Durante el desarrollo de esta simulación se busca determinar el mayor porcentaje de efectividad en la transferencia de calor entre dos fluidos, comparando un intercambiador de doble tubo con disposición en paralelo con otro a contracorriente. Para dicho fin, se realizaron 8 corridas experimentales diferentes (4 para cada tipo) en las cuales intervinieron variables como el radio y la longitud de las tuberías interna y externa del sistema, las temperaturas de entrada de los fluidos (agua caliente y leche, a saber) y las tasas de flujo masico de ambos líquidos, para así, calcular la temperatura de salida de los mismos y diversos aspectos como la diferencia media logarítmica, las transferencias de calor reales y máximas, el valor U relativo a la conductancia térmica y la capacidad calórica de las sustancias. Luego del análisis realizado mediante un diseño factorial de 2^4 en bloque, se logró concluir que el sistema a contracorriente con flujos másicos en proporciones leche-agua de 8:2 Kg/s fue el que obtuvo la mejor eficiencia con un 66,10%.

1. Bioingeniería y Nanotecnología
BIOPROSPECCÍON Y BIOPROCESOS
(Intercambiadores de calor)
González Caro Anderson Mauricio1
, Ramírez Galvis Juan Pablo2
1
agonzalezc7@ucentral.edu.co 2
jramirazg10@ucentral.edu.co
Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas,
Universidad Central,
Bogotá, Colombia
RESUMEN:
Durante el desarrollo de esta simulación se busca determinar el mayor porcentaje de
efectividad en la transferencia de calor entre dos fluidos, comparando un intercambiador de
doble tubo con disposición en paralelo con otro a contracorriente. Para dicho fin, se realizaron
8 corridas experimentales diferentes (4 para cada tipo) en las cuales intervinieron variables
como el radio y la longitud de las tuberías interna y externa del sistema, las temperaturas de
entrada de los fluidos (agua caliente y leche, a saber) y las tasas de flujo masico de ambos
líquidos, para así, calcular la temperatura de salida de los mismos y diversos aspectos como
la diferencia media logarítmica, las transferencias de calor reales y máximas, el valor U
relativo a la conductancia térmica y la capacidad calórica de las sustancias.
Luego del análisis realizado mediante un diseño factorial de 2^4 en bloque, se logró concluir
que el sistema a contracorriente con flujos másicos en proporciones leche-agua de 8:2 Kg/s
fue el que obtuvo la mejor eficiencia con un 66,10%.
PALABRAS CLAVES: calor, transferencia, intercambiador, eficiencia
ABSTRACT:
During the development of this simulation, it is sought to determine the highest percentage of
effectiveness in the transfer of heat between two fluids, comparing a double tube exchanger
arranged in parallel with another countercurrent. For this purpose, 8 different experimental runs
were carried out (4 for each type) in which variables such as the radius and length of the internal
and external pipes of the system, the inlet temperatures of the fluids (hot water and milk, at
know) and the mass flow rates of both liquids, in order to calculate their outlet temperature and
various aspects such as the mean logarithmic difference, the real and maximum heat transfers,
the U value relative to the thermal conductance and the caloric capacity of substances.
After the analysis carried out by a factorial design of 2^4 in block, it was possible to conclude
that the countercurrent system with mass flows in milk-water proportions of 8:2 Kg/s was the
one that obtained the best efficiency with a 66,10%.

2. Bioingeniería y Nanotecnología
KEYWORDS: heat, transfer, exchanger, efficiency
1. INTRODUCCIÓN
La naturaleza de los intercambiadores de
calor como mecanismos para la
transferencia térmica entre dos fluidos,
generalmente sin contacto entre ellos, han
permitido su utilización en diversos
campos científicos e industriales como el
acondicionamiento de biorreactores, los
procesos de esterilización y la
conservación de perecederos,
respectivamente. Estos múltiples
requerimientos, hacen necesaria la
existencia de variadas configuraciones en
este tipo de dispositivos. [1]
En la práctica, los intercambiadores se
usan desde sistemas domésticos de
calefacción y acondicionamiento de aire
hasta los procesos químicos y la
producción de energía en plantas grandes.
Comúnmente, su clasificación redunda en
la manera que los flujos de
calentamiento/enfriamiento circulan [3]
En el intercambiador sin contacto, no se
permite que las dos corrientes (medio de
calentamiento/enfriamiento y producto
alimenticio) se mezclen entre sí. Esto se
logra generalmente separando las
corrientes con algún tipo de pared
metálica. Mientras que, en un
intercambiador de calor de contacto, se
permite que las corrientes de
calefacción/enfriamiento y de productos
alimenticios entren en contacto y se
mezclen entre sí con la salvedad de poder
separar fácilmente las sustancias a
posteriori. Vale la pena aclarar, que estos
segundos no son muy frecuentes por la
posible contaminación que puede
representar la mezcla [2]
Figura 1 Intercambiador de calor de casco y tubo
Fuente:http://rpaulsingh.com/learning/virtual/experiments/heatexch
anger/index.html
2. OBJETIVO
❖ Entender el funcionamiento de los
mecanismos de transferencia térmica
en un intercambiador de calor.
❖ Determinar las temperaturas de las
corrientes de fluidos que salen de un
intercambiador de calor.
❖ Establecer la diferencia entre el
intercambiador de calor paralelo y el de
contraflujo.
❖ Conocer el papel del coeficiente de
transferencia de calor global en el
diseño de un intercambiador de calor.
3. MARCO TEÓRICO
Un intercambiador de calor es un equipo
que permite la transferencia térmica de un
fluido caliente a uno frio y viceversa. Entre
las principales razones de uso se destacan:
❖ Calentar un fluido frío mediante un
fluido con mayor temperatura.

3. Bioingeniería y Nanotecnología
❖ Reducir la temperatura de un fluído
mediante otro con menor temperatura.
❖ Llevar al punto de ebullición a un
fluido mediante otro con mayor
temperatura.
❖ Condensar un fluido en estado
gaseoso por medio de uno frío.
❖ En los equipos los fluidos no se
mezclan.
❖ La transferencia de calor involucra
convección en los fluidos y
conducción en las paredes que
separan a los fluidos.
3.1. CLASIFICACIÓN
INTERCAMBIADORES
❖ Según su construcción:
La construcción de los
intercambiadores se agrupa
generalizadamente en alguna de las
tres siguientes categorías: carcaza y
tubo, plato y con superficie rascada.
Como en cualquier dispositivo
mecánico, cada uno de estos presenta
ventajas o desventajas en su
aplicación. [3]
❖ Según su operación:
Ya que los intercambiadores de calor
se presentan en muchas formas,
tamaños, materiales de manufactura
y modelos, estos también son
tipificados de acuerdo con algunas
características comunes como la
dirección relativa que existe entre los
dos flujos de fluído. Las tres categorías
son: Flujo paralelo, contracorriente y
flujo cruzado. [3]
3.2. DISEÑO
En el diseño de los intercambiadores de
calor, la predicción de la temperatura de
salida de las corrientes de fluidos es una
tarea importante. Suponiendo una
transferencia de calor en estado estable, se
utilizan dos métodos generales para este
fin: el método de la diferencia de
temperatura media logarítmica (LMTD) y el
método de la efectividad-NTu (número de
unidades térmicas).
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝐿𝑛
∆ 𝑇1
∆ 𝑇2
Donde:
ΔT1 y ΔT2 son las diferencias de
temperatura entre los dos fluidos a la
entrada y salida del intercambiador de
calor. [4]
El método de la efectividad (NTU) se utiliza
para determinar porcentualmente la
proporción de calor transferido
experimentalmente en relación al valor
teórico esperado que depende de las
temperaturas de entrada y las capacidades
calóricas asociadas a los flujos másicos.
Se calcula como: [4]
∈ =
𝑄
𝑄 𝑚𝑎𝑥
=
𝐿𝑎 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
4. METODOLOGÍA
En este laboratorio de simulación se
usará un intercambiador de calor de
doble tubo como se muestra a
continuación:

4. Bioingeniería y Nanotecnología
Figura 2 Intercambiador de calor de doble tubo
Fuente:http://rpaulsingh.com/learning/virtual/experiments/heatexch
anger/index.html
Primero, se aumenta la temperatura del
agua con un calentador similar al que se
usa domésticamente. Luego, se impulsa su
flujo con la ayuda de una bomba centrífuga
acompañada de válvulas para ajustar los
caudales. [5]
Los termopares se instalan a lo largo de la
tubería para obtener la distribución de la
temperatura. Asimismo, la tasa de flujo
másico de las corrientes es medida.
Se debe operar el intercambiador de calor
con diferentes velocidades de flujo
midiendo las temperaturas de entrada y
salida de los dos sistemas de fluidos.
Las temperaturas de entrada y salida de
ambos flujos se utilizan para calcular la
diferencia de temperatura media
logarítmica. La tasa de transferencia de
calor se calcula conociendo la diferencia
de temperatura media logarítmica y las
tasas de flujo másico.
Las variables de entrada en el experimento
virtual, incluyen la parametrización del tipo
de flujo (paralelo o contracorriente), el
radio de las tuberías interna y externa (cm),
la longitud de las tuberías (m), los flujos
másicos del producto (leche en Kg/s) y de
la corriente de calentamiento (agua en
Kg/s), y las temperaturas de entrada (oC).
Ello, para determinar las temperaturas de
salida de ambos fluidos tal y como se
evidencia en la figura 3
Figura 3 Simulador de Intercambiadores de calor de
doble tubo
Fuente:http://rpaulsingh.com/learning/virtual/experiments/heatexch
anger/index.html
Consiguientemente, para llevar a cabo
esta simulación, se mantendrán
constantes las variables de radio para las
tuberías interna y externa, la longitud de
las mismas y las temperaturas de entrada
tanto de la leche como del agua caliente.
Por lo tanto, solo se cambiarán las tasas
de flujo masico de ambos fluidos para
determinar la temperatura de salida de los
mismos.
En cuanto a la organización de los datos
para su análisis estadístico, se realizará
un diseño factorial de 2^4 en bloque
(segmentando por intercambiador de
calor en paralelo y a contracorriente).

5. Bioingeniería y Nanotecnología
Asimismo, para las variables de flujos
másicos se asignarán 4 niveles (2, 4, 6, 8
Kg/s, respectivamente).
5. RESULTADOS
Tabla 1 Constantes
Constantes
Radio tubo interno (leche) 0,015 m
Radio tubo externo (agua) 0,03 m
Longitud 5 m
Calor especifico leche 3,85 kJ/kg. K
Calor especifico agua 4,18 kJ/kg. K
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 2 Valores obtenidos
Fuente: Elaboración Propia
Aparte de las ecuaciones señaladas en el
marco teórico, es decir, la diferencia media
logarítmica y la efectividad; se detallan a
continuación las demás fórmulas
empleadas:
Transferencia de calor (Qreal) = Mc * Cpc
(T2 – T1)
Donde Mc (flujo másico), Cpc (calor
específico), T2 (temperatura saliente), T1
(temperatura entrante).
Valor U = Qreal / (As * LMTD)
Donde As (Área superficial), LMTD
(diferencia de temperatura media
logarítmica).
Capacidad calórica (Cc) = Mc * Cpc
Transferencia de calor máxima (Qmax) = Cc
* (Tec – Tef)
Donde Tec (temperatura entrante caliente),
Tef (temperatura entrante fría), tomando el
que tenga menor capacidad calórica entre
los dos flujos. Para ello se recurre en Excel
a la formulación por condicional =SI(
Corrida 1 Corrida 2 Corrida 3 Corrida 4 Corrida 5 Corrida 6 Corrida 7 Corrida 8
Flujo másico leche (Kg/s) 2 4 6 8 2 4 6 8
Flujo másico agua (Kg/s) 8 6 4 2 8 6 4 2
Temperatura entrante leche (o
C) 4 4 4 4 4 4 4 4
Temperatura entrante agua (o
C) 72 72 72 72 72 72 72 72
Temperatura saliente leche (o
C) 22,89 21,39 19,46 15,37 23,04 21,71 20,03 16,20
Temperatura saliente agua (o
C) 67,49 60,92 49,85 28,58 67,45 60,72 49,03 25,39
Diferencia media logaritmica (o
C) 55,4799692 52,4843101 46,6976355 33,4384357 55,8923075 53,4405437 48,4171314 35,8867264
Transferencia de calor leche (Kw) Q real 145,453 267,806 357,126 350,196 146,608 272,734 370,293 375,76
Transferencia de calor agua (Kw) Q real 150,8144 277,8864 370,348 362,9912 152,152 282,9024 384,0584 389,6596
Valor U (W/m2 o
C) 741,795299 1443,73809 2163,83521 2963,21275 742,169725 1443,99609 2163,93421 2962,6088
Capacidad calorica leche 7,7 15,4 23,1 30,8 7,7 15,4 23,1 30,8
Capacidad calorica agua 33,44 25,08 16,72 8,36 33,44 25,08 16,72 8,36
Q maxima 523,6 1047,2 1136,96 568,48 523,6 1047,2 1136,96 568,48
Efectividad (Qreal/Qmax) 27,78% 25,57% 31,41% 61,60% 28,00% 26,04% 32,57% 66,10%
Paralelo Contracorriente

6. Bioingeniería y Nanotecnología
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como método de verificación y análisis
para el diseño factorial empleado, se
recurrió al software Minitab 18, obteniendo
las siguientes tablas y gráficas:
Tabla 3 Estructura de bloques
Fuente: Elaboración Propia
Como se puede apreciar, el diseño parte
de dos factores (flujos másicos), cuatro
niveles (2,4,6,8), dos bloques (paralelo y
contracorriente) y ocho corridas
experimentales.
Figura 3 diagrama de Pareto
Fuente: Elaboración Propia
El diagrama de Pareto evidencia que a un
nivel de significancia α = 0,05 solo se
considera relevante el factor “flujo másico
de la leche (Kg/s)”.
Figura 4 Residuos de efectividad
Fuente: Elaboración Propia
En cuanto a los supuestos del modelo, la
gráfica de residuos muestra que el
experimento pasa la prueba de normalidad
(arriba a la izquierda y relativa al
estadístico Kolmogorov-Smirnov) y la de
independencia de los mismos (arriba a la
derecha y relativa al estadístico Durbin-
Watson).
Tabla 4 Análisis de varianza
Fuente: Elaboración Propia
La tabla ANOVA expresa que el bloqueo
realizado no constituye una evidencia
estadísticamente significativa para
rechazar H0 (con un p-valor de 0,207 > α).
Es decir, que la diferencia de efectividad
entre los modelos de intercambiador de
calor no fue tan notoria.
Corrida Bloques
Flujo másico
leche (Kg/s)
Flujo másico
agua (Kg/s)
Efectividad
(Qreal/Qmax)
1 1 2 8 0,277794118
2 1 4 6 0,255735294
3 1 6 4 0,314106037
4 1 8 2 0,616021672
5 2 2 8 0,28
6 2 4 6 0,260441176
7 2 6 4 0,32568692
8 2 8 2 0,660990712

7. Bioingeniería y Nanotecnología
Tabla 5 Resumen del modelo
Fuente: Elaboración Propia
El resumen del modelo demuestra que,
aun excluyendo el flujo másico del agua,
se logra un coeficiente R^2 ajustado del
99,28%. O sea que se puede considerar
fiable con las condiciones asignadas.
Figura 5 Efectos principales de efectividad
Fuente: Elaboración Propia
Figura 6 Interacción para efectividad
Fuente: Elaboración Propia
De igual manera, los gráficos de efectos
principales e interacción, sostienen que la
mejor combinación entre los factores es la
proporción leche-agua de 8:2 Kg/s.
7. CONCLUSIONES
Las inferencias que se pueden hacer sobre
el experimento son las siguientes:
❖ Los parámetros más influyentes dentro
de los intercambiadores de calor son el
área y el flujo másico, ya que
determinan el tiempo y la velocidad de
contacto de los fluidos.
❖ En la simulación realizada, no se
recomienda utilizar los mismos valores
para los flujos másicos entre los
fluidos, debido a que se inhibe el
dominio de uno de los líquidos sobre el
otro, reduciendo la capacidad de
transferencia de calor del
intercambiador. Por ende, la
proporción óptima encontrada leche-
agua de 8:2 Kg/s, indica que es mejor
que la magnitud del fluido producto sea
superior.
❖ El diferencial de temperaturas entre los
fluidos promueve y facilita el
incremento progresivo de la
transferencia térmica. Cabe resaltar,
que dicha alza dependerá de los
líquidos empleados en el sistema.
❖ Los cálculos tanto de Q max como de
efectividad dependen de como los
flujos másicos afecten la capacidad
calórica del sistema.
❖ Aunque el bloqueo en el experimento
factorial no constituyó un p-valor
relevante, es posible percibir que el
intercambiador a contracorriente
ofrece mejores niveles de efectividad.
❖ En la teoría, el cálculo de la
transferencia de calor se realiza bajo la
suposición de que no existen perdidas
o disipación al medio circundante, no

8. Bioingeniería y Nanotecnología
obstante, en las condiciones prácticas
si ocurren mermas a tener en cuenta.
8. REFERENCIAS
[1] Frank Kreith , Principios de tranferencia
de calor, sexta edición , paginas 494-497
y 663.
[2]http://rpaulsingh.com/learning/virtual/ex
periments/heatexchanger/index.html
[3] Convección Recuperada de:
http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/
mgilarra/Fluid/Correlaciones%20conveccio
n.pdf
[4] Mccabe, W.; Smith, J.; Harriot, P.
“Operaciones Unitarias de Ingeniería
Química.”
[5] McGraw – Hill. 6a. ed. 2001. Nueva
York, Estados Unidos Yunus Cengel .
Transferencia de calor, páginas: 746(Tabla
9-4) ,641

9. Bioingeniería y Nanotecnología
Anexo 1. Resultados de las corridas en el simulador
Corrida 1 Corrida 2
Corrida 3 Corrida 4
Corrida 5 Corrida 6

10. Bioingeniería y Nanotecnología
Corrida 7 Corrida 8
Fuente: Elaboración Propia