Cálculo del área superficial de un intercambiador de calor: fundamentos y aplicaciones
El cálculo del área superficial de un intercambiador de calor es esencial para optimizar su eficiencia térmica. Este proceso determina la cantidad de superficie disponible para la transferencia de calor entre fluidos.
En este artículo, se explican las fórmulas clave, variables involucradas y ejemplos prácticos para un diseño preciso y eficiente. Además, se presentan tablas con valores comunes y casos reales detallados.
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- Calcular el área superficial de un intercambiador de calor de carcasa y tubos con 50 tubos de 2 cm de diámetro y 3 m de longitud.
- Determinar el área superficial necesaria para un intercambiador de calor de placas con un caudal de 5 m³/h y un coeficiente global de transferencia de calor de 500 W/m²·K.
- Ejemplo de cálculo del área superficial para un intercambiador de calor de doble tubo con un flujo de agua caliente a 80 °C y agua fría a 30 °C.
- Calcular el área superficial requerida para un intercambiador de calor de carcasa y tubos con un coeficiente de transferencia de calor global de 600 W/m²·K y una diferencia de temperatura media logarítmica de 25 °C.
Valores comunes en el cálculo del área superficial de intercambiadores de calor
| Tipo de intercambiador | Diámetro típico (mm) | Longitud típica (m) | Coeficiente global de transferencia de calor U (W/m²·K) | Flujo volumétrico típico (m³/h) | Temperatura de operación (°C) |
|---|---|---|---|---|---|
| Carcasa y tubos | 15 – 50 | 2 – 6 | 300 – 800 | 1 – 20 | 20 – 200 |
| Intercambiador de placas | N/A (área de placas) | 0.5 – 3 (longitud placas) | 500 – 1500 | 0.5 – 10 | 10 – 150 |
| Doble tubo | 10 – 40 (tubo interior) | 1 – 4 | 200 – 600 | 0.1 – 5 | 30 – 150 |
| Intercambiador de aletas | Variable (depende de aletas) | 1 – 5 | 100 – 400 | 0.5 – 15 | 25 – 180 |
| Intercambiador de placas soldadas | N/A | 0.5 – 2 | 600 – 2000 | 0.5 – 8 | 20 – 160 |
Fórmulas fundamentales para el cálculo del área superficial
El área superficial de un intercambiador de calor es la superficie disponible para la transferencia de calor entre dos fluidos. Su cálculo depende del tipo de intercambiador y las dimensiones geométricas.
Área superficial en intercambiadores de carcasa y tubos
Para un intercambiador de carcasa y tubos, el área superficial se calcula principalmente considerando la superficie externa de los tubos por donde fluye el fluido caliente o frío.
Área superficial (A) = π × d_o × L × N
- A: Área superficial total (m²)
- d_o: Diámetro externo del tubo (m)
- L: Longitud del tubo (m)
- N: Número de tubos
Valores comunes:
- Diámetro externo (d_o): 0.015 a 0.05 m (15 a 50 mm)
- Longitud (L): 2 a 6 m
- Número de tubos (N): 10 a 100, dependiendo del diseño
Área superficial en intercambiadores de placas
En intercambiadores de placas, el área superficial corresponde a la suma de las áreas de las placas que separan los fluidos.
A = n × L_p × W_p
- A: Área superficial total (m²)
- n: Número de placas
- L_p: Longitud de cada placa (m)
- W_p: Ancho de cada placa (m)
Valores comunes:
- Longitud de placa (L_p): 0.5 a 3 m
- Ancho de placa (W_p): 0.3 a 1.5 m
- Número de placas (n): 10 a 100
Cálculo del área superficial en intercambiadores de doble tubo
Para intercambiadores de doble tubo, el área superficial se calcula considerando la superficie interna o externa del tubo interior o exterior, según el flujo.
A = π × d × L
- A: Área superficial (m²)
- d: Diámetro del tubo considerado (m)
- L: Longitud del tubo (m)
Valores comunes:
- Diámetro (d): 0.01 a 0.04 m
- Longitud (L): 1 a 4 m
Relación entre área superficial, coeficiente global y transferencia de calor
La transferencia de calor (Q) en un intercambiador se relaciona con el área superficial mediante la siguiente fórmula:
Q = U × A × ΔT_m
- Q: Tasa de transferencia de calor (W)
- U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/m²·K)
- A: Área superficial (m²)
- ΔT_m: Diferencia de temperatura media logarítmica (°C o K)
La diferencia de temperatura media logarítmica (ΔT_m) se calcula con:
ΔT_m = (ΔT_1 – ΔT_2) / ln(ΔT_1 / ΔT_2)
- ΔT_1: Diferencia de temperatura en un extremo (°C)
- ΔT_2: Diferencia de temperatura en el otro extremo (°C)
Variables y valores comunes en el cálculo del área superficial
| Variable | Descripción | Unidad | Valores comunes |
|---|---|---|---|
| d_o | Diámetro externo del tubo | m | 0.015 – 0.05 |
| d_i | Diámetro interno del tubo | m | 0.013 – 0.048 |
| L | Longitud del tubo o placa | m | 1 – 6 |
| N | Número de tubos o placas | adimensional | 10 – 100 |
| U | Coeficiente global de transferencia de calor | W/m²·K | 200 – 2000 |
| Q | Tasa de transferencia de calor | W | Variable según aplicación |
| ΔT_m | Diferencia de temperatura media logarítmica | °C o K | 5 – 50 |
Ejemplos prácticos de cálculo del área superficial
Ejemplo 1: Intercambiador de carcasa y tubos para enfriamiento de agua
Se requiere calcular el área superficial de un intercambiador de carcasa y tubos que tiene 40 tubos con un diámetro externo de 25 mm y una longitud de 4 m. El objetivo es determinar el área disponible para la transferencia de calor.
Datos:
- N = 40 tubos
- d_o = 0.025 m
- L = 4 m
Cálculo:
A = π × d_o × L × N = 3.1416 × 0.025 × 4 × 40 = 12.57 m²
Por lo tanto, el área superficial total disponible para la transferencia de calor es de 12.57 m².
Ejemplo 2: Intercambiador de placas para proceso químico
Un intercambiador de placas consta de 50 placas, cada una con dimensiones de 1.2 m de longitud y 0.8 m de ancho. Se desea conocer el área superficial total para evaluar la capacidad térmica.
Datos:
- n = 50 placas
- L_p = 1.2 m
- W_p = 0.8 m
Cálculo:
A = n × L_p × W_p = 50 × 1.2 × 0.8 = 48 m²
El área superficial total del intercambiador de placas es de 48 m², lo que permite una transferencia de calor eficiente en el proceso.
Consideraciones adicionales para un cálculo preciso
- Corrección por disposición de tubos: En intercambiadores de carcasa y tubos, la disposición (triangular, cuadrada) afecta la eficiencia y el área efectiva.
- Espesor de tubos y placas: El espesor reduce el área efectiva para transferencia de calor y debe considerarse en diseños detallados.
- Coeficiente global U: Depende de la limpieza, materiales, y condiciones de operación; valores típicos se ajustan según normativas como TEMA o ASME.
- Temperatura media logarítmica: Es fundamental para calcular la diferencia de temperatura efectiva y debe calcularse con precisión para evitar errores en el dimensionamiento.
- Normativas y estándares: Se recomienda consultar normas como ASME Section VIII, TEMA, o API 660 para asegurar cumplimiento y seguridad.
Recursos y referencias para profundizar en el cálculo del área superficial
- Heat Exchanger – ChemEurope
- Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)
- ASME Codes and Standards
- Engineering Toolbox – Heat Exchangers
El cálculo del área superficial es un paso crítico en el diseño y análisis de intercambiadores de calor. La correcta selección y dimensionamiento garantizan eficiencia térmica, ahorro energético y seguridad operativa.
Este artículo proporciona las bases técnicas y ejemplos prácticos para que ingenieros y técnicos puedan realizar cálculos precisos y fundamentados, apoyándose en valores comunes y normativas vigentes.