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INTERCAMBIADORES DE CALOR: TUBOS Y CORAZA
LABORATORIO DE FLUIDOS, SÓLIDOS Y TRANSFERENCIA DE CALOR.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
1. Objetivos
i. Para cada uno de los intercambiadores realizar el balance de energía y cuantificar las
pérdidas de calor.
ii. Determinar la diferencia media logarítmica de temperaturas (LMDT) para cada uno de
los intercambiadores.
iii. Calcular los coeficientes de película para el fluido caliente y el fluido frio.
iv. Obtener el factor de obstrucción Rd mediante el cálculo de los coeficientes globales de
transferencia de calor de diseño UD y limpio UC.
2. Fundamento teórico
2.1.Intercambiadores de tubos y coraza
Muchos procesos industriales requieren de una superficie de transferencia de calor bastante alta, que
en términos de los intercambiadores de tubos concéntricos implica un gran número de horquillas, esto
traería complicaciones para la limpieza del equipo, su mantenimiento, la revisión estricta de las fugas,
el espacio que ocupan, la pérdida de carga, etc. Para evitar complicaciones de este tipo se puede optar
por el uso de intercambiadores de tubos y coraza. Estos tienen dos constituyentes básicos o generales,
como su nombre lo indica, el primero, un haz de tubos, que se ensambla en sus extremos a placas
circulares y que se inserta sobre el segundo, la coraza o carcasa. La Figura 1 muestra un
intercambiador de tubos y coraza en una configuración común.
Figura 1. Intercambiador de tubos y coraza. A, deflectores. B, tubos. C, varilla guía. D, soporte circular. E,
espaciador de tubos. F, coraza. H, cabezote. I, cabezal. [1]
Angie Rivera Camacho Juliana Cárdenas Ramírez Hans Schmedling Chaux
Michelle González Monroy Mateo de las Salas Hernández Sebastián Pinzón López

2. Intercambiadores de tubos y coraza.
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De los constituyentes discriminados, los deflectores(baffles) se usan comúnmente para inducir
turbulencia en el fluido ubicado en la coraza, que al encontrarse con estos fluye en ángulo recto
respecto al eje axial de los tubos, es decir, perpendicular a estos. A mayor condición de turbulencia
se obtienen mayores coeficientes de transferencia de calor y por lo tanto este fenómeno se ve
favorecido.
Los deflectores pueden cubrir desde tres cuartas partes hasta la mitad del diámetro de la coraza, y se
les denominan deflectores del 25% o del 50%, respectivamente. Las varillas guías se emplean para
darle a los deflectores consistencia y van de extremo a extremo, soportadas sobre placas tubulares o
placas circulares con tornillos de presión. La Figura 2 ilustra una disposición comúnmente usada para
los deflectores.
Figura 2. Deflector de orificio. [1]
Para los tubos, generalmente de 8 a 20 pies de largo, el diámetro exterior es el mismo diámetro
nominal de este y se construyen en varios metales como bronce, cobre, aluminio o aleaciones como
el acero. El número BWG (Birmingham Wire Gauge) sirve como indicativo para el espesor de la
pared del tubo. El haz de tubos se puede disponer en variedad de configuraciones geométricas, como
se muestra en la Figura 3; en estas configuraciones el espaciado entre tubos no puede ser muy corto,
esto sirve a dos propósitos, primero, evitar el debilitamiento de los deflectores y de las placas de
soporte, y segundo, facilitar labores de limpieza y mantenimiento.
Figura 3. Arreglos geométricos para el haz de tubos, otros son el arreglo
en cuadro rotado y el arreglo triangular espaciado. [1]
2.1.1. Disposición de los intercambiadores
Los intercambiadores en loo cuales el flujo es en contracorriente o en paralelo, es decir, no hay cambio
en la dirección de flujo de ninguno de los fluidos de intercambio, se denominan como

3. Intercambiadores de tubos y coraza.
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intercambiadores 1-1. Las direcciones de flujo se denominan pasos, de forma que un intercambiador
1-1 tiene tan solo una dirección de flujo en los dos fluidos de transferencia, como se mencionó con
anterioridad. En los cabezotes se puede añadir un arreglo de tal forma que el flujo por el interior de
los tubos cambie de dirección y así el intercambiador opere con una sección a paralelo y otra a
contracorriente, se sigue manteniendo entonces un paso en la coraza, pero ahora dos en los tubos, por
lo que se le denomina al intercambiador como 1-2. En este sentido, cuando se ubica una placa
horizontal en la carcasa, como se ilustra en la Figura 4, para cambiar la dirección del fluido que va
por esta, y presentamos también dos cambios de flujo en la tuberia, tenemos un intercambiador 2-4.
Figura 4. Intercambiador 2-4, note la placa horizontal ubicada en la coraza de modo que hay dos direcciones
de flujo para esta.
Para evitar los efectos de la dilatación térmica de los tubos, uno de los principales problemas de este
tipo de intercambiadores, se ha introducido en la industria intercambiadores con un cabezal flotante
que no se encuentra unido a la carcasa y permite la dilatación de los tubos sin efectos negativos sobre
el equipo.
2.2.Método de cálculo
Para el método de cálculo en los intercambiadores de tubos y coraza, y en busca de objetividad para
la práctica experimental a realizar, se expondrá lo planteado por Gooding [2].
Si se considera un intercambiador constituido tan solo por agua, con el fluido caliente por los tubos
y el frio por la coraza, el balance de energía para cada uno de los intercambiadores se puede expresar
como:
ac af pQ =Q +Q (1)
Donde Qac es el flujo de calor entregado por el agua caliente, Qaf el flujo de calor tomado por el agua
fría y Qp el flujo de calor perdido. Los dos primeros flujos a los que se hizo mención quedan definidos,
respectivamente, como:
ac ac p s eQ = m C (T -T ) (2)
af af p s eQ =m C (t -t ) (3)
En las Ecuaciones (2) y (3) Cp es calor especifico del agua, calculado a una temperatura promedio,
mac y maf son los fliujos másicos de agua caliente y de agua fría, respectivamente, T es la temperatura
para el agua caliente y t la temperatura para el agua fría con los subíndices s y e representando la
salida (s) y entrada (e) del intercambiador. El valor para LMDT está definido como la media

4. Intercambiadores de tubos y coraza.
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logarítmica de las diferencias en los terminales fríos y calientes del intercambiador; para un flujo en
contracorriente, podemos definir esta media como:
2 1 1 2
2 1
1 2
(T -t - (T -t
(LMDT)=
(T -t
(T
)
)
ln
-t
)
)
(4)
Esta ecuación es pertinente relacionarla con las temperaturas detalladas para las Ecuaciones (2) y (3)
al momento de realizar los cálculos. En esta ecuación T1 es la temperatura de entrada del fluido
caliente yT2 la temperatura de salida del fluido caliente, para t se definen de forma análoga pues este
hace referencia al fluido frio. En este caso, (T2 – t1) representa la diferencia de temperaturas en el
terminal frio y (t1 – t2) la diferencia de temperaturas en el terminal caliente.
2.2.1. Cálculo del coeficiente de película para el fluido caliente
La ecuación para el cálculo del coeficiente de película hi es:
1/3
p 0.14
i H t
C
h =j
μk
DI k

  
    
   
(5)
En esta ecuación k, Cp y μ, son la conductividad térmica, el calor especifico y la viscosidad del agua
evaluadas a la temperatura media del agua caliente. El valor de φt es el cociente entre la viscosidad y
la viscosidad a la temperatura de pared μw, (μ/ μw), es útil suponer que estos dos valores son iguales
y por lo tanto φt es igual a la unidad. DI es el diámetro externo de los tubos. El valor de jH se puede
calcular mediante una gráfica propuesta por Kern. En esta gráfica el valor de jH se gráfica en función
del número de Reynolds y de la relación (L/DI), donde L es la longitud de los tubos. El número de
Reynolds, para los tubos Ret lo definimos como:
t
t
(DI)G
Re =
μ
(6)
La velocidad másica Gt está definida en función del área de flujo para los tubos at que se define
como:
t t
t
N a'
a =
n
(7)
Donde Nt es el número de tubos, a’t el área de flujo para cada tubo y n el número de pasos en los
tubos, Gt entonces se calcula como:
t ac tG =m /a (8)
Con los valores de Ret y (L/D) podemos usar la gráfica de Kern (Anexo 1) para calcular el valor de
jH.
2.2.2. Cálculo del coeficiente de película para el fluido frio
El cálculo expuesto para el fluido caliente es de cierta forma inverso a lo que se realizaría. En este
sentido, es mucho más practico calcular en primer lugar el área de flujo para los tubos y
posteriormente la velocidad másica para así obtener el número de Reynolds y con la relación (L/DI)

5. Intercambiadores de tubos y coraza.
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obtener el valor de jH, se calculan a continuación las propiedades a la temperatura promedio y así
calcular el coeficiente mediante la Ecuación (5). Es por esto que para el fluido frio se seguirá esta
estructura de presentación.
El área de flujo para la coraza se calcula mediante:
s
t
(DI)C'B
a =
P
(9)
El término C’ hace referencia a la distancia entre tubos, B es el espacio entre deflectores y Pt es la
distancia que hay entre el centro de dos tubos (paso entre tubos). La velocidad másica Gs se calcula
de forma análoga a Gt:
s af sG =m /a (10)
El número de Reynolds para la coraza se obtiene como:
e s
s
D G
Re =
μ
(11)
En este caso De es el diámetro equivalente de la coraza que se calcula como:
2
t
e
4(P - (DE) /4)
D =
π
π(DE)
(12)
Para el cálculo de De, DE es el diámetro externo de los tubos. El cálculo del coeficiente de película
ho se realiza de forma análoga a la Ecuación (5):
1/3
p 0.14
H t
C
h =j
μk
DI k
o 
  
    
   
(13)
Ahora las propiedades del agua, k, Cp y μ se calcula a la temperatura media del agua fria.
2.2.3. Cálculo del factor de obstrucción
El factor de obstrucción o suciedad Rd hace referencia a: i. los depósitos de materiales solidos
presentes en los flujos de intercambio que pueden adherirse a las superficies de transferencia de calor
y ii. a la corrosión propia de estas superficies. Esto puede ser cuantificado como una resistencia
térmica al proceso de transferencia de calor y es obtenido experimentalmente. Para el cálculo de este
factor es indispensable presentar el valor de hio, definido como:
io i
DI
h =h
DE
 
 
 
(14)
Así el coeficiente global limpio Uc (no tienen en cuenta la obstrucción) y el coeficiente global de
diseño UD (tiene en cuenta obstrucción) queda definidos mediante las Ecuaciones (15) y (16)
respectivamente.
io o
c
io o
h
U =
h
h
+h
(15)

6. Intercambiadores de tubos y coraza.
6
D
Q
A(
U =
LMDT)
(16)
Note que para el coeficiente limpio se despreció la resistencia térmica que ofrece la pared del tubo,
esto se realiza considerando que el metal del que están constituidos los tubos es altamente conductivo.
Para el coeficiente de diseño, Q es flujo de calor transferido en el intercambiador y A el área total de
transferencia de calor. Obtenidos estos coeficientes el factor de obstrucción combinado se calcula
como:
D
d
C D
CU U
R
U U

 (17)
3. Equipo
Figura 5. Diagrama del equipo provisto para la práctica, en la Tabla 1 lista la numeración realizada sobre la
figura. [2]

7. Intercambiadores de tubos y coraza.
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Figura 6. Fotografía del equipo a usar ubicado en el Laboratorio de
Transmisión de Calor de la Universidad Nacional en la Sede Bogotá. [2]
Tabla 1. Elementos que constituyen el equipo para la práctica a realizar.
Equipo Detalle
1 Intercambiador 1-2* 5 deflectores
2 Intercambiador 1-2* 9 deflectores
3 Intercambiador 1-2* 15 deflectores
4 Intercambiador 1-2* 21 deflectores
5 Rotámetro para el agua caliente -
6 Rotámetro para el agua fría -
7 Manómetro -
8 Calentador de agua Calentamiento con vapor
V1-v12 Válvulas de control -

8. Intercambiadores de tubos y coraza.
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4. Tabla de recolección de datos
PRESIÓN DEL VAPOR DE AGUA (PSIG)
LECTURA ROTÁMETRO AGUA FRÍA
LECTURA ROTÁMETRO AGUA CALIENTE
INTERCAMBIADOR 1 TEMPERATURA (°C)
ENTRADA AGUA FRÍA
SALIDA AGUA FRÍA
ENTRADA AGUA CALIENTE
SALIDA AGUA CALIENTE
INTERCAMBIADOR 2
ENTRADA AGUA FRÍA
SALIDA AGUA FRÍA
ENTRADA AGUA CALIENTE
SALIDA AGUA CALIENTE
INTERCAMBIADOR 3
ENTRADA AGUA FRÍA
SALIDA AGUA FRÍA
ENTRADA AGUA CALIENTE
SALIDA AGUA CALIENTE
INTERCAMBIADOR 4
ENTRADA AGUA FRÍA
SALIDA AGUA FRÍA
ENTRADA AGUA CALIENTE
SALIDA AGUA CALIENTE
Tabla 2. Recolección de datos para la práctica.
5. Bibliografía
[1] Kern, D, Q. (1983). Process heat transfer. Tata Mc Graw Hill Publishing Company Limited.
Páginas 127 a 145 y 834.
[2] Gooding, N. (2009). Operaciones unitarias: manual de prácticas. Universidad Nacional de
Colombia, Sede Bogotá, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.
Páginas 161 a 167.
*El detalle de los intercambiadores es el siguiente [2]:
 Material de construcción: cobre
 Diámetro interno de la coraza: 4 pulgadas.
 Número de tubos por paso: 11.
 Arreglo: cuadrado.
 Paso por los tubos: 7/16 pulgadas.
 Longitud de los tubos 32.25 pulgadas.
 Diámetro interno del tubo: 0.25 pulgadas.
 Diámetro externo del tubo: 3/8 pulgadas.

9. 9
ANEXO 1: GRÁFICA 24 DE KERN PARA EL CÁLCULO DE jH [1].