Informe de Práctica de Intercambiador de Placas: Análisis de Eficiencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
INFORME DE LA PRÁCTICA DE INTERCAMBIADOR DE PLACAS
Grupo 1. Subgrupo 2, Universidad Nacional de Colombia sede Manizales.
14 de abril de 2026
Profesores: Ing. Qco. - M. Sc. - Ph. D. Fabio Augusto Mesa Rueda, Ing. Qco. - M. Sc – Luis
Fernando Cortés Henao
1. OBJETIVOS
1.1.Objetivo general
Operar un intercambiador de calor de placas Pasteur flash, en un proceso de enfriamiento,
evaluando su eficiencia bajo distintas condiciones y comprendiendo sus principios teóricos de
funcionamiento.
1.2.
Objetivos específicos
• Realizar los balances térmicos en cada ensayo para evaluar la transferencia de calor.
• Calcular las diferencias de temperatura y caídas de presión en cada fluido durante los ensayos.
• Determinar los coeficientes de transferencia de calor (hio, ho) y los Coeficiente Global de
Transferencia de Calor (Uc, Ud), así como el factor de resistencia térmica (Rd).
• Evaluar la eficiencia de la operación en cada ensayo y graficar su relación con el flujo másico de
agua.
• Comparar los resultados experimentales con datos bibliográficos sobre la eficiencia del equipo
y las condiciones del proceso.
2.
RESULTADOS
De acuerdo con la práctica realizada, en las tablas 1 y 2 se pueden observar los resultados
obtenidos, donde desde Ti-101 hasta Ti-106 se reportan las temperaturas en grados centígrados.
Tabla 1. Resultados obtenidos para diferentes velocidades a presión constante (3 Psig)
150 RPM
Tiempo
[min]
Ti101
Ti102
5
20.1
10
20.5
3PSIG
Ti-103
Ti104
Ti-105
Ti106
Tiempo paraQ [min]
Condensad
o [kg]
Rotámetro
[L/h]
84,7
17.2
20
79.8
15.7
-
-
17±5
85
17.33
20.1
80.2
16.1
13.43
0.55±0.01
15±5
350RPM
19.9
98.7
18.6
20.3
100.6
15.8
-
-
20±4
10
19.8
98.6
18.8
20.5
99.7
15.7
23.19
1.26±0.01
16±4
-
24±4
250RPM
19.8
98.3
80
3 PSIG
5
5
T. del
condensado [℃]
3 PSIG
18
20
101
15.7
-
1
73.6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
10
19.6
98.6
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
18.4
20.2
102
15.8
27.42
1.74±0.01
18±4
73.6
Tabla 1. Resultados obtenidos para diferentes velocidades a presión constante (3 Psig)
150 RPM
5PSIG
Tiempo
[min]
Ti101
Ti102
Ti103
Ti104
Ti105
Ti106
5
21.4
98.4
19
20.5
103
15.8
10
20.6
98.5
19
20.3
103.5
15.8
Tiempo para-Q [min]
Condensado
[kg]
Rotámetro
[L/h]
T. del
condensado[℃]
18±4
10.55
250RPM
0.75±0.01
20 ± 4
77.8
5PSIG
5
22.2
98.6
19.2
20.2
103.2
15.9
10
20.7
98.6
19
20.2
103.8
15.8
29.5±4
11.25
350RPM
1.14±0.01
28±4
74.2
5PSIG
5
20
98.9
20.2
20.7
105.3
15.9
10
20.3
99
20.2
20.8
105.4
15.9
40±4
12.9
1.68±0.01
36 ± 4
81.1
De acuerdo con las ecuaciones expuestas en el curso de Procesos de Transferencia de Calor
(Bibliografía), se obtuvieron los siguientes resultados, excepto la caída de presión ya que sólo se
tenían datos de la entrada del vapor:
2.1 Balances térmicos
Tabla 3. Comparación del calor absorbido QF vs calor cedido Qc
ENSAYO QF (W) QC (W)
1
49.9
1498
2
32.6
1988
3
38.9
2325
4
31.2
2600
5
40.3
3705
6
26.0
4760
2.2 Diferencias de temperatura en cada terminal
Tabla 4. Diferencias de temperatura en cada terminal para cada ensayo
Ensayo
1
2
3
4
5
6
ΔT fría (°C) ΔT caliente (°C)
2.77
1.7
1.8
1.3
1.2
0.6
4.8
1.1
3.4
5.0
5.2
6.4
2.3 Coeficientes globales y resistencia
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
Como el vapor condensante es agua, se estimó ho en 1500 BTU/h-ft2-F y realizando la conversión
correspondiente, los datos se exponen a continuación:
Tabla 5. Coeficientes globales y de resistencia para cada ensayo
Ensayo UC (W/M²·K) UD (W/M²·K) RD (M²·K/W)
1
646.6
50.47
0.0183
2
937.2
52.93
0.0178
3
1186.3
60.70
0.0156
4
646.6
67.41
0.0133
5
937.2
95.68
0.0094
6
1186.3
122.17
0.0073
2.4 Evaluación de la eficiencia de la operación contra el flujo másico de agua.
En la figura 1, se evidencia la relación creciente entre eficiencia y flujo másico, donde se tienen
en cuenta los 6 valores de flujo, siendo los 3 primeros correspondientes a una presión de 3 psig y
los 3 últimos a 5 psig.
Fig 1. Eficiencia vs Flujo másico para cada ensayo
2.5 Comparación de resultados experimentales vs simulación
Dado que no hay información suficiente sobre la relación entre eficiencia y flujo másico en
intercambiadores de placa y no se cuenta con datos de grupos anteriores, se realizó una simulación
en MatLab para comparar los resultados obtenidos (Ver figura 2).
Fig 2. Comportamiento teórico exponencial de la eficiencia contra el flujo másico de agua
3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
3.
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El análisis de los resultados obtenidos en la práctica del intercambiador de calor de placas permite
caracterizar el comportamiento térmico del sistema bajo diferentes condiciones de operación,
particularmente en función del flujo másico y la presión del vapor. En primer lugar, al evaluar los
balances de energía, se identifica una discrepancia considerable entre el calor cedido por el fluido
caliente (Qc) y el calor absorbido por el fluido frío (Qf), siendo Qc significativamente mayor en
todos los ensayos. Este resultado evidencia que el sistema no logra un cierre adecuado del balance
energético, lo cual sugiere la presencia de pérdidas de calor hacia el entorno y posibles
imprecisiones en la medición de variables experimentales. Esta diferencia también puede estar
influenciada por la forma en que se cuantifica el calor en cada corriente, especialmente
considerando que el vapor involucra cambio de fase, lo cual introduce una alta carga energética
asociada al calor latente.
En relación con las diferencias de temperatura, se observa que el fluido frío presenta una
disminución progresiva en su ΔT conforme aumentan las condiciones de operación (mayor flujo
másico), mientras que el fluido caliente tiende a mantener o incluso incrementar su ΔT. Este
comportamiento indica que el aumento del caudal reduce el tiempo de residencia del fluido frío
dentro del intercambiador, limitando su capacidad de absorber calor de manera efectiva. Por otro
lado, el vapor, al condensarse, mantiene un alto potencial de transferencia térmica, lo que le
permite sostener gradientes de temperatura elevados.
Por otra parte, los coeficientes globales de transferencia de calor reflejan una mejora en el
desempeño térmico del sistema. Se observa que tanto el coeficiente global limpio (Uc) como el
coeficiente global experimental (Ud) aumentan con el incremento del flujo másico y la presión,
mientras que la resistencia térmica (Rd) disminuye de manera consistente. Esta tendencia indica
que el sistema se vuelve más eficiente en la transferencia de calor bajo condiciones de mayor
turbulencia, ya que el incremento en el número de Reynolds favorece la disminución de la capa
límite térmica y mejora los coeficientes convectivos. Este comportamiento es consistente con lo
reportado en literatura clásica como Process Heat Transfer y Process Heat Transfer: Principles and
Applications.
Finalmente, al analizar la relación entre la eficiencia del sistema y el flujo másico, se identifica
una tendencia creciente, lo cual confirma que el incremento en el caudal favorece la transferencia
de calor. Este comportamiento es coherente con la teoría de intercambiadores de calor de placas,
donde el aumento del flujo induce condiciones más turbulentas que optimizan el intercambio
térmico. La comparación con el comportamiento teórico sugiere una tendencia de tipo
exponencial, lo cual respalda cualitativamente los resultados experimentales obtenidos.
4.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
A partir de los resultados analizados, se puede afirmar que el desempeño del intercambiador de
calor de placas está fuertemente condicionado por las variables operativas del sistema,
principalmente el flujo másico del fluido frío y la presión del vapor. El incremento de estas
variables conduce a una mejora general en la transferencia de calor, lo cual se evidencia en el
aumento de los coeficientes globales y en la disminución de la resistencia térmica. Esto confirma
que el régimen de flujo juega un papel fundamental en la eficiencia del equipo, siendo la
turbulencia un factor clave para intensificar el intercambio térmico.
Sin embargo, la marcada diferencia entre el calor cedido y el absorbido representa una limitación
importante desde el punto de vista experimental. En un sistema ideal, ambos valores deberían ser
aproximadamente iguales; no obstante, en condiciones reales de laboratorio es común encontrar
desviaciones debido a pérdidas de calor al ambiente, deficiencias en el aislamiento térmico y
errores instrumentales. Este aspecto pone en evidencia la presencia de irreversibilidades en el
sistema y resalta la importancia de considerar estos efectos al momento de analizar y validar los
resultados experimentales.
Adicionalmente, el comportamiento observado en las diferencias de temperatura permite discutir
un aspecto clave en el diseño y operación de intercambiadores: el compromiso entre el aumento
del flujo y la efectividad térmica. Aunque un mayor caudal favorece los coeficientes de
transferencia de calor, también reduce el tiempo de contacto entre los fluidos, lo que puede limitar
el intercambio térmico en una de las corrientes, como se evidenció en la disminución de ΔT del
fluido frío. Este fenómeno es especialmente relevante en intercambiadores de placas, donde la alta
eficiencia depende de un equilibrio adecuado entre régimen de flujo y tiempo de residencia.
Por otra parte, la disminución progresiva de la resistencia térmica sugiere que el ensuciamiento no
fue un factor determinante durante la práctica, y que la mejora en el desempeño del sistema está
dominada principalmente por efectos hidrodinámicos. Esto es consistente con el hecho de que, en
sistemas de corta duración como los de laboratorio, los depósitos o incrustaciones no alcanzan a
desarrollarse de manera significativa.
En conjunto, los resultados permiten validar las tendencias teóricas esperadas para este tipo de
equipos, aunque también evidencian las limitaciones propias de la experimentación. La
concordancia cualitativa con el comportamiento teórico refuerza la comprensión de los fenómenos
de transferencia de calor, mientras que las desviaciones observadas resaltan la importancia de un
adecuado control experimental y del análisis crítico de los datos obtenidos.
5.
CONCLUSIONES
•
El sistema no cumple completamente el balance de energía, ya que el calor cedido por
el fluido caliente (𝑄𝑐 ) es mayor que el absorbido por el fluido frío (𝑄𝑓 ). Esto confirma
la existencia de pérdidas térmicas al ambiente y posibles errores experimentales,
especialmente asociados a la medición del vapor y su calor latente.
5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I
Henao Ocampo, Nicolle 1a, Taimal Taimal, Leidy Paola 1b, Villota Mina, Laura María 1c.
1
•
•
•
•
•
•
6.
•
•
7.
Estudiante del programa curricular de Ingeniería Química.
El flujo másico influye directamente en el desempeño térmico del intercambiador. A
mayor caudal, se incrementan los coeficientes globales de transferencia de calor (𝑈𝑐 ,
𝑈𝑑 ) y disminuye la resistencia térmica (𝑅𝑑 ), evidenciando una mejora en la transferencia
debido al aumento de la turbulencia.
Existe un compromiso entre transferencia de calor y tiempo de residencia. Aunque el
aumento del flujo mejora los coeficientes convectivos, también reduce el tiempo de
contacto, lo que limita la capacidad del fluido frío para absorber calor, reflejado en la
disminución de su Δ𝑇.
El vapor mantiene alta eficiencia térmica debido al cambio de fase, lo que le permite
sostener diferencias de temperatura elevadas y favorecer la transferencia de calor incluso
cuando el flujo del fluido frío aumenta.
La resistencia térmica decreciente indica ausencia significativa de ensuciamiento, por lo
que el comportamiento del sistema está dominado principalmente por efectos
hidrodinámicos y no por incrustaciones.
La eficiencia del intercambiador aumenta con el flujo másico, mostrando una tendencia
creciente (tipo exponencial), lo cual es consistente con la teoría de intercambiadores de
placas y valida cualitativamente los resultados experimentales.
Los resultados experimentales concuerdan con la teoría de transferencia de calor,
aunque presentan desviaciones atribuibles a condiciones reales de operación, lo que
resalta la importancia del análisis crítico en prácticas de laboratorio.
RECOMENDACIONES
Mejorar
el
aislamiento
térmico
del
sistema
Para reducir las pérdidas de calor al ambiente y lograr un mejor cierre del balance de
energía, se recomienda reforzar el aislamiento en tuberías y en el intercambiador.
Optimizar
la
toma
de
datos
experimentales
Implementar instrumentos más precisos o realizar múltiples mediciones para promediar
resultados, especialmente en variables críticas como temperatura, presión y flujo de
vapor, con el fin de disminuir errores y aumentar la confiabilidad de los resultados.
BIBLIOGRAFÍA
- Serth, R. W. (2007). Process heat transfer: Principles and applications. Academic
Press.
- Kern, D. Q. (1950). Process heat transfer. McGraw-Hill.
6