Intercambiadores de calor

FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
• ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE CALOR II
• CÓDIGO: 72205
• SEMESTRE: SEPTIMO
• CREDITOS: 3
• INTENSIDAD HORARIA: 3 HORAS TEORICO- PRACTICAS SEMANALES
• PRE-REQUISITOS: 722010 FLUIDOS 1
722020 CALOR 1
• COREQUISITOS: NINGUNO

OBJETIVO GENERAL
• Estudiar las técnicas de diseño y evaluación de los equipos
de transferencia de calor utilizados en la industria de la
ingeniería química.
• Conocer los principios y leyes que gobiernan los mecanismos
de transferencia de calor aplicables a los diseños de
intercambiadores de calor, evaporadores, torres de
enfriamiento y aplicar estos conceptos fundamentales en el
análisis, diseño y operación de sistemas térmicos que se
aplican en la industria de la ingeniería química.

Tema I. INTERCAMBIADORES DE CALOR
• Diseño y evaluación de intercambiadores de calor de tubo y
coraza, flujo 1-2 en contracorriente y en paralelo. Diseño y
evaluación de intercambiadores de calor de tubo y coraza,
flujo 1-2, en los cuales interviene agua como fluido de
enfriamiento. Diseño y evaluación de intercambiadores de
calor de tubo y coraza, flujo 1-2, en los cuales intervienen
gases como fluidos de transferencia.

Tema II. FLUJO LAMINAR Y CONVECCIÓN LIBRE
Flujo laminar en los tubos de intercambiadores. Convección
libre y régimen laminar combinados en tubos horizontales.
Convección libre fuera de tubos y tuberías

Tema III. CÁLCULO PARA CONDICIONES DE PROCESO
• Condiciones óptimas de proceso. Cálculo para
intercambiador óptimo. Estándar de tubos.

Tema IV. EVAPORACIÓN
• Mecanismo de vaporización. Efectos de la presión y
propiedades en el coeficiente de vaporización.
Evaporadores para planta de fuerza. Evaporación de
múltiple efecto. Procesos de evaporación en plantas de
fuerzas. Evaporación química y cálculos para el diseño de un
evaporador químico. Evaporadores de circulación forzada.
Evaporación química de simple efecto. Vaporación química
de múltiple efecto.

Tema V. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONTACTO DIRECTO.
TORRES DE ENFRIAMIENTO
• Conceptos generales, teoría de la difusión, temperatura de
bulbo húmedo, relación entre las temperaturas de bulbo
húmedo y punto de rocío. Humidificación y
deshumidificación. Clasificación de torres de enfriamiento,
balance de calor en torres de enfriamiento. Transferencia de
calor por difusión y convección simultánea. Análisis de los
requerimientos de la torre de enfriamiento, determinación
del número de unidades de difusión.

Bibliografía recomendada
• KERN, Donald. “PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR”. Editorial
CONTINENTAL S.A. México 1998.
• Çengel, Yunus A., Transferencia de calor / Yunus A. Çengel ; traducción, José
Hernán Pérez., 1a ed. en español, Mexico. : McGraw-Hill, 2004, Mexico, 2004
• F. P. Incropera y D. P. De Witt: Fundamentos de Transferencia de Calor, 4a Ed,
Pearson Educacion, Mexico, 2000
• Holman, J. P.: Transferencia de Calor, 8a edicion, Mc Graw-Hill, Madrid, 1998.

EVALUACIÓN
• Primer parcial 30% : intercambiadores de doble tubo y carcaza y tubo
• Segundo nota 20% : taller, exámenes cortos.
20% : simulaciones en Excel y matlab
• Tercera nota 30% : Diseño de evaporadores y torres de enfriamiento

.
INTRODUCCIÓN
 ¿Qué es la transferencia de calor?
Es un proceso dinámico durante el cual se transmite calor desde una
sustancia caliente a otra más fría.
- Es el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia
entre fuentes de calor y recibidores, tratados de manera
independiente.
• ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia de calor?
- Conducción.
- Convección.
- Radiación.
Ing. Fredys Jiménez Mendoza

12
Mecanismos de
transmisón de calor
Conducción: transferencia de energía
desde cada porción de materia a la
materia adyacente por contacto
directo, sin intercambio, mezcla o
flujo de cualquier material.
Convección: transferencia de energía
mediante la mezcla íntima de distintas
partes del material: se produce
mezclado e intercambio de materia.
Convección natural: el origen
del mezclado es la diferencia de
densidades que origina una
diferencia de temperatura.
Convección forzada: la causa del
mezclado es un agitador mecánico
o una diferencia de presión
(ventiladores, compresores...)
impuesta externamente.
Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas,
emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.
A
m
b
i
e
n
t
a
l
F
í
s
i
c
a

• ¿Qué es conductividad térmica?
La conductancia es la cantidad de calor que pasaría por unidad
de tiempo, a través de una unidad de área de un material de
espesor dado, sometido a la unidad de diferencia de
temperatura.
Esta se puede determinar por medio de la ecuación :
C = k A/x:
A: área
x: Grueso del material
K: conductividad térmica

Conductividad térmica
Material K (W/m K) Material K (W/m K)
Diamante 1000 Plata 406.0
Cobre 385.0 Oro 314
Aluminio 205.0 Hierro 7 9.5
Plomo 34.7 Mercurio 8.3
Hielo 1.6 Agua a 20±C 0.6
Fibra de vid. 0.04 Ladrillo (aisl.) 0.15
Ladrillo 0.6 Corcho 0.04
Poliestireno 0.033 Poliuretano 0.02
Madera 0.12-0.04 Aire a 0±C 0.024
Helio (20±C) 0.138 Hidrógeno (20±C) 0.172
Nitrógeno(20±C) 0.0234 Oxígeno (20±C) 0.0238
Tomado de Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5 y del CRC Handbook
of Chemistry and Physics.
Tema I – F´ısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 19

• ¿Como influye la temperatura y la presión en la conductividad térmica?
La conductividad térmica de los sólidos es mayor que la de los líquidos,
la que a su vez es mayor que la de gases.
La K para muchos líquidos decrece con el aumento de la temperatura.
La K para muchos gases y vapores aumenta con el incremento de la
temperatura.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Introducción a la conducción
METALES GASES

• Variación de la conductividad en cuanto a la presión:
 la influencia de la presión en sólidos y líquidos es depreciable.
La influencia de la presión en gases es pequeña, excepto a vacíos muy
bajos.

convección
• Es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes
y frías de un fluido por medio de mezclas.
• Esta se debe al movimiento del fluido. El fluido frio
adyacente a superficies calientes recibe calor que luego se
transfiere al resto del fluido frio mezclándose con el.
 




 T
T
h
q s
x
Convección
Ley de Newton
Ts
T∞
q”
Interface entre un sólido y un fluido en movimiento
h = coeficiente de convección [W/m2.K]

Transferencia de calor por Radiación:
Involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a un
recibidor.
4
s
T
E 


T2
T1
4
s
b T
E 

Radiación
En el vació, fluidos o sólidos
Ley de Stefan-Boltzmann
 
4
4
alr
s
rad T
T
q 


 

Talr
Ts
σ = 5,67 x 10-8 W/m.K4

• Enumere las aplicaciones de la transferencia de calor en los procesos
Químicos.?
Explique al menos uno

INTRODUCCIÓN
MÉTODOS DE CALENTAMIENTO INDIRECTO
1. Casi invariablemente se usa agua o vapor en camisas o serpentines (
hasta poco más de 150º). Costo inicial y de funcionamiento es bajo. El
vapor de agua es relativamente barato, no es tóxico, no es corrosivo,
cede su calor a temperatura fija, se transporta en cañerías.
2. Aceites minerales, de 150-320ºC. Buen control de la temperatura, no
son tóxicos, pero son de costo inicial elevado, necesitan muchos
aparatos auxiliares, se descomponen y se inflaman.
3. Que otros medios de calentamiento indirecto conoces?

Solución de problemas de transferencia de calor:
Geometría Plana
Hipótesis: geometría plana, unidimensional, sin generación,
estado estable, conductividad constante.
0







dx
dT
k
dx
d
t
T
C
q
z
T
k
z
y
T
k
y
x
T
k
x
t
z
y
x
p
t
z
y
x














 )
,
,
,
(
)
,
,
,
( 
























0
2
2

dx
T
d
2
1
)
( C
x
C
T x 


Estado estable, geometría plana unidimensional, sin
generación, conductividad constante
1
,
)
0
( s
T
T  2
1
)
( C
x
C
T x 

1
,
2 s
T
C 
2
1
)
( C
x
C
T x 

x
Ts,1
Ts,2
2
,
)
( s
L T
T 
L
T
T
C s
s 1
,
1
,
1


1
,
1
,
2
,
)
( s
s
s
x T
x
L
T
T
T 


L
T
T
A
k
q s
s
x
1
,
2
,
)
(



Aplicando Fourier
T
Ts,2
Ts,1

A
k
L
T
T
q s
s
x
2
,
1
,
)
(


R
E
E
I s
s 2
,
1
, 

A
k
L
q
T
T
R
x
s
s
cond
t 

 2
,
1
,
,
Reacomodando
Análogo Eléctrico
Corriente eléctrica → Flujo de calor
Potencial eléctrico → Temperatura
Resistencia eléctrica → Resistencia térmica

Para los laterales, donde existe convección:
 
 
h
A
R
h
A
T
T
q
T
T
h
A
q
conv
t
s
s
1
1
, 






2
1
)
( C
x
C
T x 

Ts,1
T1
T∞,2
T∞,1 Ts,1 Ts,2
T∞,2
h2
Ts,2
T∞,1
h1

1
,
1
h
A
R conv
t
2
,
1
h
A
R conv
t
k
A
L
R cond
t,
2
1
1
1
h
A
k
A
L
h
A
Rtot 


tot
R
T
T
q 2
,
1
, 
 


A
h
A
k
L
A
k
L
A
k
L
A
h
Rtot










2
3
3
2
2
1
1
1
1
1


 





A
h
A
k
x
R
R t
tot
1
Ts,1
k1 k2 k3
A
Ts,4
T2
T3
T2 T3
Ts,1
Ts,4
T∞,1
h1
T∞,2
h2
T∞,1 T∞,2
L1 L2 L3

A
R
U
tot
1

de esta forma el flujo de calor se puede expresar como:
T
A
U
q 

Coeficiente global de transferencia de calor “U”
El flujo de calor queda expresado en función del coeficiente U,
el área y el salto de temperatura, de manera análoga a la ley de
Newton. U tiene las mismas unidades que h.

Resistencia Térmica de Contacto
Interfaz (Presión) R’t,c X 104
(m2.K/W)
Chip de silicio/aluminio recubierto en aire (27-500 kN/m2) 0.3 - 0.6
Aluminio/aluminio con relleno de hoja de indio (100 kN/m2)  0.07
Acero inoxidable/acero inoxidable con relleno de hoja de
indio (3500 kN/m2)
 0.04
Aluminio/aluminio con recubrimiento metálico (Pb) 0.01 - 0.1
Aluminio/aluminio con grasa Dow Coming 340 (100
kN/m2)
 0.07
Acero inoxidable/acero inoxidable con grasa Dow Coming
340 (3500 kN/m2)
 0.04
Chip de silicio/aluminio con resina epóxica de 0.02 mm 0.2 - 0.9
Bronce/bronce con soldadura de estaño de 15 m 0.025 - 0.14

R”t,c x 104 (m2.K/W)
Presión de contacto
100 kN/m2 10000 kN/m2
Acero inoxidable 6 - 25 0.7 - 4.0
Cobre 1 - 10 0.1 - 0.5
Magnesio 1.5 - 3.5 0.2 - 0.4
Aluminio 1.5 - 5.0 0.2 - 0.4
R”t,c depende de:
• Acabado superficial
• Presión entre superficies
• Sustancia intersticial

R”t,c X 104 [m2.K/W] para interfaz de aluminio
con diferentes fluidos de interfaz (rugosidad de
la superficie de 10 m,¨presión l05 N/m2)
Aire 2.75
Helio 1.05
Hidrógeno 0.720
Aceite de silicio 0.525
Glicerina 0.265

OBJETIVO DEL ESTUDIO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

34
Definición:
• Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para
transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén
separados por una barrera sólida o que se encuentren en
contacto. Son parte esencial de los dispositivos de
refrigeración, acondicionamiento de Aire, producción de
Energía y procesamiento Químico.

35
Tipos de Intercambiadores de Calor
• Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se
puede realizar una clasificación dependiendo de su
construcción. Para la elección del mismo se consideran
aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad,
contenido en sólidos, límite de temperaturas,
conductividad térmica, etc.

CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Según su función
Según su geometría de construcción
Evaporadores
Calentadores
Enfriadores
Intercambiadores
Refrigeradores
Condensadores
Rehervidores
Doble tubo
Coraza y tubo
Torres de enfriamiento
Calderin

37
Intercambiador de Doble Tubo
• Las partes principales son dos juegos de tubos
concéntricos, dos tubos en “T” conectores, un cabezal
de retorno y un codo en U. La tubería interior se
soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido
entra al tubo interior a través de una conexión
roscada localizada en la parte externa del
intercambiador.

38
Intercambiador de Placas
• De placas: formados por un
conjunto de placas de metal
corrugadas (acero inoxidable,
titanio, etc.) contenidas en un
bastidor. El sellado de las placas
se realiza mediante juntas o
bien pueden estar soldadas.

39
Intercambiador de Tubos en U
• Tubulares: formados por
un haz de tubos
corrugados o no, realizado
en diversos materiales. El
haz de tubos se ubica
dentro de una carcasa para
permitir el intercambio con
el fluido a calentar o
enfriar.

40
Intercambiador de Tubo Aleteado
• Tubo aleteado: se
compone de un tubo o haz
de tubos a los que se les
unen unas aletas de
diferentes tamaños y
grosores para permitir el
intercambio entre fluidos y
gases. P. ej., radiador de un
vehículo

41
Intercambiador de Un solo paso

42
Intercambiador de Tubos en Espiral

43
Intercambiador de Cabezal Flotante Interno

44
Intercambiador de Espejo Fijo

45
Intercambiador de Cabezal Flotante con
Empaque Exterior

46
Intercambiador de Calor de Tubos en U

47
Rehervidor de Cabezal Flotante de Caldera

48
Intercambiador con Espejo empaquetado y
Anillo de Cierre Hidráulico

PROCEDIMIENTO BÁSICO DE DISEÑO
Ec. De diseño para flujo de calor a través de una superficie
q = U A dT
Donde
q = W U = w/m2C A = m2 DT = c
Objetivo principal de diseño es determinar A ( dado q, T )

Eficacia en los sistemas de intercambio de calor
E = Calor transferido . =
𝑞
𝑞 𝑚𝑎𝑥
.
Calor máximo transferible

PROBLEMAS TIPOS CON INTERCAMBIADORES DE
CALOR

DIMENSIONAR EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
resumen

DETERMINACIÓN COEFICIENTE DE PELICULA

DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES DE
DOBLE TUBO

PROCEDIMIENTO intercambiadores de doble tubo
Elegir configuración geométrica Dext * Dint
Calcular el áres de flujo en el tubo y anulo
Calular Reynolds y prant para el tubo y anulo
Calcular hi, ho, Uc, Ud
A, NTU,
Laminar
o turbulento
FIN
SI
Velocidad y flujo en el
Intervalo permisible
Calcular ficción,, y
caída de presión en
tubo y anulo
Sobrediseño
adecuado
Análisis
geome
tría
Análisis
geome
tría

DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES DE
CORASA Y TUBO

• El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo
dentro de otro tubo.
• Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en
contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido
caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el
otro fluido circula por la tubería interior.
TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE PASO SIMPLE (1-1)
• El intercambiador más sencillo que consta de dos tubos concéntricos, no es
adecuado cuando el gasto másico es elevado.
• Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de
los tubos que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico
el construirlos formando un conjunto de carcasa y tubos, de forma que se
utiliza una carcasa común para muchos tubos; éste intercambiador, debido
a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la carcasa y un solo
paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 1-1.

• En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede
llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente.
• Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el
que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría),
puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador
de calor.
• En un intercambiador en contracorriente, los coeficientes de transmisión de calor del lado de
la carcasa y del lado de los tubos deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes
para obtener un coeficiente global satisfactorio.
• La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la carcasa son tan importantes como las del
líquido del lado de los tubos.

• Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la
velocidad del lado de la carcasa es menor que la del lado de los
tubos; por esta razón se instalan placas deflectoras con el fin de
disminuir la sección de flujo del líquido del lado de la carcasa y
obligarlo a circular en dirección cruzada a la bancada de tubos
en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se
consigue un coeficiente de transferencia de calor más elevado
en flujo cruzado que en circulación paralela a los tubos.

•El flujo pasa perpendicularmente a los tubos,
circulando hacia abajo en la primera sección, hacia
arriba en la segunda, y así sucesivamente; la
turbulencia adicional que se crea mediante este tipo
de flujo aumenta el coeficiente de transmisión de
calor del lado de la carcasa.

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN
CONTRACORRIENTE (1-2)

El flujo en un intercambiador (1-2) es parcialmente en
contracorriente y parcialmente en corrientes paralelas; en la
figura el conjunto de las curvas de temperatura se
corresponde con un intercambiador de corrientes
paralelas en equicorriente.

En la figura las curvas de temperatura son
para un intercambiador en contracorriente.

En este tipo de intercambiadores disminuye la sección libre para el flujo,
con lo cual aumenta la velocidad, dando lugar a un incremento del
coeficiente de transmisión de calor por convección.
Sus principales desventajas son:
a) El intercambiador es más complicado
b) Aumentan las pérdidas por fricción debido a la mayor velocidad y a la
multiplicación de las pérdidas de carga en la entrada y en la salida.

INTERCAMBIADOR (2-4)
• En la figura las líneas de trazo discontinuo de la distribución de
temperaturas en un intercambiador (2-4) se refieren al fluido del lado de la
carcasa y las de trazo continuo al fluido del lado de los tubos; el fluido que
circula por la carcasa es el más caliente.
• El paso más caliente del fluido de la carcasa está en contacto térmico con
los dos pasos más calientes del lado de los tubos y el paso más frío del lado
de la carcasa lo está con los dos pasos más fríos del lado de los tubos.

INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS
• En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante
utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, en el que
uno de los fluidos (líquido o gas) circula por el interior de los
tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a
circular perpendicularmente al haz de tubos

• El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante convección forzada o
libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de
mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin
mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse
libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido
del interior de los tubos está confinado y no puede mezclarse con ningún
otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor
INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL
• Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico
de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en
evaluar el coeficiente de transferencia térmica global entre las
dos corrientes fluidas.
• El coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido
caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura TF
separados por una pared plana se define mediante la
ecuación:
 
A
h
kA
L
A
h
R
UA
T
T
UA
q
F
c
i
i
i
F
C
1
1
1
1
3
1










•En el caso de un intercambiador de calor formado por
dos tubos concéntricos, el área de la superficie de
intercambio térmico es:
• Interior: Ai = 2 π riL
• Exterior: Ae = 2 π reL
•de forma que, en general:
 
e
F
i
e
i
c A
h
kL
r
r
A
h
UA
e
i
1
2
ln
1
1





•Si el coeficiente de transferencia térmica global viene
referido a la superficie exterior Ae el valor de Ue será:
•mientras que si viene referido a la superficie interior
Ai será:
e
F
i
e
e
i
i
C
e
e
h
r
r
k
r
r
h
r
U
1
ln
1











e
F
e
i
i
e
i
i
C
i
h
r
r
r
r
k
r
h
U











ln
1
1

FACTORES DE SUCIEDAD
• Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de
transferencia de calor global de un intercambiador de calor al
cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en
cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la
mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van
produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la
superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que
pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la
caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que
ésta suciedad origina se conoce con el nombre de
incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica
del sistema.

• La resistencia térmica del depósito se puede determinar,
generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia.
Transmisión de calor entre la cámara de combustión y el agua de
una caldera con incrustaciones calcáreas

Factores de resistencia por ensuciamiento normales
Tipo de fluido Requiv (m2ºK/W)
Agua de mar por debajo de 325°K 0,0009
Agua de mar por encima de 325°K 0,0003
Agua de alimentación de calderas por encima de 325°K 0,0005
Agua de río 0,001-0,004
Agua condensada en un ciclo cerrado 0,0005
Agua de torre de refrigeración tratada 0,001-0,002
Gasóleo ligero 0,0020
Gasóleo pesado 0,0030
Asfalto 0,0050
Gasolina 0,0010
Queroseno 0,0010
Soluciones cáusticas 0,0020
Fluido hidráulico 0,0010
Sales fundidas 0,0005
Gases de escape de un motor 0,010
Aceite combustible 0,0050
Aceites vegetales 0,0030
Vapores de alcohol 0,0001
Vapor, cojinetes sin aceite 0,0005
Vapor, con aceite 0,0010
Vapores refrigerantes, con aceite 0,0020
Aire comprimido 0,0010
Líquido refrigerante 0,0010

•Si se realizan ensayos de rendimiento en un
intercambiador limpio y se repiten después de que el
aparato haya estado en servicio durante algún tiempo,
se puede determinar la resistencia térmica del
depósito (o factor de incrustación) RSuc mediante la
relación:
Limpio
Sucio
Func
U
R
U
1
1



•Siendo
•La expresión del coeficiente global de transmisión de
calor UFunc en funcionamiento al cabo de un tiempo,
referida a la sección exterior Ae es:
i
e
ci
equiv
ce
Limpio
i
e
i
e
Sucio
A
A
h
R
h
U
A
A
R
R
R
1
1
1
;....





i
ci
e
i
e
i
equiv
e
ce
func
A
h
A
A
A
R
R
R
h
U





1
1

• en la que:
• Ulimpio es el coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador
limpio, respecto a la sección exterior
• Usuc. es el coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador
después de producirse el depósito
• hce es el coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo
• hci es el coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo
• Re es la resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del
tubo
• Ri es la resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del
tubo
• Requiv es la resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado
los depósitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en
m2°K/W, basada en el área de la superficie exterior del tubo.

TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS
VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED
• Para determinar la transferencia de calor por unidad de tiempo, y
admitiendo que el calor cedido por un fluido es totalmente absorbido por el
otro, (no hay pérdidas térmicas), se puede hacer el siguiente balance de
energía:
• Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA, en una
misma sección transversal se puede suponer que ambos fluidos toman las
temperaturas TC y TF en estos elementos diferenciales.
• Haciendo ΔT = TC - TF es evidente que la cantidad de calor que pasará del
fluido caliente al fluido frío, por unidad de tiempo es:
   
1
2
2
1 F
F
pF
F
C
C
pC
C T
T
C
m
T
T
C
m
Q 



F
pF
F
C
pC
C dT
C
m
dT
C
m
T
UdA
dQ 




Distribución de temperaturas en intercambiadores de calor
con flujos en contracorriente y de un solo paso de tubos

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA (LMTD).-
• Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes
en carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias
carcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deducción
analítica de una expresión para la diferencia media de temperaturas
resulta muy compleja.
m
T
F
A
U
Q 
 *
*
*

DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA
• Calculamos la transferencia de calor en el arreglo de doble tubo con:
Donde
• U coeficiente total de transferencia de calor
• A área de superficie para transferencia de calor consistente con la definición de U
• ΔTm diferencia de temperatura media conveniente a través del intercambiador de
calor
m
T
UA
Q 

   
1
2
2
1
1
2
2
1
ln
F
C
F
C
F
F
C
C
m
T
T
T
T
T
T
T
T
T








•La expresión anterior se simplifica utilizando las
siguientes relaciones adimensionales:
Coeficiente de efectividad:
Relación de capacidades térmicas:
•que permiten obtener la diferencia media de la
temperatura como una función de F(P,Z).
1
1
2
1
C
F
F
F
T
T
T
T
P



1
2
2
1
F
F
C
C
T
T
T
T
Z




FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA (LMTD)
PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un múltiplo par de
pasos de tubos

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador (1-3), con dos de los pasos en contracorriente

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (2-4)
y un múltiplo par de pasos de tubos

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador (3-2), o un múltiplo par de pasos de tubos

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,
con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un paso de tubos

con mezcla de ambos fluidos y un paso de tubos

con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un múltiplo de 2 pasos de
tubos

DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES
CORASA Y TUBO

CALDERAS
• Son generadores de vapor. Son recipientes cerrados que producen
vapor de agua a mayor presión que la atmosférica, a partir del calor
absorbido desde el hogar de la caldera donde se quema el
combustible.

Se pueden distinguir 3 partes principales:
1. el hogar (fogón) que consta de 1 altar de la parrilla, del
cenicero y cámara de combustible
2. el cuerpo de la caldera (la caldera propiamente tal)
generalmente de forma cilíndrica que contiene el fluido
que se va a calentar.
3. Los conductos de humo, por los que pasan los productos
de la combustión.
El hogar costa de una parrilla donde se coloca el combustible
sólido. Bajo la parrilla está el cenicero donde se acumulan los
residuos de la combustión.

La superficie de calefacción es la zona que está en contacto con el agua
1. y las llamas (superficie de calefacción directa)
2. y los gases de la combustión (superficie de calefacción indirecta).

• COMBUSTIÓN: Es la combinación de una sustancia con el
oxígeno con la formación de calor.
• COMBUSTIBLES INDUSTRIALES: Sustancias que al
combinarse con el oxígeno, arden con gran desprendimiento
de calor. Su obtención debe ser relativamente barata y
deben encontrarse en cantidad abundante. No deben ser
tóxicos, ni destruir el hogar donde se produce la combustión

Combustibles
Se clasifican de acuerdo a su origen y estado físico en :
Naturales:
• Sólidos (madera y carbón)
• Líquidos (petróleo crudo y alquitrán)
• Gaseosos ( gas natural)
Artificiales:
• Sólidos (carbón de madera, cokes, briquetas y residuos)
• Líquidos (gasolina, kerosene, fuel oil, breas líquidas)
• Gaseosos (gas pobre, gas de agua, gas de hulla, gas licuado)

En Chile se usa principalmente hulla (o hulla lignitífera).
Se hace a los carbones dos tipos de análisis:
1. Análisis inmediato: consiste en la determinación de la humedad, materiales
volátiles, carbón fijo y cenizas. Además se determina separadamente, azufre y
poder calorífico.
2. Análisis mediato o elemental: se determinan los porcentajes de carbono,
hidrógeno, nitrógeno y azufre, por métodos analíticos y directos.
• La combustión del carbón se realiza sobre lechos de sobre una parrilla soplando
o aspirando aire (factor muy importante, con poco aire la combustión es
incompleta; con mucho, se enfrían los humos).
• No es muy común el uso de carbón pulverizado.
• El carbón se almacena al aire libre o bajo agua (evita el peligro de combustión
espontánea). La humedad del carbón que se le agrega agua para transportarlo es
de 40%.
• Las cantidades relativas de las cenizas y su composición imponen ciertas
limitaciones al uso del carbón.

Para decidir la aplicación de un combustible, es necesario
tener presente tres características fundamentales:
1. El poder calorífico: es la cantidad de calor que puede obtenerse
por la combustión completa de una cantidad unitaria de sustancia
combustible bajo condiciones definidas.
2. La temperatura de combustión: es la máxima temperatura que se
alcanza de la combustión.
3. Los residuos de la combustión: especialmente cenizas y escorias,
que pueden ser perjudiciales por su cantidad (entorpecen la
combustión y encarecen el transporte) o por su naturaleza (
atacan la estructura del hogar)

Definiciones
• Producción horaria, son los kilogramos de vapor saturado
producido por la caldera por hora.
• Cámara de agua, toda la zona de la caldera que está con
agua durante su operación.
• Cámara de vapor es la zona en el interior de la caldera que
contiene el vapor.
• Domo es una cavidad en forma de bóveda que prolonga por
arriba la cámara de vapor de una caldera y en la cual se
halla la toma de vapor, lejos de la superficie de agua. Por
tanto aumenta el volumen de la cámara de vapor y se
obtiene el vapor más seco posible.

• Capacidad o potencia de una caldera: la mejor forma de expresarla es
a través de la producción horaria. Se usan algunas veces los HP de
caldera, 1 boiler es igual a la evaporación de 34,5 lb de agua desde
212 ºF a vapor a 212ºF. Otra forma es a través del ratting. Así ratting
100% es capaz de transferir 9.100 Kcal/h.

Accesorios de calderas:
• Economizadores : precalientan el agua que se emplea en la producción de vapor;
generalmente son tubos que se ponen en contacto con los humos.
• Precalentadores de aire: se hace pasar por túneles anexos al hogar o conductos de aire.
• Manómetros
• Indicadores de nivel: tubo que da el nivel de agua en la cámara de agua
• Válvulas de seguridad: la más sencilla está formada por un resorte. Si la presión es muy
alta, el resorte cede y sale vapor. Cuando la presión disminuye, el resorte cierra el paso al
vapor.
• Inyectores: usan el mismo vapor para introducir a presión el agua
• Bombas: para agua, centrífugas, para petróleo
• Reguladores automáticos de nivel
• Separadores de vapor, producen cambios bruscos de dirección del vapor para obtenerlo
más seco.

Reglamento de calderas:
• Las calderas de una industria deben inscribirse
inmediatamente y se debe llevar un libro de registro donde
está el Nº de inscripción y el diario de vida de la caldera.
• Están sometidas a controles periódicos y de instalación. Se
les hace una prueba hidráulica y otra de presión.
• Si el agua que llega a la caldera contiene mas de 1 g/l de
dureza debe revisarse cada 6 meses para ver las
incrustaciones.
• Los fogoneros deben tener un certificado de competencia.

Chequeo de rutina que se debe hacer a las calderas
de baja presión:
1. Se debe corroborar el funcionamiento de la válvula de
seguridad.
2. Controlar el tubo de nivel ( se abren y se cierran
periódicamente los grifos).
3. Controlar la presión de trabajo de las bombas.
4. En el caso de usar petróleo, revisar los quemadores y la
llama que dan.
5. Controlar la temperatura del agua de alimentación (es
importante para el rendimiento.
6. Temperatura de los gases de combustión.
7. Se toma muestras en el estanque de condensado y se
determina la dureza.

Tratamiento del agua en alimentación en
calderas:
1. Los precipitados pueden adherirse a las paredes
(incrustaciones).
2. El CO2 y O2 pueden atacar las paredes de acero
(corrosión).
3. El vapor arrastra partículas de agua cargadas con
sustancias salinas disueltas (impurificación del vapor).

Tratamiento externo:
1. Eliminación de materias en suspensión:
1. clarificación (se agregan coagulantes químicos como sulfato
de aluminio) y
2. filtración a través de capas de arena, ripio , calcita, etc.
2. Ablandamiento: tiene por finalidad eliminar las sales
causantes de la dureza (iones alcalino térreos). Se usan
las resinas ácidas, llamadas catiónicas. Contienen un ión
hidrógeno intercambiable con todos los cationes.
Suministran (por intercambiar hidrogeniones) un agua
ácida, la que debe ser neutralizada

Eliminación de gases disueltos:
• El tratamiento se refiere a la eliminación de oxígeno y CO2 dado que
causan corrosión
• Para calderas de baja presión características de industrias pequeñas,
basta un solo tratamiento interno. Esto es la introducción en la
caldera de sustancias capaces de rebajar el ataque o hacer que las
aguas sean inofensivas.

Incrustaciones
• Se usan agentes químicos desincrustantes, que se agregan
directamente al agua, con el fin que las partículas no se
adhieran a las paredes, además de otras sustancias que
actúan sobre la corrosión y la formación de espuma.
• La disolución de las incrustaciones se produce por
fenómenos físicos de desagregación que tienen origen en la
diferencia de volumen entres las incrustaciones sulfatadas o
carbonatadas y los fosfatos insolubles, a los que aquellos
dan lugar.

Resinas
• Una vez agotadas, son regeneradas con HCl o Acido sulfúrico en
exceso. En cambio si son regeneradas con NaCl, es decir, cambiando
un ión sodio por Ca y Mg. Estas resinas catiónicas poseen una
considerable capacidad de intercambio (por ejemplo, 80 de CaCO3/l
de resina.
• La capacidad de una resina se expresa generalmente en g de CaCO3/l
de resina. El rendimiento de una resina disminuye con su uso.

ESQUEMA DE UN EVAPORADOR
Vapor de disolvente
Disolución concentrada
ALIMENTO
CALOR
Vapor
de agua
Condensado

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