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Transferencia de calor, intercambiadores de calor, transferencia de masa
Tipo: Apuntes
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Prácticamente en todas las operaciones que realiza el Ingeniero Químico interviene la producción o absorción
de energía en forma de calor. Las leyes que rigen la transmisión de calor y el tipo de aparatos, cuyo fin principal
es el control del flujo de calor, tienen, por tanto, una gran importancia.
Naturaleza del Flujo de Calor
Cuando dos objetos que están a temperaturas diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye desde el
objeto de temperatura mas elevada hacia el de temperatura mas baja. El flujo neto se produce siempre en el
sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por lo que fluye el calor son tres: conducción, convección
y radiación.
Conducción
Si existe un gradiente de temperatura en una sustancia el calor puede fluir sin que tenga lugar un movimiento
observable de la materia.
El flujo de calor de este tipo recibe el nombre de conducción. En sólidos metálicos la conducción del calor resulta
del movimiento de los electrones no ligados y existe una estrecha relación entre la conductividad térmica y la
conductividad eléctrica.
En los sólidos que son malos conductores de la electricidad, y en la mayor parte de los líquidos, la conducción
del calor se debe al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiente
de temperatura. En gases la conducción se produce por el movimiento al azar de las moléculas, de forma que
el calor difunde desde regiones más calientes hasta otras más frías. El ejemplo más común de conducción es
el flujo de calor en sólidos opacos, tales como la pared metálica de un tubo.
Convección
Cuando una corriente o una partícula macroscópica de fluido cruza una superficie, tal como el límite de un
volumen de control, lleva consigo una determinada cantidad de entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el nombre
de flujo convectivo de calor o simplemente convección. Puesto que la convección es un fenómeno macroscópico,
solamente puede ocurrir cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su
movimiento frente a las fueras de fricción. La convección esta estrechamente relacionada con la mecánica de
fluidos. De hecho, desde el punto de vista termodinámico, la convección no es considerada como un flujo de
calor si no como una densidad de flujo de entalpía. La identificación de la convección con el flujo de calor es
una cuestión de conveniencia, debido a que en la práctica es difícil separar la convección de la conducción
verdadera cuando ambas se engloban conjuntamente bajo el nombre de convección. Ejemplos de convección
son la transferencia de entalpía por los remolinos del flujo turbulento y por la corriente de aire caliente que circula
a través y hacia fuera de un radiador ordinario.
Convección Natural y Forzada
Las fuerzas utilizadas para crear las corrientes de convección en los fluidos son de dos tipos. Si las corrientes
son la consecuencia de las fuerzas de flotación generadas por diferencias de densidad, que a su vez se originan
por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la acción recibe el nombre de convección natural. El flujo
de aire a través de un radiador caliente es un ejemplo, de convección natural. Si las corrientes se ponen en
movimiento por la acción de un dispositivo mecánico, tal como una bomba o un agitador, el flujo es independiente
de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convección forzada.
El flujo de calor hacia un fluido que se bombea a través de una tubería caliente es un ejemplo de convección
forzada. Los dos tipos de fuerzas pueden ser activas simultáneamente en el mismo fluido, teniendo lugar
conjuntamente convección natural y forzada.
Radiación
Radiación es la palabra que se utiliza para designar la transmisión de energía a través del espacio por medio de
ondas electromagnéticas. Si la radiación pasa a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra
forma de energía. Sin embargo, si en su camino se encuentra material, la radiación se transmitirá, reflejará o
absorberá. Solamente la energía absorbida es la que aparece como calor y esta transformación es cuantitativa.
Por ejemplo, el cuarzo fundido transmite prácticamente toda la radiación que incide sobre él; una superficie opaca
pulimentada o un espejo reflejan la mayor parte de la radiación incidente; una superficie negra o mate absorbe
la mayor parte de la radiación que recibe y la energía absorbida es transformada cuantitativamente en calor.
Los gases monoatómicos y diatómicos son transparentes a la radiación térmica, y es muy frecuente encontrarse
con que el calor fluye a través de masas de tales gases por radiación y por conducción-convección. Ejemplos
son las pérdidas de calor, desde un radiador o una tubería no aislada que conduce vapor de agua, hacia el aire
ambiente de una habitación, así como la transmisión de calor en hornos y otros aparatos que operan con gases
a temperaturas elevadas. Los dos mecanismos son mutuamente independientes y transcurren paralelamente,
de tal forma que un tipo de flujo de calor puede ser controlado o variado independientemente del otro.
Conducción-convección y radiación pueden estudiarse separadamente y sumar sus efectos separados cuando
ambos son importantes. En términos generales, la radiación se hace importante a temperaturas elevadas y es
independiente de las circunstancias del flujo del fluido. La conducción-convección es sensible a las condiciones
de flujo y es relativamente afectada por el nivel de temperatura.
Actividad 1.- Los alumnos formarán equipos los cuales expondrán y se verificará con la ayuda de una lista de
cotejo el tema 1 de la unidad 1, donde se utilizará como elementos de evaluación: la asistencia, el contenido, un
cuestionario con 20 preguntas, así como una dinámica la cual puede ser una práctica del tema a expuesto.
Actividad 2.- Los alumnos realizarán tres tareas de investigación estas se evaluarán y revisarán por medio de
la Web en el Google drive:
Tarea 1.- Investigar y realizar un resumen de transferencia de calor por Conducción.
Tarea 2.- Investigar y realizar un resumen de transferencia de calor por Convección.
Tarea 3.- Investigar y realizar un resumen de transferencia de calor por Radiación.
Actividad 3.- Los alumnos realizarán un ensayo y/o resumen de la exposición con el formato de introducción,
desarrollo y conclusión, enviado y revisado por medio de la Web en el Google drive.
Actividad 4 .- Los alumnos realizarán la práctica No.1 “Escalas Termométricas”, procedente del manual de
laboratorio de Química de operaciones unitarias I.
Actividad 5 .- Reporte de práctica de laboratorio. Los alumnos elaborarán el reporte de la práctica 1 utilizando la
rúbrica para el reporte de práctica del laboratorio de Química.
Saber: Explicará el concepto de transferencia de calor
por conducción y convección.
ejemplo de flujo unidimensional de calor. La pared está inicialmente a 80°F, que corresponde a la temperatura
de equilibrio con el aire. La distribución de temperatura en la pared esta representada por la línea 1. A la
temperatura de equilibrio, T es independiente del tiempo y de la posición. Supongamos ahora que una de las
caras de la pared se expone bruscamente al gas de un horno que esta a la temperatura de 1200°F. admitiendo
que la resistencia al flujo de calor entre el gas y la pared es despreciable, la temperatura de la cara de la pared
que esta en contacto con el gas sube bruscamente a 1200°F.
Fig. 1. Distribuciones de temperatura durante el calentamiento no estacionario de la pared de un horno I, en el instante en que la pared se
expone a la temperatura elevada; II, al cabo del tiempo t de calentamiento; III, en estado estacionario.
Y comienza el flujo de calor. Al cabo de un cierto tiempo, la distribución de temperatura puede representarse
por una línea como la curva II. En ese instante, la temperatura a una determinada distancia, por ejemplo, la del
punto C, esta aumentando, y T depende del tiempo y de la localización. El proceso se denomina conducción en
estado no estacionario, y la ecuación 1 es aplicable a cada punto de la lámina con cada instante. Finalmente, si
la pared se mantiene en contacto con el gas caliente y el aire frío durante un tiempo suficientemente grande, se
obtiene la distribución permanecerá inalterable a lo largo del tiempo. La conducción que tiene lugar con una
distribución constante de temperatura recibe el nombre de conducción en estado estacionario. En el estado
estacionario, T es una función exclusiva de la posición, y la velocidad de flujo de calor en un punto cualquiera es
constante. Para el flujo, estacionario unidimensional, la ecuación 1 puede escribirse en esta forma:
𝑞
𝐴
𝑑𝑇
𝑑𝑛
…… Ecuación (2)
Conductividad Calorífica
La constante de proporcionalidad k es una propiedad de la sustancia que se denomina conductividad calorífica
y, análogamente a la viscosidad newtoniana μ, es una de las llamadas propiedades de transporte. Esta
terminología se basa en la analogía existente entre la ecuación (la viscosidad se define Ʈv = μ/ gc du/ dy ) y la
ecuación (2). En la ecuación antes mencionada Ʈgc es la velocidad de flujo de cantidad movimiento por unidad
de área, du/dy es el gradiente de velocidad, y μ es el factor de proporcionalidad que se requiere. En la ecuación
(2), q/A es la velocidad de flujo de calor por unidad de área, dT/dn es el gradiente de temperatura y k es el factor
de proporcionalidad.
En unidades de ingeniería que se mide en BTU /h o wattios y dT/ dn es °F/pies o en °C/n. Las unidades de k,
son BTU/pie
2
de temperatura, pero no tiene necesariamente porque serlo de la temperatura en sí. La experiencia confirma la
independencia de k en un amplio, intervalo de gradientes de temperatura, excepto para sólidos, donde la
radiación entre las partículas, que no sigue una ley lineal con la temperatura, es responsable de una parte
importante del flujo total de calor. Por otra parte, k es una función de la temperatura, pero la variación es
relativamente pequeña, de forma que, para pequeños intervalos de temperatura, k puede considerarse
constante. Para intervalos de temperatura mayores la conductividad calorífica varía linealmente con la
temperatura, de acuerdo con la ecuación.
AIRE
80°F
Gas
caliente
80°F
c
B
K = a + bT…… Ecuación (3)
Siendo a y b constantes empíricas. La línea III de la figura (1) corresponde a un sólido de k constante cuando
b=0. Si k varia con la temperatura la línea presenta una cierta curvatura.
Las conductividades caloríficas varían en un amplio intervalo; son muy elevadas para los metales y muy bajas
para materiales finamente pulverizados de los que se ha extraído el aire. La conductividad calorífica de la plata
es del orden de 240 BTU/pies-h-°F, mientras que la del aerogel de sílice evacuado vale solamente 0.0012. Los
sólidos que poseen valores bajos de k se utilizan como aislantes térmicos con el fin de reducir al mínimo la
velocidad de flujo de calor. Los materiales aislantes porosos, tales como la espuma de poliestireno, actúan
ocluyendo el aire y eliminando de esta forma la convección, con lo cual sus valores de k son aproximadamente,
iguales a los del aire.
Conducción en Estado Estacionario
Como caso más sencillo de conducción en estado estacionario, consideremos una lámina plana como la de la
fig. 1. Supóngase que k es independiente de la temperatura y que el área de la pared es muy grande en
comparación con su espesor, de forma que las pérdidas de calor por los bordes sean despreciables. Las
superficies exteriores de la lámina son isotérmicas y perpendiculares al plano de la ilustración. Puesto que la
conducción tiene lugar en estado estacionario no hay acumulación, ni vaciamiento de calor en el interior de la
lámina y q permanece constante a lo largo del camino que sigue el flujo de calor. Si x es la distancia medida
desde el lado caliente, la ec. (2) puede escribirse así
𝑞
𝐴
= - k
𝑑𝑇
𝑑𝑥
O bien
𝑞
𝑘𝐴
𝑑𝑥 …… Ecuación (4)
Teniendo en cuenta que las dos únicas variables de la ec. 4 son x y T, se puede integrar directamente para
obtener.
𝑞
𝐴
𝑇 1 −𝑇 2
𝑋 2 −𝑋 1
Δ𝑇
β
…… Ecuación (5)
Siendo x 2 – x 1 =β, el espesor de la lámina y T 1 – T 2 = ΔT, la caída de temperatura a través de la lámina. Cuando
la conductividad calorífica varía linealmente con la temperatura según la ecuación 3, la ecuación 5 es
rigurosamente aplicable utilizando en vez de k un valor medio K , que se puede obtener tomando la media
aritmética de los valores individuales de k para las temperatura de las dos superficies, T 1 y T 2 , o bien calculando
la media aritmética de las temperatura y evaluando k a dicha temperatura media. La ecuación 5 se puede
escribir en esta forma
Δ𝑇
R
…… Ecuación (6)
Donde R es la resistencia térmica del sólido entre los puntos 1 y 2. La ecuación (6) es un caso particular del
principio general de velocidad, según el cual una velocidad es igual al cociente entre una fuera impulsora y una
resistencia. En conducción de calor, q es la velocidad y AT es la fuerza impulsora. La resistencia R, de acuerdo
Saber Hacer: Mediante la Práctica de laboratorio de
Formas de Transmisión de Calor el alumno conocerá y
observará formas de transmisión de calor.
La radiación, que puede considerarse como energía que fluye a través del espacio con la velocidad de la luz, se
puede originar de varias formas. Algunas sustancias emiten radiación cuando se tratan por agentes externos,
tales como bombardeo de electrones, descarga eléctrica o radiación de longitud de onda determinadas. La
radiación debida a estos efectos es de poca importancia en ingeniería química y no se considerará aquí. Todas
las sustancias a temperatura superiores al cero absoluto emiten una radiación que resulta exclusivamente de la
temperatura se llama radiación térmica, y todo el tratamiento que sigue está restringido a la radiación de este
tipo.
1
Hechos Fundamentales Relacionados con la Radiación
La radiación se mueve a través del espacio siguiendo líneas rectas, o rayos, y solamente las sustancias, que
están a la vista del cuerpo radiante pueden interceptar la radicación procedente de él. La fracción reflejada de
la radiación que incide sobre un cuerpo se llama reflectancia o coeficiente de reflexión, y se representa por p.
La fracción que es absorbida se llama coeficiente de absorción o absorbancia y se representa por α. La fracción
transmitida se llama transmitancia y se representa por Ʈ. La suma de estas fracciones tiene que ser igual a la
unidad, o sea
α + p + Ʈ = 1 ...…. Ecuación (1)
La radiación como tal no es calor, y cuando por absorción se transforma en calor ya no es radiación. Sin
embargo, en la práctica la radiación reflejada o transmitida incide generalmente sobre otros cuerpos absorbentes
y se convierte eventualmente en calor, tal vez después de mucha reflexión es sucesivas
1
El valor máximo posible del coeficiente de absorción es la unidad, y se alcanza solamente cuando el cuerpo
absorbe toda la radiación. Un cuerpo que absorbe toda la radiación incide recibe el nombre de cuerpo negro
1
Emisión de Radiación
La radiación emitida por cualquier masa de sustancia es independiente de que sea emitida por otro material que
esté a la vista de, o en contacto con, la masa. La energía neta ganada o pérdida por un cuerpo y la absorbida
por el mismo debido a la radiación procedente de otros cuerpos. Con independencia de la radiación, el flujo de
calor puede tener también lugar por conducción y convección.
1
Cuando cuerpos a diferentes temperaturas, se colocan unos a la vista de otros en el interior de un recinto, los
cuerpos más calientes pierden, energía debido a la emisión más rápida de radiación que la recepción de energía
debido a la absorción de radiación procedente de cuerpos más fríos, y la temperatura de los cuerpos más
calientes disminuye. Simultáneamente, los cuerpos más fríos absorben energía procedente de los más calientes
con una velocidad mayor de la que emiten energía y la temperatura de los cuerpos más fríos aumenta. El
proceso llega a equilibrio cuando todos los cuerpos alcanzan la misma temperatura. Lo mismo que ocurre en
la transmisión de calor por conducción y convección. La conversión de radiación en calor debido a la absorción
y el alcance del equilibrio de temperatura a través de la transferencia neta de radiación justifica la práctica
habitual de la denominación de calor de radiación.
1
Leyes de la Radiación del Cuerpo Negro
Una relación básica para la radiación del cuerpo negro es la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual el poder
emisor total de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, wb = σ T
4
donde
σ es una constante universal que depende solamente de las unidades utilizadas para medir T y w b.
La ley de
Stefan- Boltzamann es una consecuencia de las leyes de la πtermodinámica y del electromagnetismo.
1
La distribución de energía en el espectro de un cuerpo negro se conoce con toda exactitud, viene dada por la ley
de Planck.
1
Wb, λ =
ℎ𝑐/𝑘𝜆
Donde:
W b, λ = poder emisor monocromático del cuerpo negro
h = constante de Planck
c = velocidad de la luz
λ = longitud de onda de la radiación
k = Constante de Boltzmann
T = temperatura absoluta
La ecuación puede escribirse de la manera siguiente:
− 5
𝑐 2 /𝜆𝑇
Donde C 1 y C 2 son constantes. Las unidades y magnitudes de las variables y constantes que intervienen en
las ecuaciones se presentan en la lista de símbolos del final del capítulo. Se presentan en gráficas la W b,λ
frente
a λ de acuerdo con la ec. Las líneas de trazo continuo corresponden a radiación de cuerpos negros para
temperaturas 1000, 1500 y 2000°F y la línea de puntos corresponde al poder radiante monocromático de un
cuerpo gris emisividad 0.9 a 200°F.
1
Se puede demostrar que la ley de Planck es consistente con la ley de Stephan-Boltzmann sustituyendo Wb,λ de
la ecuación e integrando.
1
Para cualquier temperatura dad, el máximo poder radiante monocromático se obtiene para una longitud de onda
definida que se representa por λmáx. La ley del desplazamiento de Wien establece que λmáx es inversamente
proporcional a la temperatura absoluta, es decir.
1
λmáx
El valor de la constante C es 2890 cuando λmáx, está en micrómetros y T en grados Kelvin, o bien 5200 cuando
T está en grados Rankine. La ley Wien puede deducirse también a partir de la ley de Planck diferenciando con
respecto a 1, igualando la derivada a cero y despejando λmáx.
1
Actividad 1. Los alumnos formarán equipos para exposición del tema y serán evaluados en base a una lista de
cotejo, y un criterio de asistencia, contenido, cuestionario y práctica propuesta de laboratorio.
Lista de Cotejo del Resultado de Aprendizaje
Elementos Cumple Observaciones
1.- Realiza una introducción concreta y relacionada con el contenido
2.- El reporte contiene:
3.- Realiza una conclusión asertiva del caso práctico.
4.- Presentación del reporte de resultado de aprendizaje.
5.- Referencia Bibliográfica de acuerdo con el APA
Objetivo de la unidad de aprendizaje: El alumno seleccionará el tipo de intercambiador de calor, para contribuir
a la optimización del proceso.
Resultado de Aprendizaje: A partir de un caso de procesos fisicoquímicos, elabora una propuesta que
contenga:
Saber: Identificar la clasificación y aplicación de los
intercambiadores de calor en procesos fisicoquímicos
En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a
otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha
tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario
para comprender cómo estos funcionan y operan para un adecuado y operan para un adecuado desempeño.
Los intercambiadores de calor como dispositivos permiten remover calor de un punto a otro de manera especifica
en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo
paralelo, contraflujo, flujo cruzado. Además, se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su
construcción: tubo y carcaza, placas, y se comparan estos. Se presentan también los intercambiadores de paso
simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo
2
Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:
Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos
involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en
una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los
intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido
con mayor temperatura hacia de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las
paredes metálicas que los separan
2
Tipos de Intercambiadores de Calor según su Construcción
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la
construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes categorías: coraza y tubo o
plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su
aplicación
2
a) Carcaza y Tubo
Este intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El fluido de fluido
dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como
fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo
de la carcaza por la placa del tubo. Los tubos se sujetan a una placa para proporcionar un sello adecuado. En
sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el liquido con mayor presión
se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la
cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar
para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de
soporte también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia
atrás a través de los tubos
2
Figure 1: Intercambiador de calor de carcasa y tubos.
instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo
paulatinamente a los intercambiadores de carcasa y tubo.
2
Tipos de Intercambiadores de Calor según su Operación
Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y
modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes
que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son:
Flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado.
a) Flujo Paralelo
Como se ilustra en la figura 3, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de
la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el
mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del
fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la
una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio
térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del
fluido más caliente
2
Figure 3: Intercambiador de calor de flujo paralelo.
b) Contraflujo
Como se ilustra en la figura 4, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección,
pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el
fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido
con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada.
Este tipo de intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la
temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la
transferencia de calor en el intercambiador.
Figure 4: Intercambiador de Contraflujo
c) Flujo Cruzado
En la figura 5 se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera
perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor
de dichos tubos formando un ángulo de 90°. los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados
donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en
dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de
vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador
y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se
puede condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utilizar este tipo de intercambiador de calor.
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo o
flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego,
un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta
muy complicado de analizar. La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo es maximizar la
eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costos, pero, eficacia
requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del
intercambiador
2
Figure 5: Intercambiador de calor de flujo cruzado.
d) Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiples pasos.
y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo)
2
. En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura 7, el
fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y
no es regresada al sistema.
2
Figure 7: Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-regenerativo.
El intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad
de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso. Cuando se desea calentar un fluido, se emplean
calentadores haciendo uso de vapor de agua, o en el caso de refinerías de petróleo, el aceite caliente recirculado
cumple la misma función. Los enfriadores cumplen funciones opuestas a lo anterior, empleándose agua y aire
como medios principales de refrigeración
3
Clasificación de Equipos de Transferencia de Calor.
Según el Tipo de Servicio
a) Enfriador.
Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de
fase
3
b) Calentador.
Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la entalpía de una corriente, sin que normalmente
ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de
agua, aceite caliente, fluidos especiales para transferencia de calor o una corriente de proceso de entalpia alta,
por ejemplo, la descarga de un reactor operado a temperaturas elevadas
3
c) Refrigerador.
Es una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la
obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento
3
d) Condensador.
Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente
se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El término condensador de superficie se refiere
específicamente a aquellas unidades de carcasa y tubos que se utilizan para la condensación del vapor de
desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. Un condensador de contacto directo es una
unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua
3
e) Evaporador.
Los evaporadores son intercambiadores diseñados específicamente para aumentar la concentración de las
soluciones acuosas mediante la evaporación de una parte del agua
3
f) Vaporizador.
Es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vaporizador se refiere normalmente a aquellas
unidades que manejan líquidos diferentes al agua.
3
g) Rehervidor.
Es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporización al fondo (generalmente) de una torre
fraccionadora. Hay dos tipos generales de rehervidores, aquellos que envían dos fases a la torre para separar
el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural
(comúnmente llamados termosifones) o circulación forzada
3
Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones horizontales donde la
vaporización ocurre en el lado de la carcasa son los más utilizados en la industria petrolera. En los del tipo
vertical, la vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias químicas.
En un termosifón, se debe disponer de suficiente cabezal a fin de mantener ala circulación natural del líquido a
evaporar.
Los rehervidores de circulación forzada requieren de una bomba para impulsar el líquido a evaporar a través del
intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del
bombeo, sin embargo, en algunos casos pueden requerirse para vencer limitaciones del cabezal hidrostático y
los problemas de circulación. Los rehervidores que retornan vapor a la torre se denominan rehervidores de
marmita. La mejor manera de describir la operación de estos es comparándola con una paila u olla hirviendo
3
h) Generadores de vapor
Son un tipo especial de vaporizadores usados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza
generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso; de allí que a estos rehervidores se les llame
comúnmente “Calderas de recuperación de calor”. Al igual que los rehervidores los generadores de vapor
pueden ser del tipo Kettle, de circulación forzada o termosifones
3
