intercambiadors

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2.2.9 Intercambiadores de calor.
Los intercambiadores de calor son equipos que permiten transferir energía (calor) de
un fluido a otro sin ponerlos en contacto directo, la transferencia se produce a través de una
pared sólida que los separa.
Un fluído transfiere calor por convección a una pared sólida, el calor atraviesa esta por
conducción y por último el otro fluído recibe latransferencia por convección.
Los tipos mas usuales son:
a.- intercambiadores de doble tubo.
b.- intercambiadores de carcasa y tubos.
c.- intercambiadores compactos.

A continuación se presenta una breve descripción:
a.- Intercambiadores de doble tubo.
Están constituídos por dos tubos concéntricos, un fluído circula por el tubo interior
y el otro por el ánulo que queda entre ambos tubos, latransferencia se realiza a través de la
pared del tubo interior.

Area de flujo
fluido sin tubo
interior

Area de flujo del
fluido en anillo
Pared de transferencia

Constructivamente estan constituidos por juegos de tubos concéntricos ,"tes"
conectoras, cabezales de retorno y codos en U según el esquema siguiente.
Este esquema representa una "horquilla" Los intercambiadores de dobletubo están
constituídos por varias horquillas interconectadas para obtener el área de transferencia, que
como veremos, se prevé en el cálculo de su diseño.

20

Bases del diseño:
Consideramos un tramo de doble tubo:

H2

H1

H1: coef. De transferencia por conveccion
fluido 1 – pared.
H2: coef. De transferencia por conveccion
fluido 2 – pared
K: conductividad térmica de la pared.r1
r2

Supongamos que por el tubo interior circula un fluído 1., con temperatura de entrada
T11 y de salida T12, que calienta al fluído 2 que circula por el ánulo con temperatura de
entrada T21 de salida T22 (estamos suponiendo (T 1 > T 2)
Existen dos posibilidades:
i.- Los dos fluidos circulan en la misma dirección: flujo paralelo.
En ese caso la variación de temperaturas a lo largodel tramo será:

temperaturas

T11
T12
T22 Gráfico 1

T21
O
Entrada del tramo

Longitud del tramo

L
Salida del tramo

ü.- Los dos fluidos circulan en direcciones contrarias: flujo contracorriente.

21

En ese caso la variación de temperaturas a lo largo del tramo será:

Temperaturas
T11
T12

T22

Gráfico 2

T21

Longitud del tramo
L
Salida para el fluído fríoO
Entrada para el fluido frío

Si se considera un diferencial de la superficie de transferencia (dA), correspondiente a un
diferencial de longitud (dL), en el tramo analizado, de manera que se puedan considerar las
propiedades de los fluidos constantes,la potencia transferida a través de diferencial de
superficie será:
dq =

1
∗ dA ∗ (T 1 * − T 2 *)
RT

Siendo T 1 * y T 2 * .lastemperaturas del fluido 1 y 2 respectivamente en zona del
tramo considerado (los fluidos en contacto con la superficie dA) y RT la resistencia térmica
entre los fluidos caliente y frío.
dq =

1
r 1 ´´
ln
r1
1
(
+
2π ∗ r 1 ∗ dl ∗ h1 2π ∗ k ∗ dl

∗ dA ∗ (T 1 ´´ − T
+

´´
2

)

(1)

1
2π ∗ r 2 ∗ dl ∗ h 2

Siendo dl la longitud de tramo asociado al área dA.
r 1 = radiointerno del tubo interior
r 1 ´ = radio externo del tubo interior
Debido a lo delgado de la pared del tubo, en algunos casos, puede considerarse
(como buena aproximación) la conducción en una placa plana. En dicho caso:

22

r1 ´
r1
e
≈
2π ∗ k ∗ dl k ∗ 2π ∗ r 1 ∗ dl
ln

siendo e =r 1 ´´−r 1

Par obtener toda la potencia transferida en el tramo (q), conceptualmente, deberíamos
integrarla ecuación (1).
q

1

∫ dq = ∫ R
0

A

*
∗ (T *−t 2 ) ∗ dA
1

T

El problema es que las propiedades de los fluídos cambian a lo largo de los tubos
debido a la variación de temperatura (ver gráficos 1 y 2).
Esto implica que, en cada punto a lo largo de los tubos tendremos distintos.
*
h1 , h 2 , T * y t 2 .
1

Como resultado de la integración, resulta que el calor total...