IC intercambiador de calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR
Definiciones
El Intercambiador de calor (IC),
también llamado recuperador, utiliza
calor sensible. El Condensador, que
puede ser total o parcial, utiliza calor
sensible y latente. El Reboiler,
calderín, caldereta, vaporizador o re-
hervidor, utiliza parte del calor
latente y del calor sensible.
 Corrientes del proceso: intervienen en el balance de masa (alimentación, vapor de calderas, etc.)
 Corrientes de servicio: sirven para realizar un calentamiento o enfriamiento, pero no intervienen en
el balance de materia, pero si intervienen en el balance de energía (vapor de calefacción, agua de
enfriamiento)
 Calor: energía que cruza los límites de un sistema debido a una diferencia de temperaturas.
 Calor sensible: energía transferida entre dos cuerpos a diferentes temperaturas o energías
presentes en un cuerpo debido a su temperatura. (es el calor que se produce o absorbe sin que se
produzca un cambio de fase).
 Calor Latente: es el calor absorbido o desprendido por una sustancia durante un cambio de fase;
son muy altos. (energía asociada con los cambios de fase: fusión, vaporización, etc.)
 Entalpía: energía microscópica de un fluido en movimiento.
H = E + PV E: energía interna (energía microscópica de un fluido estacionario)
PV: trabajo de flujo
 Transferencia de calor (velocidad de transferencia de calor): es el calor transferido en la unidad de
tiempo (J/s ò W). equivale a decir “Carga Térmica”.
 Flujo de calor: es la velocidad de transferencia de calor por unidad de área (W/m2
). Equivale a decir
“transferencia de energía térmica”.

INTERCAMBIADOR DE CALOR
Un IC es un dispositivo cuyo propósito primario es la transferencia de energía (calor sensible) entre dos
fluidos.
Se utilizan para recuperar calor y de paso para
ahorrar costos por servicio de calefacción y/o
enfriamiento.
“Un intercambiador de calor es un dispositivo
diseñado para transferir calor entre dos medios,
que estén separados por una barrera o que se
encuentren en contacto. Son parte esencial de los
dispositivos de refrigeración, acondicionamiento
de aire, producción de energía y procesamiento
químico”
Aplicaciones: prevenir el sobrecalentamiento del motor del auto e incremento de su eficiencia; utilizados en
aires acondicionados y hornos, y en la industria para la transferencia de calor; etc.
Clasificación de los IC
1- De acuerdo al proceso de transferencia:
1.1 – Tipo de Contacto Indirecto: los fluidos que intercambian calor no se mezclan, lo hacen a través de una
superficie caño, pared que separa los fluidos
1.1.1 – Tipo transferencia Directa: flujo continúo de calor desde un fluido a otro, llamados Recuperadores.
Pueden ser de Fase simple o Multifase.
1.1.2 – Tipo Almacenamiento: también llamados regenerativos, ya que calienta en un lugar y enfría en el
otro. Hay una transferencia de calor pulsante. En un tubo la corriente caliente que sale calienta el bloque,
éste gira y entra al tubo frío y cede calor al aire que entra, luego el bloque enfriado regresa al caliente.
1.1.3 – Tipo Lecho Fluidizado: caliento material sólido, por ejemplo bolitas chicas de vidrio, y luego las paso
por la zona fría.
1.2 – Tipo Contacto Directo: se usa para pocas aplicaciones ya que implica separación.
1.2.1 – Fluidos inmiscibles: agua y aceite; enfrío el aceite con el agua, y luego lo decanto.
1.2.2 – Gas-Líquido: por ej. Torre de vapor húmedo, una lluvia de agua pasa por una corriente de aire.
1.2.3 – Líquido-Vapor: ej. Condensar el vapor con una corriente de aire
2- De acuerdo al número de fluidos: (no es práctica)
2.1 – Dos fluidos
2.2 – Tres fluidos
2.3 – N Fluidos (N>3)
3 - De acuerdo a la compactación de la superficie:
3.1 – Compacto: densidad del área mayor a 700 m2
/m3
. Se usan frecuentemente. Gran área de transferencia
de calor en poco espacio.
3.2 – No Compacto: densidad del área menor a 700 m2
/m3
.
4- De acuerdo al mecanismo de transferencia de calor: (no es práctica)
4.1 – Convección de fases simples a ambos lados (los dos fluidos no cambian de fase. L/L)
4.2 – Convección de una fase de un lado y de dos fases del otro (ej. Agua en un lado y gas que se evapora o
condensa del otro. L-G/L)

4.3 – Convección de dos fases a ambos lados (uno se evapora y otro condensa. L-G/G-L)
4.4 – Convección y Radiación combinadas (problemático el cálculo. L/G)
5- De acuerdo a la construcción: es la más usada, se basa en la geometría.
5.1 – Tubular
5.1.1 – Doble tubo: formado por dos tubos concéntricos.
5.1.2 – Carcasa y tubo: Equipo de tamaño importante. Es una carcasa (tubo grande) con bocas para la
entrada y salida de fluidos. En su interior existen tubos de diámetro menor (ej, 1’’) y tienen hasta 6 m de
largo (no más, por problemas de pandeo); la cantidad de tubos depende del diseño. Si un tubo se pincha, se
llena la carcasa con agua, se le da presión externa y luego se ve cual de los tubos esta mojado adentro.
(Restricciones, caída de presión)
5.1.3 – Tubo espiralado (serpentín)
5.2 – Tipo Placa
5.2.1 – Placa Plana: tiene una placa fija y una móvil, que se aprietan y quedan muy cerca. Por placa de por
medio circula liquido, intercalado con refrigerante. Se utiliza en la industria alimentaria, lechera, ya que al
ser modulares pueden ser desarmados todos los días para su limpieza, se pueden quitar o aumentar el
número de placas aumentando o disminuyendo la superficie de transferencia. Son del tipo compacto.
Pueden usarse distintas partes del equipo para distintas aplicaciones. Generalmente para L-L.
5.2.2 – Placas en espiral: poseen flujo en contracorriente. Un fluido entra por el medio y circula hacia afuera,
y el otro entra por afuera y circula hacia adentro. Se utilizan para intercambio entre fluidos que no cambian
de fase (L-L, G-L, G-G). Son compactos y no se usan para solidas cristalinos ni abrasivos.
5.2.3 – Lamella: es muy particular y caro. Son tubos planos y chatos para formar un cilindro. Son una
modificación del IC de carcasa y tubo de cabezal flotante. Son muy eficientes porque hay mucha área de
transferencia. Sirven para expansión diferencial. No se ensucian fácilmente y el fluido que ensucia debe
pasar por el lado de la carcasa. Son de aceros especiales para poder darle la forma.
5.2.4 – Serpentín Plano (por ejemplo, el de las heladeras).
5.3 – Superficie extendida: Se utilizan para la transferencia de calor aumentando el área de transferencia. Se
usan para fluidos de bajos coeficientes peliculares y gases de baja densidad.
5.3.1 – Placa aletada: se utiliza cuando el fluido externo es un gas. Por ejemplo, los radiadores de un auto.
5.3.2 – Tubo aletado: tubos que tienen aletas en forma transversal o longitudinal. Las aletas mejoran la
transferencia de calor pero disminuyen la eficiencia. Ayudan a la disipación, pero el tubo sin aletas es más
eficiente ya que la transferencia se hace por menos superficie. Se utilizan aletas para fluidos de bajo
coeficiente pelicular ya que mejoran la turbulencia y disminuyen la capa límite.
5.4 – Regenerativos: tienen una masa que, alternativamente, se coloca en el paso de la corriente caliente y
luego en la corriente fría, cediendo calor. Es decir, son igual a los IC del tipo de almacenamiento.
6- De acuerdo al arreglo de flujos:
6.1 – De simple Paso:
6.1.1 – Flujo en contracorriente
6.1.2 – Flujo en Paralelo
6.1.3 – Flujo Cruzado
6.1.4 – Flujo Partido
6.1.5 – Flujo Dividido
6.2 – Multipaso (superficie extendida)
6.2.1 – Flujo cruzado contracorriente
6.2.2 – Flujo Cruzado en Paralelo
6.2.3 – Flujo Compuesto
6.3 – Carcasa y tubo
6.3.1 – Flujo paralelo-contracorriente (M pasos en carcasa y N en tubos)
6.3.2 – Flujo Partido
6.3.3 – Flujo Dividido
6.4- Placas: N placas paralelas. Pueden ser en paralelo, en contracorriente, en paralelo-contracorriente, en
flujo cruzado. De un solo paso o múltiples pasos.

Mecanismos de transferencia de calor
1 – CONDUCCIÓN de calor a través de un material fijo como una pared estacionaria. El flujo de calor es
proporcional al cambio de temperaturas a través de la pared y el área de la misma. La cantidad de
transferencia de calor es proporcional al área y a la diferencia de temperatura que impulsa el calor a través
de una pared de espesor dX.
dQ = -K A dT/dX K: Conductividad térmica. Tiene signo negativo ya que indica el sentido del flujo de
calor, de mayor a menor temperatura.
2 – CENVECCIÓN: transferencia de calor por desplazamiento o movimiento entre partes relativamente frías
y calientes de fluidos y gases. La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto
se llama Convección natural o libre. El proceso es de Convección Forzada cuando hay un agitador en el
medio que lo facilite la constante de proporcionalidad h es un término sobre el cual tiene influencia la
naturaleza del fluido y la forma de agitación se llama Coeficiente de transferencia de calor.
dQ = -h A dT
3 – RADIACIÓN: transferencia de energía radiante por ondas electromagnéticas sin estar en contacto los
cuerpos. Cuando la radiación se emite desde una fuente a un recibidor, parte de la energía es absorbida en
el recibido y parte es reflejada.
dQ = σ ε dA T4
σ : Constante adimensional
ε : Emisividad (factor de radiación)
Ecuaciones Básicas
Las ecuaciones básicas usadas con las de conservación de energía que relacionan la velocidad de
tranferencia de calor q, el área de transferencia A, las temperaturas terminales de los fluidos y los caudales
en un intercambiador de calor.
U: coeficiente global de transferencia de calor. Depende de las condiciones hidrodinámicas, espesor de la
capa límite. Da una idea de la eficiencia térmica.
Ro: resistencia térmica global. Compuesta por la suma de las resistencias que se pueden encontrar a ambos
lados de la superficie incluyendo la propia pared del plano o tubo:

1 – Resistencia del líquido quieto: es una capa estacionaria líquida que no se mueve, cuya velocidad es cero,
y opone resistencia a la transferencia de calor. Mientras mayor sea la velocidad del fluido, mayor
turbulencia, menor la capa del liquido quieto.
2 – Capa de ensuciamiento incrustado: produce aislación, caída del flujo de calor. El ensuciamiento se puede
mejorar con la velocidad, ya que aumentando ésta se pueden despegar las incrustaciones.
3 – Pared del material que separa fluidos: es poco importante la resistencia que genera ya que lo equipos se
construyen de materiales conductores.
UiAi basado en el área interna.
U0A0 basado en el área externa.
El U puede calcularse basado en el área externa del tubo. Para un tubo liso, quedaría:
Si se utiliza una superficie extendida o ampliada, se debe considerar la eficiencia de la superficie para el
cálculo de U.
Af: área de la aleta
ηf : eficiencia de la aleta
El tubo liso es más eficiente porque no tiene que transferir a través del área de la aleta.
Se utilizan cuando el fluido es gas o tiene bajo coeficiente pelicular h.

“El objetivo básico del diseño es lograr el mayor valor de U posible que sean compatibles con las restricciones
impuestas por el proceso”.
Como Kw generalmente es grande el término medio se desprecia.
U se aproxima al valor de h menor. Si ho es el valor mas chico, por ej, U = ho
Kw: conductividad térmica
δ : espesor
Suposiciones que se hicieron para la derivación de las ecuaciones básicas:
1. Existe condición de estado estacionario;
2. No hay fuentes de calor en el intercambiador;
3. No hay perdida de calor a los alrededores (bien aislado);
4. La temperatura de cada fluido es uniforme en toda la sección de flujo.
En IC de flujo en paralelo y en contracorriente la temperatura de cada fluido es uniforme sobre toda
la sección de flujo. En IC de flujo cruzado, cada fluido es considerado mezclado o no mezclado en
cada sección. Para IC de múltiples pasos las afirmaciones anteriores se aplican a cada paso
dependiendo del arreglo básico de flujos.
5. No hay cambio de fase, y si la hay ocurre en forma lineal.
No hay cambio de fase (condensación, evaporación) en las corrientes de fluido en el intercambiado,
o los cambios ocurren bajo alguna de las siguientes formas:
a) Ocurre a una temperatura constante para un fluido de un solo componente, presión constante,
el calor específico efectivo para el fluido que está cambiando de fase es infinito y por lo tanto Cmax
 ∞
* Si Ch > Cc , entonces Ch es máximo y Cc es mínimo.
* Si Ch < Cc , entonces Ch es mínimo y Cc es máximo.
b) La temperatura del fluido que está cambiando de fase varía linealmente con la transferencia de
calor. En este caso, el calor específico efectivo es constante y finito (dentro de un rango de
temperatura) para el fluido que está cambiando de fase.
6. El Cp de los fluidos se mantiene constante a lo largo del intercambiador.
El calor específico de cada fluido es constante en todas las regiones del IC, tal que la velocidad de
capacidad de calor sobre cada lado es constante.
7. La velocidad y temperatura de cada fluido a la entrada son uniformes.
8. Si el intercambiador es de superficie extendida, la eficiencia (la efectividad global térmica) de la
superficie extendida es constante (y uniforme).
9. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.
No siempre es cierto. U puede cambiar bastante en el paso por el IC dependiendo de las
condiciones. Por ejemplo, si se tiene un aceite frio y se calienta en un IC, disminuye su densidad y de
esta manera fluye más fácilmente, por lo que se tiene un U de entrada que es diferente al U de
salida (debido al cambio de fluidez).
10. El área de trasferencia de calor está distribuida uniformemente sobre cada lado del fluido. En un
equipo de paso múltiple, el área de la superficie de transferencia de calor es igual en cada paso.
U
1
1
hio

kw

1
ho

Ch = (W*Cp)h
Cc = (W*Cp)c

No siempre se cumple ya que en un paso se puede tener menor cantidad de tubos que la de los
otros pasos. Por ej., en el primer paso se puede tener menos cantidad de tubos ya que se colocó
una protección para evitar que el flujo al ingreso rompa los tubos, por lo que se redujo el espacio.
11. Para un IC de carcasa y tubo con bafles, el cambio de temperatura por paso de bafle es pequeño
comparado al cambio global de temperatura a lo largo del IC si el numero de bafles es grande.
12. La velocidad de flujo de fluido esta uniformemente distribuida en todo el IC sobre cada lado del
fluido y en cada paso. En ninguna corriente ocurre estratificación, derivaciones o pérdidas de flujo.
La condición de flujo está caracterizada por la velocidad media en cualquier sección.
13. La conducción de calor longitudinal en el fluido o en la pared es despreciable.
 Las idealizaciones 1, 2, 3 y 4 son necesarias para el análisis de un IC en estado estacionario.
 La idealización 5 restringe el análisis a un flujo de una sola fase a ambos lados.
 Si la idealización 6 no existe, se debe dividir al IC en pequeñas secciones en las cuales el Cp sea cte.
 Las idealizaciones 7 y 8 son muy importantes para IC compactos
 Las idealizaciones 9 a la 13, son muy ideales y pueden no cumplirse, pero hay modos de solucionar
los problemas que ocasionan.
Grados de Libertad de un IC
Para un IC como el de la figura, podemos decir que existen trece variables fundamentales (M):
1) K: Tipo de IC
2) Q: Calor trasferido
3) A: área de intercambio
4) U: Coeficiente global de transferencia de calor
5) 6) 7) 8): w1, w2, w3 y w4: caudales másico de los fluidos
9) 10) 11) 12) T1, T2, T3 y T4: temperatura de los fluíos
13) ΔTml
El número de relaciones de diseño entre ella son siete (N):
Por lo tanto, los Grados Totales de Libertad: F = M – N = 13 – 7 = 6.
Si N > M, hay una contradicción. La formulación matemática, la naturaleza física del problema o ambas son
sospechosas.
Si N < M no existe ninguna libertad en la selección de los valores de las variables. Solo ciertos valores
definidos de las variables satisfacen las relaciones de diseño.
En ninguno de los dos casos hay posibilidades de optimización.
Para un determinado diseño hay variables especificadas por
procesos colindantes (proporcionados por otros equipos) que
restan grados de libertad y quedan algunos que pueden
manejarse por el diseñador para la optimización, llamados
Grados Económicos de Libertad. Éstos pueden tomar diversos
valores y ofrecen una gama de condiciones de operación posibles.

Pérdida de carga
Definiciones:
- Presión de Operación: presión en condiciones normales de funcionamiento, fijadas por el proceso;
- Presión de Diseño: máxima presión en condiciones de operación estable pero extraordinaria
(arranques, fluctuaciones del sistema, etc.). Se usa para calibrar los elementos de seguridad, fijadas
por el diseñador;
- Presión de Prueba Hidráulica: según el código ASME debe ser 1.5 veces la presión de diseño. Se usa
para probar la resistencia del equipo.
Pérdida de carga o Caída de presión:
En una tubería o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del
fluido entre si y contra la paredes de las tuberías que las contienen (y también debido a la fricción entre
partículas).
Puede ser continua a lo largo de conductos regulares o accidental o localizada debido a las circunstancias
particulares como un estrechamiento, cambio de dirección, presencia de una válvula o dispositivo, etc.
Cualquier obstáculo que se coloca en una tubería genera caída de presión.
La temperatura influye sobre las propiedades del fluido por lo que tienen gran influencia en la caída de
presión.
La caída de presión es superior con gases que con líquidos.
Depende de: diámetro de la tubería, velocidad del fluido, y de las propiedades del fluido que a su vez so
función de la temperatura.
Caída de presión de un IC
Representa la energía potencial que puede ser utilizada (gastada) para transportar
el fluido a través del IC, comenzando en la tobera de entrada y terminando en la
tobera de salida.
Es un factor de restricción en la optimización del equipo. Es influido fuertemente
por la velocidad del fluido que es la que mejora la transferencia de calor (es
directamente proporcional).
En el primer caso, en donde se coloca una válvula, hay mayor caída de presión
porque se produce una alteración del patrón de flujo.
La caída de presión admisible para el
IC es la máxima caída de presión que
podemos permitir en el IC para que el
fluido llegue con la presión requerida.
Es la máxima presión estática que
debe disiparse para mover el fluido a
través del IC. Hasta donde se puede
llegar con la pérdida de carga dentro
del IC. Normalmente se acepta una
pérdida de carga de 0.7 kg/cm2
por IC.
Aprovechar al máximo la perdida de
carga admisible reduce los costos,
porque el equipo se hace más chico.

La caída de presión calculada no puede ser mayor que la admisible a lo sumo debe ser igual
Pcalculada Padmsible
; si se supera, debo colocar unas bombas para que llegue al fin del proceso con la
presión requerida (colocándola del lado frio, después del IC). La diferencia entre la calculada y la admisible
no debe ser tan grande, un buen diseñado trabaja al 80% de la admisible.
El mejor uso para la presión disponible, para aprovechar más la caída de presión, es aumentar la velocidad
de la masa lo cual hace que aumente h, los equipos se reducen (menor tamaño, menor área, menor costo).
La caída de presión va ligada con la transferencia de calor. Si aumentamos el numero de bafles y al hacerlos
más largos, mejoramos la transferencia de calor. Si disminuye el diámetro de los agujeros se aumenta la
transferencia de calor pero también aumente la caída de presión.
“A mayor ΔP, mayor U, mayor velocidad de flujo, menor área, menor costo”
Diseño/Calculo de IC
- Diseño Térmico: Se ocupa de aquellos aspectos de transferencia de calor e hidráulicos asociados con
la provisión de un área adecuada y un correcto manejo de los flujos para asegurar que el IC cumpla con el
servicio térmico requerido como una aceptable potencia de bombeo.
Dentro del diseño térmico podemos distinguir:
VERIFICACIÓN (o Rating): es la determinación de la velocidad de transferencia de calor para un sistema
existente a una diferencia de temperaturas especificadas. Es decir, el IC se encuentra disponible en la planta
(fuera de uso, por ejemplo) y se quiere ver que se pueda usar para alguna otra actividad.
Datos A Calcular
 Caudales,
 Temperaturas de entrada,
 Tamaño del IC (área),
 Geometría de la superficie (caños, placas, etc.),
 Caída de presión permitida.
 Velocidad de transferencia de calor,
 Temperaturas de salida,
 Caída de presión.
DIMENSIONAMIENTO (o Sizing): es la determinación del tamaño de un sistema en orden a transferir calor a
una velocidad especificada para una diferencia de temperaturas especificada. Esto se puede realizar
experimentalmente o analíticamente.
Datos A Calcular
 Caudales,
 Temperaturas de entrada,
 Una temperatura de salida,
 Geometría de la superficie (caños, placas, etc.),
 Caída de presión permitida,
 Propiedades de las corrientes y de los
materiales
 Área de intercambio de calor,
 Dimensiones del IC,
 Caída de presión.
- Diseño Hidráulico: Determinación de la velocidad, caudal, régimen de flujo, pérdida de carga,
secciones de flujo, etc.

- Diseño Mecánico: Se ocupa de todos los aspectos necesarios para asegurar la integridad y la
durabilidad del IC que es considerado como un recipiente con presión. Analizo las normas que rigen la
construcción del equipo.
- Diseño económico.
Es decir, el DISEÑO implica decidir las características constructivas del equipo [superficie del IC necesaria,
tipo de IC (tubo, placas, etc.), características del IC (longitud, diámetro, arreglo de tubos, pasos, etc.), tipo y
espaciado de bafles, ubicación de los fluidos en el equipo, numero de cuerpos o módulos, etc.] y el régimen
de flujo, velocidades (existen velocidades recomendadas para evitar la erosión), caída de presión, etc.
Existen restricciones para el diseño de equipo, las cuales pueden ser:
- Impuestas por el proceso (caudal del fluido del proceso, temperatura/s, caída de presión, etc.)
- Impuestas por el diseñador (tipo y caudal del fluido del servicio, caída de presión, tipo de IC, etc.)
Como se ve, la caída de presión puede ser impuesta por el proceso o por el diseñador, no es tan absoluto
como las demás características ya que existen casos en los cuales debe decidirse.
A su vez, las características pueden clasificarse en variables independientes o dependientes. Esta
clasificación es muy relativa, dependiendo del problema que tenga. Los cambios en una o más de las
variables independientes generarán cambios en una o más de las variables dependientes.
Variable independiente
(fijado por el proceso o por el diseñador)
Variable Dependiente
 Velocidad de transferencia de calor (dependiendo
del caso)
 Temperatura del fluido de proceso
 Caudal del fluido de proceso
 Largo, diámetro, espesor de los tubos, etc.
 Coeficientes peliculares
 Etc.
 Velocidad de transferencia de calor (dependiendo
del caso)
 Perdida de carga
 Área de intercambio de calor
 Coeficiente global
 Temperatura de salida del fluido auxiliar,
 Etc.
La secuencia para el diseño de un IC se presenta a continuación:
1. Diseñar el Flow-Sheet del proceso
2. Especificar los requerimientos para el IC
3. Seleccionar el mejor tipo de IC para el uso que se lo necesita
4. Diseño térmico
5. Diseño mecánico
Generalmente 1, 2, 3 y 4 están a cargo del usuario (lo ideal) y 3, 4 y 5 están a cargo del fabricante. Debe
tenerse en cuenta que en cualquier momento puede reiniciarse el ciclo, debido a alguna falla.
Para la selección del IC, para tener una idea de que IC es más conveniente para el proceso, se deben tener
en cuenta dos consideraciones (realizar dos “filtraciones”):
- Filtro Grueso: se deben rechazar aquellos IC que no serían aceptables basándose en las
temperaturas y presiones de operación, compatibilidad del/los material/es con el/los fluido/os y la
capacidad del manejo en condiciones extremas.
- Filtro Fino: estimar el costo de aquello que pueden ser adecuados. El costo total se conforma de:
costo de capital, costo de instalación, costo de operación. Normalmente se estima solamente el
costo de capital, pero no hay que subestimar los otros. En algunos casos el costo de instalación
puede ser tan alto como el costo de capital.

Un IC debe satisfacer:
- Los requerimientos de transferencia de calor (carga térmica)
- La caída de presión admisible (que tiene que ver principalmente con los costos de bombeo).
Es importante remarcar que aun un IC bien diseñado raramente operará tal como fue especificado debido a:
1. Las imprecisiones propias de las ecuaciones de cálculo de la transferencia de calor y de la perdida de
carga;
2. La superficie adicional que es agregada para contrarrestas el ensuciamiento:
- Si el IC ha sido sobredimensionado el problema es solucionable de distintas maneras aunque
sería un problema si el equipo estuviese al comienzo de un grupo de IC;
- En un equipo sub-dimensionado no hay mucho que se pueda hacer. Indeseado
3. La tendencia de los diseñadores a agregar superficie extra “por seguridad”. (pensé agregar para
solucionar el ensuciamiento, pero el problema es inverso porque el fluido fluye mas lentamente).
Flujos en Intercambiadores
La temperatura de salida del fluido frío no puede ser superior a la
temperatura de entrada del fluido caliente. Consecuencia de la
segunda ley de la termodinámica.
La velocidad de transferencia de calor depende del tipo de IC y el modo particular de la disposición de flujo
de fluído de cada corriente.
- Flujo en Contracorriente: da la mayor eficiencia. Ft=1. EL Ft depende del número de pasos en tubo,
carcasa y de las temperaturas de entrada y salida. Ft es un factor de corrección.

- Flujo en Paralelo: Ft<1. A pesar de su menor eficiencia a veces se prefiere en alguno de los
siguientes casos: sustancias muy viscosas, cuando el fluido que se enfría puede alcanzar su punto de
congelación o en el caso de vapores corrosivos, si estos pueden alcanzar su punto rocío en un IC en
contracorriente.
También se utiliza cuando no tengo que enfriar o calentar demasiado, ya que como se observa en la
curva no hay un salto térmico muy alto pero si ocurre rápidamente.
Ejemplo: Si se coloca un IC en contracorriente con un fluido viscoso, comienza a disminuir la temperatura y
se vuelve mas viscoso, puede pegarse en el IC, y cambia el coeficiente de transferencia. Si se coloca en un IC
en paralelo, como en el mismo extremo ingresa el fluido frio y el fluido caliente, el fluido viscoso tiende a
moverse con fluidez ya que la temperatura va disminuyendo a un valor medio.
DEFINICION: Ft es un factor de corrección del ΔTml y se usa cuando el fluido pasa varias veces por el IC (para
más de un paso). Da una idea de cuan alejado se encuentra el sistema de la ΔTml.Real. Cualquier variación
entre las ΔT hace que el Ft sea distinto a 1. Como Ft depende del número de pasos, generalmente aumenta
conforme aumente el número de pasos de carcasa.
El Ft es menor o igual a 1. Se usa para corregir la temperatura ya que el paso en paralelo con el flujo de la
carcasa no contribuye de manera efectiva a la diferencia de temperaturas como sucede con el flujo en
contracorriente.
C = velocidad de capacidad calorífica.
Cuando C  ∞, entonces C = máxima, entonces . = ∗ .
(C  ∞ significa que el fluido está cambiando de fase)
Calor Latente
Calor Sensible

Flujos en paralelo, contracorriente y mixtos en IC de carcasa y tubo.
Carcasa E 1-2: de un solo paso por carcasa y dos pasos
por tubos (uno en contracorriente y uno en paralelo)
Carcasa F 2-2: permite operar en contracorriente puro
Carcasa J 1-1: aunque salgan dos corrientes, pasa una
sola vez por el IC
Flujo Cruzado en IC de carcasa y tubo (Carcasa X): los dos fluidos que entran están en su máximo y mínimos
de temperatura.
Me permite ver que sucede si separo con chapas y canalizo
el fluido. El fluido que va por carcasa pasa a través de
canales, luego se junta y sale con una temperatura
promedio (Se generan diferencias de temperatura por
sectores).
En la columna 1 tenemos el mayor ΔT, pero el ΔT en 1B es
menor ya que el fluido al pasar por el tubo 1A se enfría un
poco. Lo mismo ocurre para la derecha.
En la sección 2, el ΔT va a ser mas chico que el ΔT1 porque
el fluido se calentó un poco al pasar por la sección 1.
ΔT1 > ΔT2 > ΔT3 > ΔT4 (debido a que el fluido del tubo se
calienta)
ΔTA > ΔTB > ΔTC > ΔTD > ΔTE
TA1 < TA2 < TA3 < TA4
Dependiendo del diseño y de lo bafles, el fluido puede ser mezclado o no mezclado. En este caso el flujo de
los tubos es No Mezclado y el flujo de la carcasa es Mezclado. El flujo, al pasar por las cuatro filas de tubo
sale mezclado y se denomina Flujo Mezclado (Ft aproximadamente igual a 0.8). Si hay una sola fila de tubos
el flujo es Flujo Sin Mezclar.
CONSIDERACIONES:
- Por los tubos se considera que el flujo es No Mezclado.
- Por la carcasa se puede considerar según el tipo de bafle: se hay bafles el flujo es No Mezclado, si no
hay bafles el flujo es Mezclado.
Es menos eficiente cuando los flujos son mezclados que si son sin mezclar. El ΔT para flujo sin mezclar es
mejor que el mezclado. Si el fluido es mezclado, la temperatura será media en todo el equipo, mientras que
si es no mezclado al temperatura de cada sección será igual por lo que se tendrá mayor energía para
transferir calor dando así saltos térmicos menores (ΔT1 > ΔT2 > ΔT3 > ΔT4).

Flujo no mezclado por ambos lados. Flujo mezclado de un lado y del otro no. Flujo mezclado
Flujo Cruzado-Contracorriente

Distintos tipos de intercambiadores
1. Intercambiador tipo paila o tanque agitado
Es calentado por vapor, y para mejorar la transferencia de calor es
agitado. Es un proceso batch y trabaja en estado no estacionario.
Se idealiza o supone que la temperatura interna es uniforme, igual en
todo el tanque, debido a “mezclado perfecto”.
Se utilizan en varios tipos de industrias, como en la alimentica (para la
fabricacion mermeladas, dulces, etc.). Algunas poseen tapas y otras no
para hacer que se evapore el liquido.
No es fácil determinar el U porque los productos que se calientan son de
naturaleza compleja, ensucian mucho, son viscosos.
El vapor es suministrado al interior de la camisa calefactor.
Las gotas de agua (en el producto) no son un problema, porque el producto se calienta indirectamente
usando el intercambiador de calor (la camisa calefactora).
Tras haber cedido el calor latente al producto, el va vapor se condensa y se descarga, pasano previamente
por una trampa de vapor para eliminar las trazas de vapor.
2. Intercambiador de Doble Tubo
Características:
- Área de intercambio: 0.25 a 200 m2
- Diámetro carcasa: 50 mm (2’’) a 800 mm (30’’)
- Presión máxima: 300 bar (abs) (4.500 psia) en carcasa – 1400 bar (abs) (21.000 psi) en tubo
- Rango de temperatura: -100 hasta 600ºC (posiblemente mayores con materiales especiales)
- Limitaciones de fluidos: pocas, porque se pueden construir de diversos materiales
- Mínimo ΔT (salto térmico): 5ºC
Ventajas:
- Facilidad para la obtención de flujo en contracorriente
- Pueden manejar altas presiones (porque se trabaja con tubos chicos)
- Tienen construcción modular
- Fáciles de mantener
- Muchos proveedores
Desventajas:
- Es caro para grandes cargas térmicas (más de 1mW)
- Tienen pequeña superficie de transferencia de calor (2 a 45 m2
en una horquilla simple)
- Requieren gran espacio
- El tiempo y el gasto requerido para desarmarlos por limpieza es mayor comparado con otros
equipos.

a) Intercambiador tipo Horquilla (hair pin)
Son modulares, es decir, se pueden agregar o
quitar horquillas, ampliando el área de
intercambio. Se utilizan para altas presiones, para
bajos costos, y sobre todo si el caudal es chico.
Pueden ubicarse uno arriba del otro, trabajar en
contracorriente, y existe un cruce de temperaturas
que se da en IC de múltiples pasos. Solo los tubos
exteriores se pueden cambiar.
Desventajas: los codos producen grandes pérdidas de carga; difícil de limpiar mecánicamente.
Ventajas: pueden desarmarse, no ocupan lugar en el piso, se pueden colgar en paredes. Lo tubos pueden
dilatarse libremente. Tienen un cabezal que se puede sacar y limpiar, y un soporte que no está unido a los
caños que le permite la dilatación. Se pueden instalar deflectores.
Existen tres tipos: - De simple tubo
- De tubo aletado
- Horquilla de 7 tubos: es cuando los 7 tubos continúan en el codo y pasan al otro tubo.
Tienen perdidas de carga elevadas por las curvas y porque el diámetro de los tubos es
muy chico.
Usos:
- Cuando las presiones son muy altas. A medida que se reducen los diámetros de los tubos, aguantan
mas presiones.
- Fluidos en contracorriente, hay buena transferencia de calor
- Para grandes superficies de transferencia con caudales pequeños
- Cuando se necesita algo rápido y barato. Es fácil de desarmar y se puede usar una parte del IC
- Para fluidos viscosos y altos ensuciamientos
- Cuando la superficie de transferencia es pequeña (< 100-200 ft2
)
Para disminuir la perdida de carga y que no se supere el valor admisible, es conveniente conectar el IC en
serie y paralelo, de esta forma las corrientes se mantienen una en serie y la otra en paralelo.
Se utiliza cuando los fluidos son muy
viscosos y cuando la pérdida de carga es
muy grande. Para disminuir la misma,
una alternativa es el arreglo en serie y
paralelo. Dividimos el caudal original en
dos, y al ir sacando curvas y longitudes
de caño disminuye la caída de presión
(las perdidas por fricción)
El arreglo en serie se emplea para líquidos muy viscosos.

b) Intercambiador de superficie Rascada o raspada (VOTATOR) (de tubos modificado)
Es un IC de doble tubo agitado; tiene en su interior un sistema con
paletas que van moviendo el fluido que se mueve en su interior.
El diámetro interno es grueso y posee paletas. Uno de los fluidos va por el
tubo interno y el fluido problemático por el tubo externo. Las paletas
giran y desprenden el material que se deposita sobre las paredes.
Pueden funcionar de manera vertical u horizontal.
Poseen buena aislación, pero son caros. Son equipos de acero inoxidable,
cromo-níquel. No son fáciles de construir.
Se usan cuando los fluidos tienen altas viscosidades, tienen sólidos en
suspensión o se producen cambios de fase. Se usan, por ejemplo, para hacer puré, helado, ya que son
líquidos pesados que no fluyen fácilmente.
Como pueden utilizarse para calentar, enfriar, congelar, como reactor, etc., deberán tenerse en cuenta los
distintos aportes en cada caso (calor sensible, calor latente, calor de reacción, calor de fricción).
3. Intercambiador de Carcasa y tubo
Características:
- Tamaño por unidad: lo normal es entre 10 y 100 m2
- Fácil de construir
- Se hace de acero al carbono siempre que sea posible
- Presión máxima: 300 bar (abs) (4500 psia) por carcasa – 1400 bar (abs) (21000 psia) por tubos. El de
mayor presión por tubo.
- Rango de temperatura: -100 a 600ºC – posiblemente más amplio con materiales especiales
- Limitaciones de fluidos: pocas pues pueden construirse de diversos materiales.
- Mínimo ΔT: 5ºK (para que exista una transferencia de calor, debe existir al menos una diferencia de
5ºK entre el fluido de los tubos y el fluido de la carcasa)
Ventajas:
- Diseño extremadamente flexible y robusto
- Fácil para mantener y reparar
- Pueden diseñarse para ser desmantelados para limpieza
- Hay muchos proveedores en el mundo
Desventajas:
- Requiere gran cantidad de área de piso para montaje (a menudo puede requerir espacio extra para
remover el paquete de tubos)
- Los IC de placa pueden ser mas baratos para presiones por debajo de las 16 bar (240 psia) y
temperaturas menores de 200ºC.

Máximos típicos:
Cabezal Flotante Placas Fijas y Tubos en U
Diámetro 1524 mm 2000 mm
Longitud 9 m 12 m
Área 1270 m2
4310 m2
Recordar que para retirar el paquete de tubos se necesita como mínimo un espacio equivalente al largo del
paquete.
El DISEÑO MECÁNICO de este tipo de IC está regido por alguna de las siguientes normas:
- Norma TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers’ Association)
- Norma API 600 (Asociación Internacional del Petróleo) para IC de carcasa y tubos para servicios
generales de refinería
- Normas del HEI (Heat Exchanger Institute, inc.):
– Normas para intercambiadores de calor para Plantas de Potencia (de energía térmica)
– Norma para condensadores de vapor
– Normas para calentadores de agua cerrada
- Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión (los IC son considerados como recipientes con
presión)
– Sección I: Calderas de Potencia
– Sección VIII: División 1: recipientes con presión (normales). División 2: para unidades que trabajan
a muy altas presiones
- Actualmente también existen Normas ISO para IC y calderetas.
a) Norma TEMA
Se aplican a IC de carcasa y tubos que cumplan con las siguientes condiciones:
- Para diámetros interiores no mayores a 60’’ (152 cm) : Di < 60 ‘’
- Cuyo producto del diámetro interior en pulgadas por la presión de diseño en psi (lb/pulg2
) sea
menor de 60.000: Di/P < 60.000 lb/pulg2
- Una máxima presión de diseño de 3.000 psi (aproximadamente 211 kgf/cm2
de diseño)
Se definen tres clases de IC para aplicaciones de proceso en plantas de procesos químicos, ellos son:
- Clase R: para industria petrolera y afines
- Clase C: para requerimientos moderados y aplicaciones comerciales y generales de proceso
- Clase B: satisface los requerimientos para servicios de procesos químicos y generales
En todos los casos se considera que no se usan en calentamiento con fuego.
Tipos de IC de carcasa y tubo según TEMA:
 Tipo de Cabezales Frontales
Cabezal A: Canal y cubierta desmontables.
Tienen tapa desmontable para permitir un fácil acceso a los tubos sin
distorsionar los caños.
Tubos fijos en ambos casos.

Cabezal B: Bonete y cubiertas integradas, canal desmontable.
Se atornillan en una brida.
Tienen menos juntas pero requiere que se rompan las juntas de los caños para
limpiar o inspeccionar tubos.
Para intercambiadores de placas fijas.
Para cabezales A y B:
- Los tubos se limpian en el interior mecánica o químicamente.
- Se utilizan cuando el fluido por carcasa no ensucia.
- No produce perdidas (está bien sellado) elimina juntas.
- Producen dilatación diferencial
- Tubos de material caro porque el líquido corrosivo va por los tubos.
- Carcasa chica ya que el paquete de tubos no se saca
- Es más económico porque todo está soldado
Cabezal C: Canal integrado y cubierta desmontable, de haz de tubos
desmontables.
Paquete soldado al cabezal.
Tubos fijos.
Paquete de tubos removibles.
Placa donde están calvados los bulones.
Carcasa con bulones.
Cabezal N: Canal integrado y cubierta desmontable. Todo soldado. Lámina de
cierre fijo.
Tubos fijos.
Paquete de tubos removibles.
La carcasa y el cabezal están fijos.
Para los cabezales C y N:
- Se utilizan cuando se puede sacar los paquetes de tubo
- Se pone y se saca el cabezal con el conjunto de tubos porque están incluidos en el mismo.
- Se pueden limpiar los tubos y la carcasa
- Lo uso cuando el fluido es toxico, o aumenta la presión ya que no tengo tantas juntas, por lo que
disminuye la posibilidad de perdidas.
Cabezal D: Cierre especial de alta presión.
Estructura y tapa muy fuertes.
La placa y el cabezal son forjadas en una sola pieza.
 Tipo de Carcasas
Carcasa E: de un solo paso.
Paso simple por carcasa. Puede ser en flujo paralelo o contracorriente. Es
económica y posee el mayor Ft (arreglo térmico más eficiente).
Carcasa F: De dos pasos con bafle longitudinal
Paso doble por carcasa. Tiene un bafle divisorio al medio, para multi-pasos en
tubo y se pueden producir pérdidas térmicas y de fluidos. Es muy efectivo y se
usa cuando necesito flujo en contracorriente. Presenta el inconveniente para
poner y sacar los tubos. Se usa cuando el Ft es tan chico como para requerir
dos (o más) carcasas E en serie.

Carcasa G: de flujo partido.
El bafle o disco soporte divide el flujo en dos y también soporta los tubos
evitando vibraciones. Se usa si la caída de presión de la carcasa F es limitante.
Frecuentemente usada como reboiler termosifón horizontal. El disco previene
el flash, y aumenta el mezclado. Cuando la caída de presión de F es limitante,
sacrifico Ft.
Carcasa H: flujo partido doble
Se usa como termosifón horizontal, en el cual los flujos son grandes y la caída
de presión debe ser baja. Se usa si la carcasa es muy larga. Hay mucho espacio
de tubo sin soportar. (2 entradas – 2 salidas). Cuando la caída de presión de F
es limitante, sacrifico Ft.
Carcasa J: de flujo dividido.
Se usa si la caída de presión del lado de la carcasa es limitante, in embargo hay
algunas perdidas térmicas (<Ft). (1 entrada – 2 salidas, o viceversa). Cuando la
caída de presión de F es limitante.
Carcasa K: rehervidor de caldera
Como reboiler en la torre de destilación (produce vapores). Suele tener varias
toberas para mejorar el caudal a la torre.
Carcasa X: de flujo cruzado puro
Se usa para grandes flujos en carcasa y para aplicaciones de baja caída de
presión del lado de la carcasa. No se usan bafles, pero si placas de soporte para
suprimir la vibración de los tubos inducida por el flujo.
Desde G hasta X se utilizan cuando se requiere una reducción de la pérdida de carga (ΔP).
 Tipos de Cabezales Posteriores
Cabezal L: de lámina de cierre tubular fija como A
Cabezal M: de lámina de cierre tubular fija como B
Cabezal N: de lámina de cierre tubular fija como C
Son similares a los cabezales anteriores (A, B, C respectivamente).
Generalmente el material del tubo es distinto al de la carcasa (para abaratar
costos).
Están limitados por las diferencias térmicas de expansión. Tienen distintos
coeficientes de dilatación, por lo tanto se dilatan diferentes, empiezan las
presiones y fatigas y generalmente se rompen los tubos. Para evitarlo se
agregan juntas de expansión, que son chapas soldadas que le da flexibilidad para expandirse y contraerse
sin afectar los tubos, absorben vibraciones.
Este tipo de cabezales fijos son muy caros, se ensucian mucho y producen rigidez, se fatigan. Es por esto que
se utilizan cabezales posteriores flotantes, que se pueden mover independientemente que se dilate la
carcasa.

Cabezal P: cabezal flotante exterior.
Sellos y anillos de goma para que no se pierda el liquido de la carcasa. No se
usa para líquidos inflamables, limitados por presión y temperatura.
Cabezal S: cabezal flotante con dispositivo de apoyo
Permite construcción de placa de tubos con diámetros prácticamente iguales
al diámetro de la carcasa. Es una tapa de tubos que a su vez está dentro de
otra tapa que permite la dilatación.
Cabezal T: cabezal flotador extraíble.
No tiene problemas de esfuerzos de tensión. Presenta corrientes de by pass.
Cabezal W: lamina de cierre tubular de flotador con anillo de cierre hidráulico.
Tubos flotantes con anillo interno. Placa tubular de mayor espesor que puede
desplazarse axialmente. Carcasa y placa de igual diámetro.
Cabezales P, S, T y W:
- En un punto los tubos están fijos y en el otro flotando
- Se dilatan y tienen la capacidad de moverse en el interior
- Se desarma, se saca el cabezal para luego quitar el paquete de tubos (no puede salir todo junto)
- Los tubos son individualmente reemplazables
- Limpieza química y mecánica. Para arreglo en triángulo se realiza limpieza química, para arreglo en
cuadrado limpiezas químicas y mecánicas.
Cabezal U: haz de tubos en U.
Elimina un cabezal. Es una forma de resolver el problema de dilatación
diferencial. No requiere juntas de expansión.
Hay un solo cabezal junto a los tubos, haz de tubos extraíbles. Se puede
trabajar a mayor presión. Limitado a simple paso. Es más barato. Solo se puede limpiar químicamente, y la
limpieza es mala debido a las curvas de los tubos. No se puede cambiar un solo tubo.
Denominación de los IC según las normas TEMA: la identificación se realiza mediante dos números y tres
letras. El primer número corresponde al diámetro nominal interior de la carcasa (en plg.) y el segundo al
largo nominal de los tubos. La primera letra corresponde al cabezal frontal, la segunda a la carcasa y la
tercera al cabezal posterior.
Por ejemplo, un intercambiador 33-96 tipo AFM.
- 33 es el diámetro nominal interno de la carcasa en pulgadas (redondeado al entero mas próximo).
También pueden usarse unidades métricas, generalmente milímetros.
- 96 es el largo nominal de los tubos en pulgadas. para tubos rectos es el largo real. Para tubos en U
es la longitud desde el extremo hasta la tangente al codo o al bafle tangente al tubo exterior.
- A representa al cabezal frontal, tipo canal y cubierta desmontable.
- F es el tipo de carcasa
- M es el cabezal posterior, para hojas de tubo fija
Para reboiler tipo Kettle, el número de tamaño esta dado por el tamaño de la puerta por donde se inserta el
paquete de tubos (ID’) mas los otros números: ID’/ID-L. [ ID’ = entrada ; ID = parte grande ; L = largo ].

Los intercambiadores pueden clasificarse a grandes rasgos en:
 Intercambiadores de paquete de tubos removibles
- IC de tubos en U: Son de construcción simple y económica. Pueden usarse si se tiene
presiones muy elevadas de un lado. Es el más barato debido a que se ahorra el cabezal
posterior. A si mismo, esto último es muy relativo ya que si se tienen 6 tubos conviene
ponerlos rectos y no con forma de U ya que el diámetro va a ser menor.
Solo es adecuado para servicios limpios ya que es difícil de limpiar los codos por medio
mecánico. Es difícil retirar un tubo, solo los mas externos. El paso de tubos esta limitado a
números pare. Si el diámetro es pequeño conviene uno de placas fijas.
- IC de cabezal flotante: se usan cuando hay mantenimientos porque son mas sofisticados. Son
de tubo recto con placas en ambos extremos. Los dos tipos que hay son: de cabezal flotante
empacado y de cabezal flotante con ornigns (sellos de goma).
Los tubos removibles se pueden retirar para limpiarlos o repararlos. Son adecuados para
cuando hay problemas de dilatación o ensuciamiento. El fluido que ensucia se pone por
carcasa ya que puedo sacar y limpiar los tubos por fuera. La principal desventaja son los
costos.
 Intercambiadores de paquete de tubos no removibles
Son del tipo mas común. Las placas están soldadas a la carcasa. Son del tipo TEMA AEL, BEM,
NEN, con carcasa E de un paso.
Ventajas: máxima protección contra pérdidas del fluido de la carcasa ya que están soldadas.
Mínimo diámetro comparado con otros tipos. Relativamente barato. Ahorran espacio.
Desventajas: lado externo de los tubos no disponible para limpieza mecánica. Por ello se usan
limpiadores químicos que no son corrosivos para los metales y las juntas. Se requieren juntas
de expansión para aliviar tensiones por dilatación térmica. Puede ser necesario construirlos
con doble placa por razones de seguridad. Se utilizan cuando la mezcla de fluidos es
incompatible y podrían producir una explosión si se llegaran a mezclar, o si la fuga de líquido
ocasionaría daños por corrosión.
Se minimiza la posibilidad de mezcla y cualquier fluido que se escape tiene salida a la
atmosfera.
Las partes de un IC de carcasa y tubo son:
1. cabezal estacionario, canal 21. cubierta del cabezal flotador, exterior
2. cabezal estacionario, casquete 22. faldón de lámina de cierre tubular del flotador
3. pestaña de cabezal estacionario, canal o casquete 23. brida del prensaestopas
4. cubierta de canal 24. empaque
5. tobera de cabezal estacionario 25. anillo seguidor de empaque
6. lámina estacionaria de tubo 26. anillo de cierre hidráulico
7. tubos 27. bielas y espaciadores
8. casco 28. desviadores transversales o placas de apoyo
9. cubierta del casco 29. desviador de choque
10. brida del caso, extremo del cabezal estacionario 30. desviador longitudinal
11. brida del casco, extremo del cabezal posterior 31. separación de paso
12. tobera del caso 32. conexión de ventila
13. brida de la cubierta del casco 33. conexión de drenaje
14. junta de expansión 34. conexión de instrumentos
15. lámina de cierre tubular del flotador 35. albardilla de soporte
16. cubierta del cabezal flotador 36. talón elevador
17. brida del cabezal flotador 37. ménsula de soporte
18. dispositivo de apoyo del cabezal flotador 38. vertedero
19. anillo de cizalla dividida 39. conexión de nivel de liquido
20. brida de apoyo dividida

Los intercambiadores pueden ser:
 Intercambiador de cabezal flotante interno (Tipo AES)
Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable,
cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus
características son:
1. Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco.
2. Permite el desmontaje
3. En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.
4. Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en
el casco y su pérdida de carga.
5. El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.
 Intercambiador de lámina y tubo fijo (Tipo BEM)
1.- Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y
casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor.
2.- Tiene junta de expansión en casco.
3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco.
 Intercambiador de cabezal flotante externo (Tipo AEP)
Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el
inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

 Intercambiador de cabezal y tubos integrados (Tipo CFU) (IC de tubos en U)
Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil desmontaje del conjunto de tubos.
Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de
tubos.
 Reboiler de caldera (tipo AKT)
Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de tubos puede ser también
A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los
tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.
 Condensador de flujo dividido (Tipo AJW)
Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga (en un factor de
8). Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El
desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para
enfriarse.

a) Norma HEI
 Diferencia con las normas TEMA:
En las normas TEMA los fluidos entran en forma
radial y en las normas HEI hay un cabezal.
Clasificación de la capa posterior de los tubos.
Cabezal reductor de canal.
 Cabezales Anteriores V:
C: canal de cubierta desmontable (A)
B: canal de cubierta integral (B)
R: canal reducto (el fluido entra en dirección axial
y tiene menor perdida de carga).
 Forma en la que el cabezal anterior se
liga a la carcasa (W)
1: empaquetado a ambos lados (juntos)
2: tubos pegados a la carcasa
3: cabezal fijo. Los tubos están unidos a las
placas, lo que se saca es la tapa.
4: carcasa y cabezal soldados en la placa
 Carcasa (S-S1)
E: 1 paso
F: 2 pasos
J: flujo dividido
G: flujo partido
K: Kettle
 Como va tomado el cabezal en la parte
trasera (Y)
3: empaquetado del lado de los tubos e integral
del lado de la carcasa
4: integral a ambos lados
5F: cabezal flotante extraíble (T)
6F: cabezal flotante con anillo de apoyo (S)
7C: empaquetadura exterior cabezal flotante (P)
8B-8C: paquete flotante, tubos con anillo interno
(W)
 Cabezal posterior (Z)
C: canal de cubierta desmontable
B: canal de cubierta integral – bonete
R: canal reductor
U: tubos en U
Para nombrar un IC con normas HEI no se hace referencia al tamaño.
Nomenclatura: V W S Y Z
Ejemplos: R 4 5 3 R - C 1 Sd 5 F

Conductividad térmica de Materiales
Mecanismos de conducción.
Gases: por colisiones moleculares y difusión molecular.
La conductividad térmica depende de la temperatura y del
peso molecular, no así de la presión.
Líquido: por colisiones moleculares y difusión molecular.
Las moléculas pequeñas son mas conductoras. La excepción es
el agua por eso se utiliza vapor como medio calefactor.
Sólidos: por vibración de la red atómica y flujo de electrones.
Forman una red cristalina con canales por los cuales hay flujos
de electrones y por efecto de la temperatura, la red vibra.
Cuando menor conductividad, mas aislantes.
Las conductividades más altas las tienen los materiales mas ordenados. El grafito tiene una buena
conductividad térmica debido a su estructura altamente ordenada. Se desordena la estructura y tiene a
bajar K.
La conductividad térmica de una aleación es generalmente mucho menor que la de sus componentes puros.
Las aleaciones son muy útiles por la forma de trabajar, soldarse, mayor resistencia a la corrosión y mayor
tensión admisible.
Las conductividades no son aditivas. K.Fe= 83 W/mºC , K.Cr= 95 W/mºC y la conductividad de un acero con
un 1% de cromo es de 62 W/mºC.
Difuividad térmica:
Representa cuan rápido se difunde el calor por un material (capacidad de almacenamiento o acumular
calor) y se define como:
Para obtener un material con una difusividad térmica deseada se
juega con la conductividad (k) y el Cp de los componentes. La
mayor difusividad térmica se obtiene con materiales de muy alto
valor de k y con bajos Cp y bajas densidades.
La difusividad térmica α da una idea de cuán rápido el calor puede pasar o ser retenido. A mayor α, mayor
velocidad de propagación de calor en el medio. El calor, mas que almacenado, es conducido.
Cp*ρ es la capacidad calorífica (que tan rápido puede pasar el calor por el material).

Partes de un intercambiador de carcasa y tubos
1. Tubos
2. Placas
3. Carcasa
4. Cabezales
5. Bafles
6. Platos o Varillas de choque
7. Fajas laterales
8. Tubos ciegos
9. Soportes
1. Tubos: a pesar de que en la bibliografía se hable de tubos, en nuestro país se habla de caños ya que éstos
son los elementos adecuados para la conducción de fluidos.
Diámetros comunes: 3/4 ‘’ mínimo para tubos rectos. 1’’ mínimo para tubos en U y cuando hay
ensuciamiento. 1 1/5 y 2 ‘’.
Espesor: regido por la norma BWG (Birminghan Wire Gage), los espesores mas comunes 18 (0.049’’) a 10
(0.134’’). Mientras mas grande el numero BWG mas chico es el espesor.
Longitudes: los mas comunes son 8, 10, 12, 16 y 20 pies (este último es el más común: 6m). No hacerlos
mayores a 6m ya que los tubos comienzan a pandear, se tocan, y se pinchan.
Tubos Vs. Caños
Tubos de Acero Caños de Acero
Usos estructurales y mecánicos Usos para conducción de fluidos
Norma MERCOSUR 02-517
Norma IRAM-IAS U 500-2592
Norma ASTM A 5183
Norma ISO 65
Norma Mercosur 20-207
Norma IRAM-IAS U 500-2613 (fija la cédula)
Norma IRAM-IAS U 500-2505
Norma ASTM A 53
Norma API 5L
Se dimensionan por sus medidas exteriores reales
(ej. 3’’ = 76.2 mm).
Se dimensionan por su diámetro nominal (ej. 3’’ =
88.9 mm).
Para cada medida no tienen espesores fijos. Se usa
cualquier relación diámetro/espesor siempre que
sea compatible y factible de fabricar.
El espesor está normalizados (serie o “Schedule”).
Frecuentemente se usa la norma BWG
P: presión del fluido conducido
S: tensión admisible del acero
Pueden ser de sección circular, cuadrada,
rectangular, ovalada, triangular, hexagonal,
octogonal, etc.
La sección es siempre circular.
Se venden por kilo. Se piden por el diámetro
exterior.
Se venden por metro. Se piden por el diámetro
nominal.
El diámetro exterior de los caños obedece a
medidas que fijan las dimensiones de las roscas:
Norma IRAM 5063 (argentinas), NPT y API
(americanas).
IRAM: Instituto Argentino de Normalización
IAS: Instituto Argentino de Siderurgia
ASTM: American Standards for Testing and Materials
API: American Petroleum Institute

Arreglo de Tubos: un arreglo de tubos queda definido por su tipo, por el diámetro de tubos y por su paso.
P: distancia de centro a centro entre dos tubos.
a) Cuadrado:
Hay mucha área libre entre para circular ya que hay un espacio grande entre tubos. Se
usan cuando hay ensuciamiento del lado de la carcasa; se pueden cepillar los tubos del
lado de afuera o limpiar mecánicamente (chorro de arena).
Se usan para diseños que están al límite de la pérdida de carga. Dejan pasar el fluido sin
mayor resistencia.
b) Cuadrado Rotado:
Disminuye el espacio para el paso del fluido, por lo que aumenta la turbulencia, aumenta
h, pero también aumenta la pérdida de carga. (Si el fluido es laminar se coloca del lado de
la carcasa para aumentar la turbulencia)
Se usa cuando hay ensuciamiento del lado de la carcasa.
c) Triangular:
Se pueden meter mas tubos con este arreglo que con uno cuadrado, permitiendo que se
reduzca el diámetro de la carcasa. Se usan cuando no se espera ensuciamiento de la
carcasa, ya que no quedan espacios para limpieza (no se pueden limpiar mecánicamente).
Producen mayor turbulencia, mayores h, tienen mayor trasferencia de calor, pero también
tienen mayores pérdidas de carga.
d) Triangular Rotado:
El fluido siempre encuentra tubos en su camino, a diferencia de los cuadrados. Se prefiere
éste arreglo frente al cuadrado rotado ya que tiene mayor performance térmica.
Número de pasos por los tubos:
Generalmente se calculan como el número de tubos/número de pasos. Si hay platos de choque, estos
producen distribuciones aritméticas. El número de pasos en cada lado es determinado por:
I. Servicio
II. Carga térmica
III. Temperaturas terminales
IV. Sentido o dirección de la transferencia de calor (si el fluido calienta o enfría)
V. Caudales
VI. Rango de velocidades admitidos (sobre todo en tubos)
VII. Protección anti-choque y anti-vibración del lado de la carcasa. Me obliga a sacar una fila de tubos
VIII. Caídas de presiones admisibles. Cuanto mas vueltas tenga el fluido, mayor perdida de carga
IX. Arreglo de tubos
X. Requerimientos de espacio. En algunos casos se prefieren mas pasos y menores carcasas

XI. Restricción de temperatura paso a paso. En cada paso en el intercambiador el fluido aumenta o baja
su temperatura. Si los gradientes térmicos son importantes se pueden generar tensiones indeseadas
sobre la placa de los tubos; se aconseja particionar a los cabezales de tal modo que en dos sectores
contiguos la diferencia de temperatura del fluido no supere lo 28K.
XII. Requerimientos de drenaje y venteo
El límite práctico de pasos es de 16 (por complicaciones en el diseño del cabezal y en mantenimiento).
Generalmente son número pares de pasos porque así las condiciones de entrada y salida se encuentran en
el mismo extremo facilitando el tendido de cañerías.
2. Placas: donde se incrustan los tubos. Generalmente son del mismo material que los tubos para que
resistan lo mismo, pero cuando se usan materiales caros para los tubos, las placas suelen hacerse de un
material barato (acero al carbono, por ej.) y luego se recubren con la aleación de los tubos.
La fijación de los tubos a las placas puede ser por expansión de los tubos o por unión por soldadura.
3. Carcasa: generalmente de aceros al carbono, pero también suelen hacerse de materiales caros. Se
pueden reducir costos mediante recubrimientos. Para diámetros hasta 24’’ se hacen caños estándares, para
diámetros mayores se hacen con chapas. Cuando el material de los tubos (material caro) y de la carcasa
(material económico) son distintos, se colocan juntas de expansión para absorber las distintas dilataciones.
Si el producto es corrosivo se puede realizar una pintura epoxi, de vidrio, etc.
Cálculo del espesor de la carcasa:
t = espesor de la carcasa
p = presión gauge en la carcasa
σ = tensión admisible del material
El espesor aumenta cuando se incrementa el diámetro,
dando mayores costos. Aumenta la presión, aumenta el
espesor, aumenta el costo.
4. Cabezales: se usa el mismo criterio que para las placas (interesa el recubrimiento).
Partición de los cabezales:
Recorrido del fluido dentro de los tubos
(4 pasos por tubos).

5. Bafles: discos que se colocan perpendiculares a los tubos y soportan a los mismos, previniendo la
vibración. Orientan el movimiento del fluido en dirección perpendicular al eje de los tubos. Se pueden
colocar de forma vertical, horizontal o rotada.
De forma vertical producen un serpentín.
De forma horizontal producen un sube-baja del fluido, una buena
turbulencia y no permite acumulación y estatificación. Se usa para fluidos
de una sola fase.
Las formas verticales y rotadas se usan para fluidos de dos fases, que se evaporan o condensan del lado de
la carcasa. Por ejemplo, si se condensa el líquido, el vapor al pasar puede arrastrar gotas de líquido al entrar
en contacto con él. Se usan este tipo de bafles ya que la corriente hace un zigzag y no levanta líquido del
fondo.
La función de los bafles es hacer que el líquido haga un camino sinuoso y cruce el paquete de tubos en
forma cruzada. Tanto el corte como el espaciado de bafles tienen esa finalidad. Generalmente son del mimo
material que la carcasa y las normas dan la cantidad, el diámetro, el corte, etc. a utilizar.
Puede utilizarse IC sin bafles, aunque el coeficiente de transferencia de calor sea pequeño debido a que el
fluido pasa muy rápido.
Tipos de bafles:
a) Segmentado Simple: tiene una alta pérdida de carga
por el cambio de dirección.
b) Segmentado Doble: tiene menos pérdida de carga
que la anterior y una buena desviación. Puede usarse
vertical u horizontal.
c) Segmentado Triple: tiene menos pérdida de carga
que el anterior. Cuando más brusco es el cambio de
dirección, mayor es la perdida de carga (la caída de
presión depende del corte del bafle).
d) Bafle Segmentado sin tubos en la ventana: el espacio
entre bafles asegura que no vibren los tubos. No
quedan muchos espacios sin soportar. Se unas cuando
hay gases o fluidos que van a gran velocidad.
e) De Disco y Corona: se colocan alternados para
reducir la perdida de carga. Eliminan corriente de
bypass entre el paquete y la carcasa.
f) Bafle Tipo Orificio: el fluido pasa por el espacio entre el tubo y el bafle, lo que implica una alta perdida de
carga. No permiten flujo cruzado. No se usan mucho, se usa cuando se trabaja con gases para que los tubos
no vibren
g) Bafles en Espiral: genera un flujo en tirabuzón.
Ventajas: Aumenta la turbulencia. Disminuye el ensuciamiento. Aumenta
el tiempo de funcionamiento del equipo. Disminuye las pérdidas de carga
(con gases se puede reducir hasta un 50%). Evita las corrientes C y E de
los equipos con bafles segmentados. Hacen más efectivo el equipo y le
disminuyen el tamaño (puede ocurrir que en vez de dos equipos
necesitamos solamente uno). No deja zonas muertas.
Desventaja: costo elevado de armado, que se compensa con la elevada
eficiencia.
V H R

La gráfica muestra el tiempo de corrido
del equipo (hasta que pierde su
eficiencia para el uso) con bafles en
espiral, en comparación con
segmentados.
Se ve que un bafle convencional tiene
mucho menos tiempo de uso que uno en
espiral; el tiempo de funcionamiento
puede incrementarse un 50% empleando
bafles en espiral.
El tiempo de uso se relaciona
directamente con el ensuciamiento. Si
consideramos que el bafle en espiral
genera mayores turbulencias, genera
menor ensuciamiento en comparación
con los segmentados.
h) Otros tipos:
- Corte vertical con oreja: utilizados para condensadores y flujos de dos fases. También son llamados
bafles de represa.
- Bafle tipo varilla: son dos discos con varillas de hierro intercalados. De esta forma se evita la
vibración de los tubos.
- Otros: bafles que presentan una mueca para evitar que el liquido se acumule cuando hay
condensado. No siempre el bafle esta unido a la carcasa. Cuando tengo tubos removibles la
distancia entre el bafle y la carcasa es mayor.
Se debe tener en cuenta que la caída de presión no solo depende del tipo de bafle, sino también de la
velocidad y de las propiedades del fluido.
Corte del bafle:
Se expresa como la relación entre la altura del segmento libre sobre el diámetro interior de la carcasa.
Regula la velocidad del fluido y es importante para la pérdida de carga y transferencia de calor. Se pretende
que la velocidad de fluido sea lo más uniforme posible, se mantenga constante.
Los cortes del bafle varían entre el 15% y el 45%.
Si el corte es muy pequeño (15%) estrangula, se
produce una aceleración grande, la energía se gasta
en la ventana, el fluido se expande, quedan muchos remolinos y luego se vuelve a contraer.
Si el corte es grande, quedan zonas muertas donde se acumula líquido y partículas en suspensión. No tiene
gran pérdida de carga, hay grandes áreas de baja velocidad.
El corte óptimo se da entre el 20-30%. Da el mejor rendimiento, una circulación ordenada y se minimizan las
zonas muertas.
Separación de los bafles:
Determina la velocidad efectiva del fluido que va por la carcasa, y por lo tanto tiene la mayor influencia
sobre la perdida de carga por la carcasa.
Es crítico en cuanto a la perdida de carga y como se distribuyen las corrientes. Lo ideal sería que sean todos
los espaciados iguales al central, pero a veces no se puede. Mientras estén más juntos los bafles, aumento la
transferencia de calor pero también la pérdida de carga.
Los bafles segmentados no deben esta a menor distancia que 1/5 del diámetro de la carcasa o 50.8 mm (lo
que sea mayor).
El máximo espaciado se calcula como: B=74 d0
0.75
, siendo do el diámetro exterior del caño usado.

Efecto del corte y del espaciado de los bafles:
a) Pequeño corte de bafle
b) Corte de bafle grande
c) Pequeño espaciado de bafle
d) Espaciado de bafle grande
e) Corte y espaciados ideales
Los “remolinos” representan corrientes parásitos, es
decir, corrientes que quedan en el lugar, que no se
mezclan ni se van.
a), b), c) y d) aumentan la caída de presión y
disminuyen la transferencia de calor.
En la e) se ve el corte y espaciado ideal. Es necesario que
no haya demasiada diferencia con el área de flujo entre
la ventana y el área de flujo entre el tubo.
Se observa que si se reduce el espaciado de bafles, ΔP aumenta
mucho mas rápido que h.
Aumenta V, aumenta turbulencia, aumenta h, aumenta ΔP.
El espaciado óptimo de bafles está:
Velocidades del flujo cruzado y del flujo en la ventana del bafle:
Debe ser lo mas parecido posible, preferiblemente dentro del 20%. Si difieren mas de eso, las repetidas
aceleraciones y desaceleraciones a lo largo del equipo resultan en una deficiente conversión de la ΔP en
transferencia de calor.
Efecto del número de bafles
Se observa que el fluido golpea al bafle y cambia de
dirección, por lo tanto el espaciado de la carcasa detrás
del bafle no es efectivamente usado para flujo cruzado
como se marca en los círculos. Las zonas de recirculación
aparecen en esas regiones como se observan en la figura
de abajo.
A medida que aumentan, mejoro en intercambio.

6. Platos o varillas de choque: se utilizan para que el fluido no pegue directamente con el caño. Se colocan
cerca de la boca de entrada, entre las placas y el primer bafle. Se usan si el fluido tiene arena, burbujas,
catalizadores o flujo muy fuerte ya que pueden provocar desgaste de los tubos. También se los utiliza para
que no vibren los tubos.
7. Fajas laterales: se colocan entre el paquete de tubos y la carcasa, para que el fluido que se desvía del
empaque vuelva al centro. Cortan la corriente que circula fuera de los tubos. Se pueden colocar “tantos
como uno quiera”. Sirven para mejorar la eficiencia del equipo.
8. Tubos ciegos: para completar espacios vacios y que el fluido no se desvíe.
9. Soporte
Vista interna del IC con bafles, soportes y fajas longitudinales.
Ubicación de los fluidos
Se refiere a los criterios a tener en cuenta para colocar los fluidos en el intercambiador. Par establecerlos,
no solo se tienen en cuenta los factores económicos sino también la operatibilidad.
Los factores a tener en cuenta son:
1. VISCOSIDAD: es mejor la transferencia de calor si el fluido viscoso va por la carcasa. Por la carcasa se
logra un flujo turbulento con mayor facilidad. (Nre entre 100 y 200)
2. FLUIDOS TOXICOS: deben ir por los tubos, incluso pueden emplearse dispositivos de doble placa
para que si se picha el tubo no caiga el fluido al piso. Hay mayor seguridad.
3. CAUDAL: poniendo el fluido con menor caudal del lado de la carcasa generalmente se da un diseño
más económico. También puede evitar el uso de múltiples pasos. Si el de bajo caudal va por los
tubos, puede llenar solo una parte de los mismos y como no hay turbulencia puede generar
ensuciamiento.
4. CORROSIÓN: se necesita menos material costoso si el fluido corrosivo va por los tubos. Si el
corrosivo va por la carcasa hay que reforzarla (también los tubos, las varillas, los bafles, etc.) con
materiales caros para hacerlos mas resistentes. Si va por los tubos solo se refuerzan tubos, placas y
cabezales.
5. ENSUCIAMIENTO: el fluido q ensucia debe ir por los tubos ya que al tener mayor velocidad se
minimiza la deposición. Si no hay turbulencia hay mas ensuciamiento (mas factible la deposición).
Podría pasarlo por carcasa si se emplea limpieza química, pero estos productos podrían causar
corrosión.
6. TEMPERATURA: las altas temperaturas requieren materiales caros y se ahorra mas poniendo el
fluido caliente del lado de los tubos.
7. PRESION: a menor diámetro hay una mayor resistencia a la presión, por lo que si el fluido de alta
presión fuese por la carcasa esta debería ser de un espesor excesivo; por lo tanto, el fluido a presión
debe ir por los tubos. Además, los tubos aguantan mucho mas la presión interna que la presión
externa; si tuviesen presión externa (del fluido de la carcasa) puede colapsar hacia adentro.
8. CAIDA DE PRESION: si un fluido tiene una caída de presión admisible baja debe ir por los tubos, y
con mas razón si la estimación precisa de ΔP es importante, ya que si fuese por carcasa al haber
tantas “cosas” aumenta la pérdida de carga.
Generalmente, un fluido que ensucia es viscoso, por lo que debo llegar al compromiso.
Finalmente, se deben realizar diseños diferentes y hacer la comparación de costo.

Ensuciamiento (FOULING)
Es uno de los parámetros mas importantes para el diseño térmico y mecánico. Si hay ensuciamiento,
además de aumentar la resistencia térmica, aumenta la perdida de carga, la potencia de bombeo requerida
y disminuye la capacidad de trabajo del IC. Por esto que, si se espera ensuciamiento, se calcula el IC mas
grande (con un cierto margen).
El ensuciamiento puede provocarse por:
- POR PRECIPITACIÓN (incrustaciones): sales que se van depositando. Reducen el área del caño
(sección del tubo) formando una capa muy dura que se puede atacar con ácidos. Si se utiliza agua
de pozo hay que tratarlas antes si se aumenta la temperatura o utilizarlas a menos de 50ºC, para
que no se forme sarro, y la velocidad no debe bajar los 3 m/s para que no se depositen.
- POR DEPOSICIÓN DE PARTÍCULAS EN SUSPENCIÓN: se depositan en el caño reduciendo la sección.
Aumentando la velocidad del flujo se puede remover, pero si se endurece no.
- POR REACCION QUIMICA: entre los componentes del material con el fluido. Es decir, el fluido
reacciona y el material del IC funciona como catalizador
- POR CORROSIÓN: si se pica el caño, los restos de los mismos pueden ir a depositarse a otro lado. La
superficie queda irregular. (Se produce el deterioro en un lado, y el sólido que se levanta se
deposita en otro lado)
- POR CONGELACION: por ejemplo, grasas o algunos componentes de alto punto de fusión que
cristalizan y depositan.
- POR DEGRADACION TERMICA: por ejemplo, cuando se calienta leche, se degradan proteínas y se
ensucian las paredes.
Proceso de ensuciamiento:
El ensuciamiento consta de cinco etapas fundamentales:
1. INICIACIÓN O INDUCCIÓN: depende de la temperatura de la superficie, tipo de fluido, material y
presencia de recubrimientos (que eviten el pegado, vidrio, teflonado). Preparación del terreno para
ver si están dadas las condiciones de ensuciamiento.
2. TRANSPORTE: de sustancias desde el seno del fluido hasta la superficie de transferencia de calor
(paredes). Se puede dar por difusión, sedimentación y termoféresis. Este último es el movimiento
de pequeñas partículas en una corriente de fluido cuando hay un gradiente de temperatura. Las
paredes calientes repelen las partículas coloidales y las frías las atraen. Es importante para
partículas de menos de 5 μm de diámetro y se hace dominante alrededor de los 0.1 μm.
3. FIJACIÓN: parte del material transportado se fija a la superficie. Factores importantes: fuerzas sobre
partículas y propiedades del material (densidad o tamaño) y condiciones de la superficie. No todo
queda fijado, depende del tipo de material; si es grande, se da por sedimentación, si es chico, por
termoféresis.
4. REMOCIÓN: algo de material depositado es removido inmediatamente (casi sin llegar a depositarse)
y otro es removido mas tarde. Las fuerzas cortantes en la interfaz entre el liquido y la capa de
ensuciamiento son las responsables de la remoción y dependen de los gradientes de velocidad, de la
viscosidad de los fluidos y de la rugosidad de la superficie. Los mecanismos propuestos para la
remoción son:
- Disolución: cuando se disuelve, el material pasa a forma iónica (cambio de temperatura, pH)
- Erosión: el material esta en forma particulada y es afectado por la velocidad del fluido, el
tamaño de partícula, la rugosidad del material y adherencia del material.
- Cuarteado: el material existe como una gran masa y es afectado por “estrés térmico”. El
material se deposita en la superficie y se hace una sola capa que se “cocina” y endurece. La
capa de sarro ofrece resistencia al paso de calor. Al bajar el rendimiento, se aumenta la
temperatura y la capa se cuartea y hace una grieta. Como hay una temperatura muy alta en
la pared, el agua que entra por la grieta toca la superficie y se vaporiza violentamente. Si se
trata de una caldera, puede explotar.
5. ENVEJECIMIENTO: empieza luego del depositado. Hay cambios en la estructura cristalina del
depósito. Por ejemplo, el envenenamiento lento de los microorganismos debido a la corrosión
puede debilitar la capa de ensuciamiento. También puede ocurrir que una reacción química
modifique la resistencia mecánica de la capa. Otro ejemplo seria una capa de microorganismos, los

que están abajo, pegados a la superficie, quedan sin oxígeno y mueren. Esto puede producir la
remoción de la capa de ensuciamiento.
Los IC se pueden limpiar química o mecánicamente. El primero con productos químicos, pero sin que
produzcan erosión, averío de juntas, etc. El segundo a través de chorros de arena, cepillado. Por ejemplo, si
usamos vapor condensante, esto no va a ensuciar y se puede poner un IC de placas fijas. Si tenemos un
fluido que ensucia debemos usar paquetes de tubos removibles y arreglo de tubos en cuadrado o cuadrado
rotado.
Predicción del ensuciamiento:
La variación del ensuciamiento con el tiempo puede expresarse como la diferencia entre una velocidad de
deposición φd y una velocidad de remoción φr.
Rf = tolerancia de ensuciamiento
dRf/dt = velocidad de crecimiento de la resistencia
Gráfica de la evolución del ensuciamiento en función del tiempo.
CURVA A: Lineal. Ensuciamiento acumulativo, permanente. Φd es
constante y φr es despreciable.
CURVA B: Velocidad decreciente. Alcanza un determinado valor y
luego la capa de ensuciamiento comienza a soltarse.
CURVA C: Asintótica. φd y φr alcanzan un equilibrio. Cuando se
ensucia, el diámetro del tubo disminuye, aumenta la velocidad y esto genera el desprendimiento de la capa,
no la deja crecer y se mantiene constante en el tiempo. (Como disminuye la sección de paso del fluido,
aumenta la velocidad y arrastra la última capa formada, por lo que el espesor se mantiene constante).
CURVA D: Condiciones de operación variables.
El punto desde donde arrancan todas las curvas se denomina TIEMPO DE INDUCCIÓN y es el tiempo
necesario para que comience a formarse la capa.
Costos del ensuciamiento:
El ensuciamiento causa pérdidas económicas porque impacta en el costo inicial (al tener menos diámetro,
hay que diseñar el equipo sobredimensionado, con mayor área), en el costo de operación (paradas,
limpiezas, bombeos), en el rendimiento térmico y en la eficiencia.
Los IC deben pararse, no porque dejen de cumplir los requerimientos térmicos, sino por la excesiva perdida
de carga.
Entonces, el ensuciamiento introduce un costo adicional. Estos son:
(1) mayor inversión del capital inicial, se requiere mas área. La ecuación q = U*A*ΔT incluye Rf, dando un U
mas chico.
(2) mayor costo de mantenimiento, para limpiarlo hay que desarmar, cepillar. Se puede usar chorros de
arena o productos químicos. Normalmente se calcula el equipo para que funcione un año antes de que deba
ser limpiado.
(3) menor producción, debido a las paradas del equipo.
(4) pérdidas de energía, se necesita bombear con mas fuerza.
(5) pérdida de eficiencia, no se llega a la temperatura deseada.
Factores operacionales que influyen sobre el ensuciamiento:
TEMPERATURA: a mayor temperatura, mayor ensuciamiento
CAUDAL: a mayor caudal, menor ensuciamiento
TIPO DE SUPERFICIE: debe ser plana, sin rugosidades ni poros para que no se adhieran las partículas.
Recubrimiento electrolítico.
PH: influye en el grado de precipitación.

Dispositivos mecánicos para minimizar el ensuciamiento
-Bafles helicoidales
-Tubos retorcidos:
-Dispositivo para generar turbulencia:
Materiales
Cuando se espera ensuciamiento, los materiales a utilizar son:
 Material Anticorrosión (resistente a fluidos de proceso y/o de limpieza)
 Materia Anti-erosión (resistente al desgaste por la velocidad del fluido):
- Titanio,
- Acero Inoxidable,
- Aleación Cobre-Níquel (83:17:0.4 Cr) (Alloy C72200 – diseñada especialmente para
anticorrosión y anti-erosión)
 Materiales para prevenir o evitar ensuciamiento biológico
- Aleaciones con mas del 70% de cobre
- Aleación Cobre-Níquel 90:10 (Alloy C70600)
- Aleación Cobre-Níquel 70:30 (UNS 71500)
Límites de Erosión – Máxima velocidad
Las velocidades máximas que puede tener un flujo de AGUA, sin causar erosión, en tuberías de diversos
materiales son:
- Acero de bajo carbono: 3 m/s
- Acero inoxidable: 4.6 m/s
- Aluminio: 1.8 m/s
- Cobre: 1.8 m/s
- Cobre-Níquel 90:10: 3 m/s
- Cobre-Níquel 70:30: 4.6 m/s
- Titanio: > 15 m/s
Para el cálculo de la máxima velocidad permitida, de otros líquidos o gases, se considera:

Vibración de los tubos
Los tubos son inducidos a vibrar por el flujo, por inducción hidráulicamente acoplada y por inducción
mecánicamente acoplada. La causa mas frecuente de vibración es el fluido que va por carcasa
(principalmente con gases). El fluido que va por los tubos no produce vibraciones y con líquidos no hay
muchos problemas.
Los tubos de un IC están soportados en sus extremos por las placas tubulares y en posiciones intermedias
por bafles. Los tubos cerca de la entrada son los que mas vibran, y para protegerlos se suele utilizar platos
ciegos. En el punto donde los tubos vibran, se tocan y comienzan a desgastarse hasta que se logra un
agujero. Los tubos que están abajo y arriba están desfavorecidos comparados con los que están soportados.
Mientras mas grande sea el espaciado de bafles, los tubos quedan menos soportados y vibran mas
fácilmente.
Las vibraciones dependen de: caudal, materiales de tubos y bafles, tamaño y espacios de tubos no
soportados, disposiciones de los tubos, diámetro de la carcasa y configuraciones de entra/salida.
La frecuencia natural de vibración de un tubo, esta dada por:
BP: espaciado de bafles
E: módulo elástico del material del tubo
I: momento de inercia de las secciones transversales del tubo
m: masa por unidad de longitud del tubo
C1: cte. que vale 1.57 entre bafles y 2.45 entre bafle y placa (extremo rígido)
Si la frecuencia de excitación (W) se acerca a la frecuencia natural de vibración (Wo) del tubo se produce
RESONANCIA y la amplificación de la oscilación se hace muy pronunciada. Lo óptimo es que Wo sea alta y
que W/Wo sea menor que 0.75. Si se coloca una distancia grande entre bafles (aumenta BP), Wo disminuye
y como no nos conviene llegar cerca de este, debemos achicar BP.
TURBULENCIA DE VON KARMAN: son remolinos que se generan aguas abajo, luego de pasar fluido por un
objeto sumergido. Producen zonas de baja presión que a su vez producen fuerzas sobre el tubo del tipo
cíclicas y de igual frecuencia que la formación de remolinos.
La frecuencia depende de la velocidad del fluido y de la geometría del haz de tubos, y es inversamente
proporcional al espaciado de bafles. W = f (velocidad, arreglo de tubos y BP).
INDUCCIÓN HIDRÁULICAMENTE ACOPLADA: es causada por:
- Vibraciones en la bomba o compresor (cuando la bomba funciona mal, todo se transmite al fluido)
- Cachetazos del rotor
- Flujos pulsantes (cuando no son bombas centrífugas)
- Oscilaciones de la válvula de control (las válvulas que abren y cierran producen vibraciones, ondas)
INDUCCIÓN MECÁNICAMENTE ACOPLADA: es causada por la energía que entra a través de soportes y
cañerías, similar a la energía que produce la vibración de un edificio cuando pasa un camión.
El equipo no está suelto, está en el suelo y las vibraciones de este llegan al equipo.
Efecto de las vibraciones
Las vibraciones pueden producir pinchaduras de dos caños vecinos por contacto debido a las vibraciones,
desgaste del tubo por rozamiento con el bafle, roturas de los tubos en la unión con las placas, rotura de la
soldadura tubo-placa, ruidos desagradables, aumento excesivo de la perdida de carga. Se gasta mucha
energía en la vibración.

Soluciones posibles para las vibraciones
- Reducir la velocidad del fluido que entra a la carcasa, como así también dentro del paquete de
tubos. (disminuye la pérdida de carga. Esto se logra colocando bafles).
- Cambiar la disposición de los tubos y el espaciado de los bafles. Es conveniente arreglo cuadrado o
cuadrado rotado, no el triangular. Disminuir espaciado de bafles.
- Cambiar el tipo de bafle o agregar bafles que eliminen vibraciones
- Reducir la longitud no soportada
- Diseñar sin tubos elementales
- Usar diseños especiales como IC con varillas y bafles. En estos casos usamos bafles tipo varilla
alternados. El tubo queda aprisionado (encerrado) para evitar la vibración. También se pueden usar
bafles que no tienen tubos en la ventana, reduciendo así la longitud no soportada. Los balfes tipo
varilla, además de funcionar como soporte para los tubos, generan un flujo mas turbulento y mejor
mezclado.
Relación entre transferencia de calor y potencia de bombeo requerida
La potencia de bombeo es proporcional a la pérdida de carga del fluido a través del IC, y la potencia de
bombeo por unidad de área de transferencia [W/m2
] es:
P: potencia ηp: potencia de la bomba
A: área ρ: densidad
k: conductividad térmica μ: viscosidad del fluido
h: coeficiente pelicular Dh: diámetro hidráulico
C: 1.2465x104
Como puede verse, la potencia de bombeo depende fuertemente de las propiedades del fluido, como asi
también del diámetro hidráulico del conducto.
Conclusiones:
- Con fluidos de alta densidad (líquidos) se puede operar el IC con grandes valores de h si excesivos
requerimientos de bombeo
- Un gas, debido a su baja densidad, requiere altas potencias de bombeo para valores muy
moderados del coeficiente de transferencia de calor. Los gases tienen bajos h y para mejorarlos se
usas superficies extendidas.
- Un gran valor de viscosidad causa que la fricción sea grande, aún si la densidad es elevada. Por ello,
los IC que traten aceites deben diseñarse para valores bajos de h para poder mantener los
requerimientos de bombeo dentro de un rango aceptable.
- Los metales líquidos con valores muy altos de conductividad térmica requieren bajas potencia de
bombeo
- Pequeños valores de diámetro hidráulico (Dh) tienden a minimizar las potencias de bombeo

Técnicas para aumentar la transferencia de calor
Pueden clasificarse como:
METODOS PASIVOS: son los que no requieren la aplicación directa de una fuente externa de potencia
METODO ACTIVOS: son los que requieren potencia externa
La efectividad depende del modo de transferencia de calor, que puede caer entre convección libre de una
sola fase hasta ebullición compleja.
METODOS PASIVOS METODOS ACTIVOS
- Superficies tratadas
- Superficies rugosas
- Superficies extendidas
- Dispositivos de mejora por desplazamiento
- Dispositivos de remolino
- Dispositivo para tensión superficial
- Aditivo para líquidos
- Aditivos para gases
- Ayudas mecánicas
- Vibración de la superficie
- Vibración del fluido
- Campos electrostáticos (CC ó CA) (pueden
combinarse un campo eléctrico con un
campo magnético)
- Inyección
- Succión
Cualquiera de estas técnicas puede usarse simultáneamente con otra, con efectos aditivos (aumentación
compuesta).
El criterio de selección es muy difícil ya que numerosos factores influencian la última decisión.
La mayoría de los factores son económicos: costo inicial, costo de operación, costo de mantenimiento, etc.
además de confiabilidad y seguridad.
USO DE MÚLTIPLES CARCASAS
Las carcasas pueden ser utilizadas de las siguientes formas:
1. MULTIPLES CARCASAS EN PARALELO
Se usan cuando el área necesaria para la transferencia de calor es demasiado grande para ser acomodado
en una sola carcasa (esto solo se aplica a cabezales flotantes o tubos en U ya que es muy complicado el
manipuleo de los paquetes de tubos).
En grandes refinerías y plantas petroquímicas, los paquetes de tubos se limitan a 10 toneladas, lo que
equivale decir 450 – 500m2
de área. Algunas plantas grandes permiten paquetes de tubos de hasta 15 o 20
toneladas.
Con los IC de placas fijas no hay limitaciones de peso y se pueden poner hasta 2000 m2
o más de área de
transferencia de calor en una sola carcasa.
También se pueden usar carcasas en paralelo para mejorar el control, por ejemplo cuando los caudales
varían mucho se pueden anular algunos IC si el caudal disminuye.
2. MULTIPLES CARCASAS EN SERIE
Para el uso de múltiples carcasas en serie se deben considerar dos aspectos muy importantes:

- Condiciones de cruce de temperatura: se define como “cruce de temperaturas” el hecho de que la
temperatura de salida de la corriente fría sea mayor que la temperatura de salida de la corriente
caliente.
Si hay un cruce de temperaturas se deben usar varias carcasas en serie. El número de carcasas en serie
dependerá del tamaño del cruce de temperaturas. Cuando mayor sea el cruce, mayor será el número
de carcasas requeridas.
Gráficamente sería:
T2 = temperatura de salida del fluido caliente.
t2 = temperatura de salida del fluido caliente
Notar que en cada carcasas T2 = t2. Aquí T
nunca es menor que t. no hay cruce, por lo
tanto la transferencia de calor puede hacerse
en una sola carcasa.
- Utilización de la caída de presión: hay ocasiones en que el caudal del fluido que va por la carcasa es tan
bajo que con una sola carcasa y aun con bafles puestos tan cerca como sea posible (25-30% del
diámetro interno de la carcasa) la caída de presión es excesivamente baja y por lo tanto también lo será
el coeficiente de transferencia de calor. En estos casos, puede ser conveniente usar dos (o más)
carcasas en serie ya que esto puede resultar en un diseño más barato ya que se alcanza un mayor
coeficiente de transferencia de calor en la carcasa.
3. MULTIPLES CARCASAS EN SERIE/PARALELO
A veces no se puede ni en paralelo ni en serie y se tiene como única opción un arreglo serie/paralelo. Por
ejemplo: el enfriado de un fluido por la carcasa.
Los problemas pueden ser de varios tipos, por ejemplo: aumenta mucho su viscosidad. Esto hace que las
corrientes de perdida (especialmente la E) tengan mucho importancia bajando el coeficiente de
transferencia de calor. La caída de presión se puede manejar bien con dos carcasas, pero la de los tubos no.
Peor aún, no se puede reducir el caudal del agua de enfriamiento.
T2 = t2
T2 = t2
T2 > t2
T2 = t2

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