MANUAL DE CONSULTA
Intercambiadores de Calor
Clayton de México, S.A. de C.V. México, D. F.
www.clayton.com.mx
Clayton Industries City of Industry, Ca., U.S.A. www.claytonindustries.com
Clayton of Belgium N. V. Bornem, Belgium
www.clayton.be
Marco Introductorio
Clayton de México, en su carácter de empresa especializada en
termodinámica aplicada, sistemas y aplicaciones térmicas, hidráulicas e hidrónicas
se ha constituido como un referente obligado en materia de “Criterios de
Selección, Condiciones y Características” de los principales componentes de un
cuarto de máquinas. En virtud de lo anterior y ante la enorme diversidad de
alternativas, configuraciones y opciones, nuestra compañía a través de sus
diferentes áreas de ingeniería térmica, manufactura, proyectos, aplicaciones e
instalaciones especiales han logrado integrar este compendio sobre los aspectos
más relevantes en materia de diseño, configuración, desempeño y aplicaciones de
los principales intercambiadores de calor disponibles y vigentes en el mercado.
A lo largo de este libro se analizará desde un punto de vista práctico y
sintético, los tipos básicos de intercambios caloríficos, disposiciones de las
corrientes, coeficientes respectivos de transferencia térmica, criterios de
valoración y cálculo de transmisión de calor entre fluidos en movimiento con
temperaturas variables, detallando criterios para el cálculo de superficie de
intercambio y resistencia controlante, entre otros factores de notable relevancia.
Se profundizará en temas críticos como la distribución y características del
flujo de fluidos, ahondando en doctrinas de cálculo de intercambiadores de
diversos tipos y en consecuencia derivando en los costos y las conveniencias de
cada modelo.
En el transcurso de esta aventura, se estudiarán las características de los
principales tipos de intercambiadores de calor entre los que destacan;
Intercambiadores con tubos lisos rectos, de serpentines sumergidos, con
superficies extendidas, de placa, compactos, de chaquetas, de tubos en “U”, de
cabezal fijo, de cabezal flotante, de doble tubo aleteados y enfriadores de
cascada, entre otros.
Sin más preámbulo, iniciemos este viaje al apasionante mundo del
intercambio calorífico, sus condiciones, características y aplicaciones, recordando
la premisa fundamental que reza;
“Ingeniería que No se Aplica, No es Ingeniería es Teoría”
Jorge M. Henríquez
Gerente General para México
y América Latina
Propósito
El objetivo fundamental de este libro radica en constituirse como un
compendio a modo de manual de consulta dinámico y sinóptico sobre los
principales conceptos, diseños, tipos, características y aplicaciones de los
intercambiadores de calor más comunes en el mercado actual.
Clayton de México, siempre atento a su cabal compromiso por dotar de los
mejores instrumentos a nuestros clientes, asociados, distribuidores, instaladores,
contratistas, ingenieros relacionados, especificadores electromecánicos e
hidrosanitarios, así como a instituciones educativas y al público en general
interesado en aplicaciones termodinámicas, ha integrado un compendio a modo
de guía referencial de los temas más relevantes sobre intercambio calorífico.
Consideramos este libro como una guía indispensable para cualquier
ingeniero teórico o de campo relacionado al medio termodinámico, sus accesorios
y componentes.
NOMENCLATURA
ΔPcoraza Caída de presión del lado de la coraza en un intercambiador de coraza y tubos
ΔPideal Caída de presión uniforme en la batería de tubos en un intercambiador de coraza y tubos
Ndef Número de deflectores
k* Constante del orden de 0.2 a 0.3
T1 Temperatura de entrada en °C
T2 Temperatura de salida en °C
Je Número de Jensen
NTU Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units)
ΔP Pérdida de carga en un intercambiador de placa en kg/m2
G Flujo másico en kg/h m2
L Longitud del canal de pasaje en m
D Diámetro equivalente del canal de flujo en m
ρ Densidad del fluido en kg/m3
g Constante gravitacional en m/h2
Re Número de Reynolds
f Factor de fricción
•
Q
Transferencia de Calor por unidad de tiempo Ai Área de la superficie de intercambio interiorAe Área de la superficie de intercambio exterior
ri Radio interior
re Radio exterior
U Coeficiente total en kcal/hora m2 °C
Ue Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior
Ui Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie interior
UFunc Coeficiente global de transmisión de calor con el equipo funcionando
ULimpio Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección exterior
Usuc Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito
hCi Coeficiente pelicular de convección del lado interno de la superficie en kcal/hora m2 °C
hCe Coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo
hci Coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo
hFe Coeficiente pelicular de convección del lado externo de la superficie en kcal/hora m2 °C
Ri Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del tubo
Requiv 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 °C h/kcal, basada en el área de la superficie exterior del tubo
Rsucio Resistencia térmica del depósito o factor de incrustación
h Coeficiente pelicular externo (enfriadores de cascada)
W Caudal de masa de agua en kg/h
L Longitud de tubo en m
De Diámetro externo en m
mC Masa de agua caliente
mF Masa de agua fría
LMTD Diferencia media logarítmica de temperatura
ϕ Parámetro adimensional empleado en el cálculo de la LMTD
CpC Capacidad calorífica del fluido caliente
CpF Capacidad calorífica del fluido frío
P Coeficiente de efectividad
z Relación de capacidades térmicas
k' Seudo coeficiente de conductividad del material de la superficie
e Espesor del material, metros
F Factor o cociente de ensuciamiento que permite prever la resistencia adicional que ofrecerá el sarro o incrustaciones al final del periodo de actividad en kcal/hora m2 °C
Re Número de Reynolds Pr Número de Prandtl
ε Efectividad térmica
N Número de placas
i
INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE TEMÁTICO
INTRODUCCIÓN ... 1
CONCEPTOS FUNDAMENTALES ... 1
DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES... 1
TIPOS DE INTERCAMBIADORES... 2
SERPENTINES ... 4
INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS ... 4
Intercambiadores de Paso Simple ... 4
Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza ... 5
Intercambiadores de Tubos en U... 10
Intercambiadores de Cabezal Fijo ... 11
Intercambiadores de Cabezal Flotante ... 12
Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2) ... 14
Intercambiador (2-4) ... 16
Intercambiador de Flujos Cruzados ... 17
INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS ... 18
Intercambiadores de Doble Tubo Aletado ... 18
Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados... 19
Tubos Aletados Helicoidalmente ... 19
Aleta tipo “G” ... 19
Aleta tipo “L” ... 19
Aleta tipo “KL”... 20
Aleta tipo “LL” ... 20
Aleta tipo “Semi Engarzada” ... 20
Aleta tipo “Extruida”... 20
INTERCAMBIADORES COMPACTOS EN ESPIRAL... 21
Disposiciones de las Corrientes... 23
Aplicaciones... 24
INTERCAMBIADORES DE PLACA ... 25
Construcción de los Intercambiadores... 27
1. Materiales y dimensiones de las placas... 27
2. Diseño de las placas ... 27
3. Materiales de Juntas ... 29
Operación de los Intercambiadores de Placas ... 30
ii
2. Flujo de fluidos y transferencia de calor ...31
3. Ensuciamiento en los equipos (fouling)...33
4. Aplicaciones principales ...33
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL...37
FACTOR DE SUCIEDAD ...38
TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO,
A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED ...40
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD ...43
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES...46
CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO...49
MÉTODO APROXIMADO DE CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO ...50
Concepto de Resistencia Controlante...50
Factor de Suciedad ...51
Coeficiente Total ...51
Seudo coeficiente de conductividad ...52
Coeficiente de Película ...52
Intercambiadores de doble tubo ...52
Intercambiadores de haz de tubos y coraza...54
Enfriadores de cascada...54
Recipientes enchaquetados o encamisados ...55
Intercambiadores de serpentines sumergidos...55
Líquidos en ebullición ... 56
Condensadores ...57
Calentadores de gas con bancos de tubos ...57
CÁLCULO APROXIMADO DE INTERCAMBIADORES
DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA ...57
CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS...61
MÉTODO DE RAJU & CHAND ...61
A – Método del Factor de Corrección (Ft) ...61
B – Método de la Eficiencia de la Transferencia de Calor (ε) ...63
MÉTODO DE HASLEGO & POLLEY ...64
Costos de los Intercambiadores de Placas...67
