DISEÑO DE INTERCAMBIO DE CALOR

1. DISEÑO DE
INTERCAMBIADOR DE
CALOR DOBLE TUBO Y DE
CASCO Y TUBOS
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

2. 2.- Procedimiento de Diseño de Intercambiadores de
Doble Tubo
2.1.- Bases de Diseño
a) Carga térmica : QT
b) Tipo de flujo: temperaturas (LMTD)
c) Propiedades físicas del fluido caliente y frío
d) W h, W c
e) Variables de Diseño
k
Cp,
,
,

P
L
Ah
U
LMTD
Wc
T

−
−
−
−
−
−
− 4

3. 2.2.- Cálculo de capacidad
1º.- Determinar el diámetro del tubo interno y externo.
i
D
Q
408
.
0
=

)
(GPM
Caudal
Q =
Por tubo Interno ( Fluido caliente )
L
D
V 2
4

=
in
Di =
Si reemplazo la velocidad debe estar entre 3-10
ft/seg.

4. 4 

Tamaño nominal:
=


=
i
o
D
D 5
.
4
4
12
.
4
0
18
.
4
6
21
.
4
4
2
.
4
6
2
.
4










2º.- Cálculo de U:
Rf
h
h
U oi
o
+
+
=
1
1
1
=
Rf Resistencia debido al rozamiento.

5. Di
NuK
hi =
10000
Re
2100
Re

→

→
Nu
Nu
i
D
•
o
D
•
S
D
•
o
h
oi
h
Fluido

6. *
4
=
Deq Área del flujo
Perímetro de transferencia de calor.
Para el fluido del anulo:
( )
( )
O
S
O
S
D
D
D
D
Deq
+

−

=
4
/
4
2
2
3º.- Cálculo del área de transferencia.
LMTD
U
Q
Ah
*
=
4º.- Cálculo de la longitud del intercambiador:
( )L
LR 3
.
1
2
.
1 −
=
O
D
A
L

=

7. 

.
..........
..........
w
a =

.
..........
..........
4
2
i
D
a

=
El área del flujo necesario para cada fluido será:
1º Hallar Di
2º Determinar el área en β
3º Reemplazar en α
4º Hallar la v que debe estar entre 1-2 m/s, entonces
Di es correcto.

8. En lo casos en que es necesario un mayor área de
transferencia de calor será posible adicionar varias
horquillas a continuación del otro.
Para calcular el numero de tubos es serie:
O
T
T
T
t
D
A
L
L
L

=
=

=
=
=
T
T
A
L
L Longitud del tubo.
Longitud total.
Área de transferencia.
O
D
A
L

=

9. Obs: Si en este tipo de intercambiador se emplean
tubos mas largos se flexionarían y se distorsionaría el
área anular originando una mala distribución del fluido
(eficiencia del intercambiador).
5º.- Cálculo de la Pérdida de Carga.
Se calcula con el número de Re de cada corriente y
los factores de fricción.
En la zona de Re<2100, según Hagen Poiseuille:
Re
16
=
f

10. En la zona de Re>2100, el factor de fricción depende de
la rugosidad del tubo.
Para tubos lisos:
32
.
0
Re
125
.
0
0014
.
0 +
=
f
42
.
0
Re
264
.
0
0035
.
0 +
=
f
Para tubos de acero comercial:

11. La pérdida de carga para cada fluido se calcula por:
a
w
t
D
L
f
P 







=





2
4
2
25
.
0
14
.
0
−
=
−
=
a
a
2100
Re
2100
Re


Donde: D puede ser Di o Deq
Si el fluido ingresa por el tubo interno se utiliza Di y si
ingresa por el externo se utiliza Deq.

12. Para los casos de un intercambiador con varios tubos en
el área anular se experimenta una carga adicional al
pasar de un tubo a otro a través de una conexión, este
valor se determina como :
2
2
2


t
adicional
P =

Caída de presión de carga total:
adicional
t
T P
P
P 
+

=


13. Si la pérdida de carga o caída de presión es excesiva
deberá aumentarse el área del flujo lo cual se logra
aumentando el diámetro de tubo o colocando más
desviaciones en paralelo.
Un tubo de 3 cm. de diámetro tiene un área de flujo de
0.0007 .
2
m
El área lateral por metros de tubo es ( )
03
.
0
* 
=
 D
m
m2
094
.
0
=
Si se emplean dos tubos de 2cm. de diámetro el área de
flujo sería:
( )
m
m2
2
006
.
0
4
02
.
0
*
2 =


14. Luego m
D 125
.
0
2 =

Esto indica que utilizando dos tubos de 2cm. Se logra una
velocidad de flujo mayor que el anterior.
La superficie de transferencia requerida es de 10 a 15 .
2
m

15. Diseño de Intercambiadores
de Casco y Tubos
Fundamento de Diseño
Consta de un tubo de gran diámetro con coraza o casco,
carcasa o envolvente.
Esta encerrado en sus extremos por placas, por tubos
llamados placas tubulares, las mismas que son
considerados en la placa con el mismo espesor y están
atravesados por tubos de intercambio.
La placa del tubo está abulonado a los cabezales que
actúan como colectores y distribuidores del fluido que
circulan por los tubos, el otro fluido que ingresa a la

16. carcasa por una de las bocas de conexión y llena los
espacios que rodean los tubos desplazados hacia la boca
de la salida por donde se extrae. De este modo ambos
fluidos están separados por la superficie del tubo que
constituye el área de transferencia de calor.
Si:
=
=
=
O
D
L
N Número de tubos del intercambiador.
Longitud del tubo.
Diámetro de tubo.
NL
D
A O
h 
=

17. Según TEMA los intercambiadores son:
Clase R: intercambiadores para la industria del petróleo.
Clase C: para aplicaciones comerciales y de proceso
general.
Clase B: para industria química.
Están constituidas por :
1.- Deflectores o Bafles.
La separación mínima entre los deflectores según
TEMA se fijan como 1/5 del diámetro de la carcasa y
no menor que .
2 

Generalmente no se usan diámetros mayores que la carcasa.

18. Diámetro de la
carcasa
Distancia de las
barras
separadoras
Mínimo numero
de barras
separadoras
0.20-0.38 10 4
0.40-0.68 10 6
0.70-0.84 12 6
0.86-1.22 12 8
1.24-más 12 10
Tabla Nº 1

19. Para diseñar intercambiadores o el equipo de
transferencia de calor debe de cumplirse:
1.- Las especificaciones del proceso.
2.- Se debe realizar el diseño térmico del cual se obtiene
la información geométrica básica: diámetro, longitud,
número de arreglo del tubo, número de pasos por el
casco y tubos, diámetro de la carcasa y cantidad de
tubos.
3.- Diseño mecánico.
4.- Construcción.

20. Procedimiento de Diseño:
1.- Bases de Diseño
1.1.- Datos de Diseño
a) QT ( BTU/hr )
b) Caídas de presión permisibles por el lado de
los tubos y del casco.
Psi
P
Psi
P
S
T
7
4
10
7
−
=

−
=

c) Las temperaturas de ingreso T1, t1 y salida
T2, t2 o T1,T3 y T2,T4 en ºF.

21. e) centipoises.
T
S 
 ,
f)
g) Los factores de ensuciamiento del fluido que va por
el casco y de que va por los tubos en .
h) Longitud, diámetro del tubo BWG para disposición y
material de los tubos.
T
S Gef
Gef ,
t
s f
f ,
BTU
F
hrft º
2
d) WS, WT en lb./hr

22. DO (in) BWG DO (m) Di (m)
12 0.0127 0.00716
14 0.0127 0.00848
16 0.0127 0.00940
18 0.0127 0.01020
20 0.0127 0.01030

2
1
Dimensiones según BWG

23. 
4
3
DO (in) BWG DO (m) Di (m)
10 0.0190 0.0122
11 0.0190 0.0129
12 0.0190 0.0135
13 0.0190 0.0142
14 0.0190 0.0148
15 0.0190 0.0153
16 0.0190 0.0157
17 0.0190 0.0161
18 0.0190 0.0165

24. DO (in) BWG DO (m) Di (m)
8 0.0254 0.0170
9 0.0254 0.0178
10 0.0254 0.0185
11 0.0254 0.0193
12 0.0254 0.0198
13 0.0254 0.0205
14 0.0254 0.0211
15 0.0254 0.0217
16 0.0254 0.0221
17 0.0254 0.0224
18 0.0254 0.0225
1


25. 1.8.- Diámetro equivalente para el lado del casco, De (in).
a) Para una disposición de los tubos en cuadrados.
12
1
*
4
4
0
2
0
2
D
D
T
De
P








 
−
=
b) Diámetro equivalente para el lado de la carcasa
en pies . Con una disposición triangular.
12
1
*
4
86
.
0
4
0
2
0
2
D
D
T
De
P








 
−
=
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

26. 1.9.- Para el lado del casco obtener J:
C
W
DeT
J S
P

=

42
.
2
144
1
3
1
1
*
*
42
.
2
1000





 
=
K
C
K
De


1.10.- Para el lado de los tubos obtener:
T
R
Wt
B

42
.
2
0
1

=
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

27. 3
1
4
.
2





 

=
K
C
R
A
T


1.11.- Diámetro del casco DS, paso de bafle, B, número de
paso de tubo NT (método gráfico).
Se emplean 4 gráficas, 2 gráficas para calcular
y 2 gráficas para calcular la transferencia en los
lados del casco y tubo.
T
S P
P 
 ,
Fluido caliente Fluido
frío
Hidrocarburos
ligeros
Hidrocarburos
ligeros 40-75
F
ft
h
BTU
U
r º
2
0
1º Asumir el U de tablas.
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

28. 2º Área total requerida.
Ft
LMTD
U
Q
A T
T
*
*
0
=
3º Calcular el área por intercambiador con 1 paso
por el casco.
N
A
A T
S =
4º Determinar el número de tubos para cada
intercambiador con 1 paso por el casco.
( ) 0
5
.
0
82
.
3
D
L
A
N S
T
−
=
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

29. 5º Determinar el diámetro del casco DS que
contenga un numero de tubos al obtenido en
(4).
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

30. El número de tubos para diámetro ¾ in con separación
15/16 in y configuración triangular es el siguiente:
Ds

31. n
N
a
A T
T

=
=
T
A Área total del flujo.
=

T
a
=
N
1
=
n
L
D
N
AT 0

=

p
n
N
n =

 
=
T
p
a
w
n
Área de flujo por el tubo = 2
4
D

Número de tubos.
Paso en los tubos.
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

32. Número de tubos por paso.
1
*
*
T
t
p
A
w
n =
=
 Velocidad del fluido =1m/s .
=
t
w Flujo másico del fluido.
6º Si el número de tubos obtenidos en la tabla difiere del
obtenido en el paso 4 recalcular el área total.
( )( )( )
82
.
3
5
.
0 0
D
L
N
N
A T
T
−
=
7º Recalcular
T
T
T
F
LMTD
A
Q
U
*
*
0 =
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

33. 8º Asumir un espaciamiento entre bafles B.
S
S
D
B
D


5
9º Obtener CT (inversa del área de flujo por paso de
tubo)
( )
2
2
144
*
4
1
ft
D
N
N
C
O
P
T
T









=
10º Calcular la resistencia de la pared del tubo M
BTU
F
ft
hr
K
D
D
M i *º
*
,
24
2
0 −
=
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

34. 11º Con J1, NS, DS, B y se evalúa la resistencia en
el casco (SS).
1

N
s
=
1
D
s
B
referencia
J1
DsB
Ns
1
Re

= (Re)
f
JH =
1

H
S
J
S 1

=
Resistencia
en el casco
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

35. Además para los tubos se cuenta con: CT, B1, ρ y se
evalúa ST (resistencia en los tubos.)
T
C
1
B
( )
Re
f
JH =

T
S
Resistencia en los
tubos

36. Y se evalúa la resistencia global (S)
n: Determinar la resistencia total.
( ) ( )
M
f
f
S
S
S t
s
S
T +
+
+
+
= 1000
O: Determinar el área total requerida AT*.
( )
LMTD
F
QS
A
T
T
*
1000
*=
p: Determinar el área total requerida con el área total
obtenida A.
→
 *
T
T A
A Considerar el valor de UO obtenido, en K
(7).
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

37. →
 *
T
T A
A
Considerar un valor de Uo menor al
asumido interiormente en K (7),
recalcular el AT*.
q: Determinar la caída de presión del lado del casco de
acuerdo a la siguiente expresión:
s
S
S
f
D
B
N
Z
P 3
2
0
=

( )2
2
7
0 10
*
98
.
3
C
D
W
LT
Z
S
e
S
P

= −

=
S
N Número de paso por el casco.
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

38. S
N
1

S
N
S
S
D
dN
B
B
D
N
S
S
1
Re

=
S
S
s
D
B
N
f
2
2
B
0
3

B
fs
S
N
0
Z
S
P

La caída de presión total será:
S
st P
N
P 
=

ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

39. permisible
st
calculada
S P
P −
− 


Se acepta el paso del bafle B asumido.
r: Determinar la caída de presión para el lado del tubo:
( )
8
.
0
2
+
=
 T
T Lf
ZC
P
1. Calcular Z:
12
0
10
t
t
t N
W
Z


=
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

40. Con Ct, B1, D0, BWG, L, Z
1
B t
C
1

BWG
L
T
C
Z
t
P

8
.
0
+
T
Lf
ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES

41. Todo esta en el sistema inglés.
▪ Calcular la caída de presión total, .
t
T
P

t
t
t
T P
N
P 
=

▪ Comparas calculado con permisible.
t
T
P
 t
T
P

Si , recalcular.
permisible
P
N
P t
T
t
calculado
t
T 



T
N
Si , se acepta.
permisible
t
T
calculado
t
T P
P 


La variable de diseño está en función de la caída de
presión en el casco y en los tubos. Si se encuentra
en el rango permisible los datos obtenidos vienen a
ser los datos de diseño. ING. MG LEONARDO MACHACA GONZALES