Intercambiadores de calor

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Intercambiadores de calor
Tipos de intercambiadores
Fundamentos de la transferencia del calor
Métodos de cálculo
Aspectos complementarios para el diseño
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INTRODUCCION
• Un intercambiador de calor se puede describir de un modo 
muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a 
distintas temperaturas (o diferentes niveles energéticos), 
fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas, 
calentar la otra o ambas cosas a la vez
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• Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone 
en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se 
precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda 
efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se 
puede reducir utilizando un intercambiador de mayor porte, pero esto a 
su vez implica un mayor costo, tanto de tipo económico, como 
energético.
• Consideraremos como parte del conjunto de los intercambiadores de 
calor, no sólo los clásicos formados por la carcasa y tubos, sino también 
otros, como los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o 
las tuberías de calor o calefacción, etc.
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TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR: tubos 
concéntricos
• El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro 
de otro tubo, denominado intercambiador de tubos concéntricos.
• Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente 
como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del 
espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.
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TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR: tubos 
concéntricos
• En un flujo paralelo en equicorriente (a), la temperatura final del fluido más frío 
nunca puede llegar a ser igual o menor a la temperatura de salida del fluido 
más caliente.
• Sin embargo, en un flujo en contracorriente (b), la temperatura final del fluido 
más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del 
fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de 
temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor.
• Un caso particular ocurre cuando alguno de los fluidos no cambia su temperatura 
(c ), sino que transfiere calor latente.
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INTERCAMBIADOR de carcasa y tubos 
DE PASO SIMPLE (1-1)
• El intercambiador de tubos concéntricos, no es adecuado cuando el flujo másico es 
elevado.
• Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de los tubos 
que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico el construirlos 
formando un conjunto de carcasa y tubos, de forma que se utiliza una carcasa común 
para muchos tubos;
• éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la 
carcasa y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 
1-1.
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INTERCAMBIADOR de carcasa y tubos 
• En un intercambiador de carcasa y tubos en contracorriente, los coeficientes 
de transmisión de calor del lado de la carcasa y del lado de los tubos 
deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes para obtener un 
coeficiente global satisfactorio.
• La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la carcasa son tan 
importantes como las del líquido del lado de los tubos.
• Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del 
lado de la carcasa es menor que la del lado de los tubos; 
• Por ello se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la sección de 
flujo del líquido del lado de la carcasa y obligarlo a circular en dirección 
cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; 
• De esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor más 
elevado en flujo cruzado que en circulación paralela a los tubos.
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INTERCAMBIADOR de carcasa y tubos 
placas deflectoras
8
INTERCAMBIADOR de carcasa y tubos 
placas deflectoras
• El flujo pasa perpendicularmente a los tubos, circulando hacia abajo en la 
primera sección, hacia arriba en la segunda, y así sucesivamente; la 
turbulencia adicional que se crea mediante este tipo de flujo aumenta el 
coeficiente de transmisión de calor del lado de la carcasa.
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INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS
• En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un 
intercambiador de calor en flujo cruzado, en el que uno de los fluidos 
(líquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro 
fluido (gaseoso) circula perpendicularmente al haz de tubos
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INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS
• El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante convección forzada o libre; 
• El gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras 
que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; 
• El flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los 
tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos está 
confinado y no puede mezclarse con ningún otro flujo o corriente durante el proceso 
de intercambio de calor
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Clasificación de intercambiadores de carcasa 
y tubos
• Standards of the 
Tubular Exchanger 
Manufacturers
Association (TEMA)
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Flujos de Calor y Resistencias
Geometría Densidad de Flujo Flujo de Calor Resistencia
Mecanismo de Transmisión del Calor por Conducción
Plana q =cte
Cilíndrica q(r) 
Esférica q(r)
Mecanismo de Transmisión del Calor por Convección
Interfase sólido-fluido 
Mecanismo de Transmisión del Calor por Radiación
Radiación entre 2 
superficies
k A 
T1 T2
x
 x
k A
2kL
ln
r 2
r 1






T 1 T 2  ln r 2
r 1






2  k L
4k
1
r 1
1
r 2

T 1 T 2  1r 1
1
r 2

4k
h A (T1-T2) 1/ h A
F  F G  T 1
4 T 2
4

 17
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL
• Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un 
intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente 
de transferencia térmica global entre las dos corrientes fluidas. 
• El coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido caliente a 
temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared plana 
se define mediante la ecuación:
 
AhkA
L
Ah
R
UA
TTUAq
Fc
i
i
i
FC
11
11
3
1







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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL
• En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos 
concéntricos, el área de la superficie de intercambio térmico es:
• Interior: Ai = 2 π riL
• Exterior: Ae = 2 π reL
• de forma que, en general: 
 
eF
ie
ic AhkL
rr
Ah
UA
ei
1
2
ln1
1



COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL
• Si el coeficiente de transferencia térmica global viene referido 
a la superficie exterior Ae el valor de Ue será:
• mientras que si viene referido a la superficie interior Ai será:
eFi
ee
iiC
e
e
hr
r
k
r
rh
r
U
1ln
1








20eFe
i
i
ei
iC
i
hr
r
r
r
k
r
h
U








ln1
1
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Factores de resistencia por ensuciamiento normales
Tipo de fluido Requiv (m2ºK/W)
Agua de mar por debajo de 325°K 0,0009
Agua de mar por encima de 325°K 0,0003
Agua de alimentación de calderas por encima de 325°K 0,0005
Agua de río 0,001-0,004
Agua condensada en un ciclo cerrado 0,0005
Agua de torre de refrigeración tratada 0,001-0,002
Gasóleo ligero 0,0020
Gasóleo pesado 0,0030
Asfalto 0,0050
Gasolina 0,0010
Queroseno 0,0010
Soluciones cáusticas 0,0020
Fluido hidráulico 0,0010
Sales fundidas 0,0005
Gases de escape de un motor 0,010
Aceite combustible 0,0050
Aceites vegetales 0,0030
Vapores de alcohol 0,0001
Vapor, cojinetes sin aceite 0,0005
Vapor, con aceite 0,0010
Vapores refrigerantes, con aceite 0,0020
Aire comprimido 0,0010
Líquido refrigerante 0,0010
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA (LMTD).-
• Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes en 
carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias 
carcasas,y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deducción 
analítica de una expresión para la diferencia media de temperaturas 
resulta muy compleja.
• Por lo que se resuelve por similitud con un intercambiador concéntrico, 
aplicando un factor de corrección.
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mTFAUQ  ***
Fuerza impulsora
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Ecuación de diseño 
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Estructura de costo 
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Métodos de cálculo
• Método de la Eficiencia o Número de Unidades de Tansferencia (Nusselt) 
• NTU=UA/(W Cp)min ; 
•  =Q /Qmax ; 
• Qmax= (W Cp)min (Thi –Tci); 
• A= f (NTU,R);
• R=(WCp)c/(WCp)h
• Método de Kern, es un método riguroso, que analiza los procesos convectivos de 
los fluidos en los tubos y en la carcasa, evaluando las propiedades físicas de las 
corrientes a temperaturas medias o calóricas. La transferencia de calor por 
conducción se calcula en los paredes internas de los tubos y se desperecia el 
intercambio por la carcasa al medio. De esta manera se calcula el coeficiente 
global de transferencia limpio (UC) Los valores de resistencia a la conducción por las incrustaciones se adoptan de datos de perfomance similares, calculándose el 
coeficiente global de transferencia sucio (UD)
• 1/UD=1/UC + Rm
• Método Shortcut, es un método aproximado que permite usar las correlaciones 
tradicionales para convección forzada, las ecuaciones de balance de energía, 
utiliza ecuaciones puestas en función de la geometría de los tubos, deflectores y 
carcaza
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Short cut
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Lord, R. C., Minton, P. E., & Slusser, R. P. (1970). Design of heat 
exchangers. CHEM ENG, 77(2), 96-118.
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Nomenclatura
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Estimación de intercambiadores (Método TEMA)
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Estimación de intercambiadores carcasa y tubos
(método TEMA)
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Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers. 
Datos para el diseño
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•de ambas corrientes.1. Caudales
•de ambas corrientes.2. Temperaturas de entrada y de salida
•Este dato es necesario para los gases, especialmente si la densidad del gas no ha sido dada; pero no es realmente 
necesario para líquidos, ya que sus propiedades no varían con la presión.
3. Presión de operación de 
ambas corrientes.
•Este es un parámetro muy importante para el diseño del intercambiador de calor. En general, para los líquidos, se 
permite un valor de 0,5-0,7 kg / cm2 por la carcasa. Una caída de presión más alta es por lo general garantizada para 
líquidos viscosos, especialmente en los tubos. Para los gases, el valor permitido es generalmente 0,05-0,2 kg / cm2, 
siendo típica de 0,1 kg / cm2.
4. Caída de presión admisible 
para ambas corrientes.
•Si no fueron determinadas, el diseñador debe adoptar valores especificados en las normas de TEMA o en base a la 
experiencia pasada.
5. Resistencia al ensuciamiento 
de ambas corrientes.
•Estas incluyen: viscosidad, conductividad térmica, densidad y el calor específico, preferiblemente a ambas 
temperaturas de entrada y de salida. Los datos de viscosidad deben ser suministrados a temperaturas de entrada y de 
salida, especialmente para líquidos, ya que la variación con la temperatura puede ser considerable y es irregular (no 
lineal ni log-log).
6. Propiedades físicas de 
ambas corrientes.
•El suministro especificado debe ser consistente tanto para el lado de la carcasa como de los tubos.7. Exigencia de calor.
Effectively Design Shell and Tube Heat Exchangers”, Mukherjee.
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•Si no está instalado, el diseñador puede elegir éste basándose en las características de los distintos tipos de construcción 
descritos anteriormente. De hecho, el diseñador está normalmente en una posición mejor que el ingeniero de proceso para 
hacer esto.
8. Tipo de 
intercambiador de calor.
•Es deseable que coincidan los tamaños de boquillas con los de línea, para evitar expansores o reductores. Sin embargo, los 
criterios de tamaño para las boquillas son por lo general más rigurosos que para las líneas, especialmente para la entrada de
la carcasa. En consecuencia, los tamaños de boquillas deben ser a veces un tamaño mayor (o incluso más en casos 
excepcionales) que los tamaños de línea correspondientes, especialmente para las pequeñas líneas.
9. Tamaños de línea.
•El tamaño del tubo se designa como D.O.- 'espesor' -longitud. Algunos propietarios de las plantas tienen un D.O.- 'espesor' 
preferido, (por lo general en base a consideraciones de inventario), y el lay out disponible determinarán la longitud máxima 
del tubo. Muchos propietarios de las plantas prefieren estandarizar las tres dimensiones, de nuevo basándose en 
consideraciones de inventario.
10. El tamaño de tubo 
preferido.
•Este se basa en los requisitos para retirar el haz de tubos y está limitada por la capacidad de la grúa. Tales limitaciones se 
aplican sólo a los intercambiadores con haces de tubos extraíbles, es decir, de tubo en U y cabeza flotante. Para 
intercambiadores de placas de tubos-fija, la única limitación es la capacidad de fabricación del fabricante y la disponibilidad 
de componentes, tales como extremos y las bridas en forma plana. Por lo tanto, los intercambiadores de calor de cabezal 
flotante a menudo se limitan a una carcasa de diámetro interno de 1.4 a 1.5 m y una longitud de tubo de 6 m o 9 m, mientras 
que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos fijos, pueden tener envolturas tan grandes como 3 metros y tubos de 
longitudes de hasta 12 metros o más.
11. Diámetro máximo de 
la carcasa
•Si los tubos y la carcasa están hechos de materiales idénticos, todos los componentes deben ser de este material. Por lo 
tanto, sólo los materiales de carcasa y tubos de construcción deben especificarse. Sin embargo, si la camisa y los tubos son de 
diferentes materiales, deben especificarse todos los componentes principales para evitar cualquier ambigüedad. Los 
componentes principales son la cáscara (y cubierta de la cáscara), tubos, canales (y cubierta de canal), placas de tubos y 
deflectores. Placas de tubos pueden estar revestidos o enchapados.
12. Materiales de 
construcción.
•Estos incluyen recirculación, condiciones irregulares, escenarios operativos alternativos, y si la operación es continua o 
intermitente.
13. Consideraciones 
especiales.
EFFECTIVELY DESIGN SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGERS. 
DATOS PARA EL DISEÑO
Videos
• https://www.youtube.com/watch?v=7dXxcmkUS_c
• https://www.youtube.com/watch?v=gRooYtcpjZ8
Noticias
• http://www.unsam.edu.ar/tss/larga-vida-para-la-leche-de-cabra/
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