FASE 4 TRANSFERENCIA DE CALOR

1. UNIDAD 2 - FASE 4 - Desarrollo problemas de eficiencia de
intercambiadores de calor
Curso:
Transferencia de Calor
Elaborado por:
Milany Gómez Badillo. Código: 1.065.904.394
Yerley Del Rosario Flórez. Código: 1.082.925.988
Luca Berrio Hernández. Código: 1.129.526.922
Yuly Paola Góngora. Código: 1.032.363.353
Presentado a:
Ronald Miguel Marsiglia.
Grupo:
211611_2
UNAD - UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ECBTI - ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, INGENIERÍAS Y TECNOLOGÍA
INGENIERIA DE ALIMENTOS.
Mayo-2022.

2. INTRODUCCION
Los intercambiadores de calor son maquinas térmicas cuya función consiste en aumentar o
disminuir la temperatura de una sustancia mediante la transferencia de calor por conducción.
Estos elementos utilizados es gran variedad de máquinas como elementos reguladores de
temperatura. En este trabajo se realizará la solución de problemas aplicados en la utilización
de los intercambiadores de calor en la industria alimentaria.

3. OBJETIVOS
Objetivo general.
Implementar y conocer el método de cálculo de un intercambiador de calor, identificando
las soluciones de los problemas de la actividad y el desarrollo de la fase.
Objetivos específicos.
➢ Conocer parámetros que deben tener en cuenta en el diseño de los intercambiadores de
calor
➢ Resolver los dos problemas sobre la eficiencia de intercambiadores de calor.
➢ Diseñar y construir una infografía acerca de los intercambiadores de calor utilizados en
la industria de alimentos.

4. 1. Elaborar una infografía con los diferentes tipos de intercambiadores de calor que se
utilizan en la industria de alimentos, utilizando alguna herramienta tecnológica como
Canva, genially, etc.
Este es el link para visualizar
https://view.genial.ly/627b30a70301be0018791a86/interactive-content-storyboard-
genial

5. 2. Identificar cinco parámetros que se deben tener en cuenta en el diseño de los
intercambiadores de calor y explicar porque, mediante la siguiente tabla.
Parámetro Justificación
Resistencia térmica Esta es muy importante ya que debe
funcionar adecuadamente en contacto con el
agua, debe soporte altas corrientes y el
tamaño no debe sobrepasar 50 cm
Efectividad La efectividad de un intercambiador de
calor depende de su configuración
geométrica, así como de la configuración
del flujo. Por lo tanto, los diferentes tipos de
intercambiadores tienen relaciones
diferentes para la efectividad.
Temperaturas de entrada y salidas de los
fluidos
Se encargan de verificar el principio de
conservación de la energía; esto con el
propósito de realizar un diseño óptimo y
más preciso
Tipo de intercambiador Se debe seleccionar el tipo de
intercambiador adecuado: de placas,
tubular, de tubo corrugado, de superficie
rascada, etc. Varios factores influirán en
esta elección, como es la naturaleza del
producto a calentar o enfriar, el propósito

6. del proceso (si es para cocinar o para
pasteurizar) y cualquier restricción del
entorno en el que se va a utilizar dicho
intercambiador
El tamaño Es super importante que el intercambiador
de calor esté dimensionado adecuadamente
para su propósito
3. Solucionar problemas donde se evalúa la eficiencia de intercambiadores de calor.
Tenga en cuenta que en algunos casos debe realizar la conversión de unidades, antes
de iniciar el procedimiento matemático.
a. Se desea enfriar leche que sale del proceso de pasteurización y para esto se quiere
emplear un intercambiador de calor del tipo doble tubo a contracorriente. El tubo
exterior posee un diámetro interior de 35 mm y el tubo interior de acero tiene un
diámetro interior de 15 mm y un espesor de 2 mm. El agua fluye por el interior con
un caudal de 0.2 kg/s y la leche fluye por el exterior con un caudal de 0.2 kg/s. Si la
temperatura de entrada de la leche es 110ºC y la temperatura del agua es 40ºC.
Realizar el esquema del intercambiador de calor. Calcular la longitud del
intercambiador para enfriar el agua hasta una temperatura de 50ºC. El coeficiente
global de transmisión de calor es 230 W/m2 °C

7. Para el desarrollo de este punto se hace necesario realizar los balances de energía para los
diferentes escenarios propuestos por el ejercicio a fin de generar la mayor claridad en proceso
de la actividad propuesta.
Datos
Agua Fm = 0,2 kg/seg.
Leche Fm = 0,2 Kg/Seg.
Ti = 40°C para el agua
Ti =110 °C para la leche
Espesor T. acero = 2 mm
Diámetro externo = 35 mm
Diámetro interior T. acero = 15 mm
Variables
Fm = caudal con el fluyen los
líquidos (Agua y Leche)
Cp. = Calor Especifico

8. Balance de energía general del proceso pasteurización
𝒇𝒎 ∗ 𝑪𝒑𝒍𝒆𝒄𝒉𝒆(𝑻𝒊 − 𝑻𝒐) = 𝒇𝒎 ∗ 𝑪𝒑𝑨𝒈𝒖𝒂 (𝒕𝒊 − 𝒕𝒐) = 𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍
De acuerdo a la ecuación anterior podemos decir que, el balance de energía para la leche
vendría dado por:
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝒇𝒎 ∗ 𝑪𝒑𝒍𝒆𝒄𝒉𝒆(𝑻𝒊 − 𝑻𝒐)
Sustituimos valores conocidos para el desarrollo de la ecuación
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = (𝟎,𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈.
⁄ )(𝟑,𝟖𝟔𝟔 𝑲𝑱 𝒌𝒈 °𝑲
⁄ )(𝟑𝟖𝟑,𝟏𝟓 °𝑲 − 𝟑𝟐𝟑,𝟏𝟓 °𝑲)
Desarrollamos los cálculos y eliminación de unidades necesarias
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = (𝟎, 𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈.
⁄ )(𝟑,𝟖𝟔𝟔 𝑲𝑱 𝒌𝒈 °𝑲
⁄ )(𝟔𝟎 °𝑲)
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = (𝟎,𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈.
⁄ )(𝟐𝟑𝟏,𝟗𝟔 𝑲𝑱 𝒌𝒈
⁄ )
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝟒𝟔,𝟑𝟗𝟐 𝑲𝑱 𝑺𝒆𝒈
⁄
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝟒𝟔,𝟑𝟗𝟐 𝑲𝑾
Ahora sustituimos en el balance de energía del agua
𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝒇𝒎 ∗ 𝑪𝒑𝒂𝒈𝒖𝒂 (𝒕𝟎 − 𝒕𝒊)
(
1)
Importante
110°C = 383,15
°K
50°C = 323,15
°K
𝐽 𝑆𝑒𝑔
⁄ = W

9. 𝟒𝟔,𝟑𝟗𝟐 𝑲𝑾 = (𝟎,𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈.)
⁄ (𝟒. 𝟏𝟕𝟗 𝑲𝑱 𝑲𝒈 °𝑲
⁄ )(𝒕𝟎 − 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓)°𝑲
Desarrollamos la transposición de términos en la ecuación hasta despejar 𝒕𝟎
𝟒𝟔,𝟑𝟗𝟐 𝑲𝑾
𝟒, 𝟏𝟕𝟗 𝑲𝑱 𝑲𝒈 °𝑲
⁄
= (𝟎, 𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈.)
⁄ (𝒕𝟎 − 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓)°𝑲
𝟏𝟏,𝟏𝟎𝟏𝟐 𝑺𝒆𝒈 𝑲𝒈 °𝑲
⁄ = (𝟎,𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈. )
⁄ (𝒕𝟎 − 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓)°𝑲
𝟏𝟏,𝟏𝟎𝟏𝟐𝑺𝒆𝒈 𝑲𝒈 °𝑲
⁄
𝟎, 𝟐 𝑲𝒈 𝑺𝒆𝒈
⁄
= 𝒕𝒐 − 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓 °𝑲
𝟓𝟓,𝟓𝟎𝟔𝟏 °𝑲 = 𝒕𝒐 − 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓 °𝑲
𝟓𝟓,𝟓𝟎𝟔𝟏 °𝑲 + 𝟑𝟏𝟑,𝟏𝟓 °𝑲 = 𝒕𝒐
Para temperatura en °K
𝟑𝟔𝟖,𝟔𝟓𝟔 °𝑲 = 𝒕𝒐
Para temperatura en °C
𝟗𝟓,𝟓𝟎𝟔 °𝑪 = 𝒕𝒐

10. Luego de obtener nuestra temperatura de salida 𝒕𝟎, aplicamos la siguiente ecuación
∆𝑡𝑚, 𝑙 =
(𝑇𝑖 − 𝑡𝑜) − (𝑇𝑜 − 𝑡𝑖)
ln
(𝑇𝑖 − 𝑡𝑜)
(𝑇𝑜 − 𝑡𝑖)
Remplazamos en la ecuación anterior valor conocidos
∆𝑡𝑚, 𝑙 =
(110°𝐶 − 95,506°𝐶)− (50°𝐶 − 40°𝐶)
ln
(110°𝐶 − 95,506°𝐶)
(50°𝐶 − 40°𝐶)
Resolvemos los cálculos en la ecuación
∆𝑡𝑚, 𝑙 =
(14,494°𝐶)− (10°𝐶)
ln
(14,494°𝐶)
(10°𝐶)
∆𝑡𝑚, 𝑙 =
4,494°𝐶
0,37115
∆𝑡𝑚, 𝑙 = 12,1083 °𝐶
Luego aplicamos la siguiente fórmula para hallar la longitud del intercambiador
𝑙 =
𝑄
𝜋(𝐷)(𝑈)(∆𝑡𝑚, 𝑙)

11. Remplazamos en la ecuación anterior valor conocidos
𝑙 =
4639,2 𝑊
(3,1416)(0,015 𝑚)(230 𝑊 𝑚2°𝐶
⁄ )(12,1083°𝐶)
𝑙 =
4639,2 𝑊
131,2360 𝑊 𝑚
⁄
𝑙 = 35,35 𝑚
Generando la longitud solicitada por el ejercicio.
b. una industria procesadora de néctar de guayaba se tiene un intercambiador de
calor en contra corriente, con ambos fluidos con mezcla, tiene una superficie de inter-
cambio A igual a 7,4 m2; los fluidos de que se utilizan son los siguiente:
 Aire, Ce 1015 joules / kg °C
 Agua, Ce 4080 Joules / Kg °C
 El aire entra al intercambiador a 25 °C, a razón de 32Kg / Seg
 El agua entra en el intercambiador a 10 °C a razón de 0,35 Kg / Seg
 El coeficiente global de transmisión de calor es 350 W/ m2 °C
Realizar el esquema del intercambiador de calor.
Calcular las temperaturas de salida de ambos fluidos y el calor intercambiado.
Néctar de Guayaba = 7,45
m2
Agua = 10 °C Razón 0,35 Kg
Aire = 25 °C Razón 32 Kg /
Coeficiente Global = 350 W
Datos
∆𝑡𝑚,𝑙 = 12,1083°𝐶
D = 0,015 M
Q = 46,392 KW
U = 230 W/M2°C
Pero
1 KW = 1000 W
46,392 𝐾𝑊 ∗
1000 𝑊
1 𝐾𝑊
= 4639,2 𝑊

12. Datos
Inter-cambio A = 7,4 m2
Aire, Ce = 1015 Joules / Kg °C
Agua, Ce = 4080 Joules / Kg °C
Aire ingresa 25 °C a Razón de 30 Kg / Seg.
Agua ingresa 10 °C a Razón de 0,35 Kg / Seg.
Coeficiente de transmisión de calor es de 350 W / m2 °C
Hallar
Temperatura de salida de ambos flujos
El calor del intercambiador
Solución del ejercicio
Hallamos las temperaturas de salida de ambos fluidos
Para el aire.
𝐶𝐴𝑖𝑟𝑒 = (30𝐾𝑔 𝑆𝑒𝑔
⁄ )(1015𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝐾𝑔 °𝐶)
⁄
𝐶𝐴𝑖𝑟𝑒 = 30450𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑒𝑔 °𝐶)
⁄
𝑪𝑨𝒊𝒓𝒆 = 𝟑𝟎𝟒𝟓𝟎𝑾 °𝑪)
⁄
Para el agua.
𝐶𝐴𝑔𝑢𝑎 = (0,35𝐾𝑔 𝑆𝑒𝑔
⁄ )(4080𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝐾𝑔 °𝐶)
⁄
𝐶𝐴𝑔𝑢𝑎 = 1428𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑒𝑔 °𝐶)
⁄
𝑪𝑨𝒈𝒖𝒂 = 𝟏𝟒𝟐𝟖𝑾 °𝑪)
⁄
Hallamos el número de unidades de transferencia térmica (NTU)
𝑁𝑇𝑈 =
𝐴. 𝑈
𝐶𝑚𝑖𝑛
(
1)
Datos importantes
1𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑒𝑔 = 1 𝑊
⁄
(
2)
Igualamos temperaturas de los
fluidos
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒
𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎
Sustituimos en la igualdad
𝐶𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑚𝑎𝑥
=
1428
30450
= 0,0468
𝐶𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑚𝑎𝑥

13. Sustituimos en la ecuación anterior
𝑁𝑇𝑈 =
(7,4 𝑚2)(350 𝑊 𝑚2
°𝐶)
⁄
1428 𝑊 °𝐶
⁄
Resolvemos cálculos y eliminamos unidades
𝑵𝑻𝑼 = 𝟏,𝟖𝟐
Determinamos fluidos cruzados con mezcla ꜫ
ꜫ =
𝑵𝑻𝑼
𝑵𝑻𝑼
𝟏 − 𝒆−𝑵𝑻𝑼 +
𝑵𝑻𝑼 (𝑪𝒎𝒊𝒏 𝑪𝒎𝒂𝒙 )
⁄
𝟏 − 𝒆
(−𝑵𝑻𝑼
𝑪𝒎𝒊𝒏
𝑪𝒎𝒂𝒙
)
− 𝟏
Sustituimos en la ecuación anterior
ꜫ =
𝟏,𝟖𝟐
𝟏,𝟖𝟐
𝟏 − 𝒆−𝟏,𝟖𝟐 +
𝟏,𝟖𝟐 (𝟎,𝟎𝟒𝟔𝟖)
𝟏 − 𝒆(−𝟏,𝟖𝟐(𝟎,𝟎𝟒𝟔𝟖)) − 𝟏
Resolvemos cálculos
ꜫ =
𝟏, 𝟖𝟐
𝟏, 𝟖𝟐
𝟏 − 𝟎,𝟏𝟔𝟐𝟎
+
𝟎,𝟎𝟖𝟓𝟏𝟕𝟔
𝟏 − 𝒆(−𝟎,𝟎𝟖𝟓𝟏𝟕𝟔) − 𝟏
ꜫ =
𝟏, 𝟖𝟐
𝟏, 𝟖𝟐
𝟎, 𝟖𝟑𝟖
+
𝟎,𝟎𝟖𝟓𝟏𝟕𝟔
𝟎,𝟎𝟖𝟏𝟔𝟒𝟗
− 𝟏
ꜫ =
𝟏,𝟖𝟐
𝟐,𝟏𝟕𝟏𝟖 + 𝟏,𝟎𝟒𝟑𝟐 − 𝟏
(
3)

14. ꜫ =
𝟏, 𝟖𝟐
𝟐, 𝟐𝟏𝟓
Dando como resultado el fluido cruzado con mezcla ꜫ
ꜫ = 𝟎, 𝟖𝟐𝟐
Determinamos las temperaturas solicitadas por el ejercicio
ꜫ =
𝑻𝑪𝟏 − 𝑻𝑪𝟐
𝑻𝑪𝟏 − 𝑻𝑭𝟏
(
𝑪𝒎𝒊𝒏
𝑪𝒎𝒊𝒏
)
Sustituimos en la ecuación anterior
𝟎,𝟖𝟐𝟐 =
𝟏𝟎 °𝑪 − 𝑻𝑪𝟐
𝟏𝟎 °𝑪 − 𝟐𝟓 °𝑪
(𝟏 )
Se realiza transposición de términos
(0,822)(−15°𝐶) = 10°𝐶 − 𝑇𝐶2
Se realizan operaciones en la ecuación
(−12,33°𝐶)− 10 °𝐶 = − 𝑇𝐶2
Multiplicamos la ecuación por (-1)
12,33 °𝐶 + 10 °𝐶 = 𝑇𝐶2
Realizamos operaciones de aritmética generado en valor de 𝑇𝐶2
𝟐𝟐,𝟑𝟑 °𝑪 = 𝑻𝑪𝟐
Para determinar nuestra temperatura 𝑻𝑭𝟐 se obtendría de la siguiente ecuación
(
4)
(
-1)

15. ꜫ =
𝑻𝑭𝟐 − 𝑻𝑭𝟏
𝑻𝑪𝟏 − 𝑻𝑭𝟏
(
𝑪𝒎𝒂𝒙
𝑪𝒎𝒊𝒏
)
Sustituimos en la ecuación anterior
0,822 =
𝑇𝐹2 − 25°𝐶
10 °𝐶 − 25 °𝐶
(
1
0,0468
)
Se realiza transposición de términos
(0,822)(0,0468)(−15°𝐶) = 𝑇𝐹2 − 25 °𝐶
−0,5770°𝐶 + 25°C = 𝑇𝐹2
Realizamos operaciones de aritmética generado en valor de 𝑇𝐹2
𝟐𝟒, 𝟒𝟐𝟑°𝐂 = 𝑻𝑭𝟐
Luego de obtener las temperaturas de salida de ambos fluidos hallamos el calor
intercambiado para el ejercicio.
𝑄 = 𝐶𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝑇𝐹2 − 𝑇𝐹1)
Sustituimos en la ecuación anterior
𝑄 = (30450 𝑊 °𝐶)
⁄ (24.423 °𝐶 − 25 °𝐶)
Resolvemos cálculos y eliminamos unidades
𝑄 = (30450 𝑊 °𝐶)
⁄ (− 0,5770 °𝐶)
𝑄 = −17569,65 𝑊
De acuerdo con el resultado
arrojado por el ejercicio el signo
negativo no lleva a deducir que en
este intercambio hubo una pérdida
de calor en el sistema.

16. CONCLUSION
Podemos concluir que los intercambiadores de calor tienen una gran importancia en
la industria alimentaria, porque con estos equipos los ingenieros y los operadores
realizan distintas tareas a lo largo de las diferentes etapas del proceso de
producción de los diferentes productos alimenticios, son equipos que tienen un
principio de funcionamiento a partir de la transferencia de energía originada por la
diferencia de temperaturas que existen con los intercambiadores de calor se logran
obtener muchos beneficios como, la conservación, purificación, inocuidad y calidad
de los productos, así como la eficiencia en los procesos, ahorro de recursos y
disminución de pérdidas.

17. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
 Fonseca, V. (2015) Modulo de transferencia de calor. Universidad Nacional
Abierta y A Distancia. (pp. 254 – 286). Recuperado
de http://hdl.handle.net/10596/10119
 Gutiérrez Toledo, David Ramón, de la Rosa Andino, Alain Ariel, Benítez Leyva,
Lázaro Ventura, Serrano Guzman, Romaida, & Aguilera Corrales, Yordanka.
(2018). Determinación de parámetros térmicos de un intercambiador de calor
de tubos concéntricos con fluidos orgánico-vapor. Revista Ciencias Técnicas
Agropecuarias, 27(1), 76-88. Recuperado en 27 de noviembre de 2020,
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00542018000100008&lng=es&tlng=es
 Montes, P. M. J., Muñoz. D. M., & Rovira, D. A. A. (2014). Ingeniería térmica.
Madrid, ES: UNED - Universidad Nacional de Educación a Distancia. (pp.177-
186). Recuperado de https://elibro-
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químicos. Madrid, ES: UNED - Universidad Nacional de Educación a Distancia.
Recuperado de https://elibro-
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 Alava Viteri, C. (2017). Maquinaria y equipos aplicados en la transferencia de
calor. [Archivo de video]. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/10853