5-1Teoria General de Intercambiadores de Calor MLDT.pptx

DISEÑO DE APARATOS TERMICOS
Ing. Jorge Valencia
Jarama

Introducción al diseño de
intercambiadores. Coeficiente
Global de transferencia de calor U
.Diferencia media logarítmico de
Temperatura. Intercambiadores de
Flujo paralelo, de contra corriente,
de doble tubo y coraza, Problemas
de aplicación.
Ing. Jorge Valencia
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INTRODUCCIÓN
En este capítulo se trata el análisis térmico de varios tipos de intercambiadores de calor que
transfieren energía entre dos fluidos. Asimismo, se presentan técnicas para calcular el tamaño
necesario y el tipo más adecuado de intercambiador de calor para realizar una tarea específica.
La aplicación del fenómeno de conducción y convección se fundamenta en la existencia de equipos de
transferencia de calor, es decir aparatos de intercambiador de calor. Un intercambiador de calor es un
dispositivo que efectúa la transferencia de calor de un fluido a otro. Actualmente se han desarrollado
muchos tipos de intercambiadores de calor para ser usados en variados grados de tamaño y de
sofisticación tecnológica, como las plantas de potencia de vapor, calefacción y acondicionamiento de
aire de edificios, refrigeradores, radiadores de automóviles, etc.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES
Intercambiadores abiertos; donde ocurre la mezcla de los fluidos. Ejemplo, Las torres de
enfriamiento, donde el fluido caliente (agua) se enfría mezclándose directamente con el fluido frio
(aire).
Intercambiadores cerrados o recuperadores; el fluido caliente y frio no se mezclan, pero
intercambian calor a través de una pared que los separa. Ejemplo, aquellos los que comúnmente se
les denomina intercambiadores de calor.
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Entre los intercambiadores cerrados, los de mayor aplicación a escala industrial son los
intercambiadores de doble tubo y los de tubo-coraza, aunque en la práctica existen muchos tipos de
intercambiadores como condensadores y evaporadores con grandes áreas de superficie de
transferencia de calor.
De acuerdo a la trayectoria del fluido, los cambiadores de calor se clasifican en:
1) Cambiadores de calor con flujo en paralelo, cuando los fluidos caliente y frio entran por el
mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro
extremo.
2) Cambiadores de calor con flujo en contracorriente, cuando los fluidos caliente y frio entran por
los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
3) Cambiadores de calor con flujo cruzado, cuando son de un solo paso, uno de los fluidos se
desplaza dentro del intercambiador perpendicular a la trayectoria del otro fluido.
Una clasificación de los cambiadores de calor según su aplicación consiste en: calderas, condensadores,
cambiadores de calor de tubo-coraza, torres de enfriamiento, intercambiadores compactos, radiadores
para plantas de fuerza espacial y regeneradora, etc.
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El diseño completo de un intercambiador consiste en el:
Análisis Térmico, que comprende primordialmente la determinación del área de superficie necesaria
para transferir calor a una velocidad específica a determinados niveles de flujo y temperatura de fluidos.
Diseño Mecánico, exige tomar en consideración las temperaturas y presiones de operación, los efectos
de corrosión de uno o ambos fluidos, las expansiones térmicas y los esfuerzos térmicos que acompañan,
asimismo, la compatibilidad del intercambiador con otros equipos.
Diseño de Construcción, toma en consideración las características y dimensiones físicas a una unidad
que resulte más económico. Por lo tanto obliga a la selección de los materiales y acabados adecuados.
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
Un cambiador de calor de doble tubo, consiste en dos tubos concéntricos (ver figura) donde
generalmente el fluido que debe enfriarse se introduce en la tubería interna, mientras que el fluido a
calentarse circula por la región anular comprendida entre las dos tuberías.
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Componentes: 2 juegos de tubos concéntricos
2 tees conectoras
1 codo en U
1 cabezal de retorno
La tubería interna se soporta en el extremo mediante estoperos, las tees tienen boquillas o
conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo. Cuando se arreglan en dos
pasos la unida se llama horquilla.
Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de
12, 15 y 20 pies (longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que ocurre la transferencia de
calor). Si se requieren longitudes mayores se construyen horquillas. La construcción de los cambiadores
de doble tubo obedece a la siguiente relación de diámetros:
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Tubo interno Tubo externo
2 pulgadas 1,25 pulgadas
2,5 pulgadas 1,25 pulgadas
3 pulgadas 2 pulgadas
4 pulgadas 3 pulgadas
Estos cambiadores pueden conectarse en serie para aumentar el área de transferencia. En general se
usan para servicios en los que se transfieren bajas cargas térmicas, del orden de un cuarto de millón de
kilocalorías por hora. Su aplicación no es frecuente en la industria de refinación, pero en la petroquímica y
farmacéutica si se encuentra más a menudo. Además, se usan para calentar o enfriar fluidos sin que
lleguen a presentar un cambio de fase.
En un intercambiador de calor se encontrara que el paso del calor se lleva a cabo de acuerdo con el
siguiente esquema:
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El fluido caliente a T1 fluye sobre una de las paredes del tubo, mientras que el otro fluido a T0
fluye por el otro lado. Como los fluidos pueden estar sucios o generan oxidación de las superficies
generalmente provocan un depósito de suciedad o sarro en ambos lados de la pared del tubo. De
acuerdo con la teoría del flujo de fluidos se sabe que a pesar que en fluido se mueve en régimen
turbulento, en las proximidades de la pared del tubo se presenta una zona de régimen laminar en la cual
se produce una considerable caída de temperaturas. Por conveniencia, en los cálculos se supone que casi
toda la caída de temperatura o la resistencia al paso del calor se encuentran en estas zonas.
Como no es fácil medir el grosor de esas películas de flujo laminar, se considera que la
transferencia de calor se realiza por convección y la resistencia se mide mediante un coeficiente
denominado individual o de película, el cual toma en cuenta la resistencia en la zona turbulenta,
transicional y laminar. Una vez que el calor llega a la capa de depósito tiene que transferirse calor por
conducción a través de dicha capa hasta llegar al tubo. Asimismo, mediante la conducción atraviesa el
tubo y el deposito externo hasta llegar al fluido frio por convección.
Los coeficientes de películas para fluidos en tuberías, en un régimen laminar se determina usando la
ecuación de Sieder y Tate.
𝑁𝑢 = 1.86 (𝑅𝑒 Pr)1 3 (𝐷 𝐿)1 3 (𝑢 𝑢𝑤)
0.14
Para régimen turbulento Sieder and Tate recomiendan:
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𝑁𝑢 = 0.027 𝑅𝑒0.8
Pr1 3
(𝑢 𝑢𝑤)
0.14
Diámetro Equivalente
𝐷𝑒 = 4 𝑅ℎ
Donde Rh es el radio hidráulico
𝑅ℎ =
𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜
𝐷ℎ =
4 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜
Para la región anular cuyos diámetros son D y d respectivamente tanto exterior como interior, el
diámetro equivalente para la transferencia de calor será:
𝐷𝑒 = 4
𝜋
4
(𝐷2− 𝑑2)
𝜋 𝑑𝑒
=
( 𝐷2− 𝑑2)
𝑑𝑒
Para caídas de presión, el perímetro mojado será la sumatoria del diámetro interior de la tubería
externa y el diámetro exterior de la tubería interna, puesto que la fricción afecta a ambas superficies.
Entonces:
𝐷𝑒 = 4
𝜋
4
(𝐷𝑖
2
− 𝑑𝑒
2
)
𝜋 (𝐷𝑖
2
+ 𝑑𝑒
2
)
= (𝐷𝑖 − 𝑑𝑒)
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Lo que conduce, que para las mismas condiciones de flujo másico G y densidad 𝜌 ,
el número de Reynolds es diferente para la transferencia de calor y las caídas de presión.
Coeficientes de película para fluidos en ánulos
En intercambiadores de doble tubo es costumbre usar la superficie exterior de la tubería
interna entonces: 𝑄 = 𝑈 𝐴0 ∆𝑇
Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor y A0 el área externa en la cual se
realiza la transferencia de calor cuando las tuberías son nuevas o están limpias, luego:
𝑄 = 𝑈𝑐 𝐴0 ∆𝑇 1
𝑈𝑐
=
1
ℎ𝑖𝑜
+
1
ℎ0
Donde: ℎ𝑖𝑜 = ℎ𝑖
𝐴𝑖
𝐴0
= ℎ𝑖
𝑑1
𝑑0
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Factores de Incrustación
Cuando los intercambiadores han estado en servicio algún tiempo, se depositan suciedad
conocido como incrustaciones sobre las superficies en contacto. A fin de garantizar el
diseño térmico del intercambiador es necesario tener en consideración, este
ensuciamiento, introduciendo una resistencia Rd llamada factor de obstrucción o de
incrustación (Esto se determina en tablas especificas según material y fluido).
𝑅𝑑= 𝑅𝑑𝑖 + 𝑅𝑑𝑜
Entonces: 1
𝑈𝑑
=
1
𝑈𝑐
+ 𝑅𝑑
Finalmente la ecuación de Fourier será: 𝑄 = 𝑈𝑑 𝐴0 ∆ 𝑇
Donde Ud es el coeficiente global de diseño
Un intercambiador de calor bien diseñado debe provocar caídas de presión entre 0.3 y 0,7
kgf/cm2. Para el tubo interno las caídas de presión se pueden obtener mediante la
siguiente ecuación:
∆𝑃 =
𝑓𝐷 𝑉2
𝐿𝜌
2 𝑔𝑐 𝐷
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Donde: ƒD es el factor de Darcy, V la velocidad, L la longitud del tubo, D el diámetro interno del
tubo interno y gc es el factor de conversión igual a 9,81 N/Kg
Para el espacio anular la caída de presión se puede
calcular usando:
∆𝑃𝑎 =
𝑓𝐷 𝑉2 𝐿𝜌
2 𝑔𝑐 𝐷𝑒
Donde: 𝐷𝑒 = 𝐷2 − 𝐷1
Siendo D2 el diámetro interno del tubo externo y D1 el diámetro externo del tubo interno.
También deben considerarse las pérdidas por entradas y salidas y por cambios de dirección en la
horquilla:
luego : ∆P anular = ∆𝑃𝑎 + ∆ 𝑃𝑟
∆ 𝑃𝑟 =
4𝑛 𝑉2
𝜌
2 𝑔𝑐
INTERCAMBIADORES DEL TIPO TUBO – CORAZA
Generalmente en la industria se necesitan grandes áreas de transferencia de calor por lo que el uso de
las horquillas resulta poco eficaz, además por las posibles fugas que podrían presentarse en todo el
sistema de horquillas; surge entonces necesidad de utilizar equipos de intercambio como son los de
tubo-coraza.
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Componentes principales:
1) Coraza con dos entradas
2) Cabezales de tubos o espejos (sirven como bridas para fijar los carretes)
• 2 carretes (comprende las tuberías)
• 2 tapas
Deflectores o separadores transversales
Las corazas son de 12 a 24 pulgadas de diámetro nominal, se fabrican de tubos de acero de
3/8 pulgadas de espesor para mayores diámetros se fabrican rolando planchas de acero.
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Los deflectores también llamados bafles (desviadores de flujo) sirven para inducir una mayor
turbulencia fuera de los tubos, la distancia entre los deflectores se denominan espaciado de
deflectores, que no debe ser mayor que el diámetro interior de la coraza.
Tipos de Deflectores
Entre los principales tenemos:
1. Deflectores segmentados
2. Deflectores de disco y corona
3. Deflectores de orificio
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De acuerdo al tipo de cabezal, los intercambiadores de tubo-coraza se clasifican en:
1) Intercambiadores de cabezal de tubos fijos
2) Intercambiadores de cabezal de tubos flotante
En el primero, los cabezales de tubos se insertan dentro de la coraza formando los carretes
que son partes integrales de la coraza. Este tipo de intercambiador es el más económico, pero solo se
puede usar para pequeñas diferencias de temperatura entre el fluido caliente y el frio debido a que se
desarrollan esfuerzos térmicos y expansiones térmicas entre los espejos, el haz de tubos no puede
desmontarse lo que impide la limpieza de la superficie interna de los tubos.
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En los de cabezal de tubos flotantes, los cabezales no son insertados en la coraza, sino se
encuentran sujetos entre la brida de un carrete y la brida de la coraza. Este tipo de intercambiador
elimina los problemas de expansión térmica a su vez permite el desmontaje y limpieza de los tubos.
Tubos para intercambiadores de calor
Son conocidos también como tubos para condensadores, la diferencia respecto a un tubo
simple radica en que los tubos de intercambiadores son calibrados bajo tolerancias muy estrictas y el
diámetro exterior viene a ser el diámetro real del tubo.
El arreglo de los tubos en el intercambiador pueden ser: arreglo en cuadro o triangular:
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Donde: Pt es el espaciado de tubo y C el espaciado entre tubos adyacentes.
Coeficiente de película del lado de la coraza
La correlación obtenida para los fluidos que fluyen dentro de los tubos no son aplicables a los fluidos
que circulan sobre un banco de tubos con deflectores segmentados. Sin embargo en base a
experiencias se obtuvo una gráfica del factor de Colburn JH en función del número de Reynolds Re
usando valores ficticios de diámetros equivalente y flujos másicos (ver apéndice). Esta grafica se
aplica para hidrocarburos, compuestos orgánicos, agua, soluciones acuosas y gases.
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𝐺 =
𝑤
𝑎
Donde B es el espaciado entre deflectores. Luego el flujo másico G resulta:
𝑎 =
𝐷𝐼 𝐶 𝐵
𝑃𝑡
Para utilizar la grafica de Colburn JH se toma como área de flujo la relación.
Flujo Másico
Valida para, 2000 < Re < 106
𝑁𝑢 = 0,36 𝑅𝑒0.55 𝑃𝑟1/3 (𝑢 𝑢𝑤)0.14
También se puede usar la ecuación empírica:
Diámetro equivalente del lado de la coraza
Para arreglo en cuadros
𝐷𝑒 =
4 ( 𝑃2
𝑡
− 𝜋
4 𝑑𝑒
2
)
𝜋 𝑑𝑒
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En la coraza, la caída de presión es proporcional al número de veces que el fluido
cruza el haz entre los deflectores, es decir:
∆𝑃 =
𝑓 𝐺 𝐷𝐼 (𝑛 + 1)
5.22 𝑥 1010 𝐷𝑒 𝛾𝑠
lbf/inch2
En los tubos, se presentan dos caídas de presión debido a:
1 -La fricción, donde:
∆𝑃 =
𝑓 𝐺 𝐿𝑛
5.22 𝑥 1010 𝑑𝑖 𝛾𝑠
2-Al cambio de forma, igual a:
𝑃 =
4𝑛 𝑉2
2 𝑔 𝛾𝑠
Luego: ∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑃𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 + ∆𝑃𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎
Donde: n es el número de pasos, Ln la longitud total en pies, f es el factor de fricción, G el
flujo másico en lb/h ft2.
El factor de fricción se pueden hallar de graficas o haciendo uso de las siguientes
ecuaciones:
Tubos: 𝑓 = 0.0035 + 0.264 𝑅𝑒0.42
Coraza: Usar la gráfica del factor de Colburn JH versus Nº de Reynolds

DIFERENCIAS DE TEMPERATURA
Generalmente las temperaturas de los fluidos en un intercambiador de calor no son constantes, sino
que varían de un punto a otro a medida que el calor pasa del fluido más caliente al más frio. Para
determinar la diferencia de temperaturas entre dos fluidos, se deben hacer las siguientes
suposiciones:
• El coeficiente de transferencia de calor es constante.
• El flujo másico del fluido que circula es constante.
• El calor específico es constante sobre toda la trayectoria.
• No hay cambio de fases en el sistema.
• Las pérdidas de calor son despreciables.
CONCEPTOS DE CORRIENTES
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MEDIA LOGARITMICA DIFERENCIAL DE TEMPERATURA ( MLDT) Y FACTOR DE CORRECCION.
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Teniendo :
Denominado, media logarítmica diferencial de temperatura (
MLDT). Cuando la temperatura de uno de los fluidos es
constante y en contracorriente, la expresión se reduce a:
Ejemplo : hervidores y condensadores donde:
En intercambiadores más complejos, tales como los de coraza tubo, con varios pasos en los tubos y en
intercambiadores de flujo transversal, la derivación matemática resulta complicada. El procedimiento
usual transversal, la derivación matemática resulta complicada. El procedimiento usual es modificar la
MLDT con factor de corrección que están disponibles y publicadas en graficas como la de Bowman and
Nagle, luego:
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https://www.youtube.com/watch?v=NYtBVURjd0o
https://www.youtube.com/watch?v=jq0hV3wBcvg
https://www.youtube.com/watch?v=CScePFd9QLo
https://www.youtube.com/watch?v=d2n1Em7zi-w
https://www.youtube.com/watch?v=EwWm3rz0U4g

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