INTERCAMBIADOR DE CALOR

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir

calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera

sólida o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los

dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de

energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en

el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera

por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura

del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

De manera general, existen dos tipos de transmisión de calor en los

intercambiadores:

Transmisión de calor por conducción: La conducción es la forma en que

tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las

moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando

la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta

vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga

movimiento alguno.

Transmisión de calor por convección: Cuando un fluido circula en

contacto con un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería,

existiendo una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un

intercambio de calor. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de

convección.

USOS DE LOS INTERCAMBIADORES

Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de los

tipos de intercambiadores existentes, pero en general, los intercambiadores

son usados para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso. Por

ejemplo para algunos de los intercambiadores más usados actualmente,

algunos de los usos que se conocen son los siguientes: (solo se discutirán

los casos mas comunes)

CLASIFICACION DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiadores según su función.

Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo

del flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es

aquel en que los fluidos caliente y frío se mueven en la misma dirección (no

necesariamente el mismo sentido) en una construcción de tubos

concéntricos. En el arreglo co-corriente o paralelo, los fluidos caliente y frío

entran por un extremo (ambos por el mismo) y salen por el otro. En el arreglo

contracorriente, los fluidos entran por extremos opuestos y fluyen en sentidos

opuestos para salir por extremos opuestos a su vez.

En este punto se realiza una descripción de los tipos fundamentales de

intercambiadores que son.

• Intercambiadores de tubería doble

• Intercambiadores enfriados por aire

• Intercambiadores de tipo placa

• Intercambiadores de casco y tubo

Intercambiador de Doble Tubo Consta de dos tubos concéntricos, dispuestos en horquillas con la ayuda

de codos de 180º, que se unen para formar el intercambiador. En el tubo

inferior fluye uno de los fluidos y en el espacio anular entre ambos tubos

fluye otro. Puesto que los fluidos atraviesan el intercambiador una sola vez,

se dice que es de paso.

Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor,

circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Estos

intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia

son pequeños.

Intercambiadores Enfriados por Aire Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que

puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas

para aumentar el área de transferencia de calor.

Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5

m). La selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado

por agua es una cuestión económica, hay que consideran gastos de

enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la temperatura de salida

del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de temperatura de

unos 15 ºF (8 ºC)). Con agua se obtienen diferencias menores.

Las aletas o ventiladores de los intercambiadores enfriados por aires , se

utilizan parar para asistir al equipo intercambiadores de calor como un

disipador o un radiador con la finalidad de aumentar la transferencia de calor

entre un sólido y el aire o entre los fluidos que interactúan. Una clara

aplicación de esto se ve reflejada en evaporadores y condensadores en

sistemas de refrigeración en que el ventilador ayuda a transferir el calor

latente entre el refrigerante y el aire, y viceversa.

Aletas transversales Se fabrican de una gran variedad de tipos y se emplean principalmente

para el enfriamiento y calentamiento de gases en flujo cruzado. Las aletas

helicoidales de la figura a) se clasifican como transversales y sujetan a varias

formas tales como insertos, expandiendo el metal mismo para formarlas o

soldando una cinta metálica en el tubo en una forma continua. Las aletas de

tipo disco son también del tipo transversal y usualmente se sueldan al tubo o

se sujetan a él mediante contracción, como se muestra en la figura b) y c).

Las aletas de tipo espina y tipo diente o espiga, emplean conos, pirámides

o cilindros que se extienden desde la superficie del tubo de manera que se

pueden utilizar para flujo longitudinal o flujo cruzado.

Aletas longitudinales

La aleta más simple desde el punto de vista de su manufactura como de

su diseño, es la aleta longitudinal de espesor uniforme.

Intercambiadores de Tipo Placa Llamados también intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes

tipos:

• Intercambiadores de tipo placa y armazón (plate-and-frame) similares a un

filtro prensa.

• Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate fin).

Admiten una gran variedad de materiales de construcción, tiene una

elevada área de intercambio en una disposición muy compacta. Por la

construcción están limitados a presiones pequeñas.

Intercambiadores de Casco y Tubo. Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria

química y con las consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en

una estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un casco de

mayor diámetro. Están compuestos por tubos cilíndricos, montados dentro de

una carcasa también cilíndrica, con el eje de los tubos paralelos al eje de la

carcasa. Un fluido circula por dentro de los tubos, y el otro por el exterior

(fluido del lado de la carcasa). Son el tipo de intercambiadores de calor más

usado en la industria. Los componentes básicos de este intercambiador son:

El haz de tubos (o banco de tubos), carcasa, cabezal fijo, cabezal removible

(o trasero), deflectores, y la placa tubular.

Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular

Exchanger Manufacturers Association (TEMA)

APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y

reciben diferentes nombres:

1. Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos

fluidos.

2. Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Es un

intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos

se enfría, pasando de estado gaseoso a estado líquido, el otro se

calienta. Se fabrican en tamaños y disposiciones diversas para ser

empleados en numerosos procesos térmicos.

3. Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado

ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de

procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en

el océano.

4. Calentador: Es el que aplica calor sensible a un fluido, es un dispositivo

termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua u

otra sustancia

5. Rehervidor: Se encuentra conectado a la base de una torre fraccionadora,

proporciona el calor de re ebullición que se necesita para la destilación.

(Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera)

6. Vaporizador: Es un calentador que vaporiza parte del líquido. Se emplean

para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de

hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además

en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la

separación de gases a muy bajas temperaturas

7. Aplicaciones Generales, comúnmente se utilizan en un gran número de

instalaciones Industriales, Navales y de Climatización Civil.

8. Instalaciones Industriales; Calentamiento de producto; refrigeración de

producto, recuperación de condensados, plantas de energía y ciclos

combinados.

9. Instalaciones Navales; Motores marinos, generadores de agua dulce,

refrigeración camisas de motor principal, motores auxiliares, producción

de vapor en salas de maquinas

10. Instalación de Climatización Civil, Producción de agua caliente sanitaria

(ACS), torres de refrigeración.

Intercambiadores de calor según su uso

Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de los tipos

de intercambiadores existentes, pero en general, los intercambiadores son

usados para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso. Por ejemplo

para algunos de los intercambiadores más usados actualmente, algunos de

los usos que se conocen son los siguientes:

Intercambiadores de placas Para uso industrial desde Farmacéutico, Alimenticio, Químico,

Petroquímico, Plantas Eléctricas, Plantas Siderúrgicas, Marinos y otros más.

Torres de Enfriamiento secas.

Calentadores de Agua y otros fluidos, mediante vapor.

Enfriadores de Aceite.

Recuperadores de Calor, particularmente con diferenciales

cortos de temperatura.

Manejo de sustancias corrosivas, medias.

Enfriadores de agua salada.

Para cualquier aplicación donde se requieren diferenciales

cortos de temperatura.

Para usos de refrigeración libres de congelación.

Intercambiadores compactas de placas soldadasEste tipo de intercambiador de calor se caracteriza por su diseño

compacto y alta eficiencia. Están formados por placas de acero inoxidables

soldadas entre sí mediante un proceso de brazing, resultando en una unidad

compacta, resistente a la presión y donde prácticamente todos los materiales

que lo componen están involucrados en el proceso de transferencia de calor.

Las placas soldadas forman sus sistemas de canales separados, a través de

los cuales los dos fluidos circulan con un flujo completamente en

contracorriente y aislados entre sí. Esta configuración de canales produce

una alta turbulencia, que facilita una mayor transferencia de calor, la cual

sirve:

Para uso de Refrigeración: como Evaporadores,

Condensadores, Subenfriadores, Desupercalentadores y  evaporadores de

Cascada/Condensadores.

Para Procesos tales como :

Calentadores mediante vapor

Condensador de vapor

Enfriadores de Nitrógeno Líquido

Enfriadores de Aceite Hidráulico, etc.

Intercambiadores de doble tubo: Adecuado para trabajar en aplicaciones líquido-líquido y en general

para los procesos donde los intercambiadores de placas no se puedan

utilizar.

Industrias Alimentaría, Química, Petroquímica, Farmacéutica, etc.

Intercambiadores de casco y tubos Vapor / Agua, para condensar vapor y / o calentar agua.

Aceite / Agua, para enfriar aceite en sistemas de lubricación o

hidráulicos y transformadores eléctricos.

Vapor / Combustóleo, para calentar combustóleo en tanques de

almacenamiento, fosas de recepción y estaciones de bombeo.

Aire / Agua, para enfriar aire como Post-enfriadores de compresor de

aire.

Refrigerante / Agua, para condesar refrigerantes.

Intercambiadores de calor para procesos químicos y/ o petroquímicos;

fabricados en acero al carbón, acero inoxidable y / o aceros

especiales.

Chilers ( Intercambiadores de calor para enfriar agua con gas

refrigerante ) para unidades de agua helada

Inter - Enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Atlas Copco.

Inter - enfriadores y Post - Enfriadores para compresores Ingellson

Rand.

Intercambiadores de casco y tubo de grafito Para Procesos químicos altamente corrosivos (Manejo de Ácidos y

bases en bajas concentraciones).

Diseño, fabricación y reparación.

CALCULO DEL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El coeficiente global de transferencia de calor se define mediante

la relación:

q=U × A×∆T

Donde los términos son, q es la cantidad de calor por unidad

de tiempo, U el

Coeficiente global de transferencia de calor, Al área de contacto del

intercambiador y ∆T es la Diferencia media logarítmica. El coeficiente global

de transferencia de calor puede estar basado, tanto en el área interna del

tubo como la externa.

CALCULO DE CALOR TRANSMITIDO A TRAVÉS DEL MÉTODO DE LONGITUD LOGARÍTMICA

La diferencia de temperatura media logarítmica (también conocido

como LMTD) se utiliza para determinar la temperatura del motor de la

transferencia de calor en sistemas de flujo, especialmente en los

intercambiadores de calor. LMTD es la media logarítmica de la diferencia de

temperatura entre los arroyos calientes y fríos en cada extremo del

intercambiador. Cuanto mayor sea el LMTD, más calor se transfiere. El uso

de la LMTD directa surge del análisis de un intercambiador de calor con el

constante flujo de fluidos y propiedades térmicas.

Suponemos que un intercambiador de calor de genéricos tiene dos

lados (lo que llamamos "A" y "B") en la que el frío y caliente arroyos entrar o

salir y, a continuación, la LMTD se define por la ecuación siguiente:

Para aplicar este método se realizan las siguientes suposiciones:

-Las propiedades de las corrientes son constantes

-El intercambio de calor se realiza en estado estacionario

-Cada corriente tiene un calor especifico constante

-El coeficiente global de transferencia de calor es constante

-La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante

-No hay pérdida de calor

-El flujo es en contra- o co-corriente

Donde ΔT es la diferencia de temperatura en el lado A, B y ΔT en la

cara.

Esta ecuación es válida tanto para el flujo paralelo, donde los flujos de

entrada de un mismo lado, y de contra-corriente de flujo, donde entrará a

partir de diferentes partes.

Un tercer tipo de flujo transversal de flujo, en la que un sistema,

generalmente el disipador de calor, tiene la misma temperatura nominal en

todos los puntos de transferencia de calor en la superficie. Esto se

desprende similares matemáticas, en su dependencia de la LMTD, salvo que

un factor de corrección F menudo tiene que ser incluido en la relación de

transferencia de calor.

Hay veces en las cuatro temperaturas utilizadas para calcular el LMTD

no están disponibles, y la NTU método puede ser preferible.

AplicaciónUna vez calculado, el LMTD suele aplicarse para el cálculo de la

transferencia de calor en un intercambiador de acuerdo a la simple ecuación:

Donde Q es el intercambio de calor derecho (en vatios), U es el

coeficiente (en vatios por grado Kelvin por metro y A es el área de

intercambio. Tenga en cuenta que la estimación del coeficiente de

transmisión de calor puede ser muy difícil.

ESTUDIO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN EL MÉTODO NUT.

El Método del Número de Unidades de Transferencia (NUT) se usa

para calcular la velocidad de transmisión de calor en Intercambiadores de

calor (especialmente en contracorriente) cuando no hay información

suficiente para calcular la Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica

(DTM).

El método pasa por el cálculo de los índices de capacidad de calor (es decir,

velocidad de flujo multiplicado por calor específico) Ch y C c para los fluidos

caliente y frío, respectivamente, y que denota la más pequeña como.Cmin

Una cantidad

qmax≡Cmin(T h ,i−T c, i)

Se encuentra entonces. Este valor es de la máxima de calor que podría

transferirse entre los fluidos.

La eficacia, ϵ se define entonces en términos de ese máximo:

ϵ ≡q

qmax

Dónde:

q=Ch (T h ,i−T h, o )=Cc (T c, o−T c ,i )

Es el calor real transferido entre los fluidos.

Para geometrías dadas,ϵ se puede calcular usando correlaciones en

términos de la "relación de capacidad de calor

cr ≡CminCmax

Y el número de unidades de transferencia, NTU

NTU≡U ACmin

Donde U es el coeficiente de transferencia de calor total y A es el

área de transferencia de calor

CALCULO DEL NUMERO DE TUBOS EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Son conocidos como tubos para condensadores. Se encuentran disponibles�

en varios metales, los que incluyen acero, cobre, 70-30 cobre níquel,

aluminio-bronce etc. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared,

definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se

denomina BGW del tubo.Los tubos ¾ y 1 plg son los mas comunes en el�

diseño de intercambiadores de calor.

El número de tubos que pueden ser colocados dentro de una carcaza

depende del arreglo de los tubos, del diámetro externo de los tubos, del

espaciado de tubos, y del número de pasos y diámetro de la carcaza. Existen

tablas donde se especifican el número máximo de tubos de acuerdo a las

especificaciones dadas.

CALCULO DE ÁREA DE TRANSDERENCIA DE CALOR EN LOS

INTERCAMBIADORES

En el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo

exterior, carcasa o casco, está perfectamente aislado térmicamente, es decir,

no existe intercambio de calor con el exterior. Entonces se puede considerar

que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como

una pared cilíndrica ( el tubo o tubos interiores ) bañada por dos fluidos a

diferente temperatura, sistema que ya se ha analizado en este mismo

documento ( ver " Ejemplo: Pared cilíndrica simple bañada por fluidos a

diferente temperatura " ) y cuyo coeficiente global de transferencia tiene la

siguiente expresión:

- O lo que es lo mismo: 

- Siendo Ai el área de la superficie interior y Ao el área de la superficie

exterior de transferencia de calor.

- Siendo hi el coeficiente de película interior y ho el coeficiente de película

exterior.

- En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente

delgada Ai = Ao = A . 

- Si el material del que está hecho el tubo es buen conductor del calor la

resistencia térmica debida a conducción es despreciable, entonces: 

- Las dos condiciones anteriores se dan casi siempre, quedando: 

Introducción

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para

transferir calorentre dos medios, que estén separados por una barrera o que

se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos

de refrigeración, acondicionamiento, producción de energía y

procesamiento químico.

La acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye

sobre él y, a su vez, reduce la Un intercambiador típico es el radiador del

motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por

temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de los tipos

de intercambiadores existentes, pero en general, los intercambiadores son

usados para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso.

Conclusión

El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen

numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más

complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la

selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el

peso, el tamaño y las condiciones económicas.

Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy

importantes en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas

de proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el

factor predominante en la selección del diseño en el caso de aplicaciones

especiales y aeronáuticas.

ANEXOS

Intercambiadores de Calor

Intercambiadores de Calor de tubo

Intercambiadores de calor de placa

BIBLIOGRAFÍA

HOLLMAN, J. P. “TRANSFERENCIA DE CALOR”. Editorial Mc

GRAW HILL. 8° Edición.

KERKN, Donald. “PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR”. Editorial CONTINENTAL S.A. México 1998.

PERRY. “MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO”. Editorial Mc

GRAW – HILL. Barcelona 1996.

GREGORIG, Romano. “ CAMBIADORES DE CALOR”. Ediciones

URMO S.A. España 1979.