El documento presenta información sobre equipos de transferencia de calor. Explica que estos equipos se clasifican según su función, proceso de transferencia, geometría de construcción y arreglo y mecanismo de flujo. También describe los principales tipos de intercambiadores de calor, incluyendo intercambiadores de doble tubo, tubo y coraza, y placas y juntas. Finalmente, cubre conceptos clave como la velocidad de transferencia de calor y cómo calcular el coeficiente de transferencia de calor.

1. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Presenta:
DR. MIGUEL ANGEL MORALES CABRERA
FEBRERO 2016
Equipos de Transferencia de
Calor
Prof. Jesús F. Ontiveros

2. El entendimiento, operación y optimización de las transformaciones de materias primas a
productos de mayor valor agregado, por ganancia o beneficio social, son el principal campo de
desarrollo de los Ingenieros Químicos.
Materias
Primas
Proceso
Producto
terminado
Físicos
(Operaciones Unitarias)
Químicos
Fenómenos de Transporte
(base de las operaciones unitarias)
Fenómenos de Transporte
acoplados a reacciones químicas
MomentumCalor Masa
INGENIERO QUÍMICO

3. PROCESO QUÍMICO
Diagrama de flujo del proceso del proceso
de separación del MCB
EQUIPOS DE TRANSFERENCIA
DE CALOR

4. CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS
DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Función
• Evaporadores
• Calentadores
• Enfriadores
• Intercambiadores
• Refrigeradores
• Condensadores
• Rehervidores
• Calderas
Proceso de Transferencia
• Contacto Directo
• Contacto Indirecto
Clasifica
Según el proceso de T
Contacto Directo C
Según la geometría de
Tubos Platos
Clasificación
Según el proceso de Transferencia[3]
Contacto Directo Contacto Indirecto
Según la geometría de construcción[3]
Tubos Platos Superficies Extendidas

5. Geometría
• Tubos
• Platos
• Superficies Extendidas
Flujo
• Paralelo
• Contracorriente
• Cruzado
Según el proceso de Transferencia[3]
Contacto Directo Contacto Indirecto
Según la geometría de construcción[3]
Tubos Platos Superficies Extendidas
Clasificación
Según el proceso de Transferencia[3]
Contacto Directo Contacto Indirecto
Según la geometría de construcción[3]
Tubos Platos Superficies Extendidas
Clasificación
el proceso de Transferencia[3]
cto Directo Contacto Indirecto
la geometría de construcción[3]
Platos Superficies Extendidas
Cla
Según el arreg
Paralelo C
Según el mec
Monofásico Ev
Clasificación
Según el arreglo del flujo[3]
Paralelo Contracorriente Flu
Según el mecanismo involucr
Monofásico Evaporación Cond
Clasificación
Según el arreglo del flujo[3]
Paralelo Contracorriente Flujo Cruzado
Según el mecanismo involucrado[3]
Monofásico Evaporación Condensación

6. INTERCAMBIADORES DE CALOR
Clasificación
• Doble Tubo
• Tubo y Coraza
• Placas y Juntas
Componentes Principales
Coraza

7. INTERCAMBIADORES
DE DOBLE TUBO
Caracteristicas
• Se usa cuando el área de
intercambio requerida es
menor a 50m2
• Configuración apropiada
para manejo de fluidos a
altas presiones
• Arreglos en serie y en
paralelo
• Adición de aletas
(superficiesextendidas) en
tubo interno
Desventajas
• Costosos
• Dificultadde limpieza
• Emplean mucho espacio
Intercambiadores Tubulares
Doble Tubo[2,3]
•Se usa cuando el área de
intercambio es menor a 50m
2
•Configuración adecuada para
manejar fluidos a altas presiones.
•Arreglos en serie y en paralelo
•Adición de aletas en tubo interno
× Costosos

8. INTERCAMBIADORES
DE TUBO Y CORAZA
Caracteristicas
• Más empleados en la
industria de procesos
• Alcanzan áreas entre 50m2 y
700 m2
• Mayor rigurosidad en el
diseño
• Corazas (8–48 pulg)
• Tubos (3/4–1 pulg)
• Longitud (8, 10, 16, 20 pies)
Intercambiadores Tubulares
Coraza y Tubo[2,3]
•Intercambiador más utilizado
en la industria de procesos
•Áreas entre 50 y 700m
2
.
•Mayor rigurosidad en el diseño
“T.E.M.A.”
Int. Coraza y Tubo tipo AES
Coraza

9. INTERCAMBIADORES
DE PLACAS Y JUNTAS
Caracteristicas
• Alcanzan áreas entre 50m2 y
2000 m2
• Presiones de hasta 350 psi (25
bar) y T interiores a 250 oC
• Amplio uso en la industria de
alimentos
• Compactos
• Fáciles de limpiar
• Flexibilidad
• Economía

10. ETAPAS DE DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR
DEFINCIÓN DEL PROBLEMA
SELECCIÓN DEL TIPO DE
INTERCAMBIADOR
SELECCIÓN DE
PARAMETROS DE DISEÑO
CÁLCULO DE LA VELOCIDAD
DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CÁLCLULO DE LA CAIDA
DE PRESIÓN
EVALUACIÓN
MATERIALES, DISEÑO MECÁNICO, COSTO
ENSUCIAMIENTO
• CORROSIÓN
• CRISTALIZACIÓN
• BIOLOGICO
• QUÍMICO
Ensuciamiento
Definición
Particulado
Primerdíade
operación
Tiempodespués
iamiento
culado
rdíade
ación
después
TIEMPO DESPUES
PRIMER DIA
, ..'. ' , ' 616 ." .
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
FIGURA 11 -9
El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos
que se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor.
El lector puede observar este tipo de incrustación incluso en su casa. Si revisa
las superficies interiores de su tetera después de un uso prolongado, es proba-
ble que advierta una capa de depósitos de calcio sobre las superficies en las
cuales ocurre la ebullición. Esto se presenta en especial en zonas en donde el
agua es dura. Al raspar se desprenden las escamas de ese tipo de depósitos y
las superficies se pueden limpiar de ellos por medio de un tratamiento quími-
co. Imagine ahora el lector esos depósitos minerales formándose sobre las su-
perficies interiores de los finos tubos de un intercambiador de calor (figura
11-9) y el efecto perjudicial que pueden tener sobre el área de paso del flujo y
sobre la transferencia de calor. Con el fin de evitar este problema potencial, el
agua en las plantas generadoras y de procesos se trata en forma extensa y se
elimina su contenido sólido antes de permitir que circule por el sistema. Las
partículas de ceniza sólida que se encuentran en los gases de combustión y
que se acumulan sobre las superficies de los precalentadores de aire crean pro-
blemas semejantes.
Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos
químicos, es la corrosión y otra la incrustación química. En este caso las su-
perficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones
químicas sobre ellas. Esta forma de incrustación se puede evitar recubriendo
los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los me-
tálicos. Los intercambiadores también pueden incrustarse por el crecimiento
de algas en los fluidos calientes. Este tipo de incrustación se conoce como in-
crustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico.
En las aplicaciones donde es probable que ocurra, la incrustación debe con-
siderarse en el diseño y selección de los intercambiadores de calor. En esas
aplicaciones puede ser necesario seleccionar un intercambiador más grande y,
por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de diseño de
transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación. La lim-
pieza periódica de los intercambiadores y el tiempo de suspensión de activi-
dades resultante son inconvenientes adicionales asociados con la incrustación.
Es obvio que el factor de incrustación es cero para un nuevo intercambiador,
y aumenta con el tiempo a medida que se acumulan los depósitos sólidos so-
bre la superficie del mismo. El factor de incrustación depende de la tempera-
tura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del
servicio. La incrustación se incrementa al aumentar la temperatura y dismi-
nuir la velocidad.
Incrustación por precipitación de
partículas de ceniza sobre los tubos
de un sobrecalentador,
(Tomado de Sream, Its Generarion, alld Use,
Babcock alld Wilcox Co" 1978, Impreso con
autorización,)
http://carlos2524.jimdo.com/

11. VELOCIDAD DE
TRANSFERENCIA DE CALOR
𝑄 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙 𝑛
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇
FENÓMENOS DE TRANSPORTE
TERMODINÁMICA
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL
(COEFICIENTE DE PELÍCULA)
- Incluye efectos de conducción y convección, y
- Efectos de ensuciamiento: resistencia adicional
• GEOMETRÍA CILÍNDRICA
• GEOMETRÍA CARTESIANA
Coeficiente de Película
Análisis de las Resistencias Involucradas
Geometría Tubular
Geometría Placas
Simplificaciones
¿Cómo determinar “h”?
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+⋅
=
o
i
e
e
i
e
i hk
r
r
r
r
r
h
U
1
ln
1
1
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⋅
∆⋅
+⋅
=
o
e
i
e
i hAk
xA
A
A
h
U
11
1
Coeficiente de Película
Análisis de las Resistencias Involucradas
Geometría Tubular
Geometría Placas
Simplificaciones
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+⋅
=
o
i
e
e
i
e
i hk
r
r
r
r
r
h
U
1
ln
1
1
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⋅
∆⋅
+⋅
=
o
e
i
e
i hAk
xA
A
A
h
U
11
1
Tomillo de apriete
Un empaque montado
sobre cada placa sella
el canal entre ella y la
placa siguiente.
Las placas A y B se
disponen en forma
alternada.
La barra guía rectangular inferior
garantiza una alineación absoluta
de las placas, impidiendo el
movimiento lateral.
FIGURA 11 -6
Intercambiador de calor
de placas y armazón,
de líquido hacia líquido.
(Cortesía de Trante Corp.)
a la pared por convección, después a través de la pared
último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por
era efectos de la radiación suelen incluirse en los coefi-
a de calor por convección.
as térmicas asociada con este proceso de transferencia
os resistencias por convección y una por conducción,
figura 11-7. En este caso, los subíndices i y o represen-
rior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador
la resistencia térmica de la pared del tubo es
In (DolD¡)
Rpared = 27TkL (11-1)
ctividad térmica del material de la pared y L es la lon-
es la resistencia térmica total queda
1 In (DolD¡) l
+ Rpared + Ro = h.A- + 2 kL + h A
1 1 7T o o
(11-2)
erficie interior de la pared que separa los dos fluidos Y
erficie exterior de esa misma pared. En otras palabras,
uperficiales de la pared de separación mojada por los
ior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye
rcular y el otro afuera de éste, se tiene A¡ = 7TD¡L Y
-8).
intercambiadores de calor resulta conveniente combi-
as térmicas que se encuentran en la trayectoria del flu-
frío
caliente
cia de calor
Fluido
frío
FIGURA 11 -7
Red de resistencias térmicas asociada
con la transferencia de calor en un inter-
cambiador de calor de tubo doble.
“El área de transferencia
de calor A, es el parámetro
de diseño”
Convección interna, conducción y convección externa

12. COMO CALCULAR EL COEFICIENTE DE
TRANFERENCIA DE CALOR CONVECTIVO
(CASO CONVECCIÓN INTERNA)
Coeficiente de Película
Correlación Ecuación Restricciones
Correlación de
Prandtl
Régimen Turbulento. Tuberías
Circulares.
Correlación de
Gnielinski
10000<Re<5000000,
0.5<Pr<200
Tuberías Circulares
Correlación
Modificada de
Dittus-Boelter
0.5<Pr<1; Re>5000. Gases.
Tuberías Circulares
Correlación de
Sieder- Tate
0.48<Pr<16700
Régimen Laminar
Líquidos. Tuberías Circulares
--- L/D>60 , Pr>0.6
Régimen Turbulento
Líquidos. Tuberías Circulares
--- 30<L/D<120 ,
7000<Re<300000
Régimen Turbulento
Aire. Tuberías Circulares
( ) ( )1Pr2/7.81
PrRe)2/(
5.0
−⋅⋅+
⋅⋅
=
f
f
Nu
( ) ( )1Pr2/7.1207.1
PrRe)2/(
3/25.0
−⋅⋅+
⋅⋅
=
f
f
Nu
14.03/1
PrRe
86.1 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ⋅⋅
⋅=
wL
d
Nu
µ
µ
5.08.0
PrRe023.0 ⋅⋅=Nu
14.0
3/18.0
PrRe023.0 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅⋅⋅=
w
Nu
µ
µ
55.01
01
PrRe023.0 4.08.0
−=→>
=→<
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⋅⋅⋅=
n
T
Tw
n
T
Tw
T
T
Nu
n
w
2
)28.3ln(Re)58.1( −
−⋅=f
O"M ""Mg"/W rtÉlcJ
h - 2(a + b) - a + b
FIGURA 8-4
El diámetro hidráulico D" = 4A!p se
define en tal forma que se reduce
al diámetro común para los tubos
circulares,
Laminar Turbulento
Note que la temperatura media Tm de un fluido cambia durante el calentam
to o el enfriamiento. Asimismo, las propiedades del fluido en el flujo int
suelen evaluarse en la temperatura media delfluido con respecto a la mas
cual es el promedio aritmético de las temperaturas medias en la admisión
salida; es decir, Tb = (Tm, i + Tm, e)/2.
Flujos laminar y turbulento en tubos
El flujo en un tubo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las co
ciones del mismo. El flujo de fluidos sigue líneas de corriente y, como co
cuencia, es laminar a velocidades bajas, pero se vuelve turbulento confo
se incrementa la velocidad más allá de un valor crítico. La transición de f
laminar a turbulento no ocurre de manera repentina; más bien, se presenta
bre algún intervalo de velocidad, donde el flujo fluctúa entre laminar y tu
lento antes de volverse por completo turbulento. La mayor parte de los fl
en tubos que se encuentran en la práctica son turbulentos. El flujo lamina
encuentra cuando fluidos intensamente viscosos, como los aceites, fluye
tubos de diámetro pequeño o pasos angostos.
Para el flujo en un tubo circular, el número de Reynolds se define com
pVprornD
Re = f.L
VpromD
v
en donde Vprom es la velocidad promedio del flujo, D es el diámetro del tu
JJ = fJv/p es la viscosidad cinemática del fluido.
Para el flujo por tubos no circulares, el número de Reynolds así como e
mero de Nusselt y el factor de fricción se basan en el diámetro hidráulico
definido como (figura 8-4)
donde Ac es el área de la sección transversal del tubo y p es su perímetro
diámetro hidráulico se define en tal forma que se reduce al diámetro comú
para los tubos circulares, ya que
Tubos circulares:
Por supuesto, resulta conveniente tener valores precisos de los número
Reynolds para los flujos laminar, de transición y turbulento, pero, en la p
tica, este no es el caso. Esto se debe a que la transición de flujo laminar a
bulento también depende del grado de perturbación que ese flujo recibe
parte de la aspereza de la superficie, las vibraciones del tubo y lasfluctua
nes en el flujo. En las condiciones más prácticas, el flujo en un tubo e
minar para Re < 2 300, turbulento para Re > 10 000 y, en los valores i
medios, de transición. Pero se debe tener presente que, en muchos caso
flujo se vuelve completamente turbulento para Re > 4000, como se dis
en el 'Tema de interés especial", al final de este capítulo. Cuando se dis
redes de tuberías y se determina la potencia de bombeo, se aplica un enf
conservador y se supone que los flujos con Re > 4000 son turbulentos.
En el flujo de transición éste oscila entre laminar y turbulento de ma
___ _____ _____ ", " ',.'
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
O"M ""Mg"/W rtÉlcJ
h - 2(a + b) - a + b
FIGURA 8-4
El diámetro hidráulico D" = 4A!p se
define en tal forma que se reduce
al diámetro común para los tubos
circulares,
Laminar Turbulento
Note que la temperatu
to o el enfriamiento.
suelen evaluarse en la
cual es el promedio a
salida; es decir, Tb =
Flujos laminar
El flujo en un tubo pu
ciones del mismo. El
cuencia, es laminar a
se incrementa la velo
laminar a turbulento
bre algún intervalo de
lento antes de volver
en tubos que se encu
encuentra cuando flu
tubos de diámetro pe
Para el flujo en un
en donde Vprom es la v
JJ = fJv/p es la viscosi
Para el flujo por tu
mero de Nusselt y el
definido como (figur
donde Ac es el área d
diámetro hidráulico s
para los tubos circula
Tubos circulares:
Por supuesto, resu
Reynolds para los flu
tica, este no es el cas
bulento también dep
parte de la aspereza
nes en el flujo. En l
minar para Re < 2 3
medios, de transició
flujo se vuelve comp
en el 'Tema de inter
redes de tuberías y s
conservador y se sup
http://carlos2524
Ts =constante
Flujo laminar
completamente
desarrollado
FIGURA 8-22
u (r)
En el flujo laminar en un tubo con
temperatura superficial constante tanto
el factor de fricción como el coeficiente
de transferencia de calor permanecen
constantes en la región completamente
desarrollada.
(8-56)
La solución deseada para el problema se obtiene al aplicar las condiciones de
frontera aTlax = Oen r = O(debido a la simetría), y T = Ts' en r = R. Se ob-
tiene
(8-57)
La temperatura media de la masa T¡n se determina al sustituir las relaciones de
los perfiles de velocidades y de temperaturas (ecuaciones 8-41 y 8-57) en la
ecuación 8-4 y llevar a cabo la integración. Esto da
(8-58)
Al combinar esta relación con tis = h(Ts - Tm) da
24 k 48 k k
h = ui? = UD = 4.36 15 (8-59)
o bien,
Tubo circular, laminar (qx = constante):
hD
Nu = T = 4.36 (8-60)
Por lo tanto, para el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo
circular sujeto a flujo de calor constante en la superficie, el número de Nusselt
es constante. No se tiene dependencia con respecto a los números de Reynolds
o de Prandtl.
Temperatura superficial constante
Se puede realizar un análisis semejante para el flujo laminar completamente
desarrollado en un tubo circular para el caso de temperatura superficial cons-
tante Ts• En este caso el procedimiento de solución es más complejo, ya que se
requieren iteraciones, pero la relación del número de Nusselt que se obtiene es
igualmente simple (figura 8-22):
Tubo circular, laminar (Ts = constante):
hD
Nu = - = 366k . (8-61)
Número de Reynolds
Número de Nusselt

13. QUE DEBO SABER PARA DISEÑAR EQUIPOS DE
TRANSFERENCIA DE CALOR???
Principalmente:
• Fundamentos de transferencia de Momentum y Calor
• Termodinámica
• Identificación de Mecanimos de Transferencia de
Calor
• Conocimiento para la estimación de Coeficientes de
Transporte
• Ingeniería y Ciencia de los Materiales
• Ingeniería Económica

14. BIBLIOGRAFÍA
• Geankoplis Ch., (2006). Procesos de Transporte y
Principios de Procesos de Separación. 4a Edición.
México, CECSA.
• Cengel Y.A., (2007). Transferencia de Calor y Masa: Un
Enfoque Práctico. 3ra. Edición. México, Mc Graw Hill.
• Perry R. H. and Green D. W., (2010). MANUAL DEL
INGENIERO QUÍMICO. Sección 10. “Transferencia de
Calor”. Sección 11. “Equipos de Transferencia de
Calor”. 7a edición. España, Mc Graw Hill.