intercambiadores de calor - control de procesos Yordan Gonzalez

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
I.U.P. “SANTIAGO MARIÑO” - EXTENSIÓN MARACAIBO
Cátedra: Control de Procesos
Intercambiadores de Calor
Hecho por: Yordan Gonzalez
CI. 22.469.661
Prof.: Ing. Javier Lara
Maracaibo,Enero de 2016

2. Introducción
Bajo la denominación general de intercambiadores de calor, o simplemente
cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para
transferir energía de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se hará
referencia única y exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por
conducción y convección, debido a que el intercambio térmico entre fluidos es uno
de los procesos más frecuente e importante en la ingeniería. “Un intercambiador
de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente
fluida a otra”. En los procesos industriales estos procesos se llevan a cabo en
intercambiadores de calor de varios tipos y estilos de propósito general
construidas para el proceso y las condiciones del lugar de la aplicación.

3. TRANSFERENCIA DE CALOR
Calor es la energía en tránsito desde un sistema con alta temperatura a otro
sistema con más baja temperatura. El calor se asocia con la energía
interna cinética y potencial de un sistema (movimiento molecular
aparentemente desorganizado). El calor siempre fluye desde una región con
temperatura más alta hacia otra región con temperatura más baja. La transferencia
o dispersión del calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles,
conducción, convección y radiación. A nivel industrial se utiliza principalmente la
conducción.
La mayor parte de la toma de la investigación académica lugar en los
procesos de transferencia de calor se concentra en formas de predecir con
exactitud los valores precisos de la resistencia de la capa límite y sobre las formas
de afectar a los valores sin tener que pagar demasiado alto un penalti en términos
de aumento de las pérdidas de presión. El desarrollo de los intercambiadores es
variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología como plantas de
potencia de vapor, plantas de procesamiento químico, calefacción y
acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores
de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.
Efectividad de un Intercambiador de calor
La efectividad de transferencia de calor se define como la
razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a
la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia
de calor. A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor
capacidad mediante c.
En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se aumenta el
área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se
aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite
conforme el área se aproxima al infinito.

4. En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la
temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se
mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.
Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que
expresan la transferencia de calor lograda por diferentes tipos de intercambiadores
de calor.
Conducción del Calor
Si un extremo de una barra de metal está a una temperatura más alta,
entonces se transferirá energía hacia el extremo más frío, debido a las colisiones
de partículas de alta velocidad con las más lentas, produciéndose una
transferencia neta de energía hacia estas últimas. Este proceso es autorregulado,
es decir, se parte de un estado en equilibrio y al ocurrir un cambio en el sistema se
alcanza otro estado en equilibrio después de un tiempo finito. Esto significa
que en términos generales, el modelo de un proceso de intercambio de calor
suele ser de primer orden (estable, pero lento).
Desde el punto de vista de control se tiene que la transferencia de
calor asumiendo pérdidas al exterior despreciables es proporcional a la masa
los fluidos, el calor especifico y el gradiente de temperatura.
Convección del Calor
La convección es la transferencia de calor por medio del movimiento de una
masa fluida, tal como el aire o el agua. Cuando estos se calientan se mueven
hacia fuera de la fuente de calor, transportando consigo la energía. La convección
por encima de una superficie caliente ocurre porque, cuando se calienta el aire en
contacto con la superficie, se expande, se hace menos denso, y se eleva (ver la
ley de gas ideal). De igual manera, el agua caliente es menos densa que la fría y
por tanto se eleva, originando corrientes de convección que transportan energía.

5. La convección también puede originar la circulación de un líquido, como en
el calentamiento de una olla de agua sobre una llama. El agua caliente se
expande y se hace más ligera. El agua más fría, cerca de la superficie es más
densa y desciende. Con ambos movimientos se forma un patrón de circulación,
aunque no tan regular como sugiere la ilustración adjunta.
Algunos intercambiadores de calor empleados en la industria son:
Control automático intercambiador de calor
El lazo básico de un control de retroalimentación consiste de un sensor para
detectar la variable de proceso; un transmisor para convertir la señal del sensor en
una "señal" equivalente (una señal de presión de aire en sistemas neumáticos o
señal de corriente en sistemas analógicos electrónicos); un controlador que
compare esta señal del proceso con un valor de referencia (set point) deseado y
producir una apropiada señal de salida del controlador; y un elemento final de
control que cambie la variable manipulada. Usualmente el elemento final de
control es una válvula de control operada con aire o eléctricamente que se abre o
cierra para variar la razón de flujo de la corriente manipulada el lazo básico de un
control de retroalimentación consiste de un sensor para detectar la variable de
proceso; un transmisor para convertir la señal del sensor en una "señal"
equivalente (una señal de presión de aire en sistemas neumáticos o señal de
corriente en sistemas analógicos electrónicos); un controlador que compare esta
señal del proceso con un valor de referencia (set point) deseado y producir una

6. apropiada señal de salida del controlador; y un elemento final de control que
cambie la variable manipulada.
Usualmente el elemento final de control es una válvula de control operada
con aire o eléctricamente que se abre o cierra para variar la razón de flujo de la
corriente manipulada.
Intercambiadores de Placas Empacas (PHE)
A pesar de ser poco conocido, el intercambiador de placas, llamado también
PHE por sus siglas en inglés: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del
siglo XIX, específicamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 que
comenzó a ser ampliamente usado en la industria láctea por razones sanitarias.
En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por
placas, que no son más que láminas delgadas, rectangulares, en las que se
observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión. A
un lado de cada placa, se localiza una empacadura que bordea todo su perímetro.
La unidad completa mantiene unidos a un cierto número de estas placas, sujetas
cara a cara en un marco. El canal de flujo es el espacio que se forma, gracias a
las empacaduras, entre dos placas adyacentes; arreglando el sistema de tal
forma, que los fluidos fríos y calientes corren alternadamente por dichos canales,
paralelamente al lado más largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas
que conjuntamente con un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las
dos corrientes en sus canales de flujo.

7. Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el
área superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante
continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la
obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades
y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones también son esenciales
para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte
mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta
viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente desmontables para
labores de mantenimiento. No obstante, las condiciones de operación se
encuentran limitadas por las empacaduras. En los primeros equipos la presión
máxima era de 2 bar (0,2 Mpa) y la temperatura alrededor de 60 °C. Pero a pesar
de que el diseño básicamente ha permanecido inalterado, los continuos avances
en los últimos 60 años han incrementado las presiones y temperaturas de
operación hasta los 30 bares (3 Mpa) y 250 ° C, respectivamente. Es importante
destacar que la elección del material de las empacaduras se vuelve más
restringida a altas temperaturas, lo que en consecuencia reduce el número de
fluidos que pueden ser manejados por estos equipos bajo esas condiciones;
además la vida útil de la unidad depende, en gran medida, del rendimiento de las
empacaduras. Inicialmente, este tipo de equipos era usado en el procesamiento
de bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia,
hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando
inclusive, a reemplazar a los intercambiadores de tubo y carcaza.

8. Columnas de destilación
La destilación, es su forma más simple, la separación por vaporización de
los componentes de una solución que resulta de una diferencia de volatilidad de
los componentes. La destilación de múltiples etapas, puede ser llevada a cabo en
una simple columna de pared mojada, la cual es un cilindro vertical sobre cuyas
superficies internas fluyen en contracorriente líquido y vapor. A causa de su
limitada superficie interracial, la transferencia de masa es muy limitada. Una de
las formas de obtener una interface grande consiste en llevar a cabo esta
operación en una torre llena de cuerpos geométricos pequeños (empaque) que
permite el contacto continuo e íntimo entre el líquido y su vapor, al desplazarse a
través de la misma contracorriente.
En la práctica se utilizan gran variedad de materiales para empacar torres,
dentro de estos se encuentran: pedacearía de vidrio, piedras porosas, carbón,
empaque estructurado, o empaque cerámico, entre los principales. Dentro de los
empaques más conocidos se tienen: anillos rashing, anillos lessing, anillos de
partición empaque tipo silla o silla intalox y el empaque estructurado.
Una columna de destilación es una estructura cerrada en la cual se realiza
la separación física de un fluido en dos o más fracciones. Esta separación se logra
sometiendo el fluido a condiciones de presión y temperatura apropiadas a lo largo

9. de la columna, de modo de lograr que las fracciones que se buscan separar se
encuentren en dos estados diferentes. La fracción más pesada (en estado líquido)
baja por gravedad, mientras que la más liviana (en estado gaseoso) sube y se
condensa en las partes superiores.
De esta manera se logra un buen intercambio entre ambas fases
permitiendo la efectiva transferencia de la parte gaseosa del líquido que baja a la
fase gaseosa que sube e, igualmente, de la parte líquida que pueda arrastrar la
fracción gaseosa que sube al líquido que baja como se aprecia en la figura.
Este mecanismo de transferencia se optimiza al maximizar la superficie de
contacto entre ambas fases. En las columnas de destilación esto se realiza
mediante dos tipos de estructuras mecánicas básicas: las estructuras de platos o
bandejas y las estructuras de empaques. Ambas estructuras pueden encontrarse
en una misma columna dependiendo de su diseño y utilización.
Intercambiadores de calor espirales.
Está formado por dos canales de láminas de metal relativamente largos,
normalmente están provistos de pernos soldados para formar el espaciamiento de
la placa, su configuración consiste en el enrollamiento helicoidal de dos placas
alrededor de un mandril, las cuales se separan para formar un par de canales en

10. espiral, a través de los cuales circulan los dos fluidos, como se muestra en la
figura
Los pasajes alternativos están sellados y dan paso a los fluidos, Por lo
tanto, cada fluido circula por un largo pasaje individual dispuesto en un paquete
compacto.
Además el intercambiador, está equipado con cubiertas en cada extremo,
para su inspección y mantenimiento. Los metales de construcción del
intercambiador son conformados en frío y posteriormente soldados.
Los metales más utilizados en este intercambiador son el acero al carbono
y el acero inoxidable. Otros metales que se incluyen en su construcción son el
titanio, Hastelloy, Incoloy, y aleaciones de níquel.
El espiral como elemento básico está sellado, ya sea por soldadura en cada
lado del canal o mediante una junta (Sin asbesto base) en cada tapa lateral para
asegurar los siguientes arreglos alternativos de los dos fluidos:
(1) ambos fluidos se mueven en contracorriente en el espiral
(2) un fluido se mueve en flujo en espiral, mientras que el otro lo hace en flujo en
contracorriente a través de la siguiente espiral, o
(3) un flujo de líquido en espiral, y el otro en una combinación de flujo cruzado y
flujo en espiral.

11. Clasificación de otros tipos de intercambiadores de calor.
Según el tipo de construcción; entre los más importantes tenemos:
Intercambiadores de Tubo y Coraza: De los diversos tipos de
intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las refinerías y plantas
químicas en general debido a que:
 Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y
volumen.
 Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
 Es bastante fácil de limpiar y de reparar.
 Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con
cualquier aplicación.
Intercambiador de Doble Tubo: Este es uno de los diseños más simples y
consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula
por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre
los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y
económica, lo que lo hace muy útil.

12. Intercambiadores Enfriados por Aire y Radiadores: Son equipos de
transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de
un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el
fluido que va por dentro de los mismos. Comúnmente se le conoce como
intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar
perpendicularmente al eje de los tubos.
Consisten en un arreglo rectangular de tubos, usualmente de pocas filas de
profundidad, donde el fluido caliente es condensado y/o enfriado en cada tubo al
soplar o succionar aire a través del haz mediante grandes ventiladores. Debido a
que el coeficiente de transferencia de calor del aire es bajo, es usual que los tubos
posean aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor del lado del
aire. Las filas de tubos generalmente se encuentran colocadas en arreglo
escalonado de modo de incrementar los coeficientes de transferencia del aire. Una
pequeña versión de estos intercambiadores son los radiadores usados en los
sistemas de enfriamiento de los vehículos y en las unidades de aire
acondicionado. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por
lo que generalmente se ubican encima de equipos de proceso (tambores,
intercambiadores, etc.).

13. Según la disposición de los fluidos; entre los más comunes tenemos:
Intercambiadores de Calor de Paso Único: Se distinguen tres tipos básicos:
 Flujo en Paralelo o Corriente: En este tipo ambos fluidos entran al
equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen
por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas
como unidimensionales Termodinámicamente es una de las
disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes
casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya
que produce una temperatura más uniforme; cuando se desea
mantener la misma efectividad del intercambiador sobre un amplio
intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el
inicio de la nucleación.
 Flujo en Contracorriente o Contraflujo: En este tipo los fluidos fluyen
en direcciones opuestas el uno del otro. Las variaciones de
temperatura son idealizadas como unidimensionales Esta es la
disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra.
 Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son
normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas

14. como bidimensionales. Termodinámicamente la efectividad de estos
equipos es intermedia a las dos anteriores.
Intercambiadores de Calor de Pasos Múltiples: Una de las ventajas de los
pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador, con
relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a
la construcción del equipo: Paralelo-cruzado, contracorriente-paralelo,
contracorriente-cruzado y combinaciones de éstos.
Intercambiador de calor de paso único y pasos múltiples
Según el proceso de transferencia:
De Contacto Directo: En este tipo de intercambiador, el calor es transferido
por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y
un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del
proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de
enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.

15. De Contacto Indirecto: En los intercambiadores de tipo contacto indirecto,
las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a
través de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de
una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el
calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido
frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo
almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es
posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es
alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire
para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la
corriente caliente hasta la fría, a través de una delgada pared divisora son
llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente
recuperadores; éstos son los más usados a nivel industrial.
Un factor que se debe tomar en cuenta al momento de utilizar cualquier
proceso de intercambio de calor es el factor de ensuciamiento

16. Estos normalmente son especificados por el cliente sobre la base de su
experiencia en la gestión de su planta o proceso, pero si no se limita a los niveles
adecuados puede negar totalmente los beneficios generados por el diseño hábil.
Representan la resistencia teórica al flujo de calor debido a una acumulación de
una capa de suciedad u otra sustancia de ensuciamiento en una o ambas de las
superficies de los tubos, pero a menudo son exageradas por el usuario final en un
intento de minimizar la frecuencia de limpieza. En realidad ellos pueden, si mal
elegido, conducir a una mayor frecuencia de limpieza. Mecanismos de
ensuciamiento varían con la aplicación, pero se pueden clasificar en cuatro tipos
comunes y fácilmente identificables.
Tipos de ensuciamiento
 Química ensuciamiento donde los cambios químicos en el fluido
causan una capa de suciedad se deposite. Un ejemplo común de
este fenómeno es la escala en un hervidor de agua o caldera
causada por sales de calcio depositar sobre los elementos de
calentamiento como la solubilidad de las sales de reducir al aumentar
la temperatura. Esto está fuera del control del diseñador
intercambiador de calor, pero puede ser minimizado mediante un
control cuidadoso de la temperatura de la pared del tubo en contacto
con el fluido.
 Ensuciamiento biológico causado por el crecimiento de organismos
en el fluido que se depositan a cabo sobre la superficie. Esto está
fuera del control del diseñador intercambiador de calor pero puede
ser influenciada por la elección de los materiales como algunos,
especialmente los latones no ferrosos, son venenosos para algunos
organismos.

17.  Deposición ensuciamiento donde las partículas dentro del fluido se
asientan sobre la superficie cuando la velocidad cae por debajo de
un nivel crítico. Esto es en gran medida bajo el control del diseñador
como la velocidad crítica para cualquier combinación de fluido /
partícula puede ser calculada para permitir un diseño que se elabore
con niveles mínimos de velocidad más alto que el nivel crítico.
Montaje del intercambiador de calor vertical también puede minimizar
el efecto que la gravedad tiende a tirar de las partículas fuera del
intercambiador de calor lejos de la superficie de transferencia de
calor.
 Ensuciamiento corrosión donde una capa de productos de corrosión
se acumula en la superficie del tubo que forma una capa adicional
de, por lo general, el material de alta resistencia térmica. Mediante
una cuidadosa elección de los materiales de construcción, los
efectos pueden ser minimizados como una amplia gama de
materiales resistentes a la corrosión a base de acero inoxidable
están ahora disponibles para el fabricante del intercambiador de
calor.

18. Conclusión
El calor es la transferencia de energía de un objeto a otro como resultado
de una diferencia de temperatura entre los dos. El equilibrio térmico es una
situación en la que dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía
por el proceso de calor ya que los dos alcanzaron la misma temperatura. Los
termómetros son instrumentos que se usan para medir temperaturas, todos están
basados en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia
conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades son: el
volumen de un líquido, la longitud de un sólido, la presión de un gas, la resistencia
eléctrica de un conductor, entre otras. Los equipos de intercambio de calor se
pueden clasificar de acuerdo a diferentes criterios.
Por lo tanto podemos concluir que, el calor se transfiere en forma de
energía, se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor, existen
diversos procesos y mecanismos que nos ayudan a lograr el intercambio de calor
facilitando situaciones físicas que se presenta en la vida diaria, en las que por
ejemplo, es necesario transferir calor desde un fluido caliente hasta uno frio los
cuales pueden tener múltiples propósitos.

19. Referencias
 https://es.wikipedia.org
 http://www.monografias.com
 Kern, D. Q., Procesos de Transferencia de Calor, Compañía Editorial
Continental, S. A., México (1978).
 http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/csalas/OP2/CONCEPTOS.pdf
 html.rincondelvago.com.
 http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf