Redes de Intercambio de Calor

CAPITULO 8

REDES DE INTERCAMBIO DE CALOR

Luis Felipe Miranda Z.

Universidad Nacional de San Agustín

En este capítulo se presenta una técnica probada para la optimización energética en

sistemas de proceso que reduce tanto los costos de operación como los de capital en

equipos de intercambio de calor.

El método se basa en el análisis termodinámico a partir de la segunda ley. Se presentan

diversos ejemplos que ilustran el desarrollo de los temas.

8.1 CONCEPTOS BÁSICOS

Cuando se diseña una instalación industrial una de las principales preocupaciones es reducir

los costos: tanto de operación como de inversión de capital en equipos. Sin embargo, en

general la experiencia demuestra que cuando se reducen los costos de operación aumentan

los costos de inversión, requiriendo por ello técnicas específicas de diseño y optimización.

Por ello se han formulado métodos de diseño que parten por minimizar los costos de

operación y luego optimizan las unidades de intercambio de calor presentes en el sistema, si

es preciso sacrificando en parte la meta del costo de operación mínimo. Es decir, estas

técnicas posibilitan reducir el costo de consumo de servicios, tales como vapor y agua de

enfriamiento, manteniendo el número de intercambiadores de calor en un mínimo.

El problema de la síntesis de redes de intercambio de calor consiste en que se tienen

definidas un conjunto de corrientes de proceso, que deben cambiar su temperatura o su

estado (líquido o vapor). Estos cambios en las corrientes se consiguen intercambiando

calor entre las corrientes que necesitan enfriarse con aquellas que necesitan calentarse o

mediante enfriadores y calentadores que emplean agua o vapor, respectivamente. El

objetivo del diseño es identificar la red de intercambiadores de calor que posibilitará

obtener valores mínimos en el consumo de servicios industriales y una inversión de capital

lo más baja posible.

2 Luis Felipe Miranda Z.

Redes de Intercambio de Calor

La técnica que se presenta en este capítulo ha sido desarrollada por Linhoff & Flower

[1978], Linhoff & Turner [1981],Linhoff & Hindmarsh [1984] entre muchos otros

investigadores y se denomina Punto de Estrangulamiento (Pinch Point).

8.2 PRINCIPIOS DEL DISEÑO

El método del Punto de Estrangulamiento se basa en fijar metas bien claras para el sistema

y luego, establecer una representación adecuada que facilite el diseño específico en cada

etapa del proceso. Las metas establecidas para el diseño son las siguientes:

Consumo mínimo de servicios

Mínimo número de unidades de transferencia de calor

Mínima área de intercambio de calor

Se asumen los siguientes supuestos:

1. El calor específico es constante para cada una de las corrientes.

2. Existe una diferencia mínima de temperaturas entre el lado frío y el lado caliente en

los intercambiadores de calor que se selecciona arbitrariamente, pudiendo ser

posteriormente refinada esta selección inicial. Esta diferencia de temperaturas es

constante para todos los intercambiadores.

Los principios para el diseño de redes de intercambio de calor son los siguientes:

1. El Punto de Estrangulamiento (PE) divide el diseño en dos secciones, la caliente y

la fría.

2. No es permisible transferir calor a través del PE para obtener el consumo mínimo de

servicios.

3. No es posible usar servicio de enfriamiento por encima del PE

4. No es posible usar servicio de calentamiento por debajo del PE

5. Cada sección se diseña por separado, empezando desde el PE.

Las etapas para el diseño de procesos son las siguientes:

Descomposición del problema en torno al PE

Identificación de opciones para el intercambio de calor y definición de

restricciones

Bifurcación de corrientes para lograr máximos beneficios

Ubicación de servicios de enfriamiento y calentamiento



8.3 DESCOMPOSICIÓN DEL PROBLEMA

La localización del punto de estrangulamiento así como la determinación del consumo

mínimo de servicios industriales se efectúa en simultáneo con auxilio de una tabla de flujo

de calor.

Ejemplo 1

A continuación se presenta un ejemplo sencillo que ilustra este procedimiento. La Tabla 8.1

presenta los datos básicos de las corrientes de proceso.

Tabla 8.1.- Características de las Corrientes del Ejemplo 1

Corriente Flujo Especifico T inicio T fin

Num. Tipo kW/ºC ºC ºC

1 Caliente 2,0 150 60

2 Caliente 8,0 90 60

3 Fría 2,5 20 125

4 Fría 3,0 25 100

Fuente.- Linhoff & Hindmarsh

En la tabla 8.2 se presentan las corrientes anteriores pero divididas en sub-intervalos. Cada

sub-intervalo queda definido por las temperaturas de inicio y de fin de las corrientes. Por

ejemplo el subintervalo está especificado por la temperatura de inicio de la corriente 2 y por

la temperatura final de la corriente 4.

Tabla 8.2.- Cálculo del Flujo de Calor

Sub-

inter-

valo

CORRIENTES

Déficit

A

Acumulado Flujo de Calor

FRIAS CALIENTES In

B

Out

C

In

E

Out

F 3 4 Tf Tc 1 2

150

1 125 145 -10 0 10 107,5 117,5

2 100 120 12,5 10 -2,5 117,5 105

3 70 90 105 -2,5 107,5 105 0

4 40 60 -135 -107,5 27,5 0 135

5 25 82,5 27,5 -55 135 52,5

6 20 12,5 -55 -67,5 52,5 40

Fuente.- Linhoff & Hindmarsh



Es importante observar que para asegurar la factibilidad de la transferencia de calor debe

existir una diferencia mínima de temperatura entre las corrientes frías y las corrientes

calientes, que para este ejemplo tiene el valor de 20 ºC.

La factibilidad del intercambio de calor completo entre todas las corrientes calientes y frías

en cada sub-intervalo es mostrada en la columna Déficit (A). Cuando existe un excedente de

calor el signo es negativo y si se presenta un déficit este es positivo.

Otra característica importante de la tabla de descomposición es la posibilidad de

transferencia de calor de un sub-intervalo de mayor temperatura hacia uno de menor

temperatura (cascada). Vale decir que el excedente de calor de un sub-intervalo puede ser

usado por otros sub-intervalos de menor temperatura. Las cantidades de calor que pueden

ser transferidas se calculan en las columnas B y C. Para ser factible, la transferencia de

calor de un sub-intervalo de mayor temperatura al siguiente no debe tener un valor

negativo. Entonces si en las columnas B y C se generan valores negativos, se debe

incrementar el ingreso de calor al sub-intervalo 1, hasta que todos los flujos sean positivos

o cero, tal como se muestra en las columnas D y E.

En consecuencia, el consumo mínimo de servicio caliente está dado por el ingreso de calor

al sub-intervalo 1, columna D; de otro lado, el consumo mínimo de servicio frío, está

especificado por el flujo de calor de salida del sub-intervalo más frío, columna E.

El déficit de calor se calcula mediante la siguiente formula: q = FCU (T2 – T1)

Sub-intervalo 1: 2(145-150)= -10

Sub-intervalo 2: 2(120-145) + 2,5(125-100) = 12,5

Sub-intervalo 3: 2(90-120) + 2,5(100-70)+ 3,0(100-70) = 105

Es decir, en cada sub-intervalo se multiplica el valor del flujo específico de cada corriente

por el incremento de temperaturas correspondiente al sub-intervalo. Luego, se suman todos

los productos de todas las corrientes presentes. Por ejemplo, en el caso del sub-intervalo 3,

la diferencia de temperaturas correspondiente es de 30. Luego, el cálculo se simplifica

como: 30 [-2 + 2,5 + 3,0] = 30 ( 3,5) = 105.

En las columnas correspondientes al acumulado se registra como ingreso al proceso en el

primer sub-intervalo el valor de cero. Los valores correspondientes a la salida se calculan

restando del valor de ingreso el valor del déficit.

En la columna del flujo de calor de ingreso se registra el valor negativo mayor de la

columna de ingreso, pues no puede existir un flujo de calor negativo; en este caso

corresponde al valor de 107,5. La respectiva columna de salida del flujo de calor se

obtiene restando el déficit de la columna de entrada.

Esta tabla proporciona valiosísima información par el diseño. Se ha determinado lo

siguiente:

El requerimiento mínimo de servicio caliente (vapor) es de 107,5 kW

El consumo mínimo del servicio frío (agua de enfriamiento) es de 40 kW



El punto de estrangulamiento (PE) para las corrientes calientes es de 90 ºC y para

las corrientes frías de 70 ºC.

8.4 EL PUNTO DE ESTRANGULAMIENTO

Como se ha visto anteriormente y se ha ejemplificado, el Punto de Estrangulamiento, PE, es

la temperatura a la cual el flujo de calor es nulo.

Una de las bases esenciales del método es dividir el problema en dos partes, segmentadas

por el PE, tal como se presenta en la Figura 8.1

Figura 8.1.- Segmentación del Problema

SI 1

SI 2

SI 3

SI 4

SI 5

SI 6

3 4

PE

107,5

117,5

105

0

135

52,5

40

1 2

Parte Superior

Parte Inferior

40

107,5



En la Figura 8.1 se representa la segmentación del ejemplo 1. Como se aprecia en el punto

de estrangulamiento el flujo de calor es cero. Asimismo se observa que se ingresa al

sistema una cantidad mínima de calor (107,5). Si esta cantidad de calor se incrementa,

entonces se va a transferir calor a través del PE y la cantidad de calor liberada (servicio

frío) aumentará proporcionalmente. Por ello, no se debe transferir calor por el PE. De

modo semejante si en la parte superior del problema se emplea un servicio frío, aumentará

proporcionalmente el calor liberado por el servicio frío en la parte fría. Lo opuesto también

vale, es decir, no se debe calentar en la parte inferior del diseño.

Esta situación se representa en la Figura 8.2.

Figura 8.2.- Rompiendo la condición de Servicios Mínimos

Debido a la gran importancia del PE, es que el diseño de las redes de intercambio de calor

se realiza a partir de este punto.

8.5 DETERMINACIÓN DEL MÍNIMO NÚMERO DE UNIDADES

Es importantísimo mantener el número de intercambiadores de calor tan bajo como sea

posible. El número mínimo de unidades se determina a partir de la fórmula:

Umin = N – 1 (8.1)

Siendo N el número de las corrientes del proceso más el número de servicios introducidos,

como por ejemplo, vapor, agua de enfriamiento y refrigerante. Se debe contabilizar el valor

107,5 + X

X

40+X

107,5 + Y

Y

0 0

40

Z

40+Z

107,5



de N para cada lado del diseño independientemente, vale decir, para el lado caliente y el

lado frío.

Para el ejemplo 1 el número de corrientes de proceso y servicios para la parte superior es de

cuatro y para la parte inferior es de cinco, tal como se muestra en la figura 8.1.

8.6 DIAGRAMA FLUJO CALÓRICO-TEMPERATURA

Como se ha podido apreciar del ejemplo 1, presentado en la Tabla 8.2, los flujos calóricos

dependen de la diferencia mínima de temperatura que existe entre las corrientes frías y las

corrientes calientes. Ello se aprecia con mayor claridad en el diagrama de flujo calórico

versus temperatura.

Para construir este diagrama en primer lugar se calculan los flujos calóricos mínimos

correspondientes a los servicios, usando un procedimiento análogo al presentado en la

Tabla 8.2. Entonces se define el flujo calórico (FC) correspondiente a la temperatura más

fría de cualquier corriente del tipo caliente como condición base. Para el ejemplo 1 esta

temperatura es de 60 ºC. A esta temperatura corresponde FC = 0. Luego se calcula el flujo

calórico acumulado en cada sub-intervalo como la suma de los flujos de las corrientes

calientes, en la medida que se pasa a sub-intervalos de mayor temperatura. Luego se

grafica el FC acumulado respecto de la temperatura, llamándose a ésta la Curva Compuesta

de las Corrientes Calientes, como se ilustra en la Figura 8.3. Los cálculos para las

corrientes calientes se ejecutan en la Tabla 8.3 y para las corrientes frías en la Tabla 8.4.

En el caso de las corrientes frías, a la menor temperatura en que se presenta alguna

corriente fría se asigna el FC igual al requerimiento mínimo de servicio frío, que para el

ejemplo 1 es de 40 kW. Luego se calculan las entalpías cumulativas como en el caso de las

corrientes calientes.

Tabla 8.3.- Flujo Acumulado para las Corrientes Calientes

Sub- Tempera. Corrientes Flujo Flujo

Intervalo ºC 1 2 Calórico Acumulado

60 1 1 0 0

4 90 1 1 300 300

3 120 1 0 60 360

2 145 1 0 50 410

1 150 1 0 10 420

Fuente.- Elaboración Propia

Tabla 8.4.- Flujo Acumulado para las Corrientes Frías

Sub- Tempera. Corrientes Flujo Flujo

Intervalo ºC 3 4 Calórico Acumulado

20 1 0 40 40

6 25 1 1 27.5 67.5

5 40 1 1 82.5 150



4 70 1 1 165 315

3 100 1 1 165 480

2 125 1 0 62.5 542.5

Fuente.- Elaboración Propia

Se ilustra en la Figura 8.3 los flujos calóricos acumulados tanto para las corrientes calientes

como para las corrientes frías. Gráficas de este tipo son importantes para evaluar el efecto

de la diferencia mínima de temperaturas entre las corrientes calientes y las corrientes frías.

No todos los problemas de redes de intercambio de calor presentan un PE. En estos casos,

al aumentar el valor de la diferencia mínima de temperaturas entre las corrientes calientes y

las frías se logra introducir un PE. Los diagramas FC vs. Temperatura permiten visualizar

este efecto.

Un diagrama complementario también muy empleado es el de la Gran Curva Compuesta.

Para elaborarlo se parte por considerar que el flujo calórico en el PE es nulo a la

temperatura promedio del PE entre las corrientes calientes y las frías (para el ejemplo 1, el

promedio es 80 ºC). Los flujos calóricos netos para los sub-intervalos de mayor temperatura

se calculan como la diferencia entre el flujo de las corrientes calientes menos el flujo de las

corrientes frías a la temperatura promedio. Estos valores se pueden fácilmente extraer de la

tabla 8.2, obteniéndose los resultados presentados en la tabla siguiente.

Tabla 8.5.- Datos para Gran Curva Compuesta

Sub-

intervalo

Temperatura

Promedio, ºC

Flujo de

Calor, kW

6 30 40

5 35 52,5



4 50 135

3 80 0

2 110 105

1 135 117,5

8.7 REPRESENTACIÓN DE LA SÍNTESIS

Para el diseño de redes de intercambio de calor se requiere como un requisito esencial una

representación que facilite este proceso. Como se ha justificado anteriormente, es necesario

desagregar el diseño en dos partes en torno al punto de estrangulamiento (PE): parte

superior y parte inferior.



Figura 8.5.- Diagrama de Enlaces

La Figura 8.5 representa un diagrama de Enlaces Factibles para el ejemplo 1. Los

componentes del Diagrama de Enlaces son:

Fila que tipifica el caso: superior o inferior. Superior se refiere al diseño para

temperaturas mayores al PE; Inferior, hace referencia al diseño para temperaturas

inferiores al PE.

Fila de Reglas de Enlace. Aquí se presentan las reglas existentes para lograr enlaces

factibles.

Cuadro de representación de corrientes mediante sus respectivos Flujos Calóricos

Específicos

Fila de Indicación de condición de corrientes, es decir, si estas son frías o calientes.

En la figura 8.5 el cuadro de representación de la corriente caliente ubica un rectángulo

sobre ella para resaltar que esta corriente debe obligatoriamente ser enlazada.

En la Figura 8.6 se ilustra el Diagrama de la Red Calórica, que facilita la ubicación y

asignación de enlaces entre las corrientes.

En este diagrama se está presentando el diseño del lado superior para el ejemplo 1. Las

líneas horizontales que están marcadas con 1, 2 y 3, representan a las corrientes del

proceso. Las dos líneas paralelas del lado derecho corresponden al punto de

estrangulamiento. Al lado derecho del diagrama se han colocado como recordatorio los

SUPERIOR

NH <= NC (FCE)H <= (FCE)C

CALIENTE FRIA

2 3

2,5

SUPERIOR

CALIENTE FRIA

NH <= NC (FCE)H <= (FCE)C

2 3

2,5

A B



valores de los flujos calóricos específicos para cada corriente. Los valores en negrita

corresponden a los flujos calóricos intercambiados por los enlaces (intercambiadores de

calor) entre corrientes. Los demás valores corresponden a las temperaturas de las

corrientes. Es decir, en este diagrama se indica que se está transfiriendo calor entre las

corrientes 1 y 4, que corresponde a 90 kW. De modo análogo existe un intercambiador de

calor entre las corrientes 1 y 3, que intercambia 30 kW. Además la corriente 3 es pasada

por un calentador que opera con vapor que tiene una carga calórica de 107,5 kW.

8.8 REGLAS PARA EL DISEÑO EN EL PE

El diseño de redes de intercambiadores de calor se inicia en las inmediaciones del Punto de

Estrangulamiento. Entonces es vital garantizar un adecuado diseño a partir del punto de

estrangulamiento tanto hacia el lado caliente como hacia el lado frío. Para lograr un diseño

que mantenga la meta de un mínimo consumo de servicios es necesario evitar introducir

servicio de enfriamiento en la parte superior y servicio de calefacción en parte inferior del

diseño.

Es decir, es preciso garantizar que se seleccionen los enlaces correctos entre las corrientes.

Para ello se tienen dos reglas esenciales.

Número de Corrientes

En la parte superior, en las inmediaciones del PE, se debe disponer de un enlace para que

se enfríe cada una de las corrientes calientes, evitando así la transferencia de calor en el PE.

Es decir se debe cumplir la regla:

NC <= NF Parte Superior (8.2)

1

3

4

FCE

2,0

3,0

2,5

150º 90º

125º 70º

100º 70º

90

30 107,5

H

P.E.

Figura 8.6.- Diagrama de Red Calórica Superior



Siendo NC el número de corrientes calientes y NF el número de corrientes frías. La regla

opuesta es válida para la parte inferior:

NF <= NC Parte Inferior (8.3)

Si no se cumplen las reglas (8.2) u (8.3), entonces las corrientes se deben bifurcar hasta

satisfacer dichas condiciones.

Flujos Calóricos Específicos

Para que en la parte superior, los enlaces entre corrientes después de aquellos realizados en

las inmediaciones del PE, no tengan temperaturas decrecientes, se debe satisfacer la

igualdad:

(FCE)C <= (FCE)F Parte Superior (8.4)

Siendo FCE el flujo calórico específico. Para la parte inferior es válido el criterio opuesto:

(FCE)F <= (FCE)C Parte Inferior (8.5)

Si no se cumplen las condiciones (8.4) y (8.5) entonces las corrientes se pueden bifurcar

hasta satisfacer este par de ecuaciones. Es importante establecer que las desigualdades

(8.4) y (8.5) se aplican sólo en el punto de estrangulamiento. Más allá del PE las gradientes

de temperatura pueden haber incrementado lo suficiente como para permitir enlaces en los

que no se cumplan las condiciones indicadas.

Diferencial de Flujos Calóricos

Los diferenciales de flujos calóricos para los enlaces entre corrientes se definen como:

Δ(FCE) = (FCE)F - (FCE)C Parte Superior (8.6)

Δ(FCE) = (FCE)C - (FCE)F Parte Inferior (8.7)

Se plantean ecuaciones similares para las diferencias entre la suma total de los FCE´s de las

corrientes calientes y de las frías en el PE.

NC

C

NF

FTOTAL FCEFCEFCE11

)()()( (8.8)

NF

F

NC

CTOTAL FCEFCEFCE11

)()()( (8.9)

En las ecuaciones anteriores NF es el número de corrientes frías y NC el número de

corrientes calientes.

Una regla importantísima para que el diseño sea factible, es que la Δ(FCE) entre las

corrientes a enlazar sea igual o menor que la Δ(FCE)TOTAL . Por ello la tabla de enlaces es

un instrumento muy útil en el diseño.

En la siguiente figura se presentan dos casos. En la primera se aprecia que la diferencia de

flujos calóricos para todas las corrientes es 3. Además, el flujo calórico específico para

cada enlace es igual a uno, haciendo un total de 2. Es decir, el Δ(FCE)TOTAL es superior a la

suma de los Δ(FCE) de cada intercambiador de calor. Por ello, el diseño es viable. En el

segundo caso, en cambio, esto no ocurre.



Figura 8.7.- Criterios de Factibilidad de Enlace entre Corrientes en el PE

8.9 ALGORITMO DE DISEÑO

Para el diseño de redes de intercambio de calor se identifica la siguiente secuencia de

etapas:

1. Ordene los datos de cada corriente del proceso, indicando:

tipo de corriente (fría o caliente)

temperatura inicial

temperatura final

flujo calórico específico, que se obtiene multiplicando el flujo másico por el

calor específico de la corriente

Δ(FCE)TOTAL =(5+3+1)-(4+2) =3 Δ(FCE)IC=(5-4)+(3-2)=2 FACTIBLE

FCE

4

2

5

3

1

3

2

8

1

Δ(FCE)TOTAL =(8+1)-(3+2) =4 Δ(FCE)IC=8-2=6 NO FACTIBLE



2. Defina los sub-intervalos de temperatura seleccionando una diferencia mínima de

temperaturas entre las corrientes calientes y las frías.

3. En el diagrama de sub-intervalos correspondiente calcule los flujos de calor y los

requerimientos de servicio caliente y servicio frío, así como el punto de

estrangulamiento.

4. Si no se obtiene un PE en el problema modificar la diferencia de temperaturas

mínima y repetir el paso (3).

5. Divida el problema de diseño en dos partes: superior, por encima del PE; e inferior,

por debajo del PE.

6. Calcule el número mínimo de unidades en cada lado del diseño.

7. Inicie el diseño de la parte Superior a partir del PE. Tenga en cuenta las reglas

dadas por las expresiones (8.2), (8.4), (8.6) y (8.8), construyendo el diagrama de

enlaces y el diagrama de red calórica.

8. Inicie el diseño de la parte Inferior a partir del PE. Tenga en cuenta las reglas

dadas por las expresiones (8.3), (8.5), (8.7) y (8.9), construyendo el diagrama de

enlaces y el diagrama de red calórica. Si estas condiciones no se cumplen, entonces

es necesario bifurcar las corrientes.

9. En el proceso de diseño es necesario agotar toda la carga calórica de las corrientes

enlazadas, para garantizar el número mínimo de servicios industriales.

10. Verifique el diseño de la red calórica en las inmediaciones del PE, asegurando que

todas las corrientes que se encuentran en las inmediaciones del PE están

debidamente enlazadas, para garantizar que no se transfiera calor a través del PE.

11. Proceda a diseñar el problema remanente, fuera de las inmediaciones del PE, con

mano libre.

8.10 EJEMPLOS

Para culminar con el ejemplo 1 se presenta en la figura siguiente los diagramas de enlace

para la parte Superior y la Inferior. Como se aprecia la parte Inferior se ha bifurcado la

corriente caliente 2 que tiene un FCU=8, en dos corrientes con FCE= 3 y FCE=5,

respectivamente.



Ejemplo 2

En un proceso industrial se encuentran las siguientes corrientes:

Corriente FCE T ingreso T salida

No. Tipo kW/ºC ºC ºC

1 Caliente 2 150 60

2 Caliente 8 100 40

3 Fría 4 20 130

4 Fría 3 10 100

Si la diferencia de temperaturas mínima es de 10 ºC, determinar:

a) Los consumos mínimos de servicios industriales

b) La temperatura de frontera

c) El número mínimo de unidades

d) El diseño del lado caliente

e) El diseño del lado frío

Resolución

En la siguiente tabla se presentan los sub-intervalos de temperatura para el problema, así

como los flujos calóricos, el consumo mínimo de servicios y la temperatura de frontera.

SUPERIOR

CALIENTE FRIA

NC <= NF (FCE)C <= (FCE)F

2 3

2,5

INFERIOR

CALIENTE FRIA

NC <= NF (FCE)C <= (FCE)F

8 3

2,5 2

3

5

Figura 8.8..- Diagramas de Enlace para Ejemplo 1



Tabla 8.6.- Balance Calórico para Ejemplo 2

Inter-

valo

de

Temp.

Corrientes Balance calórico por sub-intervalos

Lado Frío Lado Caliente Défi-

cit

Acumulado Flujo Calor

3 4 Tfría T cal 1 2 In Out In Out

140 150

1 130 140 -1 -20 0 20 90 110

2 1 100 110 -1 60 20 -40 110 50

3 1 1 90 100 -1 50 -40 -90 50 0

4 1 1 50 60 -1 -1 -120 -90 30 0 120

5 1 1 30 40 -1 -20 30 50 120 140

6 1 20 30 -1 40 50 10 140 100

FCE 4 3 2 8

Fuente.- Elaboración propia

Los resultados significativos de la tabla anterior son:

Requerimiento de servicio caliente: 90 kW

Requerimiento de servicio frío: 100 kW

Punto de Estrangulamiento: 90 – 100 ºC.

En la tabla siguiente se presenta el diseño del lado caliente:

Tabla 8.7.- Diseño del Lado Caliente

Corriente T in T out FCE Q Enlace 1-3

No. Tipo ºC ºC kW/ºC kW Q1-3 Q resid T salida

1 Cal 150 100 2 100 100 0 100

3 Fría 90 130 4 -160 -100 -60 115

4 Fría 90 100 3 -30 -30

Suma del Flujo Calórico -90 0 -90


Es decir, en esta tabla se identifica la posibilidad de enlazar la corriente 1 con la corriente 3.

El calor intercambiado es de 100 kW y el calor residual para la corriente 3 es de 60 kW,

habiéndose calentado hasta 115 ºC, cuando su temperatura final debiera ser de 130 ºC. Es

decir, se requiere un calentador operando con vapor que suministre estos 60 kW, tal como

fue predicho en la tabla anterior.

A continuación se plantea el diseño del lado frío para el ejemplo 2.



Tabla 8.8.- Diseño del Lado Frío

Corriente T in T out FCE Q

No. Tipo ºC ºC kW/ºC kW

1 Cal 100 60 2 80

2 Cal 100 40 8 480

3 Fría 20 90 4 -280

4 Fría 30 90 3 -180


Se aprecia en la tabla 8.8 que para satisfacer la regla de las FCE es preciso bifurcar la

corriente 2.

Tabla 8.9.- Diseño del Lado Frío con Bifurcación

Corriente T in T out FCE Q Enlace 2A-3 Enlace 2B-4

No. Tipo ºC ºC kW/ºC kW Q2A-3 Qres Ts Q2B-4 Qres Tsal

1 Cal 100 60 2 80 80 80

2A Cal 100 40 5 300 280 20 44 20

2B Cal 100 40 3 180 180 180 0 40

3 Fría 20 90 4 -280 -280 0 90 0

4 Fría 30 90 3 -180 -180 -180 0 90

Suma del Flujo Calórico 100 0 100 0 100


Como se aprecia, el enlace de las corrientes 2B-4 se da hasta el agotamiento de ambas

corrientes. En el enlace de las corrientes 2A-3 la corriente 2A tiene un calor residual de 20

kW.

Un diagrama del diseño efectuado se presenta en la figura adjunta.



3

4

FCE

2

3

4

150º 100

º

130º 90º

100º 90º

30

100 60

H

P.E.

1

H

Diseño del Lado Caliente

3

4

60º

100º

90º

100

º

90º

180

C=20

0

280

C=80

P.E.

1

FCE

2

3

4

2 8 40º

20º

30º

Diseño del Lado Frío



8.11 PROBLEMAS

Problema 1

En una planta se dispone del conjunto de corrientes que se presenta en la tabla adjunta

Corrientes FCE T ent T sal Q

Nro. Tipo 103 BTU/h.ºF ºF ºF 10

3 BTU/h

1 Caliente 1 250 120 130

2 Caliente 4 200 100 400

3 Fría 3 90 150 -180

4 Fría 6 130 190 -360

Si la diferencia mínima de temperaturas entre las corrientes frías y las corrientes calientes

es de 10 ºF, especificar:

a) El punto de estrangulamiento

b) El consumo de calor por servicio caliente (vapor)

c) El consumo de calor por servicio frío (agua de enfriamiento)

d) El diagrama de enlaces de la parte superior

e) El diagrama de enlaces de la parte inferior

f) El número mínimo de intercambiadores de calor

g) El diseño en las inmediaciones del punto de estrangulamiento

Problema 2

Dadas las siguientes corrientes de un proceso petroquímico:

Corrientes FCE T ent T sal

Nro. Tipo MW/ºC ºC ºC

1 Caliente 0,30 300 80

2 Caliente 0,45 200 40

3 Fría 0,40 40 180

4 Fría 0,60 140 280

Si la diferencia mínima de temperaturas entre las corrientes frías y las corrientes calientes

es de 20 ºC, especificar:

a) El punto de estrangulamiento

b) El consumo de calor por servicio caliente (vapor)

c) El consumo de calor por servicio frío (agua de enfriamiento)



d) El diagrama de enlaces de la parte superior

e) El diagrama de enlaces de la parte inferior

f) El número mínimo de intercambiadores de calor

g) El diagrama de redes de la parte superior

h) El diagrama de redes de la parte inferior

Problema 3

En un proceso industrial se cuenta con las siguientes corrientes:

Corrientes FCE T ent T sal

Nro. Tipo MW/ºC ºK ºK

H1 Caliente 1 400 120

H2 Caliente 2 340 120

C1 Fría 1,5 160 400

C2 Fría 1,3 100 250

Construya tres gráficas del diagrama Flujo Calórico – Temperatura

considerando para cada una la diferencia mínima de temperaturas entre las

corrientes calientes y las corrientes frías igual a:

a) 10 ºK

b) 20 ºK

c) 30 ºK

Interprete los resultados obtenidos e indique cuál diferencia de temperatures

considera más conveniente para el diseño.

Problema 4

Para las corrientes de proceso dadas en la siguiente tabla determine:

a) El consumo de servicio caliente

b) El consumo de servicio frío

c) El punto de estrangulamiento

d) El diagrama de enlaces para la parte superior

e) El cumplimiento de las reglas del diseño de la parte superior para cada

enlace

f) El número mínimo de intercambiadores de calor en la parte superior



g) El diseño de la red en la parte superior

CORRIENTE

FLUJO

CALOR TIN TOUT

NO. TIPO kW/ºC ºC ºC

A Caliente 3 170 40

B Caliente 2 110 60

C Fria 4 40 90

D Fría 3 50 125

E Fría 1 30 100

Problema 5

Para las corrientes de proceso dadas en la siguiente tabla determine:

a) El consumo de servicio caliente

b) El consumo de servicio frío

c) El punto de estrangulamiento

d) El diagrama de enlaces para el lado caliente

e) El cumplimiento de las reglas del diseño del lado caliente para cada

enlace

f) El número mínimo de intercambiadores de calor en el lado caliente

g) El diseño de la red en el lado caliente

CORRIENTE FLUJO TIN TOUT DT min

NO. TIPO kW/ºC ºC ºC ºC

1 Cal 6 125 25 20

2 Cal 1 100 45

3 Cal 4 250 70

4 Fría 2 45 150

5 Fría 2 60 115

6 Fría 7 45 200

7 Fría 3 5 60



REFERENCIAS

Biegler, Lorenz T., Ignacio E. Grossmann & Arthur W. Westerberg, 1997. Systematic

Methods of Chemical Process Design. Chapter 16. Prentice Hall International. New York.

ISBN 0-13-494222-3.

Douglas, James M., 1988. Conceptual Design of Chemical Processes. Chapter 8. Mc Graw

Hill Book Company. New York, ISBN 0-07-017762-7.

Linhoff & Flower. Synthesis of heat Exchanger Networks, AIChE Journal, July 1978,Vol.

24 (4), p. 633.

Linhoff & Hindmarsh. The Pinch Design Method for Heat Exchanger Networks. Chemical

Engineering Science, Vol 38 (5), 1983, p. 745.

Linhoff & Turner. Heat-recovery Networks: New Insights Yield Big Savings. Chemical

Engineering. November 2, 1981.

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Redes de Intercambio de Calor

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