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Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 1
Operaciones Unitarias
Transferencia de Calor
EIQ 303
Primer Semestre 2012
Profesor: Luis Vega A
Intercambiadores de Calor
Cualquier aparato diseñado para trasmitir la energía calorífica
desde un medio (gas o liquido) hacia otro medio es
denominado Intercambiador de calor. En el Intercambiador de
calor, el calor es transferido desde el medio caliente hacia el
medio frío por conducción y convección, y algunas veces por
radiación en el caso de gases. Una condición para la
transferencia de calor es que exista una gradiente de
temperatura entre los dos medios.
Intercambiadores de Calor
QT1 T2
Condición: T1 > T2
Los intercambiadores de calor donde dos fluidos están en
contacto directo uno con el otro, se denominan
“intercambiadores directos”. El área necesaria para la
transferencia es proporcionada por las interfaces del liquido
o por las gotas.
Clasificación de acuerdo al contacto de los
fluidos
Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos
están separados uno del otro por una pared divisora a
través de la cual se transporta el calor,. Se denominan
intercambiadores indirectos. La pared que los separa
proporciona el área de transferencia de calor.
Clasificación de acuerdo a su aplicación
Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de
calentar y enfriar dos fluidos.
Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
Rehervidor: Conectado a la base de una torre de
destilación proporciona el calor de reebulición que se
necesita para la destilación.
Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 2
Los intercambiadores de calor de acuerdo a su construcción
pueden dividirse en tres grandes grupos:
Intercambiadores compactos. Los que están hechos en
base a placas o laminas “planas” paralelas.
Intercambiadores tubulares. Los que están hechos en
base a tubos.
Intercambiadores misceláneos. Los que tienen diferen-
tes configuraciones según el requerimiento específico.
Clasificación de acuerdo a la construcción Intercambiadores de calor de doble tubo o
de tubos concéntricos
El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos
tubos concéntrico de diámetros diferentes, llamados
intercambiadores de doble tubos. Donde un fluido circula por el
tubo interior y el segundo por el espacio anular comprendido
entre las tuberías interior y exterior.
Estos intercambiadores están formado por tuberías
normalizadas de metal, con codos y cabezales de retorno
equipados con cajas prensaestopas.
Recomendables hasta 70 pie2 de área
de intercambio, sobre este tamaño se
hacen más económicos los
intercambiadores compactos
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 3
Intercambiadores de calor de tubo y
carcasa o de tubo y coraza o de tubo y
casco
Los intercambiadores de calor de tubo y carcasa son uno de los
de mayor aplicación industrial.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 4
Carcasa (o coraza).1: Cabezales de tubos o espejos.2:
Carretes.3: Tapas.4: Deflectores transversales.5:
Intercambiador de calor de tubos estacionarios
Intercambiador de calor de tubos fijos con carrete
integrales
Intercambiador de calor 1-2 con cabezal flotante de
arrastre
Intercambiador de calor con tubos en U
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 5
Intercambiador de calor 1-2 de cabezal fijo
Su uso esta restringido a soluciones
con bajo contenido de sólidos y
viscosidades menores a 10000 cPs
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 6
Criterios para la selección de
intercambiadores tubulares
Áreas de intercambio de
calor menores a 70 pie2
Intercambiador de tubos
concéntrico
Áreas de intercambio de
calor entre 70 pie2 y 200 pie2
Evaluación Económica
para determinar el tipo
de Intercambiador
Áreas de intercambio de
calor sobre los 200 pie2
Intercambiador de tubos
y carcasa
Intercambiadores de calor de placas o de
platos
Otro tipo de intercambiador ampliamente utilizado hoy en día es
el intercambiador de calor de placa y marco. Las placas
metálicas, generalmente son superficies acanaladas, que se
disponen sobre un bastidor; el fluido caliente pasa entre parejas
alternativas de placas intercambiando calor con el fluido frío en
los espacios adyacentes.
Columna
de
soporte
Barra de guía
Pernos de apriete
Placas empaquetadas
Barra correderaPlaca de compresión
Porta
placa
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 7
Intercambiadores de Placas Circulares
Recomendado para soluciones con
contenido de sólidos no abrasivos
menores al 5% y viscosidades menores
a 20000 cPs
Intercambiador de Placas y Carcasa Intercambiador de Espiral
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 8
Recomendado para soluciones de alta
viscosidad y altos contenidos de sólidos
(30 a 40%)
Intercambiadores de serpentín Recipientes enchaquetados
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 9
Enfriadores con agua Aeroenfriadores
Guía para selección de un
intercambiador de calor
Aplicación Recomendación
Fluidos de baja viscosidad * Usar intercambiador de calor de placa
(μ < 10 cP)
* Usar intercambiadores tubulares para fluidos no corrosivos
a altas temperaturas o a altas presiones
Líquidos de baja viscosidad * Para fluidos no corrosivos, usar intercambiadores
tubulares de acero al carbon
* Para cargas corrosivas y para vapor a baja presión; usar
intercambiadores de placas.
* Para grandes cantidades de vapor, usar intercambiadores
de espiral.
Fluidos de viscosidad media * Con iguales fluidos en ambos lados, usar el intercambiador
(10 cp a 100 cP) de placas.
* Si las empaquetaduras causan problemas o la cantidad de
sólidos es elevada, usar intercambiadores de espiral.
Aplicación Recomendación
Fluidos de alta viscosidad * Usar intercambiador de placas. La configuraciónde las
( > 100 cP) placas proporcionan un flujo turbulento. Se han usado para
viscosidades sobre los 5000 cP.
* Para viscosidades extremas es preferible el intercambiador
de espiral.
Fluidos sucios * Pueden usarse intercambiadores de placa o de espiral.
(con alta tendencia a formar Por su facil limpieza es preferibles el intercambiador de
inscrustaciones) placas.
Suspenciones y pulpas * Recomendable el de espiral (usado en algunos casos
para corrientes con más de 50% de sólidos) y en ciertos
casos el intercambiador de placas.
Enfriamiento y calentamiento * Intercambiador de superficie extendida.
de aire
Gases o aire a presión * Con ciertas limitaciones puede usarse el intercambiador de
placas, de otro modo debe seleccionarse un intercambiador
tubular (con superficie extendida en el lado del gas)
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 10
Aplicación Recomendación
Condensación * Para cargas no corrosivas, seleccionar un intercambiador
tubular de acero al carbon.
* Para cargas corrosivas un intercambiador de espiral.
* Para ciertos casos como el requerimiento de condiciones
higiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas.
Alta presión (sobre 35 atm.) * Usar intercambiador tubular.
o altas temperaturas (sobre
500 °C)
Fluidos extremadamente * Usar intercambiadores de grafito.
corrosivos
Consideraciones de Diseño
Un intercambiador de calor existente en catalogo tiene
una ventaja definitiva de costo sobre los que se mandan
hacer sobre pedido. Sin embargo, en algunos casos ninguno
de los intercambiadores satisface lo que se desea y es
necesario emprender la tarea de diseñar y construir el
intercambiador.
Normalmente las mejoras de la transferencia de calor de
los intercambiadores suele venir acompañada de un
aumento de la caída de presión. Por lo tanto, cualquiera
mejora de la transferencia de calor debe ser contrapesada
con el costo de la caída de presión que la acompaña.
Los fluidos del intercambiador de calor fluyen por medio de
bombas y ventiladores que consumen energía eléctrica. El
costo anual asociado a la operación de las bombas y
ventiladores se puede determinar a partir de:
    





























hkW
$
adElectricid
ladeecioPr
h
Operación
deHoras
kW
Bombeode
Potencia
Operación
deCosto
La minimización de la caída de presión y del flujo másico
reducirá el costo de operación del intercambiador, pero
maximizará su tamaño, y por consiguiente su costo inicial.
Ejemplo. Determine el costo anual de operación por
potencia de un intercambiador que cuenta con una bomba
de 1 hp y un ventilador de 1/3 hp (1 hp = 0.746 kW) que
funciona 8 horas diarias durante 5 dias a la semana. El
costo de la electricidad es de 8 centavos de dolares/kW h.
    












hkW
$
08.0h)52)(8)(5(kW)746.0)(333.1(
Operación
deCosto
 $US165
Operación
deCosto






Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 11
Las velocidades de los fluidos en el intercambiador de calor
varían entre 0.7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30
m/s para los gases. Las velocidades bajas ayudan a evitar
la erosión, las vibraciones de los tubos y el ruido, así como
reducen la caída de presión.
No es necesario considerar los efectos de los esfuerzos
térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm
o temperaturas bajo los 150 °C. Sin embargo, estos efectos
constituyen consideraciones importantes por arriba de la 70
atm y 550 °C, que condicionan los materiales usados para
el intercambiador.
Una diferencia de temperatura superior a 50°C entre los
tubos y la carcasa plantea expansiones térmicas que
deben ser considerada.
Para fluidos corrosivos normalmente se tiene que
seleccionar materiales costoso resistentes a la corrosión,
como el acero inoxidable o incluso de titanio, si no se
desea reemplazar con frecuencia los intercambiadores de
bajo costo.
Ecuación de Diseño
TAUQ 
Coeficiente Total de Transferencia
de Calor
La transferencia de calor desde un fluido
caliente a otro frío, generalmente, a través
de una pared sólida que separa los dos
fluidos, es un caso que se encuentra con
frecuencia en la practica de la ingeniería
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 12
Para que se produzca la transferencia de calor entre dos fluidos
sin que se mezclen, estos deben estar separados por una
pared de un material buen conductor del calor, como muestra la
figura:
Pared
Fluido
Caliente
Q
Fluido
Frío
Más específicamente la cantidad de calor que se transfiere
entre los dos fluidos se puede describir en el siguiente
esquema:
Fluido Caliente A
Fluido Frío B
Pared DepositoDeposito Pelicula de
Fluido B
Pelicula de
Fluido A
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
Q
Se puede considerar aproximadamente que:
21 TT  87 TT y
Matemáticamente la cantidad de calor que se transfiere entre
los dos fluidos se puede escribir:
Película de fluido A
Depósitos en el lado del fluido A
Pared del material
Depósitos en el lado del fluido B
Película de fluido B
)T(TdAhdQ 32A 
A través:
)T(TdAhdQ 43DA 
)T(TdAkdQ 54 
)T(TdAhdQ 65DB 
)T(TdAhdQ 76B 
Fluido Caliente A
Fluido Frío B
Pared DepositoDeposito Pelicula de
Fluido B
Pelicula de
Fluido A
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
Q
Como dQ es constante, al eliminar T3, T4, T5 y T6 de las
ecuaciones anteriores, obtenemos:
dAh
1
dAh
1
dAk
x
dAh
1
dAh
1
TT
dQ
BDBDAA
81



Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 13
La ecuación anterior :
)TT(dAUdQ 81 
Donde:
BDBDAA h
1
h
1
k
x
h
1
h
1
U
1

dAh
1
dAh
1
dAk
x
dAh
1
dAh
1
TT
dQ
BDBDAA
81



Podemos escribirla como:
C]º[W/mfluidosparapeliculadeeCoeficient:hyh 2
BA
C]º[W/mióninscrustacdeeCoeficient:hyh 2
DBDA
C]º[W/mtermicadadconductivi:k
C]ºCalor[W/mdeciaTransferendeTotaleCoeficient:U 2
Si la transferencia de calor se efectúa a través de paredes
tubulares, no se cumple que el área de transferencia sea igual
a lo largo de la trayectoria de la transferencia, por lo que se
tiene que hacer una corrección para el coeficiente total de
transferencia de calor U dado en la ecuación anterior.
oDom
O
i
O
Dii
O
i h
1
h
1
D
D
k
x
D
D
h
1
D
D
h
1
U
1

BDBm
O
i
O
DAi
O
A h
1
h
1
D
D
k
x
D
D
h
1
D
D
h
1
U
1

2
DD
D iO
m


Para tubos con espesor hasta
3/8 pulg.
Para tubos con espesor mayo-
res 3/8 pulg.








i
O
iO
m
D
D
ln
DD
D
En muchos textos se tienen tabulados valores inversos a los
coeficientes de incrustación o deposición, a los cuales se les
denomina resistencias a la incrustación (r) y se relacionan por:
Dh
1
r 
Con lo que podemos escribir:
Para la pared:
B
BA
A h
1
r
k
x
r
h
1
U
1

Para la pared tubular:
B
B
m
O
i
O
A
i
O
A h
1
r
D
D
k
x
D
D
r
D
D
h
1
U
1

Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 14
Normalmente en los intercambiadores de calor los flujos son
alimentados en contra corriente, muy excepcionalmente se
alimentan como corrientes en paralelo. El flujo en corrientes
paralelas se utiliza en situaciones especiales donde es nece-
sario limitar la temperatura máxima del fluido más frío o cuando
es importante que al menos la temperatura de uno de los
fluidos varíe rápidamente.
Flujo en contracorriente o corriente
paralela
Flujo en contra corriente
Flujo en corriente
paralela (cocorriente)
FluidoCaliente
Fluido Frio
Corriente enParalelo
Fluido Caliente
Fluido Frío
ContraCorriente










2
1
21
ML
T
T
ln
TT
T
Los valores de ∆T1 y ∆T2 dependen si la configuración es en
flujo paralelo o en flujo contracorriente:
Diferencia de Temperatura Media
Logarítmica (DTML)
Fluido Caliente
Fluido Frio
Corriente en Paralelo
T1 T2
t1 t2
111 tTT  222 tTT y
   




















22
11
2211
2
1
21
ML
tT
tT
ln
tTtT
T
T
ln
TT
T
Para flujo paralelo tenemos:
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 15
211 tTT  122 tTT y
   




















12
21
1221
2
1
21
ML
tT
tT
ln
tTtT
T
T
ln
TT
T
Para flujo en contra corriente tenemos:
Fluido Caliente
Fluido Frío
Contra Corriente
T1T2
t1 t2
En general, es más ventajosa la disposición en contra-
corriente ya que entrega un valor de T mayor.
La excepción a lo anterior, ocurre cuando uno de los fluidos
se mantiene a temperatura constante (condensación de
vapor) en cuyo caso el LMTD resulta idéntico.
La ventaja de flujo paralelo es que se tiene un mejor control
de la temperatura cuando se trabaja con materiales
termosensible.
Limitaciones de la DTML (LMTD)
La DTML no siempre es la diferencia de temperatura correcta a
utilizar. No se utiliza cuando U cambia apreciablemente a lo
largo del intercambiador o cuando T no es una función lineal
de Q.
Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un
vapor sobrecalentado.
Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante.
La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una
reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua.
Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un
vapor sobrecalentado.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 16
Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante.
La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una
reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua.
Para cuando no es valida la DTML, como para los ejemplos
anteriores, la ecuación:
 fríocaliente TTUTU
dT
dQ

Se debe integrar evaluando los valores locales de U, T y Q en
varios puntos intermedio del intercambiador.
Problemas Resueltos Problema N°1. Calcule el coeficiente total de transferencia de
calor para el caso en que agua a 10 ºC fluye en un tubo de un
condensador de ¾ pulg 16 BWG y vapor de agua saturado a
105 ºC condensado en el exterior. Considerando hi=12 kW/m2
ºC, h0=14 kW/m2 ºC y k=120 W/m ºC.
Datos: Tubos ¾ pulg 16 BWG:  pulg75.0D0 
 pulg62.0Di 
 pulg065.0Espesor 
   mm05.194.25pulg75.0D0 
   mm75.154.25pulg62.0Di 
   m001651.00254.0pulg065.0Espesor 
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 17
0
0
m
O
i
O
i
i
O
i0 h
1
r
D
D
k
x
D
D
r
D
D
h
1
U
1

Para una tubería tenemos:
Basada en el área exterior de los tubos.
Basada en el área interior de los tubos.
0
i
0
0
m
i
0
i
i
ii D
D
h
1
r
D
D
k
x
D
D
r
h
1
U
1

0
i
i
0
D
D
U
U

Se relacionan:
Para el caso:
0m
O
i
O
i0 h
1
D
D
k
x
D
D
h
1
U
1

0m
O
i
O
i
0
h
1
D
D
k
x
D
D
h
1
1
U


14000
1
D
05.19
120
001651.0
75.15
05.19
12000
1
1
U
m
0


 mm35.17
75.15
05.19
ln
75.1505.19
D
D
ln
DD
D
i
O
iO
m 
















14000
1
35.17
05.19
120
001651.0
75.15
05.19
12000
1
1
U0


 CºW/m2.5338U 2
0 
 Cºm/W7.6456
)75.15(
)05.19)(2.5338(
U 2
i 
Problema N°2. Calcular las temperaturas de la superficies
interior y exterior de la tubería metálica del problema 11.1 Mc
Cabe.
15.75 mm 19.05 mm10 °C
105 °C
0m
O
i
O
i0 h
1
D
D
k
x
D
D
h
1
U
1

Para este caso tenemos:
“La caída de la temperatura global es proporcional a 1/U, y las
caídas de las temperaturas en los dos fluidos y en la pared son
proporcionales a las resistencias individuales.”
Interior agua a 10 ºC.
Exterior condensado de
agua a 105 ºC.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 18
0
0
m
0w
w
ii
0
i
0 h
1
T
D
D
k
x
T
hD
D
T
U
1
T 








Donde:
global.atemperaturdeCaída:T
interior.fluidodeltravesaatemperaturdeCaída:Ti
metálica.paredladetravesaatemperaturdeCaída:Tw
exterior.fluidodeltravesaatemperaturdeCaída:T0
ii
0
i
0 hD
D
T
U
1
T




1200075.15
05.19
T
2.5338
1
)10105( i




 Cº1.51Ti 
Luego, la temperatura de la pared en el lado frío es:
 Cº1.61101.51Twc 
La temperatura de la pared para el lado caliente:
0
0
0 h
1
T
U
1
T 


14000
1
T
2.5338
1
)10105( 0


 Cº2.36T0 
 Cº8.682.36105Twh 
Luego:
Problemas Resueltos en Clases
Problema N°1. Considerando un intercambiador de calor de
tubo doble, que presta un servicio agua-agua, donde no se
conoce la disposición de los flujos. Sin embargo, se conoce que
el flujo frío de agua entra a la temperatura de 20 °C y sale a 50
°C, en tanto que el agua caliente entra a 80 °C y sale ha 45°C.
¿La disposición de los flujos es en paralelo o en contra
corriente? Explique.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 19
Problema N°2. Se enfría anilina desde 200 hasta 150 ºF en un
intercambiador de calor de tubos concéntricos cuya superficie
total de intercambio es de 70 pie2. Para el enfriamiento se
dispone de una corriente de tolueno de 8600 lbm/hr a la
temperatura de 100 ºF. El intercambiador consta de una tubería
de 1 ¼ pulg y otra de 2 pulg, ambas del Catálogo 40. La
velocidad de flujo de la anilina es de 10000 lbm/hr. Asumiendo
comportamiento adiabático, determine:
i) ¿Cuál es la temperatura del tolueno a la salida?
ii) ¿Cuál es DTML?
iii) ¿Cuál es el Coeficiente Global de Transferencia de Calor?
 Fºlb/Btu545.0C )ANILINA(P 
 Fºlb/Btu44.0C )TOLUENO(P 
Datos:
a) Para flujo en contracorriente:
b) ¿Cuáles serían los resultados para flujo en paralelo:
Problema N°3. En el intercambiador de calor descrito en el
problema anterior ¿Cuánta anilina puede enfriarse si el
coeficiente global de transferencia de calor es 70 Btu/pie2·h·ºF?
Problemas Propuestos
Problema N°1. Se construye un intercambiador de calor de
doble tubo, con un tubo de cobre interior (k=380 W/m °C) de
diámetro interno Di=1.2 cm y diámetro externo D0=1.6 cm, y un
tubo exterior de 3 cm de diámetro. Los coeficientes de
transferencia de calor por convección son hi= 700 W/m2 °C
sobre la superficie interior del tubo, y h0=1400 W/m2 °C sobre la
superficie exterior. Para un factor de incrustación Rfi=0.0005 m2
°C/W por el lado interior del tubo y Rf0=0.0002 m2 °C/W por el
lado externo del tubo, determine:
La resistencia térmica del intercambiador por unidad de
longitud.
a)
Los coeficientes totales de transferencia de calor, Ui y U0,
con base en las áreas superficiales interior y exterior del
tubo, respectivamente.
b)
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Problema N°2. Fluye agua a una temperatura promedio de 110
°C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de
longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera.
Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y
D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia
de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en
donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2
°C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U,
con base en el área superficial interior del tubo.
4.08.0
PrRe023.0
k
Dh
Nu 


Considere:
Problema N°3. Fluye agua a una temperatura promedio de 110
°C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de
longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera.
Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y
D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia
de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en
donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2
°C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U,
con base en el área superficial interior del tubo, si el factor de
incrustación sobre la superficie interior del tubo es Rfi=0.0005
m2·°C/W.
Problema N°4. Tetracloruro de carbono que fluye a 19000 kg/hr
se enfría de 85 a 40 ºC usando 13500 kg/hr de agua de
enfriamiento a 20 ºC. El coeficiente de película para el
tetracloruro de carbono en el tubo exterior es 1700 W/m2·ºC. La
resistencia de la pared es despreciable, pero hi sobre el lado
del agua, incluyendo los factores de ensuciamiento , es 11000
W/m2·ºC.
¿Cuál es el área requerida para un intercambiador a
contracorriente adiabático?
a)
¿En qué factor podría incrementarse el área si el flujo
paralelo fuera usado para obtener un enfriamiento inicial
más rápido del tetracloruro de carbono?
b)
 Cºg/J837.0C )CloruroTetra(P   Cºg/J1868.4C )Agua(P 
Problema N°5. Un intercambiador de doble tubo usado para
enfriar una suspensión, el coeficiente global de transferencia de
calor U (basada en el área interior de los tubos) es 1.84
[kW/m2·°C]. El agua fluye en una tubería interior de acero de 1
pulgada de Catalogo 40, de conductividad térmica km = 45
[W/m·°C]; la suspensión fluye en la tubería exterior de 2 [pulg].
El coeficiente de película interior se estima en 4.8 [kW/m2·°C]
desde una correlación publicada para flujo turbulento. Calcule el
coeficiente de película exterior.
Operaciones Unitarias EIQ 303
Profesor: Luis Vega Alarcón 21
Problema N°6. En un intercambiador de calor a contra
corriente, la corriente caliente se enfría desde 120 a 30 ºC,
mientras que la corriente fría cambia de temperatura desde 20
ºC hasta 60 ºC. Si el mismo intercambiador opera en flujo
paralelo, ¿Cuáles serían las temperaturas de salida de las dos
corrientes? (Respuesta: La caliente a 51.4 ºC y la fría a 50.5
ºC)
Preguntas
1. ¿Cuál es el papel de los deflectores en los intercambiadores
de calor de tubos y carcasa? ¿De que manera la presencia de
los deflectores afecta la transferencia de calor y las
necesidades de potencia de bombeo.
2. ¿En que condiciones la resistencia térmica del tubo del
intercambiador es despreciable?
3. En un intercambiador de calor de doble tubo y de pared
delgada, ¿Cuándo resulta razonable la aproximación U=hi? En
este caso, U es el coeficiente total de transferencia de calor y hi
es el coeficiente de transferencia de calor por convección
adentro del tubo.
4. ¿Cuáles son las causas comunes de incrustaciones en los
intercambiadores de calor? ¿Cómo afectan las incrustaciones a
la transferencia de calor y a la caída de presión?
5. ¿Cómo se toma en cuenta la resistencia térmica debido a las
incrustaciones en un intercambiador de calor? ¿De qué manera
la velocidad del fluido y la temperatura influyen sobre las
incrustaciones?

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Transferencia de Calor en Intercambiadores

  • 1. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 1 Operaciones Unitarias Transferencia de Calor EIQ 303 Primer Semestre 2012 Profesor: Luis Vega A Intercambiadores de Calor Cualquier aparato diseñado para trasmitir la energía calorífica desde un medio (gas o liquido) hacia otro medio es denominado Intercambiador de calor. En el Intercambiador de calor, el calor es transferido desde el medio caliente hacia el medio frío por conducción y convección, y algunas veces por radiación en el caso de gases. Una condición para la transferencia de calor es que exista una gradiente de temperatura entre los dos medios. Intercambiadores de Calor QT1 T2 Condición: T1 > T2 Los intercambiadores de calor donde dos fluidos están en contacto directo uno con el otro, se denominan “intercambiadores directos”. El área necesaria para la transferencia es proporcionada por las interfaces del liquido o por las gotas. Clasificación de acuerdo al contacto de los fluidos Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos están separados uno del otro por una pared divisora a través de la cual se transporta el calor,. Se denominan intercambiadores indirectos. La pared que los separa proporciona el área de transferencia de calor. Clasificación de acuerdo a su aplicación Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos. Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Rehervidor: Conectado a la base de una torre de destilación proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.
  • 2. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 2 Los intercambiadores de calor de acuerdo a su construcción pueden dividirse en tres grandes grupos: Intercambiadores compactos. Los que están hechos en base a placas o laminas “planas” paralelas. Intercambiadores tubulares. Los que están hechos en base a tubos. Intercambiadores misceláneos. Los que tienen diferen- tes configuraciones según el requerimiento específico. Clasificación de acuerdo a la construcción Intercambiadores de calor de doble tubo o de tubos concéntricos El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntrico de diámetros diferentes, llamados intercambiadores de doble tubos. Donde un fluido circula por el tubo interior y el segundo por el espacio anular comprendido entre las tuberías interior y exterior. Estos intercambiadores están formado por tuberías normalizadas de metal, con codos y cabezales de retorno equipados con cajas prensaestopas. Recomendables hasta 70 pie2 de área de intercambio, sobre este tamaño se hacen más económicos los intercambiadores compactos
  • 3. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 3 Intercambiadores de calor de tubo y carcasa o de tubo y coraza o de tubo y casco Los intercambiadores de calor de tubo y carcasa son uno de los de mayor aplicación industrial.
  • 4. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 4 Carcasa (o coraza).1: Cabezales de tubos o espejos.2: Carretes.3: Tapas.4: Deflectores transversales.5: Intercambiador de calor de tubos estacionarios Intercambiador de calor de tubos fijos con carrete integrales Intercambiador de calor 1-2 con cabezal flotante de arrastre Intercambiador de calor con tubos en U
  • 5. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 5 Intercambiador de calor 1-2 de cabezal fijo Su uso esta restringido a soluciones con bajo contenido de sólidos y viscosidades menores a 10000 cPs
  • 6. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 6 Criterios para la selección de intercambiadores tubulares Áreas de intercambio de calor menores a 70 pie2 Intercambiador de tubos concéntrico Áreas de intercambio de calor entre 70 pie2 y 200 pie2 Evaluación Económica para determinar el tipo de Intercambiador Áreas de intercambio de calor sobre los 200 pie2 Intercambiador de tubos y carcasa Intercambiadores de calor de placas o de platos Otro tipo de intercambiador ampliamente utilizado hoy en día es el intercambiador de calor de placa y marco. Las placas metálicas, generalmente son superficies acanaladas, que se disponen sobre un bastidor; el fluido caliente pasa entre parejas alternativas de placas intercambiando calor con el fluido frío en los espacios adyacentes. Columna de soporte Barra de guía Pernos de apriete Placas empaquetadas Barra correderaPlaca de compresión Porta placa
  • 7. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 7 Intercambiadores de Placas Circulares Recomendado para soluciones con contenido de sólidos no abrasivos menores al 5% y viscosidades menores a 20000 cPs Intercambiador de Placas y Carcasa Intercambiador de Espiral
  • 8. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 8 Recomendado para soluciones de alta viscosidad y altos contenidos de sólidos (30 a 40%) Intercambiadores de serpentín Recipientes enchaquetados
  • 9. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 9 Enfriadores con agua Aeroenfriadores Guía para selección de un intercambiador de calor Aplicación Recomendación Fluidos de baja viscosidad * Usar intercambiador de calor de placa (μ < 10 cP) * Usar intercambiadores tubulares para fluidos no corrosivos a altas temperaturas o a altas presiones Líquidos de baja viscosidad * Para fluidos no corrosivos, usar intercambiadores tubulares de acero al carbon * Para cargas corrosivas y para vapor a baja presión; usar intercambiadores de placas. * Para grandes cantidades de vapor, usar intercambiadores de espiral. Fluidos de viscosidad media * Con iguales fluidos en ambos lados, usar el intercambiador (10 cp a 100 cP) de placas. * Si las empaquetaduras causan problemas o la cantidad de sólidos es elevada, usar intercambiadores de espiral. Aplicación Recomendación Fluidos de alta viscosidad * Usar intercambiador de placas. La configuraciónde las ( > 100 cP) placas proporcionan un flujo turbulento. Se han usado para viscosidades sobre los 5000 cP. * Para viscosidades extremas es preferible el intercambiador de espiral. Fluidos sucios * Pueden usarse intercambiadores de placa o de espiral. (con alta tendencia a formar Por su facil limpieza es preferibles el intercambiador de inscrustaciones) placas. Suspenciones y pulpas * Recomendable el de espiral (usado en algunos casos para corrientes con más de 50% de sólidos) y en ciertos casos el intercambiador de placas. Enfriamiento y calentamiento * Intercambiador de superficie extendida. de aire Gases o aire a presión * Con ciertas limitaciones puede usarse el intercambiador de placas, de otro modo debe seleccionarse un intercambiador tubular (con superficie extendida en el lado del gas)
  • 10. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 10 Aplicación Recomendación Condensación * Para cargas no corrosivas, seleccionar un intercambiador tubular de acero al carbon. * Para cargas corrosivas un intercambiador de espiral. * Para ciertos casos como el requerimiento de condiciones higiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas. Alta presión (sobre 35 atm.) * Usar intercambiador tubular. o altas temperaturas (sobre 500 °C) Fluidos extremadamente * Usar intercambiadores de grafito. corrosivos Consideraciones de Diseño Un intercambiador de calor existente en catalogo tiene una ventaja definitiva de costo sobre los que se mandan hacer sobre pedido. Sin embargo, en algunos casos ninguno de los intercambiadores satisface lo que se desea y es necesario emprender la tarea de diseñar y construir el intercambiador. Normalmente las mejoras de la transferencia de calor de los intercambiadores suele venir acompañada de un aumento de la caída de presión. Por lo tanto, cualquiera mejora de la transferencia de calor debe ser contrapesada con el costo de la caída de presión que la acompaña. Los fluidos del intercambiador de calor fluyen por medio de bombas y ventiladores que consumen energía eléctrica. El costo anual asociado a la operación de las bombas y ventiladores se puede determinar a partir de:                                   hkW $ adElectricid ladeecioPr h Operación deHoras kW Bombeode Potencia Operación deCosto La minimización de la caída de presión y del flujo másico reducirá el costo de operación del intercambiador, pero maximizará su tamaño, y por consiguiente su costo inicial. Ejemplo. Determine el costo anual de operación por potencia de un intercambiador que cuenta con una bomba de 1 hp y un ventilador de 1/3 hp (1 hp = 0.746 kW) que funciona 8 horas diarias durante 5 dias a la semana. El costo de la electricidad es de 8 centavos de dolares/kW h.                  hkW $ 08.0h)52)(8)(5(kW)746.0)(333.1( Operación deCosto  $US165 Operación deCosto      
  • 11. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 11 Las velocidades de los fluidos en el intercambiador de calor varían entre 0.7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30 m/s para los gases. Las velocidades bajas ayudan a evitar la erosión, las vibraciones de los tubos y el ruido, así como reducen la caída de presión. No es necesario considerar los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atm o temperaturas bajo los 150 °C. Sin embargo, estos efectos constituyen consideraciones importantes por arriba de la 70 atm y 550 °C, que condicionan los materiales usados para el intercambiador. Una diferencia de temperatura superior a 50°C entre los tubos y la carcasa plantea expansiones térmicas que deben ser considerada. Para fluidos corrosivos normalmente se tiene que seleccionar materiales costoso resistentes a la corrosión, como el acero inoxidable o incluso de titanio, si no se desea reemplazar con frecuencia los intercambiadores de bajo costo. Ecuación de Diseño TAUQ  Coeficiente Total de Transferencia de Calor La transferencia de calor desde un fluido caliente a otro frío, generalmente, a través de una pared sólida que separa los dos fluidos, es un caso que se encuentra con frecuencia en la practica de la ingeniería
  • 12. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 12 Para que se produzca la transferencia de calor entre dos fluidos sin que se mezclen, estos deben estar separados por una pared de un material buen conductor del calor, como muestra la figura: Pared Fluido Caliente Q Fluido Frío Más específicamente la cantidad de calor que se transfiere entre los dos fluidos se puede describir en el siguiente esquema: Fluido Caliente A Fluido Frío B Pared DepositoDeposito Pelicula de Fluido B Pelicula de Fluido A T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Q Se puede considerar aproximadamente que: 21 TT  87 TT y Matemáticamente la cantidad de calor que se transfiere entre los dos fluidos se puede escribir: Película de fluido A Depósitos en el lado del fluido A Pared del material Depósitos en el lado del fluido B Película de fluido B )T(TdAhdQ 32A  A través: )T(TdAhdQ 43DA  )T(TdAkdQ 54  )T(TdAhdQ 65DB  )T(TdAhdQ 76B  Fluido Caliente A Fluido Frío B Pared DepositoDeposito Pelicula de Fluido B Pelicula de Fluido A T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Q Como dQ es constante, al eliminar T3, T4, T5 y T6 de las ecuaciones anteriores, obtenemos: dAh 1 dAh 1 dAk x dAh 1 dAh 1 TT dQ BDBDAA 81   
  • 13. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 13 La ecuación anterior : )TT(dAUdQ 81  Donde: BDBDAA h 1 h 1 k x h 1 h 1 U 1  dAh 1 dAh 1 dAk x dAh 1 dAh 1 TT dQ BDBDAA 81    Podemos escribirla como: C]º[W/mfluidosparapeliculadeeCoeficient:hyh 2 BA C]º[W/mióninscrustacdeeCoeficient:hyh 2 DBDA C]º[W/mtermicadadconductivi:k C]ºCalor[W/mdeciaTransferendeTotaleCoeficient:U 2 Si la transferencia de calor se efectúa a través de paredes tubulares, no se cumple que el área de transferencia sea igual a lo largo de la trayectoria de la transferencia, por lo que se tiene que hacer una corrección para el coeficiente total de transferencia de calor U dado en la ecuación anterior. oDom O i O Dii O i h 1 h 1 D D k x D D h 1 D D h 1 U 1  BDBm O i O DAi O A h 1 h 1 D D k x D D h 1 D D h 1 U 1  2 DD D iO m   Para tubos con espesor hasta 3/8 pulg. Para tubos con espesor mayo- res 3/8 pulg.         i O iO m D D ln DD D En muchos textos se tienen tabulados valores inversos a los coeficientes de incrustación o deposición, a los cuales se les denomina resistencias a la incrustación (r) y se relacionan por: Dh 1 r  Con lo que podemos escribir: Para la pared: B BA A h 1 r k x r h 1 U 1  Para la pared tubular: B B m O i O A i O A h 1 r D D k x D D r D D h 1 U 1 
  • 14. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 14 Normalmente en los intercambiadores de calor los flujos son alimentados en contra corriente, muy excepcionalmente se alimentan como corrientes en paralelo. El flujo en corrientes paralelas se utiliza en situaciones especiales donde es nece- sario limitar la temperatura máxima del fluido más frío o cuando es importante que al menos la temperatura de uno de los fluidos varíe rápidamente. Flujo en contracorriente o corriente paralela Flujo en contra corriente Flujo en corriente paralela (cocorriente) FluidoCaliente Fluido Frio Corriente enParalelo Fluido Caliente Fluido Frío ContraCorriente           2 1 21 ML T T ln TT T Los valores de ∆T1 y ∆T2 dependen si la configuración es en flujo paralelo o en flujo contracorriente: Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML) Fluido Caliente Fluido Frio Corriente en Paralelo T1 T2 t1 t2 111 tTT  222 tTT y                         22 11 2211 2 1 21 ML tT tT ln tTtT T T ln TT T Para flujo paralelo tenemos:
  • 15. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 15 211 tTT  122 tTT y                         12 21 1221 2 1 21 ML tT tT ln tTtT T T ln TT T Para flujo en contra corriente tenemos: Fluido Caliente Fluido Frío Contra Corriente T1T2 t1 t2 En general, es más ventajosa la disposición en contra- corriente ya que entrega un valor de T mayor. La excepción a lo anterior, ocurre cuando uno de los fluidos se mantiene a temperatura constante (condensación de vapor) en cuyo caso el LMTD resulta idéntico. La ventaja de flujo paralelo es que se tiene un mejor control de la temperatura cuando se trabaja con materiales termosensible. Limitaciones de la DTML (LMTD) La DTML no siempre es la diferencia de temperatura correcta a utilizar. No se utiliza cuando U cambia apreciablemente a lo largo del intercambiador o cuando T no es una función lineal de Q. Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un vapor sobrecalentado. Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante. La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua. Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un vapor sobrecalentado.
  • 16. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 16 Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante. La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua. Para cuando no es valida la DTML, como para los ejemplos anteriores, la ecuación:  fríocaliente TTUTU dT dQ  Se debe integrar evaluando los valores locales de U, T y Q en varios puntos intermedio del intercambiador. Problemas Resueltos Problema N°1. Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para el caso en que agua a 10 ºC fluye en un tubo de un condensador de ¾ pulg 16 BWG y vapor de agua saturado a 105 ºC condensado en el exterior. Considerando hi=12 kW/m2 ºC, h0=14 kW/m2 ºC y k=120 W/m ºC. Datos: Tubos ¾ pulg 16 BWG:  pulg75.0D0   pulg62.0Di   pulg065.0Espesor     mm05.194.25pulg75.0D0     mm75.154.25pulg62.0Di     m001651.00254.0pulg065.0Espesor 
  • 17. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 17 0 0 m O i O i i O i0 h 1 r D D k x D D r D D h 1 U 1  Para una tubería tenemos: Basada en el área exterior de los tubos. Basada en el área interior de los tubos. 0 i 0 0 m i 0 i i ii D D h 1 r D D k x D D r h 1 U 1  0 i i 0 D D U U  Se relacionan: Para el caso: 0m O i O i0 h 1 D D k x D D h 1 U 1  0m O i O i 0 h 1 D D k x D D h 1 1 U   14000 1 D 05.19 120 001651.0 75.15 05.19 12000 1 1 U m 0    mm35.17 75.15 05.19 ln 75.1505.19 D D ln DD D i O iO m                  14000 1 35.17 05.19 120 001651.0 75.15 05.19 12000 1 1 U0    CºW/m2.5338U 2 0   Cºm/W7.6456 )75.15( )05.19)(2.5338( U 2 i  Problema N°2. Calcular las temperaturas de la superficies interior y exterior de la tubería metálica del problema 11.1 Mc Cabe. 15.75 mm 19.05 mm10 °C 105 °C 0m O i O i0 h 1 D D k x D D h 1 U 1  Para este caso tenemos: “La caída de la temperatura global es proporcional a 1/U, y las caídas de las temperaturas en los dos fluidos y en la pared son proporcionales a las resistencias individuales.” Interior agua a 10 ºC. Exterior condensado de agua a 105 ºC.
  • 18. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 18 0 0 m 0w w ii 0 i 0 h 1 T D D k x T hD D T U 1 T          Donde: global.atemperaturdeCaída:T interior.fluidodeltravesaatemperaturdeCaída:Ti metálica.paredladetravesaatemperaturdeCaída:Tw exterior.fluidodeltravesaatemperaturdeCaída:T0 ii 0 i 0 hD D T U 1 T     1200075.15 05.19 T 2.5338 1 )10105( i      Cº1.51Ti  Luego, la temperatura de la pared en el lado frío es:  Cº1.61101.51Twc  La temperatura de la pared para el lado caliente: 0 0 0 h 1 T U 1 T    14000 1 T 2.5338 1 )10105( 0    Cº2.36T0   Cº8.682.36105Twh  Luego: Problemas Resueltos en Clases Problema N°1. Considerando un intercambiador de calor de tubo doble, que presta un servicio agua-agua, donde no se conoce la disposición de los flujos. Sin embargo, se conoce que el flujo frío de agua entra a la temperatura de 20 °C y sale a 50 °C, en tanto que el agua caliente entra a 80 °C y sale ha 45°C. ¿La disposición de los flujos es en paralelo o en contra corriente? Explique.
  • 19. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 19 Problema N°2. Se enfría anilina desde 200 hasta 150 ºF en un intercambiador de calor de tubos concéntricos cuya superficie total de intercambio es de 70 pie2. Para el enfriamiento se dispone de una corriente de tolueno de 8600 lbm/hr a la temperatura de 100 ºF. El intercambiador consta de una tubería de 1 ¼ pulg y otra de 2 pulg, ambas del Catálogo 40. La velocidad de flujo de la anilina es de 10000 lbm/hr. Asumiendo comportamiento adiabático, determine: i) ¿Cuál es la temperatura del tolueno a la salida? ii) ¿Cuál es DTML? iii) ¿Cuál es el Coeficiente Global de Transferencia de Calor?  Fºlb/Btu545.0C )ANILINA(P   Fºlb/Btu44.0C )TOLUENO(P  Datos: a) Para flujo en contracorriente: b) ¿Cuáles serían los resultados para flujo en paralelo: Problema N°3. En el intercambiador de calor descrito en el problema anterior ¿Cuánta anilina puede enfriarse si el coeficiente global de transferencia de calor es 70 Btu/pie2·h·ºF? Problemas Propuestos Problema N°1. Se construye un intercambiador de calor de doble tubo, con un tubo de cobre interior (k=380 W/m °C) de diámetro interno Di=1.2 cm y diámetro externo D0=1.6 cm, y un tubo exterior de 3 cm de diámetro. Los coeficientes de transferencia de calor por convección son hi= 700 W/m2 °C sobre la superficie interior del tubo, y h0=1400 W/m2 °C sobre la superficie exterior. Para un factor de incrustación Rfi=0.0005 m2 °C/W por el lado interior del tubo y Rf0=0.0002 m2 °C/W por el lado externo del tubo, determine: La resistencia térmica del intercambiador por unidad de longitud. a) Los coeficientes totales de transferencia de calor, Ui y U0, con base en las áreas superficiales interior y exterior del tubo, respectivamente. b)
  • 20. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 20 Problema N°2. Fluye agua a una temperatura promedio de 110 °C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera. Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2 °C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U, con base en el área superficial interior del tubo. 4.08.0 PrRe023.0 k Dh Nu    Considere: Problema N°3. Fluye agua a una temperatura promedio de 110 °C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera. Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2 °C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U, con base en el área superficial interior del tubo, si el factor de incrustación sobre la superficie interior del tubo es Rfi=0.0005 m2·°C/W. Problema N°4. Tetracloruro de carbono que fluye a 19000 kg/hr se enfría de 85 a 40 ºC usando 13500 kg/hr de agua de enfriamiento a 20 ºC. El coeficiente de película para el tetracloruro de carbono en el tubo exterior es 1700 W/m2·ºC. La resistencia de la pared es despreciable, pero hi sobre el lado del agua, incluyendo los factores de ensuciamiento , es 11000 W/m2·ºC. ¿Cuál es el área requerida para un intercambiador a contracorriente adiabático? a) ¿En qué factor podría incrementarse el área si el flujo paralelo fuera usado para obtener un enfriamiento inicial más rápido del tetracloruro de carbono? b)  Cºg/J837.0C )CloruroTetra(P   Cºg/J1868.4C )Agua(P  Problema N°5. Un intercambiador de doble tubo usado para enfriar una suspensión, el coeficiente global de transferencia de calor U (basada en el área interior de los tubos) es 1.84 [kW/m2·°C]. El agua fluye en una tubería interior de acero de 1 pulgada de Catalogo 40, de conductividad térmica km = 45 [W/m·°C]; la suspensión fluye en la tubería exterior de 2 [pulg]. El coeficiente de película interior se estima en 4.8 [kW/m2·°C] desde una correlación publicada para flujo turbulento. Calcule el coeficiente de película exterior.
  • 21. Operaciones Unitarias EIQ 303 Profesor: Luis Vega Alarcón 21 Problema N°6. En un intercambiador de calor a contra corriente, la corriente caliente se enfría desde 120 a 30 ºC, mientras que la corriente fría cambia de temperatura desde 20 ºC hasta 60 ºC. Si el mismo intercambiador opera en flujo paralelo, ¿Cuáles serían las temperaturas de salida de las dos corrientes? (Respuesta: La caliente a 51.4 ºC y la fría a 50.5 ºC) Preguntas 1. ¿Cuál es el papel de los deflectores en los intercambiadores de calor de tubos y carcasa? ¿De que manera la presencia de los deflectores afecta la transferencia de calor y las necesidades de potencia de bombeo. 2. ¿En que condiciones la resistencia térmica del tubo del intercambiador es despreciable? 3. En un intercambiador de calor de doble tubo y de pared delgada, ¿Cuándo resulta razonable la aproximación U=hi? En este caso, U es el coeficiente total de transferencia de calor y hi es el coeficiente de transferencia de calor por convección adentro del tubo. 4. ¿Cuáles son las causas comunes de incrustaciones en los intercambiadores de calor? ¿Cómo afectan las incrustaciones a la transferencia de calor y a la caída de presión? 5. ¿Cómo se toma en cuenta la resistencia térmica debido a las incrustaciones en un intercambiador de calor? ¿De qué manera la velocidad del fluido y la temperatura influyen sobre las incrustaciones?