumen, densidad de área β. Un β > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. 
Gas-Gas, Gas-Líquido. Flujo cruzado (mezclado o no mezclado). Los dos fluidos suelen 
moverse de manera perpendicular entre sí. 
 Intercambiador de calor de tubo y carcasa (tubo y coraza). Tipo más común de 
intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Uno de los fluidos se mueve por 
dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos. Peso y tamaño 
relativamente grandes. Se clasifican según el número de pasos que se realizan por la 
coraza y por los tubos. 
 Intercambiador de calor de placas y armazón (o sólo de placas). Una serie de placas con 
pasos corrugados y aplastados para el flujo . Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos 
alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes 
de fluido caliente. 
 Intercambiador de calor regenerativo. Estático y dinámico 
 
 
Tipos de intercambiadores de calor 
Valores representativos de los coeficientes 
totales de transferencia de calor 
en los intercambiadores de calor 
 Seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura 
específica de una corriente de fluido de gasto de masa conocido. Método en 
base al MLDT. 
 Predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y del 
frío en un intercambiador de calor específico. Método de la efectividad-NTU 
ANÁLISIS DE INTERCAMBIADORES 
DE CALOR 
EFICACIA DE LOS 
INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
EFICACIA DE LOS 
INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
Flujo Paralelo 
 
Flujo Paralelo 
 
Flujo Paralelo 
 
Expresiones para otras 
configuraciones 
Efectividad para los 
intercambiadores de calor 
Es uno de los equipos más sencillos (operación continua). Suelen producirse 
fuga de fluidos. El desarme del equipo es laborioso. Por eso es poco 
frecuente su uso a nivel industrial. Longitud máxima del orden de los 6 m. 
Tamaños normalizados de longitud efectiva de 12, 15, 20 pies. 
Por qué no se construyen de mayor tamaño? 
Solución 
Relación entre diámetros de los tubos 
Combinaciones comunes para intercambiadores de doble tubo (pulgadas) 
Intercambiadores de calor de doble 
tubo 
1. Cantidad de Movimiento 
1.1. Sin cambio de fase 
- Fluido en el interior del tubo (Q=V*A). Q=valor conocido, v=valor asumido (entre 
0,25 y 1,30 m/s. Fluidos poco viscosos entre 1 y 2 m/s). Corrección de diámetro. 
Calcular Re (elegir ecuación para el cálculo de h). 
- Fluido en el espacio anular. Con el d anterior estimar en D mediante tablas. Q 
=V*A. Calcular Re ((elegir ecuación para el cálculo de h). 
1.2. Con cambio de fase. 
- Identificar fluido que no cambia de fase. 
- Para calentamiento de fluidos (en este caso el vapor circula por tubo externo). 
Igual que 1.1. 
- Para condensación de vapores. El vapor circula por el tubo interno. En este caso 
lo correcto es trabajar con diámetros de tubería entre 1 ¼ a 2 pulg. Con tabla ver 
el diámetro del tubo externo 
 
 
Algoritmo de Cálculo 
2. Balances de energía 
3. Cálculo del MLDT 
4. Cálculo del coeficiente de convección interno (se define en función del Re). 
 
 
 
 
 
5. Cálculo del coeficiente de convección externo (igual que 4, pero usando el 
diámetro equivalente. 
 
Algoritmo de Cálculo 
DIÁMETRO EQUIVALENTE: 
Para los cálculos del fluido que circula en el espacioanular, es necesario utilizar 
un diámetro equivalente. 
 
 
 
 
6. Cálculo del coeficiente global de transporte de energía 
U=f(hi, he, e, k, Di, De, Rsi, Rse) 
7. Cálculo del área de transferencia 
8. Cálculo de L (A=DL) 
9. Modificación del diseño original. Cuando la pérdida de carga es excesiva. 
Algoritmo de Cálculo