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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO

INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO:
DISEÑO TÉRMCO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE
CORAZA Y TUBOS.

TESIS PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA:

AYALA LUNA JESSICA LILIANA

MÉXICO, D.F. 2013

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AGRADECIMIENTO
A Dios, por la vida, por la hermosa familia que me dio y por la oportunidad de estudiar
esta maravillosa carrera. No cabe duda que él y la intercesión de su madre, la Virgen
María, siempre están conmigo llenándome de grandes bendiciones.
A mis padres y hermanos, ya que sin su apoyo, motivación y grandes esfuerzos este
camino hubiese sido casi imposible. No existen palabras que puedan expresar lo
agradecida que estoy con cada uno de ellos.
A mi esposo, por todo el apoyo y comprensión que me ha brindado para poder lograr
cada objetivo propuesto.
A mis profesores, amigos y demás familia, por todo el apoyo y ánimo que siempre me
han brindado. Por cada sonrisa, juego, regaño y hasta pelea. Sin duda maravillosas
personas.
A todos ustedes, ¡¡GRACIAS!! Por estar siempre presentes en esta larga trayectoria,
que sin duda no fue fácil pero sí demasiado satisfactoria. Esta satisfacción no durará
unos segundos, será eterna. Porque a pesar de las dificultades vividas, cada
preocupación, cada lágrima y momento de desesperación tiene un enorme valor al haber
podido concluir mi formación académica y profesional.

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DEDICATORIA

A Dios y su Madre, la Virgen María.
A mis padres y hermanos.
A mi esposo.
A mis profesores y amigos.

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DISEÑO TÉRMICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
CORAZA Y TUBOS.

ÍNDICE
Contenido Página
Objetivo 4
Justificación 4
Introducción 5

1. Generalidades.
1.1. Conceptos básicos de transferencia de calor. 7
1.1.1. Transmisión de calor. 7
1.1.2. Conducción. 7
1.1.3. Convección. 13
1.1.4. Radiación. 15
1.1.5. Mecanismos combinados de transferencia de calor. 20
1.2. Clasificación de los Intercambiadores de Calor. 31
1.2.1. Elementos Constitutivos. 38
1.2.2. Intercambiadores de Calor de Placas. 55
1.2.3. Ventajas y Desventajas. 58
1.3. Beneficios de los Intercambiadores de Calor en la Industria. 59
1.4. Industria donde son utilizados los Intercambiadores de Calor. 62
1.5. Otros nombres para los Intercambiadores de Calor. 64
1.5.1. Distribución de las corrientes de fluidos. 71
1.5.2. Corrientes del fluido en el lado de la coraza. 72
1.6. Plan de mantenimiento para Intercambiadores de Calor. 73
2. Marco Teórico.
2.1. Análisis. 77
2.1.1. Análisis de recipiente a presión. 77
2.2. Selección del material. 77
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2.3. Ecuación de balance de energía. 78
2.3.1. Balance de energía para sistemas cerrados. 79
2.3.2. Balance de energía para sistemas abiertos. 80
2.3.3. Transiciones de fase. 80
2.4. Coeficiente global de transferencia de calor. 81
2.5. Diferencia media logarítmica. 83
2.6. Método NUT. 86
2.6.1. Flujo térmico máximo. 86
2.6.2. Eficiencia térmica. 89
2.6.3. Número de unidades de transmisión. 91
2.6.4. Intercambiadores de calor de cualquier configuración. 92
2.6.5. Fórmulas y valores de R, E y NUT, para varios arreglos. 95
2.6.5.1. Circulación concurrente. 95
2.6.5.2. Circulación contracorriente. 96
2.6.5.3. Circulación de corriente cruzada no mezclada. 96
2.6.5.4. Circulación de corrientes cruzadas, 1 fluido mezclado. 97
2.6.5.5. Circulación de corrientes cruzadas, 1 fluido mezclado a 97
2.7. Método F. 101
2.7.1. Eficiencias térmicas. 101
2.7.2. Número de unidades de transmisión. 103
2.7.3. Diferencia media de temperaturas. 104
2.7.4. Factor de corrección por configuración. 105
3. Memoria de Cálculo.
3.1. Cálculo Térmico e Hidráulico. 110
3.1.1. Formulación del problema. 111
3.1.2. Criterios. 112
3.1.3. Cálculo por el lado de los tubos por el método Kern. 114
3.1.3.1. Diseño por el lado de los tubos por el método Kern. 114
3.1.3.2 Justificación. 119
3.1.4. Cálculo por el lado de la coraza por el método Delaware. 119
3.1.4.1. Diseño por el lado de la coraza por el método Delaware. 119
3.1.4.2. Justificación. 128
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3.1.5. Pérdida de presión en el lado de los tubos y la coraza. 128
3.1.6. Tabla de resultados. 133
3.2. Cálculo Mecánico.137
3.2.1. Normas y códigos aplicables al diseño mecánico. 137
3.2.2. Cálculo de recipientes a presión. 141
3.2.2.1. Presión de trabajo máxima permisible. 142
3.2.2.2. Esfuerzo de diseño a la tensión. 143
3.2.2.3. Eficiencia de soldaduras. 143
3.3. Cálculo del espesor de la coraza. 144
3.4. Cálculo y selección de las tapas. 147
3.5. Cálculo del peso del recipiente. 148
3.6. Cálculo mecánico de las boquillas. 152
3.6.1. Diseño de boquillas. 157
3.7. Localización de la mampara de choque. 160
3.7.1. Dimensionamiento de la mampara de choque. 160
3.8. Cálculo de los soportes del recipiente. 164
3.9. Orejas de Izaje. 170
3.10. Tabla de resultados. 172
4. Análisis de costos.
4.1. Costos Directos. 174
4.1.1. Costos de Producción. 174
4.1.1.1. Diseño. 174
4.1.1.2. Materiales. 174
4.1.1.3. Manufactura. 175
4.1.2. Costos de Distribución. 175
Conclusiones. 177
Nomenclatura. 178
Apéndice A (Tablas) 181
Apéndice B (Figuras). 194
Bibliografía. 198

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OBJETIVO
 Definir el concepto y tipos básicos de intercambiadores de calor.

 Describir el método de cálculo de un intercambiador de calor, identificando la
superficie, dimensiones y configuraciones de tubos y carcasas.

 Conocer las aplicaciones principales y pasos para la selección de un
intercambiador de calor, los materiales a utilizar y los costes.

JUSTIFICACIÓN

Cuando en la industria se requiere un intercambiador de calor se debe llevar a cabo un
análisis en forma térmica, hidráulica y mecánica, dicho análisis radica en la función que
desempeñará, es decir, no es lo mismo un intercambiador de calor para la industria
farmacéutica que uno para la industria petroquímica, el proceso, tanto, de cálculo como
de fabricación será distinto.

A través del diseño térmico de un intercambiador de calor de coraza y tubos, se dará
solución al problema de una subestación de calefacción de un edificio por medio de la
transferencia de calor entre un fluido y un gas. Al mismo tiempo dará como beneficio
eficiencia y eficacia al proceso diario. Este proyecto está encaminado para satisfacer las
necesidades del sector privado en el ámbito de mantenimiento integral.

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INTRODUCCIÓN
El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas
y separados por una pared sólida, ocurren en muchas aplicaciones de ingeniería. El
dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina
intercambiador de calor, y las aplicaciones específicas se pueden encontrar en la
calefacción de locales y acondicionamiento de aire, producción de potencia,
recuperación de calor de desecho y algunos procesamientos químicos.
Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre
dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se
mezclen entre sí. Los intercambiadores de calor difieren de las cámaras de mezclado en
el sentido de que no permiten que se combinen los dos fluidos que intervienen. Por
ejemplo, en un radiador de automóvil el calor se transfiere del agua caliente que fluye
por los tubos de ese radiador hacia el aire que fluye a través de placas delgadas muy
cercanas entre sí que se encuentran en el exterior sujetas a dichos tubos.
En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada
fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los
intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de
transferencia de calor total (U) que toma en cuenta la contribución de todos estos
efectos sobre dicha transferencia. La velocidad de la transferencia de calor entre los dos
fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia
de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.
Los intercambiadores de calor son ampliamente usados y fabricados en muchos
tamaños, con varios arreglos de flujo y de diversos tipos; pueden operar en grandes
caídas de presión y temperatura. La facilidad de fabricación y el costo relativamente
bajo constituyen la principal razón para su empleo ilimitado en las aplicaciones de
ingeniería.
El proyecto de un intercambiador de calor es un asunto complejo: la transferencia de
calor, la pérdida de carga, el dimensionamiento, la evaluación del desempeño y los
aspectos económicos juegan papeles muy importantes en el resultado final. La
construcción de un intercambiador de calor puede ser dividido en tres fases principales:
análisis térmico, proyecto mecánico preliminar y fabricación.
El análisis térmico puede ser determinado por varios métodos, algunos disponibles en la
literatura técnica común.

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En este capítulo daremos una breve pero significativa introducción al área de
transferencia de calor y, por tanto, a los intercambiadores de calor.
Como parte de nuestra introducción veremos temas como la clasificación de los
intercambiadores de calor, la utilidad que se les da en la industria, las ventajas que estos
proporcionan, pero también sus desventajas. Además del tipo de mantenimiento que
estos deben recibir. Al mismo tiempo, estudiaremos terminologías propias de la
transferencia de calor, mismas que serán utilizadas a lo largo de esta obra.

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1.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TRANSFERENCIA DE
CALOR.

1.1.1. TRANSMISIÓN DECALOR.
La transmisión de calor puede definirse como la transmisión de energía de una región a
otra, como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellas. Debido a que
existe diferencia de temperaturas en todo el universo, los fenómenos de flujo de calor
son tan usuales como los asociados con las atracciones gravitacionales.

No obstante, lo que se ha dicho de la gravedad, la diferencia que existe entre esta y el
flujo de calor es que para el flujo de calor no se rige por una relación única sino por una
combinación de varias leyes físicas independientes.

En la transferencia de calor, como en otras ramas de la ingeniería, la solución exitosa de
cualquier problema que se plantee requiere de suposiciones e idealizaciones, pues
siempre resulta imposible describir los fenómenos físicos con exactitud, y para expresar
un problema en forma de ecuación con solución es necesario hacer algunas
aproximaciones.

Por su parte, la convección no satisface de manera estricta la condición de transferencia
de calor porque su operación también depende del transporte mecánico de masa. Pero
como la convección transmite también energía de regiones con mayor temperatura a
regiones con menor temperatura, se ha adoptado el término para la transferencia de
calor.
1.1.2. CONDUCCIÓN.
La transferencia de calor por medio de la conducción se logra a través de dos
mecanismos. El primero es la interacción molecular, en el cual las moléculas de niveles
energéticos relativamente mayores (indicados por su temperatura) ceden energía a
moléculas adyacentes en niveles inferiores. El segundo mecanismo de transferencia de
calor por conducción es el de electrones “libres”, los cuales se presentan principalmente
en los sólidos metálicos puros. La facilidad que tiene los sólidos para conducir el calor
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varia directamente con la concentración de electrones libres, se espera que los metales
puros sean los mejores conductores de calor.

La conducción es principalmente un fenómeno molecular que requiere un gradiente de
temperatura como fuerza motriz. Fourier expreso una relación del gradiente de
temperatura con la naturaleza del medio conductor y la razón de la transferencia de
calor.

(1.1)
qx es la razón del flujo de calor en la dirección de las x en Btu/hr; A es el área normal a
la dirección del flujo de calor en ft2; dT/dx es el gradiente de temperatura en la
dirección de las x en °F/ft; y k es la conductividad térmica, que tiene unidades de
Btu/hr-°F-ft2/ft. La expresión completa para el flujo de calor es:

(1.2)
El signo negativo es consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, la cual
establece que el calor debe fluir en dirección de la temperatura más alta a la más baja
(véase la figura 1.1). Para que el calor transferido en la dirección x positiva sea una
cantidad positiva, se debe insertar un signo negativo en el lado derecho de la ecuación.

Figura 1.1 Convección de signos para flujo de calor por conducción.
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CONDUCCIÓN ESTACIONARIA UNIDIMENSIONAL.

El caso más sencillo de conducción es el que se establece en sólidos de caras paralelas
de manera que el flujo será unidireccional, cuando dicho sólido se encuentre en
equilibrio termodinámico sin variar su temperatura en el tiempo, lo que se denomina
régimen estacionario y que implica que no existe acumulación de calor, y que además
no existan fuentes o sumideros de calor en si seno, es decir, sin generación de calor.

El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo y por unidad de superficie, es
decir, el flujo de calor Q, es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, siendo x la
dirección del flujo y el área normal a éste, para entender mejor esto revise la figura 1.2.
El coeficiente de proporcionalidad del flujo de calor es una propiedad física del medio,
denominada conductividad térmica l, de manera que:

[ ⁄ ] (1.3)
Esta ecuación expresa la Ley de conducción de Fourier, donde el signo negativo indica
que para existir un flujo de calor de dirección positiva se precisa un gradiente de
temperatura negativo en dicha dirección, es decir, que la temperatura disminuye en
dicha dirección.

La conductividad térmica l es una propiedad física de cada sustancia, y puede variar
ligeramente en función de la temperatura y de las características particulares del
material, como puede ser el contenido de humedad de los materiales constructivos.
En los casos que el material no sea homogéneo, como las fábricas de ladrillo, o que su
estructura sea anisótropa, como es el caso de la madera, será preciso determinar la
conductividad para la dirección del flujo considerado.

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Fig. 1.2. Dirección del flujo del calor por conducción y gradiente de temperatura.

CONDUCCIÓN A TRAVÉS DE CILINDROS Y PAREDES COMPUESTAS.

Fig. 1.3. Circuito eléctrico análogo.

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 Cilindro.
La figura 1.3 muestra la manera en la que se transfiere el calor en un tubo, y en la figura
1.4 se muestra el circuito análogo de dicha representación.

Fig. 1.4. Circuito eléctrico análogo para cilindro.

 Paredes en serie.
En la práctica se presentan paredes compuestas por diversos materiales, en la figura 1.5
se esquematiza una pared compuesta de tres materiales a, b, c dispuestas en serie.
En la figura 1.6 se presenta el circuito eléctrico análogo al problema térmico de las tres
paredes conectadas en serie.

Fig. 1.5. Paredes compuestas conectadas en serie circuito eléctrico análogo.

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Fig. 1.6. Circuito eléctrico análogo para paredes compuestas conectadas
En serie.

 Paredes compuestas conectadas en paralelo
A continuación, en la figura 1.7 se ilustra la situación de una pared compuesta formada
por dos materiales, a, b que están conectadas en paralelo. De igual forma en la figura 1.8
se muestra el circuito eléctrico de la pared.

Fig. 1.7. Pared compuesta conectada en paralelo.

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Fig. 1.8. Circuito eléctrico análogo para una pared compuesta conectada en paralelo.

1.1.3. CONVECCIÓN.
La segunda forma básica que se estudiara es la transferencia de calor por convección la
cual involucra el intercambio de energía entre un fluido y una superficie o interfase.
Hay dos clases de procesos convectivos, que son la convección forzada en donde se
forza el movimiento de un fluido por una superficie debido al efecto de un agente
externo y la convección natural o libre en que los cambios de densidad del fluido a
consecuencia del intercambio de energía provocan un movimiento natural del fluido.
Newton expreso por primera vez la ecuación básica de la relación para la transferencia
convectiva del calor, conocida como la ecuación o ley de enfriamiento:( ) (1.4)
q es la relación de la transferencia convectiva de calor en Btu/hr, A es el área normal a
la dirección del flujo de calor en , Tsuperf - Tfluido es la fuerza motriz de la
temperatura en °F y h es el coeficiente convectivo de transferencia de calor en Btu/hr-
-°F.

Esta fuerza motriz de temperatura determina si la transferencia del calor es hacia o
desde una superficie dada. La orientación de la superficie hacia o desde la que se
intercambia el calor con un fluido adyacente, determina la dirección de la transferencia
de calor.

La conducción es el mecanismo de transferencia de energía directamente adyacente a
una superficie. Estas capas conductivas superficiales del fluido o “película” del fluido
son las que controlan la razón de transferencia de calor.
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Por esta razón se denomina con frecuencia al coeficiente h como el “coeficiente de
película”, no se debe establecer una diferencia entre la convección, ya que el factor de
control es la conducción.

La transferencia de calor por convección depende de la densidad, viscosidad y
velocidad del fluido, lo mismo que de sus propiedades térmicas (conductividad y calor
específico).

Mientras que en la convección forzada la velocidad casi siempre se le impone al sistema
por medio de una bomba o ventilador y puede especificarse de manera directa, en la
convección natural la velocidad depende de la diferencia de temperatura entre la
superficie y el fluido, el coeficiente de dilatación térmica del fluido (el cual determina el
cambio de densidad por diferencia de temperatura unitaria), y el campo de fuerza en el
cuerpo, que para los sistemas localizados en la tierra es simplemente la fuerza
gravitacional.

CONVECCIÓN LIBRE Y FORZADA.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de
elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se
incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.
En la transferencia de calor por convección forzada se provoca el flujo de un fluido
sobre una superficie sólida por medio de una fuerza externa como lo es una bomba, un
ventilador u otro dispositivo mecánico.

En la transferencia de calor por convección libre o natural en la cual un fluido es más
caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido
a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.
Convección es el flujo global de un fluido debido a agentes externos como diferencia de
temperatura (convección natural), fuerzas debidas a la presión o gravedad (convección
forzada). Por lo tanto es un mecanismo de transporte de los bien conocidos fenómenos
de transporte (transporte calor, momentum y materia).

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TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN.

Cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un cerramiento a
una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de calor se denomina
transmisión de calor por convección. Este proceso es una experiencia común, pero una
descripción detallada del mecanismo es complicada dado que además de la conducción
hay que considerar el movimiento del aire en zonas próximas a la superficie.

En el caso que la fuerza motriz que mueve el aire proceda exclusivamente de la
diferencia de densidad en el aire que resulta del contacto con la superficie a diferente
temperatura y que da lugar a fuerzas ascensionales se producirá el proceso de
transmisión denominado convección libre o natural.

Cuando exista una fuerza motriz exterior, como el viento, que mueva al aire sobre una
superficie a diferente temperatura se producirá una convección forzada, que debido al
incremento de la velocidad del aire se transmitirá una mayor cantidad de calor que en la
convección libre para una determinada diferencia de temperatura.

En el caso que se superpongan ambas fuerzas motrices, por ser de magnitudes
semejantes, el proceso se denomina convección mixta. En cualquiera de los casos el
fenómeno se puede evaluar mediante la Ley de Newton del enfriamiento.
[ ] (1.5)
1.1.4. RADIACIÓN.
La transferencia de calor por radiación no requiere de un medio para propagarse, el
intercambio radiante entre las superficies es máximo cuando no hay material que ocupe
el espacio intermedio.

El intercambio de energía radiante puede ocurrir entre dos superficies, entre una
superficie y un gas o medio participante, o puede involucrar una interacción compleja
entre varias superficies y fluidos participantes.

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La cantidad de energía que abandona una superficie como calor radiante depende de la
temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie.

Un radiador perfecto, o cuerpo negro, se llama cuerpo negro a un cuerpo perfectamente
emisor o absorbente, emite energía radiante de su superficie a una razón qr dada por

(1.6)
qr es la emisión radiante en Btu/ hr, A es el área de la superficie de emisión en ; T es
la temperatura absoluta en °R y σ es la constante de Stefan-Boltzmann, que
numéricamente es igual a 0.1714x Btu/hr- - .

El análisis de la ecuación muestra que la superficie de cualquier cuerpo negro con una
temperatura por encima del cero absoluto irradia calor a una tasa proporcional a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta.

Mientras que la razón de emisión de calor radiante es independiente de las condiciones
del medio circundante, la transferencia neta de calor radiante requiere de una diferencia
de la temperatura superficial de dos cuerpos cualesquiera entre los que ocurre el
intercambio.

Si el cuerpo negro irradia en un espacio cerrado, como el que se muestra en la Fig. 1.9,
que también es negro, es decir, que absorbe toda la energía radiante que incide en él, la
razón neta de transferencia de calor radiante está dada por
(

) (1.7)
Donde es la temperatura superficial del espacio cerrado en grados Farenheit.

Los cuerpos reales no satisfacen las especificaciones de un radiador ideal aunque emiten
radiación a una tasa menor que los cuerpos negros.
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FIGURA 1.9. Diagrama de radiación entre el cuerpo 1 y el recinto 2. [10]
TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN.

Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie del cerramiento
intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas
electromagnéticas. Mientras que en la conducción y la convección era precisa la
existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se
transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire.

Todas las superficies opacas emiten energía en forma de radiación en una magnitud
proporcional a la cuarta potencia su temperatura absoluta T, y en un rango de longitudes
de onda inversamente proporcional a su temperatura absoluta. Por consiguiente, los
cerramientosemiten radiaciones de onda larga, correspondiente al espectro infrarrojo
lejano, procedente de sus superficies a temperaturas típicas del ambiente, en función de
una propiedad superficial denominada emitancia, y de forma simultánea absorben
radiaciones similares emitidas por las superficies visibles de su entorno, en un proceso
denominado irradiación.
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[ ⁄ ] (1.8)
En el ambiente también se puede considerar la presencia de radiaciones de onda corta,
correspondiente al espectro de radiación visible e infrarrojo cercano, procedente de
fuentes de elevada temperatura como el sol y el alumbrado artificial, para las cuales los
cerramientos se comportan solo como absorbentes en función de una propiedad
superficial denominada absortancia.
[
⁄ ] (1.9)
La transmisión de calor por radiación se caracteriza porque la energía se transporta de
una superficie a otra en forma de ondas electromagnéticas, que se propagan en línea
recta a la velocidad de la luz y no requieren de un medio físico para transmitirse.
Tanto la teoría ondulatoria como la corpuscular son útiles para explicar el
comportamiento de la radiación térmica. La teoría ondulatoria asimila la radiación a una
onda que oscila con una frecuencia h [Seg-1] y a una longitud de onda l [M], siendo la
velocidad de la luz Vr:

(1.10)
La teoría corpuscular admite que la energía radiante se transporta en forma de paquetes
llamados fotones, que se propagan con distintos niveles energéticos dados por la Ley de
Planck, por lo que la frecuencia es función del nivel de energía. Cuando un cuerpo toma
energía los electrones libres son excitados, saltando a niveles de mayor energía, y
cuando retornan al nivel de equilibrio devuelven dicha diferencia de energía en forma
de un fotón.

En toda superficie existen continuamente electrones que cambian de diferentes niveles,
por lo que la energía radiante se emite en un abanico de frecuencias llamado espectro de
la radiación. Cuando el origen de la radiación es el calor, la energía se emite en función
solo de la temperatura y se denomina radiación térmica.

FÍSICA DE LA RADIACIÓN.

No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante
cuando se calientan a la misma temperatura. Un cuerpo que absorba o emita a una
temperatura determinada la máxima cantidad de energía se denomina superficie negra o
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simplemente cuerpo negro. Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que
es un ente ideal que se utiliza como referencia respecto a otros radiadores. No obstante,
existen numerosas superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo para
radiaciones de onda larga, por lo que para casos prácticos son considerados como tales
con suficiente exactitud.

Cuando un cuerpo negro se calienta a una temperatura absoluta T, su superficie emite
un flujo de radiación térmica con una distribución espectral definida, que es
determinable mediante la Ley de Planck. La longitud de onda a la cual la potencia
emisiva es máxima se puede deducir de la Ley de Planck, cuyo resultado es la Ley del
deslizamiento de Wien:

[ ] (1.11)
El flujo total de energía radiante que emite un cuerpo negro a una temperatura absoluta
T (ºK) y en todo el espectro se determina integrando la distribución de Planck para
todas las longitudes de onda, cuyo resultado se conoce como la Ley de Stefan-
Boltzman:

( ) [ ⁄ ] (1.12)
Siendo s = 5.67´ 10-8 [W/m2 ºK4] la Constante de Stefan-Boltzman. Esta última ley es
de gran utilidad, y de su análisis se deduce que si bien la constantes es de muy pequeña
magnitud, se compensa por el valor que puede alcanzar el término de la temperatura por
estar elevado a la 4ª potencia. Así un cuerpo negro a 6250ºK (por ejemplo el Sol)
emitiría 86´ 106 W/m2, e incluso a una temperatura ambiental de 300ºK (27ºC) emitiría
460 W/m2, lo que constituye un flujo importante para las magnitudes de transferencia
de calor usuales en cerramientos.

El espectro de las radiaciones térmicas habituales en los ambientes arquitectónicos
contiene longitudes de ondas comprendidas entre 0.2 y 50 ´ 10-6 m, y a efectos de la
transmisión de calor por radiación en cerramientos se pueden dividir en dos regiones:

 Radiación térmica de onda corta con longitudes entre 0,2 y 3 micrómetros,
característica de las fuentes de radiación de alta temperatura (T=6000 ºK) como
el sol ó el alumbrado artificial, y cuyo campo comprende parte del ultravioleta
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(l<0.4 mm), todo el espectro visible (0.4<l<0.7 mm) y el infrarrojo cercano
(0.7<l<3 mm), en cuyo margen emiten el 98% de la energía.

 Radiación térmica de onda larga, también llamada irradiación, con longitudes
entre 3 y 50 mm, característica de fuentes de radiación a temperatura ambiente
(T=300 ºK) como son las superficies del entorno, y cuyo espectro comprende el
infrarrojo lejano, donde emiten el 97% de la energía.

1.1.5. MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR.

Los procesos de transmisión del calor por medio de la conducción, convección y
radiación, junto con la eventual acumulación, se producen de forma simultánea y
concurrente, de manera que en situaciones reales, e incluso en condiciones de
laboratorio, es difícil discernir con exactitud la contribución de cada mecanismo en la
transmisión de calor entre los ambientes y el cerramiento.

En el intercambio de calor entre la superficie del cerramiento y el ambiente se solapan
los flujos debidos a la radiación y la convección, debiéndose considerar en el primero la
contribución de la absorción de onda corta, ya sea procedente del sol o del alumbrado, y
la de onda larga, procedentes de las superficies del entorno e incluso, en el caso de
recintos cerrados, existirían radiaciones infrarrojas emitidas por el cerramiento y
reflejadas por el resto de los paramentos.

Simultáneamente a la radiación, los flujos de calor por convección dependerán si el aire
es movido por fuerzas gravitatorias o son impulsados por agentes externos, o por una
combinación de ambos. La complejidad del cálculo riguroso de todos estos mecanismos
ha llevado a la definición de un Coeficiente de transferencia superficial de calor h, de
fácil aplicación en el estudio de casos simplificados, tales como los propuestos por
normas oficiales de aislamiento térmico, y en los que se integran la convección y la
radiación con valores típicos.
( ) [
⁄ ] (1.13)
En la transmisión de calor por conducción a través de los cerramientos hay que
considerar generalmente que éste está constituido por varias capas con propiedades
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físicas diferentes, debiéndose calcular su resistencia total como la suma de varias
resistencias en serie, y que las temperaturas interiores resultantes en régimen
estacionario tendrán un gradiente diferente en cada capa.
En el caso de existir zonas adyacentes con diferentes conductividades, tales como
puentes térmicos,el coeficiente global de conductividad será la media ponderara de las
conductividades en paralelo. Por último, en el caso de conducción en régimen
transitorio, se generarán sumideros y fuentes de calor por acumulación en función de la
variación temporal de las temperaturas en cada punto de su interior.

Fig. 1.10. Esquema de los flujos de calor entre el cerramiento y su entorno.

Un caso particular sería la presencia de cámaras de aire en el interior del cerramiento, en
las cuales se generan mecanismos de transmisión de calor por convección y radiación,
que generalmente se pueden asimilar a una capa con resistencia térmica pero sin
acumulación de calor por carecer de masa apreciable.

No se ha considerado en el presente estudio ciertos casos especiales, que se pueden
presentar en situaciones reales, en los que se producen fenómenos de transferencia de
masa tales como cámaras de aire ventiladas o difusión del vapor, ni aquellos casos en
los que hay fenómenos implicados de cambio de fase del agua, como condensaciones o
congelación, que generan fuentes o sumideros de calor latente de gran magnitud.

La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios
sólidos opacos, tales como el interior de los cerramientos. Cuando en estos cuerpos
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existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor
temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre las moléculas
del medio. La conducción puede aparecer en los sólidos, líquidos y gases. Sin embargo,
en el caso de los líquidos y gases que puedan estar en circulación, la conducción se
encuentra normalmente en combinación con la convección. Por consiguiente, la
conducción pura tiene lugar funda-mentalmente en los sólidos opacos, en donde el
movimiento de masa se encuentra impedido.

En el ámbito del presente estudio se puede aplicar plenamente la conducción pura al
interior de los cerramientos, pero los principios que se desarrollarán pueden aplicarse
asimismo a gases que tengan limitado el movimiento convectivo, como es el casos de
los aislamientos en los cuales predomina el volumen ocupado por el gas, ya este se
encuentra confinado por una estructura fibrosa o celular.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere calor entre un medio
caliente y uno frio, por regla general se trata de fluidos. Existen tres tipos básicos de
intercambiadores de calor:

 Recuperadores. En este tipo de intercambiador (figura 1.11) los fluidos caliente
y frio están separados por una pared y el calor se transfiere mediante una
combinación de convección hacia y desde la pared y de conducción a través de
ella. La pared puede incluir superficies extendidas, tales como aletas, u otros
dispositivos que favorezcan la transferencia de calor.
Se les nombra Economizadores a los Recuperadores de calor utilizados en las
calderas para precalentar el agua de alimentación (o recuperación) de las
mismas, aprovechando el calor remanente de los gases de combustión.
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Figura 1.11. Recuperador de calor.

 Regeneradores. En los intercambiadores de este tipo, los fluidos caliente y frio
ocupan el mismo espacio en el núcleo del intercambiador. El núcleo o matriz,
funciona como un almacén de calor que es calentado periódicamente por el de
mayor temperatura de los dos fluidos y luego transfiere ese calor al fluido de
menor temperatura.

En una forma de matriz fija, los fluidos caliente y frio pasan a través de un
intercambiador estacionario de forma alternada, y para tener una operación
continuase requieren dos o más matrices, como se muestra en la fig. 1.12. Una
configuración de matriz de uso común es el regenerador rotatorio, donde una
matriz circular gira y expone de manera alterna una parte de su superficie al
fluido caliente y luego al frio.
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Fig. 1.12. Regenerador doble fijo. [7]

 De contacto directo. En los de este tipo los fluidos caliente y frio se ponen en
contacto entre sí de manera directa. Como ejemplo de tipo de intercambiador es
una torre de enfriamiento en la que un roció de agua que cae de la parte superior
de dicha torre entra en contacto directo con el fluido caliente y es enfriado por
una corriente de aire que fluye hacia arriba.

Otros sistemas de contacto directo utilizan líquidos inmiscibles (líquidos que no
se pueden mezclar) o un intercambiador de solido a gas.

Para calentar o enfriar gases, suele resultar conveniente utilizar un
intercambiador de calor de flujo transversal como el que se presenta en la figura
1.13. En un cambiador como el de este tipo, uno de los fluidos pasa a través de
los tubos mientras el fluido gaseoso es forzado a pasar a través del haz de tubos.
El flujo del fluido exterior puede ser por convección forzada o natural.
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En este tipo de intercambiador se considera que el gas que fluye por el tubo está
mezclado, mientras que al fluido dentro del tubo esta sin mezclar.

Fig. 1.13. Calentador de gas con flujo transversal, donde muestra el flujo transversal de un fluido
mezclado (gas), con uno sin mezcla. [7]

El flujo exterior de gas está mezclado porque puede moverse casi libremente entre los
tubos mientras intercambia calor, mientras que el fluido en el interior de los tubos está
confinado y no se puede mezclar con cualquier otro fluido durante el proceso de
intercambio de calor.

El flujo mezclado implica que todo el fluido en cualquier plano dado normal al flujo
tiene la misma temperatura. Mientras que el flujo no mezclado implica que aunque
pueden existir diferencias de temperatura en al menos una de las direcciones normales
al flujo, no se puede decir que exista la posibilidad de transferencia de calor a
consecuencia de este gradiente.

Otro tipo de intercambiador de calor de flujo transversal muy usado en la calefacción,
aire acondicionado y ventilación, se muestra en la figura 1.14. En este tipo de
cambiador, el gas fluye a través de un haz de tubos aleteados y no se mezcla porque está
confinado para separar los pasajes donde se establece el flujo.

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Fig.1.14. Intercambiador de flujo transversal. [7]

En el diseño de intercambiadores de calor, es de absoluta importancia describir si los
fluidos están mezclados o sin mezclar, y cuál de ellos es el que está mezclado. Así como
de igual importancia es el balance de la caída de temperatura obteniendo coeficientes de
transferencia de calor iguales o aproximados en el exterior e interior de los tubos.

Si esto no se llevara a cabo, una de las resistencias térmicas pueden ser
inconvenientemente grandes y por lo tanto provocar una gran caída de la temperatura
general para una razón dada de transferencia de calor, lo que a su vez demanda un
equipo más grande y como consecuencia del tamaño y un alto costo.

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En algunas aplicaciones, el tamaño y pesodel aparato de intercambio de calor son de
vital importancia, sobre todo en los intercambiadores de calor donde uno o los dos
fluidos son gaseosos, pues los coeficientes de transferencia de calor en el lado del gas
son pequeños lo que provoca que se necesiten áreas más grandes para la transferencia de
calor.

CONFIGURACIÓN DE LOS FLUIDOS.

Tenemos dos tipos de configuraciones de fluidos que en síntesis son los más comunes y
los más usados en la trayectoria del flujo para los intercambiadores de calor.

 FLUJO PARALELO.
En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo
extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el
otro extremo.

La distribución de temperaturas calientes y frías asociadas con un intercambiador de
calor de flujo paralelo se muestra en la figura 1.15. La diferencia de temperatura es
grande al principio, pero decae rápidamente al aumentar x y se aproxima a cero de
forma similar o muy pegada al cero.

Es de suma importancia señalar que, para tal intercambiador, la temperatura del fluido
frio nunca sobrepasa la del fluido caliente.

Fig. 1.15. Distribución de Temperatura en un intercambiador con flujos paralelos.

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Los balances de energía y el análisis subsecuente están sujetos a las siguientes
suposiciones:

1. El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en este supuesto caso
el único intercambio de calor es entre los fluidos caliente y frio.
2. La conducción axial a lo largo de los tubos es despreciable.
3. Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables también.
4. Los calores específicos del fluido son constantes.
5. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.

Los calores específicos pueden cambiar, como resultado de variaciones de temperatura,
y el coeficiente global de transferencia de calor también podría modificarse debido a
variaciones en las propiedades del fluido y condiciones de flujo. Pero como en muchas
aplicaciones industriales tales variaciones no son significativas, es razonable trabajar
con valores promedio de calor específico y del coeficiente global de transferencia para
los intercambiadores de calor con este arreglo de flujo.

Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la
carcasa ambos fluyen en la misma dirección, como se muestra en la figura 1.16. En este
caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan
una diferencia de temperatura significativa.

Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno
disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico
entre ellos.

Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura
del fluido más caliente.
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Fig. 1.16. Intercambiador de flujo paralelo.

 FLUJO CRUZADO.
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza
transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido. En la
distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del
intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido. Esto se puede
observar claramente en la figura 1.17.

Fig. 1.17. Distribución de temperatura en un intercambiador de tubos concéntricos con flujos cruzados.

En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio
puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene
cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del
fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la
temperatura de entrada del fluido caliente.
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Alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado (perpendicular uno al
otro), tal como se señala en la figura 1.18. Los intercambiadores en flujo cruzado se
utilizan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la
Figura 1.18 se señala este tipo de intercambiador de calor de flujo cruzado.

Fig. 1.18. Intercambiador de flujo cruzado. [7]

En esta configuración difiere de acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos está
mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que está sin mezclar debido a que las aletas
previenen el movimiento en la dirección (y), o sea en sentido vertical, que es la
dirección transversal a la dirección del flujo principal (x), sentido horizontal. En este
caso la temperatura del fluido varia con x y con y.

En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del fluido, se dice que está
mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección transversal, siendo función
exclusiva de la dirección del flujo principal. Dado que el flujo dentro de los tubos esta
sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin mezclar en el intercambiador aleteado,
mientras que un fluido está mezclado y el otro sin mezclar en el intercambiador no
aleteado.
Es importante destacar que la condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador
influencia significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor.

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1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE
CALOR.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS.
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo
y carcaza que se muestra en la figura 1.19(a). Las unidades conocidas con este nombre
están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una
coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.

Fig. 1.19(a). Intercambiador de coraza y tubos. [7]
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Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado
carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno
y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo.
En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la
carcasa por la(s) placa(s) del tubo.

Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En
sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el
líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido
con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en
materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar
presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo.

Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura (2.1) también actúan como
bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a
través de los tubos.

Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y
tambiénen algunos casos los intercambiadores gas-gas.

Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de
transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden
de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los
intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se
requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de
la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción.
La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y
tubos.

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Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de
los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores
para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él.

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de
los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos
químicos. (Aun cuando se está haciendo cada vez mayor hincapié en otros diseños).
General, el intercambiador coraza (carcaza) y tubo, consiste en una serie de tubos
lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza (como se aprecia en la
figura anterior) y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de
calor. Dentro de este tipo de intercambiadores (de coraza y tubo), dependiendo a su
construcción se puede conseguir diferentes tipos como los son.

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE ESPEJO FIJO.
Los intercambiadores de espejo fijo se utilizan con mayor frecuencia que los de
cualquier otro tipo y la frecuencia de su utilización se ha incrementado en años
recientes. Los espejos se sueldan a la coraza. Por lo común, se extienden más allá de la
coraza y sirven como bridas a la que sujetan como pernos los cabezales del lado de los
tubos.

Esta construcción requiere que los materiales de la coraza y los espejos se puedan soldar
entre sí. Este tipo de intercambiador se muestra con detalle en la figura 1.19.

Figura 1.19. Intercambiador de calor de espejo fijo.
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO EN U.

El haz de tubos consiste en un espejo estacionario, tubos en U (o de horquilla),
deflectores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubos se
puede retirar de la coraza del intercambiador de calor. Se proporciona un cabezal del
lado del tubo (estacionario) y una coraza con cubierta integrada, que se suelda a la
coraza misma. Cada tubo tiene la libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones
debidas a la posición de los otros tubos. (Los rehervidores de calderas, los
evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con secciones
ampliadas de la coraza para la separación del vapor y el líquido). Como se muestra en la
figura 1.20.

Figura 1.20. Intercambiador de calor de tubo en U.

INTERCAMBIADOR DE ANILLO DE CIERRE HIDRÁULICO.

Esta construcción es la menos costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable.
Los fluidos del lado de la coraza y del lado del tubo se retienen mediante anillos de
empaque distintos separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en el espejo
flotante. Este tipo de intercambiador se muestra en la figura 1.21.

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Figura 1.21. Intercambiador de calor de anillo de cierre hidráulico.

INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE CON EMPAQUE
EXTERIOR.

El fluido del lado de la coraza se retiene mediante anillos de empaque, que se
comprimen dentro de un prensaestopas mediante un anillo seguidor de junta. Esta
construcción fue utilizada con frecuencia en la industria química; sin embargo, su
empleo ha disminuido en los años recientes. Figura 1.22.

Figura 1.22 Intercambiador de calor de cabezal flotante con empaque exterior.

INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO.

El diseño de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refinerías petroleras, pero
su uso ha declinado en años recientes. En este tipo de cambiador de calor el haz de
tubos y el espejo flotante se desplaza (o flota) para acomodar las dilataciones
diferenciales entre la coraza y los tubos. Tal como se muestra en la figura 1.23.
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Figura 1.23. Intercambiador de calor de cabezal flotante interno.

INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE.

La construcción es similar a la del intercambiador de cabezal flotante interno con anillo
dividido de respaldo, con la excepción de que la cubierta del cabezal flotante se sujeta
directamente con pernos en el espejo flotante. Esta característica reduce el tiempo de
mantenimiento durante la inspección y las reparaciones. Véase la figura 1.24.

Figura 1.24. Intercambiador de calor de cabezal flotante.

Para cualquiera de la clasificación ya mencionada con anterioridad los elementos
mecánicos de estos intercambiadores de calor se lista a continuación tomando en cuenta
que este listado pudiera cambiar de acuerdo a cualquier ajuste que se haga al
intercambiador ya sea para una mejor eficiencia de trabajo o un menor costo del equipo.

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ELEMENTOS MECÁNICOS.
1. Cabezal de distribución-cabezal estacionario.
2. Cabezal de distribución-bonete.
3. Brida del cabezal estacionario-cabezal o bonete.
4. Tapa del cabezal.
5. Boquilla del cabezal estacionario.
6. Espejo estacionario.
7. Tubos de transferencia.
8. Envolvente-carcaza.
9. Tapa de la coraza.
10. Brida de la coraza al espejo estacionario.
11. Brida de la coraza a su tapa.
12. Boquilla de la coraza.
13. Brida de la tapa de la coraza.
14. Junta de expansión.
15. Espejo flotante.
16. Tapa del cabezal flotante.
17. Brida del cabezal flotante.
18. Contra brida dividida del cabezal flotante.
19. Anillo dividido.
20. Brida deslizable de apoyo.
21. Tapa del cabezal flotante-externa.
22. Faldón del cabezal flotante.
23. Caja de empaquetadura.
24. Empaque.
25. Contra brida de la caja.
26. Anillo opresor.
27. Varillas tensoras y espaciadoras.
28. Mamparas transversales o placas de soporte.
29. Mampara de choque.
30. Mampara longitudinal.
31. Placa de partición-divisoria.
32. Conexión de ventilación.
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33. Conexión de drenaje.
34. Conexión para instrumentos.
35. Silleta de soporte.
36. Oreja de levantamiento.
37. Ménsula de soporte.

1.2.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

El nombre que recibe cada uno de los elementos que constituyen un intercambiador de
calor de coraza y tubos, de los cuales se describirán a continuación los de mayor
importancia.

CARCASA.

El material más usado para la construcción de las carcasas es el acero al carbono. Para
diámetros inferiores a24, en la carcasa se emplea un tubo de acero L.P.S (Schedule 30
hasta 12 y 1 cm de espesor entre 12 y 24), si la presión de servicio es inferior a 20
Kg/cm2. Para más de 24 la carcasa se realiza con planchas de acero enrolladas y
soldadas. Por cada extremo se sueldan las bridas que llevarán las tapas y las cajas de
distribución. Las toberas de entrada y salida se sueldan, o no, con una placa de refuerzo
según la presión de servicio. Por último la carcasa se podrá equipar con anillos para
poder levantarla y llevará, además, la placa de identidad del aparato.

HAZ TUBULAR.

Los tubos que constituyen el haz responden a las especificaciones del cuadro 2. El
diámetro nominal corresponde al diámetro exterior, para el cual las tolerancias son
severas. Las condiciones de funcionamiento, imponen la elección del material:

 Acero al carbono para uso general.
 Almiralty para agua de mar.
 Aceros aleados para productos corrosivos y temperaturas elevadas.
 Aluminio o cobre, para temperaturas muy bajas.
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Los tubos se fijan a cada una de sus extremidades por mandrilado (o ensanche) en las
dos placas tubulares, como se puede ver en la figura 1.25 a y b.

Fig. 1.25. Mandrinado del tubo en la placa tubular (a).

Fig. 1.25. Mandrinado del tubo en la placa tubular (b).

Las perforaciones de los huecos en estas placas están normalizadas, efectuándose según
una disposición, ya sea de paso cuadrado o paso triangular. Teniendo en cuenta la
orientación del haz en relación a la dirección general del fluido que circula en la
carcasa, se obtienen las cuatro disposiciones de las figuras siguientes.

Para los intercambiadores de calor existen cuatro arreglos típicos en los tubos que se
muestran en la figura 1.26 siguiente:

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Figura 1.26. Arreglo de tubos. [7]

 De paso cuadrado a 90°.
 De paso cuadrado girado a 90°.
 De paso triangular, o tres bolillos como también se conoce.

La ventaja del paso cuadrado sobre el triangular, es que la limpieza del haz por fuera de
los tubos puede efectuarse con un 100% de efectividad, y la caída de presión es menor.
El paso triangular normalmente es recomendado donde los fluidos manejados por el
lado del cuerpo son limpios. No debe ser empleado donde se requiera limpiar
mecánicamente el haz por el exterior de los tubos. El paso, en cualquier arreglo de tubos
en los espejos, es la distancia entre centros.

El paso mínimo permitido es de 1.25 veces el diámetro exterior del tubo. Para haces con
tubos de arreglo cuadrado, se debe dejar un espacio libre entre hileras de tubos de ¼”
(6mm) mínimo, para facilitar la limpieza.

El paso triangular permite colocar alrededor de un 10% de tubos más que en el paso
cuadrado sobre una placa tubular de diámetro dado pero, en contrapartida, la disposición
de los tubos hace imposible la limpieza exterior, introduciendo rascadores a través del
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haz. Para estos aparatos, es necesario recurrir a la limpieza química y reservar su
empleo a productos limpios.

El haz de tubos lleva deflectoras transversales (figuras 1.27 y 1.28.) que tienen por
finalidad alargar el camino del fluido que circular por la carcasa y mejorar así, la
transmisión por el exterior de los tubos. Estas deflectoras están constituidas,
generalmente, por un disco que tiene un diámetro ligeramente inferior al de la carcasa y
que posee un segmento libre igual al 25% del diámetro interior de Dc de la carcasa. El
espaciado B, entre deflectoras, que condiciona directamente la velocidad del fluido, está
comprendida entre Dc/5 y Dc.

Figura 1.27. Deflectora transversal del haz.

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Figura 1.28. Deflector longitudinal.
Además estas reflectoras aseguran la rigidez del haz y son solidarias de la placa tubular
fija por medio de unos tirantes, como se muestra en la figura 1.29. En ciertos casos se
emplean deflectoras longitudinales constituidas por una simple chapa inserta en el
medio del haz. Esta disposición obliga a efectuar al fluido un ir y venir en la carcasa y
se tiene en este caso, un aparato que se denomina dos pasos del lado carcasa.

Fig. 1.29. Fijación de los deflectores transversales por tirantes.

De acuerdo a las necesidades del diseño, los tubos deben tener un espesor definido para
cada caso en particular. Normalmente un espesor está dado por un número de calibre
BWG especificando enseguida espesor mínimo o espesor nominal.

Pared mínima: Para tubos requeridos con pared mínima, el punto más delgado de la
pared del tubo no debe ser menor que el espesor especificado.
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Las variaciones permitidas en el espesor del tubo de acero al carbón, aleaciones
ferríticas y austeníticas, son señaladas en la tabla 1.

Para tubos de cobre y aleaciones de cobre, sin costura, la máxima variación en más del
espesor, no debe ser mayor de dos veces los valores indicados en la tabla 1.

Pared nominal: La tolerancia permitida en la pared nominal especificada para tubos de
acero al carbón, aleaciones ferríticas y austeníticas, en MAS y MENOS, es de 10% del
espesor nominal.

En tubos de cobre y aleaciones de cobre, sin costura, las variaciones permitidas en MÁS
y MENOS del espesor nominal, no deben ser mayores de los valores dados en la tabla
1.1.

Tabla 1.1. Tolerancia permitida en la pared para tubos de acero al carbón. [8]
ESPESOR - PULGADAS
DIÁMETRO
EXTERIOR
PULGADAS
0.095 Y
MENOR
MAYOR DE
0.095
HASTA 0.150
MAYOR 0.150
HASTA 0.180
MAYOR DE
0.180
HASTA 4 Y
MENOR.
MAYOR A 4
+ 40
-00
+ 35
-00
+ 35
-00
+ 33
-00
+ 33
-00
+ 28
-00
+ 28
-00

ESPEJOS.

Los espejos donde se fijan los tubos, son de dos tipos:

 Estacionario o fijo.
 Flotante.

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El espejo estacionario o fijo, recibe este nombre por su colocación, debido a que
permanece estacionario al fijarse con el cuerpo por medio del acoplamiento del cabezal
frontal.
El espejo flotante debe su nombre al quedar libre en un extremo dentro del cuerpo,
absorbiendo las dilataciones del material por efecto de la temperatura; su diámetro es
ligeramente menor que el diámetro interior del cuerpo.

DEFLECTORES (O MAMPARAS).

Para lograr coeficientes de transmisión de calor altos, es necesario mantener al flujo en
turbulencia por fuera de los tubos (lado del cuerpo). Para provocar esto, es necesario
utilizar placas deflectoras que obliguen al flujo a circular a través del cuerpo formando
ángulos rectos con respecto a los ejes de los tubos, con diseño, disposición y cantidad de
acuerdo a las necesidades requeridas
.
Estos deflectores o mamparas, trabajan conjuntamente con el haz de tubos y el cuerpo, y
van colocados transversalmente al haz distribuido adecuadamente en toda su longitud.
Los tipos de deflectores más usados son:

Deflector de un segmento.
Deflector de dos segmentos.
Deflector de tressegmentos.

La separación entre deflectores, es mantenida por medio de espaciadores tubulares,
colocados concéntricamente entre los tirantes de varilla de acero. Figura 1.30.

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Figura 1.30. Tipos de deflectores.

CABEZALES.

Estas partes son conocidas como cabezales frontales y cabezales posteriores,
generalmente son referidos como carretes o tapas del cuerpo respectivamente, actúan
conjuntamente con la carcasa para que el fluido manejado circule por dentro y fuera de
los tubos de acuerdo a las necesidades del proceso. Estos cabezales van instalados en los
extremos del cuerpo y los tipos más comunes son:

ventaja que representa para efectuar una inspección rápida y accesible por dentro de los
tubos con sólo desmontar la tapa; lleva una brida en cada extremo (lo que da la forma de
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carrete) para acoplarse al cuerpo y fijar su tapa; y boquillas para entrada y salida del
flujo circulante por dentro de los tubos.

casquete semi-elíptico, desmontable, Tipo B. Este cabezal
es necesario desmontarlo de la carcasa para inspeccionar y limpiar por dentro de los
tubos. Llevan una brida para acoplarse al cuerpo, y boquillas de entrada y salida del
fluido circulante.

al integrado al espejo, con tapa desmontable, tipo C. Este tipo tiene la
característica de estar soldado a espejo de un haz de tubos doblados en “U” (horquilla),
removible para trabajos de limpieza y reparación. Su tapa es desmontable, lo que
permite accesibilidad a inspecciones y trabajos de reparación y limpieza.

comprendido dentro del tipo C, con la variante que forma parte de una unidad integral
donde el haz de tubos no es removible. Por tener tapa desmontable, permite
inspeccionar, limpiar y reparar por dentro de los tubos.

TIRANTES Y ESPACIADORES.

Su función principal consiste en fijar y mantener en su posición a los deflectores y
placas soporte para que trabajen estructuralmente con el resto del haz.

PLACAS DE CHOQUE.

Consiste en una placa que se instala sobre el haz de tubos, coincidiendo con la boquilla
de entrada al flujo, para que el chorro no golpee directamente sobre los tubos y los dañe,
y para lograr una distribución uniforme del flujo de ese lugar. El material y dimensiones
dependen de las condiciones de diseño.

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PLACAS PARTIDORAS DE PASOS (DEFLECTORES DIVISORES DE
PASOS).

Estas placas se instalan en el cabezal y en la tapa flotante en cantidad y disposición de
acuerdo al diseño, para lograr las condiciones de intercambio de calor requeridas por el
proceso.

BRIDAS.

Son partes de acoplamiento de tuberías, válvulas, conexiones, torres de proceso,
recipientes a presión, tanques de almacenamiento, etc.; así como tapas, cabezales y
carcazas intercambiadores de calor.

Existen diversos tipos de bridas, siendo los más comunes los siguientes:

 Integral.
 De cuello.
 Deslizable.
 De traslape.
 Roscada.
 Ciega.

En la figura 1.31 se muestran estas bridas, siendo las de mayor aplicación las que
corresponden a los tipos de las tres primeras.
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Figura 1.31. Bridas.

Las bridas que se utilizan en intercambiadores de calor para acoplamiento de tapas y
cabezales al cuerpo, se conocen como bridas clase TEMA, fabricadas con normas de
diseño establecidas por la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores de Calor
comprendidas en 2 clases:

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 Bridas de cuello soldable tipo hub, que se fabrican en clases R, C y A, para las
siguientes presiones:

10.5 kg/cm (150 #/pulg. ).
21.1 ” (300 ” ) .
31.6 ” (450 ” ).
42.2 ” (600 ” ).

En la figura 1.32 se muestran estas bridas con sus dimensiones que pueden identificarse
en catálogos de fabricantes que se ajustan a las normas TEMA.

El valor de estas dimensiones depende de la presión de diseño en kg/cm2 o para
cuerpos fabricados de tubo desde 203 mm (8”) hasta 584 mm (23”) de diámetro, y para
cuerpos fabricados de placa rolada y soldada, desde 625 mm (25”) hasta 1067 mm (42”)
de diámetro.

Figura 1.32. Bridas tipo HUB.

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En la figura 1.33 se muestran estas bridas con sus dimensiones que pueden identificarse
en catálogos de fabricantes que se ajustan a las normas TEMA.

El valor de estas dimensiones depende de la presión de diseño en kg/cm2 o para cuerpos
fabricados de tubo desde 203 mm (8”) hasta 584 mm (23”) de diámetro, y para cuerpos
fabricados de placa rolada y soldada, desde 625 mm (25”) hasta 1067 mm (42”) de
diámetro.

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Figura 1.33. Brida tipo anillo.

La forma de la cara de la brida es de partículas importancia, pues de ella depende la
eficiencia del sellado que se logre para los diferentes rangos de presión y temperatura.
La forma de la cara puede ser como se puede observar en la figura 1.34.

Figura 1.34. Forma de caras de bridas.
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BOQUILLAS.

Las boquillas de conexión generalmente son del tipo de cuello soldable, o fabricadas de
tubería y bridas del mismo tipo. Van instaladas radialmente al cuerpo y a cabezales.
Las boquillas con diámetro de 1 ½” (38mm) o mayor, deben llevar una conexión (cople)
de ¾” (19mm) de diámetro, instalado en posición horizontal para termómetro.
Boquillas intermedias entre unidades fijas, deben llevar bridas con cara plana o
realzada.

JUNTAS (EMPAQUES).

Los intercambiadores de calor, tienen partes bridadas que se acoplan a otras por medio
de espárragos (tornillos); tales como: tapa del cabezal frontal, cabezal frontal al cuerpo,
haz de tubos al cuerpo, tapa flotante al espejo flotante, cabezal posterior al cuerpo,
boquillas a tuberías, etc.

Los tipos de juntas se muestran en la figura 1.35

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Figura 1.35. Tipos de juntas para intercambiadores. [8]
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Las juntas pueden ser: metálicas sólidas, cartón de asbesto comprimido, cartón de
asbesto comprimido reforzado con malla de acero, metálica con doble camisa rellena
con asbesto, etc.

Las juntas metálicas proporcionan un servicio mejor, y deben fabricarse de una sola
pieza, trátese de junta sólida o doble chaqueta.
Para seleccionar una junta,