Saltar al contenido
BalanceSolver

Intercambiador de calor: agua de enfriamiento para nitrógeno

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

En un intercambiador las dos corrientes no se mezclan: cada lado tiene su propio balance de materia (lo que entra sale) y un solo balance de energía para todo el equipo. Si está aislado, el calor que pierde el gas es exactamente el que gana el agua.

Enunciado

Se enfrían 100 kmol/h de N₂ de 300 °C a 100 °C con agua que entra a 20 °C y sale a 50 °C. El intercambiador está aislado. ¿Cuánta agua de enfriamiento se necesita?

Abrir este problema en la calculadora

Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

G1W1G2W2 Xintercambiador

2. Datos, unidades y notación

Conversión de unidades (todo se trabaja en kmol/h y kJ/h):

  • Calor en X: 0 kW × 3,600 = 0 kJ/h

Notación:

  • ṅi,F = flujo molar del componente i en la corriente F (kmol/h).
  • ṅF = Σi ṅi,F (kmol/h); ṁF = Σi Mi ṅi,F (kg/h).

3. Análisis de grados de libertad

SubsistemaVariablesBalancesDatos y relacionesGL
Intercambiador de calor X4310
Sistema completo44 ecuaciones0

GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.

4. Ecuaciones planteadas

  1. Dato · G1 ṅG1 = 100 kmol/h
  2. Balance · X ṅN2,G2 = ṅN2,G1
  3. Balance · X ṅH2O,W2 = ṅH2O,W1
  4. Energía · X 0 − 0 = Σsale ṅiĤi − Σentra ṅiĤibalance de energía en estado estacionario, sin cambios de energía cinética ni potencial

5. Solución paso a paso

  1. De la ecuación (1) ⇒ ṅN2,G1 = 100 kmol/h
  2. De la ecuación (2): ṅN2,G2 = (100) ⇒ ṅN2,G2 = 100 kmol/h
  3. Intercambiador de calor X: 2 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (3), (4), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones). ⇒ ṅH2O,W1 = 261.16 kmol/h
    ⇒ ṅH2O,W2 = 261.16 kmol/h

6. Resultados

G1 · 300 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
N210012,801.41
Total10012,801.41

G2 · 100 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
N210012,801.41
Total10012,801.41

W1 · 20 °C, líquido

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
H2O261.1614,704.81
Total261.1614,704.81

W2 · 50 °C, líquido

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
H2O261.1614,704.81
Total261.1614,704.81

7. Balance de energía

Estados de referencia: N2 (gas, 25 °C); H2O (líquido, 25 °C). Ĥ en kJ/kmol.

Intercambiador de calor X

CorrienteComp.T (°C)FlujoĤTrayectoria
entraG1N2 (gas)3001008,087∫Cp(g) de 25 a 300 °C: 8,087
entraW1H2O (líquido)20261.16-377.07∫Cp(l) de 25 a 20 °C: -377.07
saleG2N2 (gas)1001002,186.6∫Cp(g) de 25 a 100 °C: 2,186.6
saleW2H2O (líquido)50261.161,882.2∫Cp(l) de 25 a 50 °C: 1,882.2

ΔĤ = Σsale − Σentra = 710,230 − 710,230 = 0 kJ/h

Q − Ws = ΔĤ ⇒ Q = 0 kJ/h (adiabático)

Datos de Cp, calores latentes: NIST Chemistry WebBook, SRD 69 (webbook.nist.gov).

8. Verificación (entra + genera = sale)

EquipoBalanceEntraGeneraSaleError
Intercambiador de calor XBalance de N21000100 ✓ 1.1 × 10-10 %
Intercambiador de calor XBalance de H2O261.160261.16 ✓ 0 %
Intercambiador de calor XMasa total7,506.207,506.2 ✓ 4 × 10-11 %
Intercambiador de calor XEnergía (Q − W − ΔH) ✓ 0 %

Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Qué pasa si el intercambiador no está aislado?

Hay que conocer la pérdida de calor Q hacia los alrededores y escribirla en el balance de energía del equipo.

¿Se puede calcular el área de transferencia?

No solo con balances: el área requiere el coeficiente global U y la diferencia media logarítmica de temperaturas (tema de transferencia de calor).

Sigue aprendiendo