Intercambiadores de calor: tipos y análisis

INTERCAMBIADORES DE CALOR
 Los intercambiadores de calor son
aparatos que facilitan el intercambio de
calor entre dos fluidos que se encuentran
a temperaturas diferentes y evitan al
mismo tiempo que se mezclen entre sí.
 En un intercambiador la transferencia de
calor suele comprender convección en
cada fluido y conducción a través de la
pared que los separa.

INTERCAMBIADORES DE CALOR
En el análisis de los intercambiadores de
calor resulta conveniente trabajar con un
coeficiente de transferencia de calor total
U que toma en cuenta la contribución de
todos estos efectos sobre dicha
transferencia. La razón de la transferencia
de calor entre los dos fluidos en un lugar
dado a un intercambiador depende de la
magnitud de la diferencia de temperatura
local, la cual varía a lo largo de dicho
intercambiador.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
1.-INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO
En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos
pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro
lo hace por el espacio anular entre los dos tubos.
 flujo paralelo
Los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el
intercambiador por el mismo extremo y se mueven
en la misma dirección.
 flujo en contracorriente
Los fluidos entran en el intercambiador por los
extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

Flujo paralelo contracorriente

2.-INTERCAMBIADOR DE COMPACTO
Diseñado específicamente para lograr un gran área superficial de
transferencia de calor por unidad de volumen.
La razón entre el área superficial y su volumen se llama densidad
de área Un intercambiador con se clasifica como
compacto.
Ejemplo:
 Radiadores de Automóviles
 Intercambiadores de calor de cerámica de vidrios de
las turbinas de gas
 El pulmón humano
2
3 1000m
m
 
2
3 6000m
m
 
2
3 20000m
m
 
2
3 700m
m
 


3.-INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS
Contiene un gran numero de tubos
empacadas en un casco con sus ejes
paralelos al que este. La transferencia de calor
tiene lugar a medida que uno de los fluidos se
mueve por dentro de los tubos, en tanto que el
otro se mueve por fuera de estos, pasando por
la coraza. No son adecuados para uso en
automóviles y aviones debido a su peso y
tamaño relativamente grandes.

4.- INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBOS
Clasificación:
Se realiza de acuerdo al número de pasos que se
realizan por la coraza y por los tubos.
 Cuando los tubos forman una U en la coraza se
dice que son de un paso por la coraza y dos pasos
por los tubos.
 Cuando comprende dos pasos en la coraza y cuatro
pasos en los tubos se le llama dos pasos por la
coraza y cuatro pasos por los tubos.

5.-INTERCAMBIADORES DE PLACAS Y ARMAZÓN
Consta de una serie de placas con pasos
corrugados y aplastados para el flujo fluidos caliente
y frío fluyen en pasos alternados, de este modo
cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos
corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado
una transferencia muy eficaz de calor. Resultan muy
apropiados para aplicaciones de intercambio de
calor de líquido hacia líquido, siempre que las
corrientes de los fluidos caliente y frío se
encuentren más o menos a la misma presión.

6.-INTERCAMBIADOR DE CALOR
REGENERATIVO
Se relaciona con el paso alternado de las
corrientes de los fluidos calientes y fríos
atraves de la misma área de flujo.
Tipo estático
Es una masa porosa que tiene una gran
capacidad de almacenamiento de calor, con
la malla de alambre de cerámica.

6.-INTERCAMBIADOR DE CALOR REGENERATIVO
Tipo dinámico
Consta de un tambor giratorio y se establece un
flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de
partes diferentes de ese tambor, de modo que
diversas partes de este último pasan
periódicamente a través de la corriente caliente,
almacenando calor, y después a través de la
corriente fría, rechazando este calor almacenado.
Una vez más, el tambor sirve como el medio de
transporte del calor de la corriente del fluido caliente
hacia la del frío.

CONTINUACIÓN TIPO DINÁMICO
A menudo a los intercambiadores se les da
nombres específicos que reflejen la
aplicación para la cual se usan por ejemplo.
Un condensador es un intercambiador de
calor en el cual uno de los fluidos se enfría
y se condensa conforme fluye a través de
ese intercambiador.
Una caldera es otro intercambiador en el
cual uno de los fluidos absorbe calor y se
vaporiza.

EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA
DE CALOR TOTAL
La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de
transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y
una por conducción para un intercambiador de calor de doble tubo:
La resistencia térmica
de la pared del tubo
es.

DE CALOR TOTAL
R  R  R 
R
total i pared
D
1 ln   1
  
h A 2
 h A
total
Di
kL
i i o o
R
Área de la superficie interior de la pared que
i A 
separa los dos fluidos.
Área de la superficie exterior de esa misma
o A 
pared. En otras palabras, A
i y A son las áreas
o superficiales de la pared de separación mojada
por los fluidos interior y exterior, respectivamente.

DE CALOR TOTAL
Cuando uno de los
fluidos fluye adentro
de un tubo Circular y
el otro afuera de
este se tiene.
En el análisis de los intercambiadores de calor resulta
conveniente combinar todas las resistencias térmicas que se
encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido
caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la
razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como

DE CALOR TOTAL
(a)
U = Coeficiente de transferencia de calor total, 310735
cuya unidad es
Cancelando en (a)
(b)
2 o
W
m c
T
   R
 R 
UA UA UA U A U A Cuando la pared del tubo es pequeña y la
conductividad térmica del material del mismo es alta,
como suele ser el caso, la resistencia térmica de dicho
tubo R
es despreciable ( = O) y las superficies
pared interior y exterior del mismo son casi idénticas
.
T
R i i o o Q   UAT U AT U A T
1 1 1 1 1
pared
s i o i i o o

DE CALOR TOTAL
Entonces la ecuación (b) para el coeficiente de
transferencia de calor total se simplifica para quedar:
©
donde :
1 1 1
 
U h h
i o
El coeficiente de transferencia de calor total U de la
ecuación © es dominado por el coeficiente de
convección más pequeño, puesto que el inverso de un
número grande es pequeño.

DE CALOR TOTAL
Cuando uno de los coeficientes de convección
es mucho más pequeño que el otro (digamos,
se tiene y, por consiguiente, U  hi
. Por lo
tanto, el coeficiente de transferencia de calor
más pequeño crea un cuello de botella sobre
la trayectoria de la transferencia de calor e
impide gravemente la transferencia de este
último. Esta situación se presenta con
frecuencia cuando uno de los fluidos es un gas
y el otro es un líquido. En esos casos, es
práctica común el uso de aletas del lado del
gas para mejorar el producto UAs y, en
consecuencia, la transferencia de calor en ese
lado.

DE CALOR TOTAL
Cuando el tubo tiene aletas en uno de los
lados para mejorar la transferencia de calor, el
área superficial para la transferencia de calor
total en ese lado Queda
(d)
o total aletas sin aletas A  A  A  A
en donde
= área superficial de las aletas
= es el área de la parte sin aletas de la
superficie del tubo.
aletas A
sin aletas A

DE CALOR TOTAL
Para aletas cortas de alta conductividad térmica se puede usar
esta área total en la relación de la resistencia a la convección
ya que, en este caso, las aletas serán con mucha
1
conv
h A
i s
R

aproximación isotérmicas. De lo contrario, debemos determinar el
área superficial efectiva A, a partir de
(e)
en donde
s sinaletas aletas aletas A  A n A
= eficiencia de la aleta.
aletas n
De esta manera, se toma en cuenta la caída de temperatura a lo
largo de la aleta. Nótese que para las aletas isotérmicas
n 
1
aletas Y por consiguiente, en ese caso, la ecuación (e) se reduce a la
(d).

FACTOR DE INCRUSTACIÓN
El rendimiento de los intercambiadores de
calor suele deteriorarse con el paso del
tiempo como resultado de la acumulación
de depósitos sobre las superficies de
transferencia de calor. La capa de depósitos
representa una resistencia adicional para
esta transferencia y hace que disminuya la
razón de la misma en un intercambiador.

El efecto neto de estas acumulaciones
sobre la transferencia de calor se
representa por un factor de incrustación
Rf el cual es una medida de la resistencia
térmica introducida por la incrustación.
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.

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
superficies 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 metálicos.

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 sobre la
superficie del mismo. El factor de
incrustación depende de la temperatura 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 disminuir la velocidad.

Coeficiente de transferencia de calor total
dada con anterioridad es válida para
superficies limpias y es necesario modificarla
para tomar en cuenta los efectos de la
incrustación sobre las superficies interior y
exterior del tubo.
Para un intercambiador de calor de casco y
tubos, sin aletas, se puede expresar como:
Y factores de incrustación en el área
interna y externa.
fi R fo R

ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES
DE CALOR
 Seleccionar un intercambiador de calor que
logre un cambio de temperatura especifica de
una corriente de fluido de gasto de masa
conocido.
diferencia media logarítmica de temperatura
(LMTD)
 Predecir las temperaturas de salida de las
corrientes de fluido caliente y del frío en un
intercambiador de calor especifico.
método de la efectividad (NTU)

DE CALOR
1.- ley de la termodinámica
(a)
(b)
 
Q  m c c ( T 
T
) pc c , sal c , ent  
Q  m c c ( T 
T
) ph h,ent h,sal = gastos de masa
= calores específicos
= temperaturas de salida
= temperaturas de entrada
 
, c h m m
, pc ph c c
, , , c sal h sal T T
, , , c ent h ent T T

DE CALOR
En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo
resulta conveniente combinar el producto del gasto de
masa y el calor específico de un fluido en una sola
cantidad. Ésta se llama razón de capacidad calorífica y
se define para las corrientes de los fluidos caliente y frío
como:
y
(c)

h h ph
c m c

 c pc c
c 
m c
La razón de capacidad calorífica representa la velocidad
de transferencia de calor necesaria para cambiar la
temperatura de esa corriente en 1°C conforme fluye por
el intercambiador de calor.

DE CALOR

Q  c ( T 
T
) c c , sal c , ent 
Q  c ( T 
T
) h h , ent h , sal La única ocasión en que
la elevación de la
temperatura de un fluido
frío es igual a la caída de
temperatura del fluido
caliente es cuando las
razones de capacidad
calorífica de los dos
fluidos son iguales.

DE CALOR
 Dos tipos especiales de intercambiadores de calor de
uso común en la práctica son los condensadores y
las calderas. En ellos uno de los fluidos pasa por un
proceso de cambio de fase y la razón de la
transferencia de calor se expresa como:
(d)
 
fg
Q 
mh
= rapidez de la evaporación o de la condensación

del fluido
= entalpía de vaporización a la temperatura o
presión especificadas.
m
fg h

DE CALOR
 Un fluido absorve o libera una gran cantidad de calor a temperatura
constante durante un proceso de cambio de fase.
UNO DE LOS FLUIDOS SE
ENFRIA
UNO DE LOS FLUIDOS ABSORVE
CALOR
a) CONDENSADO
R
(Ch → ∞)
(uno de los
fluidos se
condensa)
b) CALDERA
(Cc → ∞)
(uno de los
fluidos
hierve)

DE CALOR
 LA RAZÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN
UN INTERCAMBIADOR TAMBIEN SE PUEDE
EXPRESAR DE UNA MANERA ANÁLOGA A LA LEY
DE NEWTON DEL ENFRIAMIENTO COMO:
U = Coeficiente total de transferencia de calor
As = Área de transferencia de calor
ΔTm = Apropiada diferencia promedio de
temperatura entre los fluidos dos fluidos

MÉTODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA
MEDIA LOGARITMICA
 Considerar el intercambiador de calor de doble tipo y flujo
paralelo.
ΔTmL = DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA
LOGARITMICA
ΔTmL→ REFLEJA EL DECAIMIENTO EXPONENCIAL DE LA
DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOCAL

INTERCAMBIADORES DE CALOR A
CONTRAFLUJO
 La temperatura de salida del flujo frio nunca puede ser mayor
que la de entrada del fluido caliente ya qué este seria una
violación de la segunda ley de la termodinámica.

CONTRAFLUJO
 Si se repite el análisis para encontrar la
diferencia de temperatura media logarítmica
se encontrará el mismo resultado.
ΔTmL > ΔTmL
CONTRAFLUJO FLUJO PARALELO
Por lo tanto se
necesita un área
superficial mas
pequeño, para lograr
una razón especifica
de transferencia de
calor.

CONTRAFLUJO
 Cuando: o bien
RAZON DE
CAPACIDAD
CALORIFICA
FLUIDO CALIENTE
RAZON DE
CAPACIDAD
CALORIFICA
FLUIDO FRÍO
La diferencia de temperatura entre los dos fluidos caliente y frío
permanecerá constante a lo largo del intercambiador:
Por lo tanto mediante la aplicación de la regla de L´HOSPITAL, se puede
demostrar que, en este caso:
Se puede considerar que un condensador o una caldera son
intercambiadores de calor de flujo paralelo o a contraflujo, ya que los dos
enfoques conducen al mismo resultado.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PASOSO
MÚLTIPLES Y DE FLUJO CRUZADO
 La diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTmL desarrollada con anterioridad sólo se limita
a los intercambiadores de flujo paralelo o a
contracorriente.
 Para los intercambiadores de flujo cruzado y de
corza y tubos de pasos múltiples se utiliza el
factor de corrección F para relacionar la
diferencia equivalente de temperatura con la
diferencia media logarítmica para el caso de
contracorriente.
F = Factor de corrección
ΔTmL,CF = diferencia de temperatura
media logarítmica para el caso en
contracorriente

 ΔTmL,CF se determina en base a la ecuación
Tomando y
de acuerdo con la figura que se muestra:

 Para un intercambiador de flujo cruzado y uno
de casco y tubos de pasos múltiples, el factor
de corrección es menor que la unidad; es decir,
F ≤ 1.
El valor límite de F = 1 corresponde al
intercambiador a contracorriente. Por tanto, el
factor de corrección F para un intercambiador
de calor es una medida de la desviación de la
ΔTmI con respecto a los valores
correspondientes para el caso de
contracorriente.

 Existen diagramas del factor de corrección F para las
configuraciones comunes de los intercambiadores de
flujo cruzado y de casco y tubos en función de las
razones P y R entre dos temperaturas, definidas
como:
 SUBINDICE 1 ← ENTRADA
 SUBINDICE 2 ← SALIDA
 T → temperaturas del lado de la coraza
 t → temperaturas del lado del tubo

 No existe diferencia en que el fluido caliente o el frío
fluyan por la coraza o el tubo. La determinación del factor
de corrección F requiere que se disponga de las
temperaturas de entrada y de salida, tanto para el fluido
frío como para el caliente.
 El valor de P va desde O hasta 1. Por otra parte, el de R
va desde O hasta infinito, R = O corresponde al cambio
de fase (condensación o ebullición) del lado del casco y
R → ∞ corresponde al cambio de fase del lado del tubo.
 El factor de corrección es F = 1 para estos dos casos
límites. Por lo tanto, el factor de corrección para un
condensador O una caldera es F = 1, sin importar la
configuración del intercambiador de calor.

 Determinación de la razón de la transferencia de calor
para intercambiadores de calor de flujo cruzado y de
coraza y tubos de pasos múltiples, mediante el uso del
factor de corrección:

MÉTODO DE LA EFECTIVIDAD NTU
 El método de la diferencia de temperatura
media logarítmica es fácil de aplicar en el
análisis de los intercambiadores de calor
cuando se conocen, o se pueden determinar,
las temperaturas a la entrada y a la salida
de los fluidos caliente y frío a partir de un
balance de energía.

 Una vez que se dispone de la ΔTmI , los gastos de
masa y el coeficiente de transferencia de calor total
se puede determinar el área superficial de
transferencia de calor a partir de:
 Por lo tanto, el método de la diferencia media
logarítmica resulta muy adecuado para la
determinación del tamaño de un intercambiador de
calor con el fin de dar lugar a las temperaturas
prescritas de salida cuando se especifican los
gastos de masa y las temperaturas de entrada y
de salida de los fluidos caliente y frío.

 Con el método de la diferencia de temperatura media, la tarea es
seleccionar un intercambiador que satisfaga los requisitos prescritos de
transferencia de calor, siguiendo los siguientes pasos:
1. Seleccionar el tipo de intercambiador de calor apropiado para la
aplicación.
2. Determinar cualquier temperatura desconocida de entrada o de salida y
la razón de la transferencia de calor mediante un balance de energía.
3. Calcular la diferencia de temperatura media logarítmica ΔTmI y el factor
de corrección F si es necesario.
4. Obtener (seleccionar o calcular) el valor del coeficiente de transferencia
de calor total U.
5. Calcular el área superficial As de transferencia de calor.
 La tarea se completa al seleccionar un intercambiador de calor que
tenga un área superficial de transferencia de calor igual a As o mayor
que ésta.

 Una segunda clase de problema que se encuentra en
el análisis de los intercambiadores de calor es la
determinación de la razón de la transferencia de
calor y las temperaturas de salida de los fluidos
caliente y frío para valores prescritos de gastos de
masa y temperaturas de entrada, cuando se
especifican el tipo y el tamaño del intercambiador.
 En este caso se conoce el área superficial pero se
ignoran las temperaturas de salida. Por lo tanto la
tarea es determinar el rendimiento con respecto a la
transferencia de calor de un intercambiador de calor
específico o bien, determinar si un intercambiador del
que se dispone en el almacén realizará el trabajo.

 Para simplificar el análisis de los
intercambiadores de calor existe un
procedimiento llamado método de la
efectividad-NTU.
 Este método se basa en un parámetro
adimensional llamado efectividad de la
transferencia de calor ε:

 La razón de la transferencia de calor real de
un intercambiador de calor se puede
determinar con base en un balance de
energía en los fluidos caliente y frío y se
puede expresar como:
 Donde:
y

 Para determinar la razón máxima posible de
la transferencia de calor de un
intercambiador, en primer lugar se reconoce
que la diferencia de temperatura máxima
que se produce en él es la diferencia entre
las temperaturas de entrada de los fluidos
caliente y frío:

 La transferencia de calor en un intercambiador
alcanzará su valor máximo cuando:
1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de
entrada del caliente
2) el fluido caliente se enfríe hasta la temperatura
de entrada del frío.
Estas dos condiciones límites no se alcanzarán
en forma simultánea a menos que las razones
de capacidad calorífica de los fluidos caliente y
frío sean idénticas (es decir, Cc = Ch).

 Cuando Cc ≠ Ch, el cual suele ser el caso, el
fluido con la razón de capacidad calorífica
menor experimentará un cambio más grande
en la temperatura y, de este modo, será el
primero en experimentar la diferencia
máxima de temperatura, en cuyo punto se
suspenderá la transferencia de calor.

 Por lo tanto la razón máxima posible de
transferencia de calor en un intercambiador
es:

Por lo tanto:

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