Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios a través de una barrera. Los intercambiadores de calor son parte esencial de sistemas de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor que se clasifican según su construcción, operación, función en un sistema, grado de contacto entre fluidos y otros criterios.

1. TERMODINÁMICA

4. 1 Objetivos
2 Estudio de la transferencia del calor
3 Definiciones
4 Formas de intercambiar calor
5 Tipos de intercambiadores de calor
 5A Clasificación de los intercambiadores de calor
5A.1 Tipos según su construcción
5A.2 Tipos según su operación
5A.3 Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y
de múltiple pasos.
5A.4 Por su función en un sistema
5A.5 Grado de contacto entre los fluidos

5.  5 B Clasificación de los intercambiadores de calor
5B.1intercambiadores de tubería doble
5B.2 intercambiadores enfriados por aire
5B.3 intercambiadores de tipo placa
5B.4 intercambiadores de casco y tubo
6 Etapas para la transferencia de calor
7 Parámetros para el diseño de intercambiadores.
8 Materiales de construcción
9 Aplicaciones
10 Conclusiones
10 Bibliografía

9. Para cualquiera que sea el tipo de aparato utilizado, si sólo se
consideran las condiciones de entrada y de salida de los fluidos,
se puede establecer el balance térmico global del aparato
escribiendo que la cantidad de calor Q perdida por el fluido
caliente es igual a la que gana el fluido menos caliente, si se
desprecian las pérdidas térmicas.
Q = M (H1 - H2) = m (h2 - h1)
Las letras mayúsculas se reservan para el fluido caliente y las
minúsculas para el fluido menos caliente, mientras que los
índices 1 y 2 corresponden respectivamente, a las condiciones
de entrada y de salida. M y m representan los caudales másicos
de los fluidos; H y h las entalpías de los fluidos en función de sus
temperaturas, T y t.

11. 3.1 Un intercambiador de calor es un equipo
utilizado para extraer calor de un fluido
que esta mas caliente de lo deseado,
transfiriendo este calor a otro fluido que
esta menos caliente y necesita ser
calentado. La transferencia de calor se
realiza a través de una pared metálica o
de un tubo que separa a ambos fluidos.

12. 3.2 Un intercambiador de calor es un
componente que permite la transferencia de
calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido.
En los sistemas mecánicos, químicos,
nucleares y otros, ocurre que el calor debe
ser transferido de un lugar a otro, o bien, de
un fluido a otro. Los intercambiadores de
calor son los dispositivos que permiten
realizar dicha tarea.

13. 3.3 Un intercambiador de calor es un
dispositivo diseñado para transferir calor
entre dos medios, que estén separados
por una barrera o que se encuentren en
contacto. Son parte esencial de los
dispositivos de refrigeración,
acondicionamiento de aire, producción de
energía y procesamiento químico.

15. 4.1 Transferencia de calor convectiva del
fluido hacia la pared interna del tubo
4.2 Transferencia de calor conductiva a
través de la pared del tubo
4.3 Transferencia de calor convectiva desde
la pared externa del tubo hacia el fluido
exterior.

16. Para el estudio de los intercambiadores de calor
se pueden realizar diferentes clasificaciones,
dependiendo de varios criterios, en este
documento se han clasificado de dos formas, un
tanto diferentes, pero no debemos confundirnos,
solo es otra manera de clasificarlos.

18. 5A.1.1 Carcasa y tubo:
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en
un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los
tubos se le denomina flujo interno y aquel que fluye en el interior
del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo.

19. 5A.1.2 Plato
Consiste de placas en lugar de tubos para separar a los
dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos
se alternan entre cada uno de las placas y los bafles
dirigen el flujo del líquido entre las placas.

20. 5A.2.1 Flujo paralelo:
Existe un flujo paralelo
cuando el flujo interno o de
los tubos y el flujo externo
o de la carcaza ambos
fluyen en la misma
dirección.

21. Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la
misma dirección pero en sentido opuesto.

22. Son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de
fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos
faces bifásico.

23. Figura 6: Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiple paso.

24. Un método que combina las características de dos o más
intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un
intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos
varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más
de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos.
Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se
denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo
paso.
En la figura (6) se muestra un ejemplo de estos
intercambiadores.

28. 5A.5 GRADO DE CONTACTO ENTRE LOS FLUIDOS
5A.5.1 INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO
También conocidos como cambiadores de mezcla, son
aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una
mezcla física completa, realizándose, como
consecuencia, la transferencia energética entre ellos.
Pertenecen a este grupo, entre otros tipos de
cambiadores, las denominadas torres de refrigeración o
torres húmedas, así como los enfriadores de gases.
5A.5.2 INTERCAMBIADORES DE CONTACTO
INDIRECTO.
Estos pueden a su vez dividirse en alternativos y de
superficie.

29. 5A.5.2.1 INTERCAMBIADORES ALTERNATIVOS
En cuanto a los intercambiadores alternativos, ambos fluidos
recorren un mismo espacio de forma alternada, sin coincidencia
entre ellos, de forma tal que la mezcla física de ambos fluidos
puede considerarse despreciable. El elemento fundamental de
este subgrupo de cambiadores es la superficie que
alternativamente recibe y cede la energía térmica.
5A.5.2.1 INTERCAMBIADORES DE SUPERFICIE
Se denominan intercambiadores de superficie a aquellos equipos
o dispositivos en los que la transferencia térmica se realiza a
través de una superficie, plana o cilíndrica, que separa
físicamente las corrientes de ambos fluidos, no existiendo por
tanto ninguna posibilidad de contacto directo o contaminación
entre dichos fluidos, salvo en el caso de rotura de la antedicha
superficie de separación.

32. Consiste en un tubo pequeño que está
dentro de otro tubo mayor, circulando los
fluidos en el interior del pequeño y entre
ambos.
Se utilizan cuando los requisitos de área
de transferencia son pequeños.

34. Consiste en una serie de tubos situados en una
corriente de aire, que puede ser forzada por ayuda
de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas
para aumentar el área de transferencia de calor.
Pueden ser de 40 ft (12m) de largo y anchos de 8
a 16 ft (2,5 a 5 m), para su selección se considera
el factor económico.

36. Pueden ser de diferentes tipos:
5B.3.1 De tipo placa y armazón similares a
un filtro prensa.
5B.3.2 De aleta de placa con soldadura
Por la construcción están limitados a
presiones pequeñas.

38. Son los más ampliamente utilizados en la
industria química y con las
consideraciones de diseño mejor
definidas. Consisten en una estructura de
tubos pequeños colocados en el interior de
un casco de mayor diámetro.
Las consideraciones de diseño están
estandarizadas por The Tubular
Exchanger Manufacturers Association
(TEMA)

41. La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario.
Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los
más comunes.
La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es
la E (casco de un paso) la F de dos pasos es más complicada de
mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de
presión en el casco. El tipo K es el tipo de Rehervidor de caldera
utilizado en torre de fraccionamiento.
La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior,
los de tipo S, T y U son los más utilizados. El tipo S (cabezal flotante
con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor que el
del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal
flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita
mayor diámetro de casco para la misma superficie de intercambio.
El tipo U (Haz de tubo en U) es el más económico.

43. Ti > To
ETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR
6.1 Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.
6.2 Conducción del interior al exterior del tubo.
3. Convección desde el exterior del tubo al fluido.
hi
T
s
ho
T
o
T
i
Ai
hi
Ri
.
1

L
K
ri
ro
Ln
Rcond
.
.
.
2
)
/
(


Ao
ho
Ro
.
1

Ao
ho
L
K
ri
ro
Ln
Ai
hi
Rtotal
.
1
.
.
.
2
)
/
(
.
1





44. Ao
ho
L
K
ri
ro
Ln
Ai
hi
Rtotal
.
1
.
.
.
2
)
/
(
.
1




RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y
EXTERNA
Ao
ho
Ao
ro
L
K
ri
ro
Ln
Ai
ri
Ai
hi
Rtotal
.
1
.
.
.
2
)
/
(
.
1






COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA
DE CALOR TOTAL
*
*
.
1
A
U
Rtotal


45. Ao
ho
A
Ao
ro
A
L
K
ri
ro
Ln
A
Ai
ri
A
Ai
hi
A
U
.
.
.
.
.
2
)
/
(
.
.
.
1
*
*
*
*
*
*






REFERIDA AL ÁREA EXTERNA
ho
ro
L
K
ri
ro
Ln
Ao
Ai
ri
Ao
Ai
hi
Ao
Uo
1
.
.
.
2
)
/
(
.
.
.
1







46. FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD
INTERCAMBIADOR

47. 7 PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES.

48. 7.1 Comprobar el balance de energía
Hemos de conocer las condiciones del procesamiento, caudales,
temperaturas, presiones, propiedades físicas de los fluidos,...
7.2 Asignar las corrientes al tubo y casco.
7.3 Dibujar los diagramas térmicos.
7.4 Determinar el número de intercambiadores en serie.
7.5 Calcular los valores corregidos de la diferencia media de
temperaturas (mtd).
7.6 Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y
configuración de los tubos.
7.7 Estimar los coeficientes de película y de suciedad. calcular los
coeficientes globales de transmisión de calor

49. 7.8 Calcular la superficie de intercambio estimada.
7.9 Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).
7.10 Calcular las perdidas de presión en el lado del tubo y
recalcular el número de pasos para cumplir con las perdidas de
presión admisibles.
7.11 Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para
conseguir la perdida de presión en casco admisible.
7.12 Recalcular los coeficientes de película en el lado del tubo y
del casco utilizando las velocidades másicas disponibles.
7.13 Recalcular los coeficientes globales de transmisión de calor y
comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio.
7.14 Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña
revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las
etapas 9-13.

50. 8 MATERIALES DE
CONSTRUCCIÓN

51. El material de construcción más común en los intercambiadores de calor es
el acero al carbono. Otros materiales en orden de utilización son:
• Acero inoxidable de la serie 300
• Níquel
• Monel
• Aleaciones de cobre, como latón Admiralty
• Aluminio
• Acero inoxidable de la serie 400
Los materiales a utilizar se seleccionan por su resistencia a la corrosión.
Se utilizan tubos bimetálicos cuando las condiciones de temperatura y
requisitos de corrosión no permiten la utilización de una aleación simple.
Consisten en dos materiales laminados juntos. Hay que tener cuidado con la
acción galvánica.
También se encuentran intercambiadores de construcción no metálica como
son tubos de vidrio, en casco de vidrio o acero. También se encuentran
intercambiadores de calor de grafito, y de teflón.

53. Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos
sistemas químicos o mecánicos, sirven para ganar calor o
expeler calor en determinados procesos.
Los intercambiadores de calor de casco y tubo (o tubular) tienen
usos en donde se demandan de manera significativa una alta
temperatura y presión. El uso de estos equipos también
abarca aplicaciones donde el líquido contiene partículas que
bloquearían los canales de un cambiador de calor de placas.

54. Las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento,
ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores
en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y
precalentadores o enfriamiento de fluidos.
Precalentador.- En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas
donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es
comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar
dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la
temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la
eficiencia del la planta y minimiza el choque térmico de los
componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura
ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta
temperatura.


55. Radiador.- Algunas plantas dependen de intercambiadores de
calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un
intercambiador de calor aire-líquido es un radiador de
automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el
calor expelido y lo lleva hasta el radiador. El líquido
refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco
del ambiente para reducir la temperatura del líquido
refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el
área de contacto térmico entre el metal del radiador y el aire
se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en el exterior
de los tubos.

56. Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos
intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y
condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el
refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor,
ya sea ganándolo o expeliéndolo al medio frío. Comúnmente, el
medio frío es aire o agua.
Los intercambiadores de calor de placa son de uso frecuente en fluidos
de baja viscosidad con demandas moderadas de temperaturas y
presión, típicamente por debajo de los 150°C. El material de los
sellos se elige preferentemente para soportar la temperatura de
operación y conforme a las características del líquido de proceso.

57. Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor
temperatura.
Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con
menor temperatura.
Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con
mayor temperatura.
Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido
frío.
Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un
fluido gaseoso con mayor temperatura.

59. El diseño térmico de los intercambiadores es
un área en donde tienen numerosas
aplicaciones los principios de transferencia
de calor.
El diseño real de un intercambiador de calor es
un problema mucho más complicado que el
análisis de la transferencia de calor porque
en la selección del diseño final juegan un
papel muy importante los costos, el peso, el
tamaño y las condiciones económicas.

60. Los intercambiadores de calor de casco y placas son extremadamente
eficientes debido a la alta turbulencia creada por la geometría
compleja de cada paso de la placa. La elevada turbulencia conduce
a un coeficiente mucho más alto de transferencia de calor
comparado con los intercambiadores de calor convencionales, es
decir que requieren de menor superficie de transferencia de calor
para realizar un trabajo dado. Esto demuestra que no sólo son
compactos sino que también son rentables pues se requiere menos
material para su fabricación.
El intercambiador de casco y placas es muy durable. Esto es debido a
que los casetes de placas circulares, al ser soldados en su totalidad
y por su propia estructura, proveen suficiente rigidez para eliminar la
vibración por inducción y permitirle un diseño para muy altas
presiones.

61. En un intercambiador de flujo paralelo el fluido
con mayor temperatura y el fluido con menor
temperatura fluyen en la misma dirección.
En un intercambiador de Contraflujo el fluido
con mayor temperatura y el fluido con menor
temperatura fluyen en con la misma dirección
pero en sentido contrario.

62. En un intercambiador de flujo cruzado el fluido con
mayor temperatura y el fluido con menor
temperatura fluyen formando un ángulo de 90◦
entre ambos, es decir perpendicular uno al otro.
Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos
que transfieren calor de uno a otro una sola vez.
Los intercambiadores de múltiple paso tienen fluidos
que transfieren calor de uno a otro más de una vez
a través del uso de tubos en forma de "U" y el uso
de bafles.

63. Los intercambiadores de calor regenerativos usan el
mismo fluido para calentar y enfriar.
Los intercambiadores de calor no-regenerativos usan
fluidos separados para calentar y enfriar.
Debe quedar claro que la función de los
intercambiadores de calor es la transferencia de calor,
donde los fluidos involucrados deben estar a
temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que
el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del
fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura.

64. En los intercambiadores de calor los fluidos
utilizados no están en contacto entre ellos, el calor
es transferido del fluido con mayor temperatura
hacia el de menor temperatura al encontrarse
ambos fluidos en contacto térmico con las paredes
metálicas que los separan.
Los intercambiadores de calor son dispositivos que
permiten remover calor de un punto a otro de
manera específica en una determinada aplicación.