Para una evaluación preliminar, utilice un coeficiente global de transferencia de calor independiente para cada zona térmica, en lugar de un solo coeficiente para todo el intercambiador. Las reglas heurísticas comunes para intercambiadores multitubulares son 850 W/(m²·°C) para servicios de agua a líquido y condensadores, 280 W/(m²·°C) para servicios de líquido a líquido, 60 W/(m²·°C) para servicios de líquido a gas, 30 W/(m²·°C) para servicios de gas a gas y aproximadamente 1.140 W/(m²·°C) para rehervidores. Estos son valores iniciales para cálculos preliminares; cuando estén disponibles, los datos medidos de la planta piloto o los cálculos detallados de resistencias deben reemplazarlos.

En un intercambiador de varias zonas, asigne un valor (U) distinto a cada región, como calentamiento sensible de líquidos, ebullición, condensación o calentamiento de gases. El valor adecuado depende principalmente de las fases, el régimen de flujo, el estado de ensuciamiento, la geometría del intercambiador y de si el coeficiente se basa en el área interna o externa de los tubos.

Por qué es necesaria la evaluación de varias zonas

Las distintas zonas tienen diferentes resistencias térmicas

Una corriente de proceso puede atravesar varios regímenes de transferencia de calor en un mismo intercambiador. Por ejemplo, puede experimentar calentamiento sensible de líquido, hervir en una región separada y luego someterse a calentamiento de vapor sobrecalentado.

La resistencia dominante cambia entre estas regiones. Una zona de ebullición puede tener un coeficiente de transferencia de calor mucho mayor que una zona de calentamiento de gas, por lo que aplicar un único valor promedio de (U) puede representar incorrectamente el área requerida en cada sección.

Cada zona tiene su propia carga térmica

Para cada zona, calcule la carga térmica a partir del caudal másico, la capacidad calorífica y el cambio de temperatura o de fase correspondientes:

[ Q_z = U_z A_z \Delta T_{\mathrm{lm},z} ]

Aquí, (Q_z), (U_z), (A_z) y (\Delta T_{\mathrm{lm},z}) son la carga térmica, el coeficiente global, el área y la diferencia de temperatura media logarítmica de la zona (z), respectivamente.

La carga térmica total del intercambiador es la suma de las cargas de las zonas, pero el área debe evaluarse zona por zona.

Valores estándar preliminares de (U)

Servicio de agua a líquido

Una regla heurística común para el servicio de agua a líquido es:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Este valor es adecuado como estimación preliminar general cuando ambas corrientes son líquidas y al menos una de ellas es agua.

Para el servicio de agua a agua, referencias más amplias de plantas piloto y diseño pueden utilizar aproximadamente 800-1.500 W/(m²·°C), mientras que algunas referencias empíricas indican 850-1.700 W/(m²·°C). El valor seleccionado debe reflejar la velocidad de flujo, las dimensiones de los tubos, el margen por ensuciamiento y la base de área utilizada.

Condensadores

Para una regla heurística general de condensadores:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Este es un punto de partida amplio. La condensación de vapor a agua puede admitir valores considerablemente mayores, con rangos de diseño complementarios de aproximadamente 1.420-4.250 W/(m²·°C) o, para el servicio de calentamiento de agua con vapor, de 1.500-4.000 W/(m²·°C).

El rango superior no debe aplicarse automáticamente a todos los condensadores. El drenaje del condensado, los gases no condensables, la resistencia del lado del vapor y el ensuciamiento pueden reducir considerablemente el coeficiente real.

Servicio de líquido a líquido

Para un intercambio genérico de líquido a líquido:

[ U \approx 280\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Esta es una regla heurística conservadora para el trabajo preliminar. Los sistemas de agua a agua suelen alcanzar valores mayores porque el agua tiene propiedades térmicas favorables y a menudo opera a velocidades de flujo relativamente altas.

El servicio con disolventes orgánicos suele representarse mediante un rango más amplio de aproximadamente 100-300 W/(m²·°C). El servicio con aceites ligeros puede situarse cerca de 100-400 W/(m²·°C), mientras que el servicio con aceites pesados suele ser menor, alrededor de 50-300 W/(m²·°C).

Servicio de líquido a gas

Para el intercambio de líquido a gas:

[ U \approx 60\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

La convección del lado del gas suele ser la resistencia dominante, por lo que estos coeficientes son mucho menores que los correspondientes al servicio de líquido a líquido.

Las referencias para sistemas de agua a gas abarcan aproximadamente 17-280 W/(m²·°C), lo que refleja la gran variación en la velocidad del gas, la presión, la densidad, la geometría y si el gas experimenta un cambio de fase.

Servicio de gas a gas

Para el servicio de gas a gas:

[ U \approx 30\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Un rango práctico más amplio es aproximadamente 10-50 W/(m²·°C). El extremo inferior es más representativo de corrientes de gas con baja velocidad o mezcla deficiente, mientras que los valores superiores requieren una convección más intensa y una geometría favorable del equipo.

Rehervidores

Para los cálculos preliminares de rehervidores:

[ U \approx 1{,}140\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

El rendimiento del rehervidor también debe comprobarse respecto al flujo de calor permitido. Un límite máximo de flujo de calor citado es aproximadamente 31,5 kW/m², aunque el límite aplicable depende de las propiedades del fluido, la presión, el régimen de ebullición, el estado de la superficie y el diseño del equipo.

Calentamiento de líquidos viscosos con vapor

El calentamiento de aceites pesados mediante vapor puede tener un coeficiente global en el rango aproximado de 60-450 W/(m²·°C).

El amplio rango refleja la fuerte influencia de la viscosidad del aceite, la temperatura, el patrón de flujo y el ensuciamiento. Un coeficiente elevado del lado del vapor no garantiza un valor global (U) alto, porque la resistencia del lado del líquido viscoso puede ser dominante.

Cómo aplicar los valores por zona

Zona de calentamiento sensible de líquidos

Para un líquido que se calienta sin cambio de fase, seleccione un valor de líquido a líquido si ambos lados son líquidos. Un valor preliminar cercano a 280 W/(m²·°C) es una elección genérica, mientras que el servicio de agua a agua puede justificar un valor en el rango de 800-1.500 W/(m²·°C) cuando las condiciones de operación lo permitan.

Zona de ebullición o rehervido

Para una región de ebullición, utilice una estimación de rehervidor o de servicio de ebullición en lugar del coeficiente correspondiente al calentamiento sensible de líquidos. Puede utilizarse un valor inicial cercano a 1.140 W/(m²·°C) para un rehervidor, sujeto a comprobaciones del flujo de calor y del régimen de ebullición.

Zona de condensación

Para la condensación de vapor, comience con la regla heurística de condensador de 850 W/(m²·°C), a menos que el servicio sea específicamente comparable con la condensación de vapor limpio a agua. Las referencias para la condensación de vapor pueden admitir valores en el rango de 1.420-4.250 W/(m²·°C), pero el extremo inferior o un valor medido pueden ser más adecuados para equipos piloto.

Zona de calentamiento o enfriamiento de gases

Para una región de gas, utilice aproximadamente 60 W/(m²·°C) para el servicio de líquido a gas o 30 W/(m²·°C) para el servicio de gas a gas. Estas zonas suelen requerir un área desproporcionadamente grande debido a que el coeficiente de película del lado del gas es relativamente bajo.

Cómo se determina (U)

Determinación experimental

El coeficiente más fiable para un intercambiador piloto específico se obtiene bajo las condiciones reales de operación. Mida los caudales y las temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes, calcule la carga térmica, determine la DTM específica de la zona y resuelva:

[ U = \frac{Q}{A\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

Un valor determinado experimentalmente es específico de las propiedades de los fluidos ensayados, los caudales, la geometría del intercambiador, el estado de ensuciamiento y la configuración operativa. No debe transferirse de forma acrítica a otra zona o condición de operación.

Cálculo de resistencias térmicas

El coeficiente global combina las resistencias de las películas de ambos fluidos, la conducción a través de la pared del tubo y las resistencias por ensuciamiento. Basada en el área externa del tubo, una expresión representativa es:

[ \frac{1}{U_o}

\frac{1}{h_o} + \frac{1}{h_{od}} + \frac{d_o\ln(d_o/d_i)}{2k_w} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_{id}} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_i} ]

La forma exacta depende de la base de área seleccionada y de las definiciones de resistencia, pero el principio rector es que las resistencias térmicas se suman en serie.

Este método permite identificar la resistencia dominante. Por ejemplo, un coeficiente de película bajo del lado del gas o una película de líquido de alta viscosidad puede dominar la resistencia total incluso cuando el coeficiente del lado opuesto es elevado.

Estimación empírica

Las tablas empíricas son apropiadas para el dimensionamiento preliminar, los ejercicios de formación y la comparación con mediciones de plantas piloto. No sustituyen al diseño detallado cuando el intercambiador opera cerca de los límites de ebullición, presenta un ensuciamiento significativo o contiene varias regiones con cambios de fase.

Comprensión de las compensaciones

Un (U) alto reduce el área, pero aumenta la sensibilidad del diseño

Seleccionar un coeficiente mayor reduce el área calculada de transferencia de calor:

[ A = \frac{Q}{U\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

Sin embargo, un valor de (U) elevado supuesto puede requerir altas velocidades de flujo, una mezcla intensa, superficies limpias o un comportamiento favorable del cambio de fase que la planta piloto no pueda mantener de forma constante.

Un (U) bajo aumenta el área, pero proporciona margen

Un valor de diseño menor produce un área calculada mayor y, por tanto, puede incrementar el coste inicial del equipo y su tamaño físico. No obstante, puede proporcionar una mayor tolerancia al ensuciamiento, a la variación de propiedades, al descenso del rendimiento y a las condiciones de operación inciertas.

No mezcle rangos de coeficientes sin comprobar las definiciones del servicio

Los valores indicados para agua a agua, agua a vapor, vapor a aceite pesado y el servicio genérico de líquido a gas no son intercambiables. La combinación de fases y la descripción del servicio deben coincidir con la zona evaluada.

Mantenga constante la base de área

(U_i), basado en el área interna de los tubos, y (U_o), basado en el área externa de los tubos, tienen valores numéricos diferentes. El área utilizada en (Q=UA\Delta T_{\mathrm{lm}}) debe corresponder al coeficiente seleccionado.

Los cambios de caudal afectan al coeficiente

Para un flujo turbulento en el lado de los tubos, una relación preliminar común es:

[ \frac{U_2}{U_1}\approx \left(\frac{\dot m_2}{\dot m_1}\right)^{0.8} ]

Esta es una aproximación, no una ley universal. Debe utilizarse únicamente cuando el régimen de flujo y las propiedades del fluido sigan siendo suficientemente comparables.

Cómo aplicar esto a su proyecto

Para un intercambiador de planta piloto de varias zonas, establezca la fase y el régimen de transferencia de calor de cada zona antes de seleccionar (U).

Si su objetivo principal es el dimensionamiento preliminar: Utilice aproximadamente 850 W/(m²·°C) para servicios de agua a líquido o condensadores, 280 W/(m²·°C) para servicios genéricos de líquido a líquido, 60 W/(m²·°C) para servicios de líquido a gas, 30 W/(m²·°C) para servicios de gas a gas y 1.140 W/(m²·°C) para servicios de rehervidor.
Si su objetivo principal es el diseño de cambios de fase: Evalúe por separado las zonas de ebullición y condensación, utilice el rango aplicable al cambio de fase y compruebe las limitaciones del flujo de calor en las regiones de ebullición.
Si su objetivo principal es el análisis de datos de la planta piloto: Determine (U_z=Q_z/(A_z\Delta T_{\mathrm{lm},z})) a partir de las temperaturas y los caudales medidos para cada zona.
Si su objetivo principal es la selección conservadora del equipo: Elija un coeficiente creíble más bajo dentro del rango aplicable e incluya el ensuciamiento y la variabilidad operativa en la evaluación del diseño.

El estándar defendible no es un único coeficiente universal de transferencia de calor, sino un (U) específico de cada zona, seleccionado de la categoría de servicio correcta y verificado con los datos reales de operación de la planta piloto.

Tabla resumen:

Servicio o zona	Coeficiente global preliminar de transferencia de calor, U	Consideración clave de diseño
Agua a líquido	850 W/(m²·°C)	Los sistemas de agua a agua pueden alcanzar 800-1.500 W/(m²·°C).
Condensador	850 W/(m²·°C)	El servicio de vapor limpio a agua puede admitir 1.420-4.250 W/(m²·°C).
Líquido a líquido	280 W/(m²·°C)	Los servicios con compuestos orgánicos y aceites varían según la viscosidad, el flujo y el ensuciamiento.
Líquido a gas	60 W/(m²·°C)	La resistencia del lado del gas suele controlar el rendimiento.
Gas a gas	30 W/(m²·°C)	El rango práctico típico es de 10-50 W/(m²·°C).
Rehervidor o zona de ebullición	1.140 W/(m²·°C)	Compruebe el régimen de ebullición y el flujo de calor permitido, aproximadamente 31,5 kW/m² en un caso citado.
Vapor a líquido viscoso	60-450 W/(m²·°C)	La viscosidad del líquido y el ensuciamiento pueden dominar la resistencia total.

Utilice un valor de U independiente para cada zona térmica y mantenga constante la base del coeficiente, basada en el área interna o externa, con el área utilizada en Q = UAΔTₗₘ.

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¿Qué coeficientes estándar de transferencia de calor se utilizan al evaluar intercambiadores de calor multitubulares de varias zonas en plantas piloto de operaciones unitarias?