Que es un intercambiador de calor

EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Intercambiadores de Doble Tubo
La imagen industrial de este aparato se muestra en la siguiente figura.

Intercambiador de Doble Tubo

Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un
cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la tubería exterior mediante
estoperas y el fluido entra en el tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la
parte externa del intercambiador. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que
está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se
arregla en dos pasos, como es el caso de la figura anterior, la unidad se llama horquilla.
La longitud efectiva es la longitud en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor
y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección de intercambio. Los
intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 {o
20 pies.

Intercambiadores de Tubo y Coraza
La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran número de
horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área superficial así como presentan un
número considerable de puntos en los cuales se puede hacer fugas. Cuando se requieren
superficies grandes de transferencia de calor, pueden ser obtenidas por medio de equipo de tubo y
coraza.
Este tipo de intercambiador consiste en un haz de tubos, por donde se hace pasar una
corriente de intercambio, que se introducen dentro de una coraza en cuyo interior a hace circular
la otra corriente de intercambio.

Intercambiador de Calor de Tubo y Coraza

Las partes esenciales son la Coraza (1), equipada con dos entradas y tiene dos cabezales
de tubos o espejos (2) a ambos lados, que también sirven como bridas para fijar los dos carretes
(3) y sus respectivas tapas (4), los deflectores transversales (5) en el lado de la coraza

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El equipo de tubo y coraza involucra la expansión de un tubo en un espejo, placa ó
cabezal, y la formación de un sello que no fuga bajo condiciones razonables de operación. Se
puede observar un claro ejemplo a continuación.

Tubo rolado y casquillo

También se puede utilizar la soldadura del tubo en el cabezal según sea los requerimientos
de operación y material de construcción del intercambiador.

Tubos para intercambiadores de calor. Estos se encuentran disponibles en varios metales, los
que incluyen acero, acero inoxidable, cobre, admiralty, etc. Se pueden obtener en diferentes
grosores de pared definidos con el calibrador BWG. El área que poseen estos tubos representan el
área de transferencia de calor que posee el intercambiador.

Espaciado de los tubos. Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno del otro,
ya que una franja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita
estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. Los tubos se colocan en arreglos ya sea
triangulares o cuadrados, tal como se muestran en la siguiente figura. La ventaja del espaciado
cuadrado es que los tubos son accesibles para limpieza externa y tienen pequeña caída de presión
cuando el fluido fluye en la dirección indicada en la figura siguiente.

Arreglos comunes para los tubos de intercambiadores

Corazas. Las corazas se fabrican en tuberías de acero. El diámetro varía de acuerdo a las
dimensiones de diseño del equipo, del mismo modo, el grosor de las paredes de la coraza,
aumentando este de acuerdo a las presiones de operación y a las condiciones de corrosión del
sistema para así aumentar la vida útil del equipo.

2 Elaborado por: Felipe Marín Toro

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Cabezal, Espejo o Placa. Es la pieza metálica de la que se sujetan los tubos, esta debe ser de un
material similar al de los tubos para evitar la corrosión galvánica y debe tener un espesor
considerable para soportar las condiciones de operación (presión, temperatura y corrosión).

Intercambiadores con cabezal de tubos estacionario. Este es el tipo más simple de
intercambiador, de los cuales el mostrado en la figura es un ejemplo.

Intercambiador de calor de tubos estacionario

Deflectores. Aumentando la turbulencia en el líquido se aumenta el coeficiente de transferencia
de calor. Para inducir esta turbulencia fuera de los tubos, es costumbre emplear deflectores que
hacen que el líquido fluya a través de la coraza en ángulo recto con el haz de tubos. Estos causa
una considerable turbulencia aun cuando por la coraza fluya una cantidad pequeña de líquido.
Los deflectores también son utilizados como soporte del haz de tubos a fin de que estos no se
pandeen a lo largo del intercambiador. Hay varios tipos de deflectores, los más usados son los
deflectores segmentados, los cuales son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente
75 % del diámetro interior de la coraza. Estos se conocen como deflectores de 25 % de corte.

Detalle de deflector segmentado


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Otros tipos de deflectores son el disco y corona y el deflector de orificio. Aun cuando
algunas veces se emplean otros tipos, no son de importancia general.

Deflector de disco y corona Deflector de orificio

Intercambiador con cabezal de tubos fijos con tapas integrales
Al usar intercambiadores con cabezal de tubos fijos, es a menudo necesario tomar en
cuanta la expansión térmica diferencial entre los tubos y la coraza durante la operación, o de otra
manera se desarrollarán esfuerzos térmicos a través del espejo o cabezal de tubos. Esto puede
efectuarse usando una junta de expansión ó junta de dilatación en la coraza, de las cuales hay
disponible un gran numero de ellas.

Intercambiador de cabezal de tubos fijos con carretes integrales.

Intercambiador 1-2 con cabezal de tubos fijo
El intercambiador en el cual el fluido de la coraza fluye en un paso por la coraza y el
fluido de los tubos en dos ó más pasos, es el intercambiador 1-2. Se emplea una sola tapa con una
división para permitir la entrada y salida del fluido de los tubos por la misma tapa. En el extremo
opuesto del intercambiador está colocado un bonete o una división para permitir que el fluido de
los tubos pase del primero al segundo paso. Como con todos los intercambiadores de cabezales
fijos, la parte externa de los tubos es inaccesible para la inspección o limpieza mecánica. El
interior de los tubos puede ser limpiado removiendo únicamente la pared del carrete y usando un
limpiador rotatorio o un cepillo de alambre.

Intercambiador 1-2 de cabezal fijo


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Intercambiador con haz de tubos removible
En la siguiente figura se muestra un contratipo del intercambiador 1-2, que tiene el banco
de tubos removible de la coraza.

Intercambiador 1-2 con cabezal flotante de arrastre

Consiste en un cabezal de tubos estacionario, que se encuentra sujeto entre la brida de una
tapa y la brida de la coraza. En el extremo opuesto al haz de tubos, éstos se expanden en un
cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente. Al cabezal de tubos se atornilla un casquete
de cabezal flotante y todo el haz de tubos puede extraerse por el extremo de la tapa. La coraza se
cierra mediante una tapa. La desventaja de usar cabezal flotante es de simple geometría. Para
asegurar la tapa del cabezal flotante es necesario atornillarla dentro de la coraza de los tubos, y
los tornillos requieren el uso de espacio donde sería posible insertar un gran número de tubos. El
atornillador no solo reduce el número de tubos, sino también provee de una canalización de flujo
no deseable entre el banco de tubos y la coraza.

Intercambiador de calor 1-2 de cabeza flotante y anillo seccionado
Aun cuando es relativamente cara su manufactura, tiene un gran número de ventajas
mecánicas.

Intercambiador 1-2 de cabezal flotante

Difiere del tipo cabezal de arrastre por el uso de un arreglo de anillo seccionado en el
cabezal flotante de tubos y una coraza más grande que lo cubre y acomoda. Los detalles del anillo
seccionado se muestran a continuación:

Ensamble de anillo abrazadera dividido


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Diferentes fabricantes también tienen diferentes modificaciones del diseño que aquí se
muestra, pero todas ellas llenan el propósito de proveer un aumento de la superficie en
comparación con el cabezal de arrastre considerando un mismo tamaño de coraza.

Distribución de cabezal de tubos y numeración de tubos
Una distribución típica de tubos para un intercambiador de cabezal flotante de anillo
dividido, se muestra en la siguiente figura:

Distribución de tubos en el cabezal o tapa para una coraza de 13 ¼ plg DI con tubos de 1 plg
DE y en arreglo de paso triangular de 1 ¼ plg acomodado para seis pasos por los tubos

Cabeza flotante empacada
Otra modificación del intercambiador 1-2 de cabeza flotante es el intercambiador de
cabeza o tapa flotante empacada, que se muestra en la siguiente figura. Este intercambiador tiene
una extensión en el cabezal de tubos flotantes, que se confina mediante una empacadura. Aun
cuando es enteramente satisfactorio para corazas hasta de 36 plg DI, las empacaduras mayores de
esta medida no se recomiendan para presiones altas o en servicios sujetos a vibración.

Intercambiador 1-2 de cabezal flotante empacada


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Intercambiadores con tubos en U
Los intercambiadores 1-2 que se muestran a continuación están formados por tubos que se
doblan en forma de U y se rolan después en la tapa (espejo o cabezal de tubos).

Intercambiador 1-2 con cabezal flotante de arrastre

Los tubos pueden dilatarse libremente, eliminando la necesidad del cabezal de tubos
flotante, la tapa del cabezal, la brida de la coraza y la tapa removible de esta última. El diámetro
más pequeño al cual se puede doblar un tubo sin deformar su diámetro exterior en un doblez en
U, es de tres a cuatro veces el diámetro exterior del tubo, Esto significa que es necesario omitir
algunos tubos en el centro del haz, dependiendo de la distribución.

Superficies Extendidas
Cuando a las superficies ordinarias de transferencia de calor se le añaden piezas
adicionales de metal, estas últimas extienden la superficie disponible para la transferencia de
calor. Mientras que las superficies extendidas aumentan la transmisión total de calor, su
influencia como superficie se trata de una manera diferente de la simple conducción y
convección.

Tubo ordinario y tubo aleteado

Considere un intercambiador convencional de doble tubo cuya sección transversal se
muestra en la figura a), suponga que el fluido caliente fluye en el ánulo y el fluido frío en el tubo
interior en flujo turbulento. Luego suponga que al tubo interior se le sueldan aletas de metal como
se muestra en la figura b). Puesto que las aletas se fijan a la superficie del tubo frío sirven para
transferir calor adicional del fluido caliente al tubo interior. La superficie total disponible para la
transferencia de calor no corresponde ya a la circunferencia exterior del tubo interior, sino que
está aumentada por la superficie adicional en loa lados de las aletas. Si las aletas de metal no
reducen el coeficiente de transferencia de calor convencional en el ánulo por cambio apreciable
de las líneas de flujo, se transferirá más calor del fluido caliente al fluido en el tubo interior.


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Algunas formas comerciales de superficies extendidas. a Aleta longitudinal. B. Aletas
transversales. C. Aletas discontinuas. D. Dientes o espigas. E. Espinas

Aletas transversales
Se fabrican de una gran variedad de tipos y se emplean principalmente para el
enfriamiento y calentamiento de gases en flujo cruzado. Las aletas helicoidales de la figura a) se
clasifican como transversales y sujetan a varias formas tales como insertos, expandiendo el metal
mismo para formarlas o soldando una cinta metálica en el tubo en una forma continua. Las aletas
de tipo disco son también del tipo transversal y usualmente se sueldan al tubo o se sujetan a él
mediante contracción, como se muestra en la figura b) y c).

Aletas transversales

Las aletas de tipo espina y tipo diente o espiga, emplean conos, pirámides o cilindros que
se extienden desde la superficie del tubo de manera que se pueden utilizar para flujo longitudinal
o flujo cruzado.

Aletas discontinuas


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Colocación de las aletas en los tubos

Aletas longitudinales
La aleta más simple desde el punto de vista de su manufactura como de su diseño, es la
aleta longitudinal de espesor uniforme.

Vista de una tubería con aleta longitudinal

Intercambiadores del Tipo de Placa
Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y
armazón) de aleta con placa soldada y de aleta con placa y tubo.

Intercambiadores de placa en espiral
El intercambiador de placa en espiral se hace con un par de placas laminadas para
proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos en flujo en
contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la caída consiguiente de
la presión), las desviaciones y problemas de dilataciones. Los sólidos se pueden mantener en
suspensión. Se produce turbulencia con una velocidad de flujo más baja que en el caso de los
tubos rectos.


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El diseño en espiral es compacto si se toma en cuenta que puede proporcionar 167 m2
(1800 pie2) de superficie de transferencia de calor en una unidad de 1.4 m (56 plg) de diámetro.
La espiral tiene, generalmente, una altura de 1.5 m (60 plg).
Los intercambiadores se pueden diseñar para presiones de hasta 150 psi (10.2 atm). Los
materiales de construcción incluyen el acero al carbono, acero inoxidable de los tipos 304, 316 y
430F, aleación 20, Inconel, metal monel, níquel, Hastelloy B y C, Everdur y titanio.

Intercambiadores de placa y armazón
Los intercambiadores de placa y armazón consiste en placas estándares, que sirven como
superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo. La caída de presión es baja y
resulta imposible que haya fugas de fluidos.
Las placas estándares de transferencia de calor (normalmente de acero inoxidable de los
tipos 304 y 316, pero también de titanio, níquel, metal monel, Incoloy 825, Hastelloy C, bronce al
fósforo y cuproníquel también están disponibles), comprimidas en una pieza simple de material
de 1.3 a 6.4 mm (0.05 a 0.125 plg), tiene estrías para recibir empaques de goma (elastómero). El
diseño corrugado de las placas les da rigidez, fomenta la turbulencia de los fluidos y asegura la
distribución completa del flujo. Los miembros de soporte y armazón existen en acero inoxidable
recubiertos ó acero dulce esmaltados. Las placas se pueden limpiar y reemplazar con facilidad. El
área se ajusta con facilidad mediante la adición ó eliminación de placas.

Intercambiador de calor de placas y armazón
El fluido caliente fluye hacia abajo, entre placas alternadas
y el fluido frío fluye hacia arriba, entre placas alternadas.


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Cuando se especifica una construcción de lado del tubo de acero inoxidable o para
servicios múltiples, el tipo de placa compite con el diseño tubular. Si se requiere una construcción
total de acero inoxidable, el tipo de placa es menos costoso que las unidades tubulares.
El límite superior de un intercambiador de calor de placa estándar se señala que es de 650
m2 (7000 pie2) de superficie de transferencia de calor. De modo que la una mida 1.1 m (4.2 pie)
de ancho por 4.2 m (13.8 pies) de longitud, por 2.8 m (3.1 pies) de altura con 400 placas.

Intercambiadores de calor de aleta con soldadura fuerte
Los intercambiadores de aleta y placa de aluminio se emplean en la industria de
elaboración, sobre todo en servicios por debajo de –45.6 °C (-50 °F) y en los procesos de
separación de gas que funcionan entre 204 y –268 °C (400 y –450 °F).
La superficie de transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de placas,
cada una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas, selladas en
los dos lados mediante canales o barras, para forma un paso para el flujo de fluido.

Vista separada de una configuración típica de
placas y aletas.

Otros tipos de intercambiadores de calor más específicos

Intercambiadores de calor enfriados por aire
Los intercambiadores de calor enfriados por aire incluyen un haz de tubos, que
generalmente tienen aletas devanadas en espiral sobre los tubos y un ventilador que impulsa el
aire a través de los tubos (para impulsar el aire al interior de los tubos) y está dotado de un
impulsor. Los motores eléctricos son los impulsores más comunes.

Intercambiador de calor enfriados por aire, de tiro forzado.


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Intercambiadores de calor en espiral
Los intercambiadores de calor en espiral consisten en un grupo de serpentines
concéntricos arrollados en espiral, por lo general conectados por múltiples (manifolds),
sumergidos en un tanque o una coraza. Se emplean tubos con aletas para incrementar la
superficie de transferencia de calor

Tipos de Serpentines Serpertín en un recipiente

.

Serpentín sumergido

Recipientes enchaquetados
El encamisado o enchaquetado se utiliza con frecuencia para recipientes que necesitan
limpieza frecuente o para los recubrimientos de vidrio que son difíciles de equipar con
serpentines internos. La camisa elimina la necesidad de serpentín.

Recipiente Enchaquetado


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Intercambiadores de Bayoneta
Una bayoneta consiste en un par de tubos concéntricos, estando el exterior sellado en un
extremo como se muestra en la figura. Tanto el tubo exterior como el interior se sujetan de
cabezales estacionarios separados y se extienden ya sea a corazas o directamente a recipientes. La
superficie del tubo exterior es la principal fuente de transferencias de calor. Los intercambiadores
de bayoneta se adaptan excelentemente a la condensación de vapores tanto a vacíos moderados
(presiones por debajo de la presión atmosférica) como a muy bajos.

Sección a través de un intercambiador de bayoneta (tipo succión)

Los calentadores de succión se instalan en tanques que se usan para el almacenaje de
líquidos viscosos y semiplásticos tales como melazas, aceites lubricantes pesados, combustible y
asfalto.

IC de bayoneta como condensador de vacío Calentador de tanque de succión


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PROCESOS DE SOLDADURA
En los procesos de soldadura más comunes, hay varias fuentes diferentes de calor y
diversos métodos para controlarlo y enfocarlo. Se han desarrollado, de hecho, más de 40
procedimientos diferentes de soldadura basados en el calor. Sin embargo, estos distintos procesos
pueden agruparse en tres categorías: el proceso de soldadura de arco, que obtiene calor de un
arco eléctrico y lo mantiene entre los dos electrodos o entre un electrodo y una pieza de trabajo;
el proceso de soldadura a gas que obtiene en forma de una llama, mediante la mezcla de oxígeno
y algún otro gas combustible, que generalmente es el acetileno; y el proceso de soldadura por
resistencia, que obtiene el calor de la resistencia que ofrece la pieza de trabajo al paso de una
corriente eléctrica. Dos de los procedimientos usados para soldar metales , los métodos de arco y
gas, pueden aplicarse también para cortar y ranurar metales.
En forma creciente, la soldadura se concibe como la unión de metales y plásticos por
cualquier método en el que no se utilicen dispositivos de sujeción. Por tanto, la soldadura en frío
o soldadura en estado sólido es un tema importante que requerirá ser examinado.

Soldadura de Arco Eléctrico
El proceso de soldadura manual por arco es de uso más común, el soldador obtiene un
electrodo adecuado, sujeta el cable de tierra a la pieza de trabajo, y ajusta la corriente eléctrica
para “hacer saltar el arco”, es decir, para crear una corriente intensa que salte entre el electrodo y
el metal. En seguida mueve el electrodo a lo largo de las líneas de unión del metal. El metal
fundido, procedente del electrodo, o metal de aporte, se deposita en la junta, y, junto con el metal
fundido de los bordes, se solidifica para formar una junta sólida. El soldador selecciona el
electrodo (metal de aporte) que ha de usar para producir el arco de acuerdo con las
especificaciones del trabajo.

Proceso de soldadura con Arco

La soldadura de arco metálico protegido condujo a la soldadura de arco con atmósfera
protectora de gas. El gas protector impide que el oxígeno y nitrógeno del aire formen con el metal
soldado óxidos y nitruros debilitadores. Los gases protectores se obtienen de una fuente separada


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(un cilindro), y el arco se establece entre electrodos metálicos desnudos y la pieza de trabajo
aterrizada o conectada a tierra. Los gases salen de un collarín protector enfrente del electrodo y
en torno al mismo, para formar la atmósfera protectora. En la soldadura de arco de tungsteno con
gas(TIG ó MIG), los electrodos son de tungsteno no consumible. La atmósfera protectora se
forma por medio de gases de aporte externo, y el metal de aporte necesario se suministra por
medio de varillas en la soldadura. En la soldadura de arco metálico con gas, el electrodo es un
metal de aporte continuo, protegido por gases de aportación externa..
En el caso de haces tubulares en este proceso puede utilizarse en la para sujetar los tubos
al espejo o placa donde se efectúa una expansión de la tubería y suelo se suelda la superficie de la
placa al extremo cilíndrico del tubo obteniendo así uniones más seguras en el intercambiador.
En el caso de la soldadura TIG o MIG es utilizada para los intercambiadores de tubo y
coraza este tipo de junta soldada suele efectuarse cuando se trabaja en equipos a utilizarse en
procesos donde se necesite garantizar la asepsia del proceso como equipos para la industria
alimenticia (equipo grado alimenticio), estos equipos son fabricados en materiales como aceros
inoxidables, aceros de bajo carbono, aluminio y otros aleaciones con alta resistencia a la
corrosión.

Soldadura a Gas (Autógena)
La soldadura a gas, o soldadura a la llama (autógena), utiliza una llama de intenso calor
producida por la combinación de un gas combustible con aire u oxígeno. Los gases combustibles
de uso más común son el acetileno, el gas natural, el propano y el butano. Muy a menudo, los
combustibles se queman con oxígeno, lo que permite obtener temperaturas de combustión mucho
mayores.
La soldadura oxiacetilénica o autógena es el proceso más común de soldadura a gas. El
oxígeno y el acetileno, combinados en una cámara de mezclado, arden en la boquilla del soplete
produciendo la temperatura de llama más elevada (alrededor de 6000 °F o 3316 °C, la cual rebasa
el punto de fusión de la mayoría de los metales). Por tanto, la operación de soldar puede
realizarse con o sin metal de aporte. Las partes pueden fundirse y ponerse en contacto a medida
que se va realizando la operación de fusión con el soplete; al retirar el soplete, las partes
metálicas quedan unidas al enfriarse. Si se necesita metal de aporte para realizar la soldadura, se
selecciona n barrillas de material adecuado para realizar la junta.

Equipo completo de soldadura
Autógena


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Las desventajas de la soldadura con gas combustible giran en torno al hecho de que
ciertos metales reaccionan desfavorablemente, y hasta violentamente, en presencia del carbono,
el hidrógeno y oxígeno, todos ellos presentes en proceso de soldadura con gas combustible.
La soldadura a gas en también más fría, más lenta y más deformante que la soldadura con
arco. Sin embargo, para aplicar soldaduras en lugares difíciles de alcanzar, o con metales que
tienen puntos de fusión más bajos, tales como el plomo o metales en lámina delgada, la soldadura
a gas es con frecuencia más eficaz que los demás procesos.

Soldadura por Resistencia
La soldadura por resistencia es un proceso que se efectúa a máquina, y que se utiliza
primordialmente en la producción masiva de partes que requieren operaciones de soldadura
relativamente sencillas. La soldadura se logra por el calor generado por una resistencia ofrecida
por las piezas de trabajo al paso de la electricidad por el lugar indicado, y la fusión producida por
la presión de los electrodos de contacto.
Algunos tipos de soldadura por resistencia son la soldadura por puntos, la de resalto o
salientes, la de relámpago y la soldadura recalcada.

Expandido en Frío
Este proceso produce soldaduras sin la aplicación de calor externo, sometiendo en cambio
a los metales por soldar a una presión suficiente para ocasionar su deformación plástica a
temperatura ambiente.

Soldadura en frío: a) los dados a matrices avanzan uno hacia el otro hasta que se tocan las superficies
por unir; b) con presión adicional se logra que el metal se deforme por aplastamiento y fluya hacia las
depresiones del área de relámpago; c) terminación de la soldadura.

El expandido en frío en una junta de tracción se utiliza con mucha frecuencia en
intercambiadores de tubo y coraza, dada la versatilidad y garantía. Para la aplicación de este
sistema se utilizan expansores de rolera de acuerdo a la medida y espesor del tubo, las juntas
expandidas soportan presiones importantes y su resistencia viene dada por el espesor de la placa,
diámetro y espesor del tubo y la longitud del expandido, en los intercambiadores de tubo y
coraza, en el expandido existe una relación mínima de 1 una vez el diámetro del tubo como
espesor de placa para asegurar la ausencia de fugas sin debilitar la estructura del tubo y con esto
obtener un buen funcionamiento en condiciones de donde se requiera la presencia de vapor a altas
presiones.


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CORROSIÓN EN INTERCAMBIADORES DE CALOR

Materiales de construcción
El material más común de los intercambiadores de calor es el acero al carbono. La
construcción de acero inoxidable se utiliza a veces en los servicios de plantas químicas y en la
industria de alimentos donde se necesitan altas condiciones de asepsia y, en raras ocasiones, en
las refinerías petroleras.
Las “aleaciones” en servicios en plantas químicas y petroquímicas, en orden aproximado
de utilización, son el acero inoxidable de la serie 300, el níquel, el metal monel, las aleaciones de
cobre, aluminio, el Inconel, el acero inoxidable de la serie 400, y otras aleaciones. En servicios de
refinerías petroleras, el orden de frecuencia cambia y las aleaciones de cobre (para unidades
enfriadas por agua) ocupan el primer lugar, y el acero de aleación baja el segundo.
Los tubos de aleaciones de cobre, sobre todo el latón Admiralty inhibido, se emplean en
general con enfriamiento por agua
Los cabezales del lado de los tubos para el servicio con agua se hacen en gran variedad de
materiales: acero al carbono, aleaciones de cobre, hierro colado, acero al carbono con pintura
especial o recubierto con plomo o plástico.

Tubos bimetálicos
Cuando los requisitos de corrosión o las condiciones de temperatura no permiten la
utilización de una aleación simple para los tubos, se utilizan tubos bimetálicos (o dúplex). Se
pueden hacer en cualquier combinación posible de metales. Varían también los calibres y los
tamaños de los tubos. Para calibres delgados, los espesores de las paredes se dividen en general
en partes iguales entre los dos componentes elementales. En los calibres mayores, el componente
más costoso puede comprender de una quinta a una tercera parte de espesor total.
Los tubos bimetálicos están disponibles a partir de un pequeño numero de laminadores de
tubería, y son fabricados únicamente bajo pedido especial y en grandes cantidades.

Espejos revestidos
Por general los cabezales o espejos y otras piezas de los intercambiadores de calor son de
metal fuerte. Los espejos bimetálicos o recubiertos se utilizan para reducir los costos de
fabricación de los equipos o porque no hay ningún metal simple que resulte satisfactorio para las
condiciones de corrosión. El material de aleación (por lo general acero inoxidable, metal monel,
etc.) se une o se deposita como revestimiento a un material de respaldo de acero al carbono. En
la construcción de espejos fijos se puede soldar un espejo revestido de aleación de cobre a un
espejo de acero, mientras que la mayor parte de espejos de aleación de cobre no se pueden soldar
de una manera aceptable.

Construcción no metálica
Existen intercambiadores de tubo y coraza con tubos de vidrio. Los intercambiadores de
calor de tubo y coraza de acero tienen una presión de diseño máxima de 75 psi, en cambio los
fabricados con vidrio tiene una presión de diseño máxima de 15 psi. Todos los tubos tienen
libertad para expandirse, ya que se emplea un sellador de teflón en la unión del espejo al tubo.


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Fabricación
La dilatación del tubo en el cabezal reduce el espesor de la pared del tubo y endurece el
metal. Los esfuerzos inducidos pueden provocar una corrosión por esfuerzo. La diferencia de
dilatación de los tubos y la coraza en intercambiadores de espejo o cabezal fijo pueden desarrollar
esfuerzos que producen corrosión.

Ensuciamiento y formación de Escamas
El ensuciamiento se refiere a cualquier capa o depósito de materias extrañas en una
superficie de transferencia de calor, comúnmente estos materiales tienen baja conductividad
térmica (son malos conductores de calor y entorpecen la transferencia de calor), lo que provoca
una mayor resistencia a la transferencia de calor. En los equipos de transferencia se producen
varios tipos diferentes de ensuciamiento. La sedimentación es deposición de materiales
finamente divididos, a partir del fluido de proceso. La formación de escamas se debe, con
frecuencia, a la cristalización de un material cuya solubilidad, a la temperatura de la pared del
tubo, es más baja que a la temperatura promedio del fluido. Muchas corrientes de proceso
reaccionan y el material resultante, menos soluble, se deposita en la superficie como una película,
con frecuencia de una resistencia y espesor considerable. Los productos de la corrosión pueden
oponer una resistencia importante a la transferencia de calor. Los crecimientos biológicos, como
las algas, constituyen un problema grave en muchas corrientes de agua de enfriamiento y en la
industria de la fermentación.

Retiro de depósitos de suciedad
El retiro químico de la suciedad se puede lograr en algunos caos con ácidos débiles,
disolventes especiales, etc. Otros depósitos se adhieren con debilidad y se pueden lavar mediante
el funcionamiento periódico a velocidades muy altas o un enjuague con un chorro de agua, una
lechada de agua y arena o vapor a alta velocidad. Estos métodos se pueden aplicar tanto al lado
de la coraza como el de los tubos sin retirar el haz de tubos. Sin embargo la mayor parte de los
depósitos se pueden retirar mediante una acción mecánica positiva, como la introducción de una
varilla, la acción de una turbina o el raspado de la superficie. Estas técnicas se pueden aplicar del
lado de los tubos sin sacar el haz de tubos; pero en el lado de la coraza sólo se puede hacer esto
después de retirar el haz, e incluso entonces, esto será con un éxito limitado, debido a la cercanía
de los tubos.


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MANTENIMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor en forma general, trabajan mediante la circulación de
fluidos a través de su estructura, esto produce con el tiempo, debido a la operación del equipo,
obstrucciones de las zonas de flujo por corrosión de la estructura del intercambiador,
descomposición de los fluidos (aceites minerales, alimentos, etc.) ó por deposición de sólidos
disueltos en los fluidos (incrustaciones de carbonatos, etc.), al presentarse estas características en
el interior de los equipos, se producen incrustaciones en la superficie interior y exterior se los
tubos según sea el caso, generando una resistencia extra a la transferencia de calor y al paso del
fluido y con esto pérdidas en la eficiencia de los equipos.

Mantenimiento aplicado a Intercambiadores de Calor
Aun cuando la variedad de intercambiadores existentes en los múltiples procesos
industriales imposibilita describir un mantenimiento especifico para todos los equipos
intentaremos determinar las directrices que definen un mantenimiento efectivo en la mayoría de
los casos.

La finalidad de un mantenimiento radica en la eliminación de los depósitos que obstruyen
o imposibilitan la correcta transferencia en los intercambiadores, estas suelen producirse por
deposición de los sólidos en las paredes externas de los tubos, en las paredes internas de los
tubos, así como en la superficie interna de la coraza, esto para el caso de los intercambiadores de
tubo coraza, en los intercambiadores de placa esta incrustación se presenta entre las laminas
dificultando la transferencia de calor entre los fluidos, además de ofrecer restricciones a la
circulación en estos equipos.

Las técnicas varían dependiendo del tipo de incrustación y de la configuración de los
intercambiadores, así un intercambiador de placas fijas debe aplicarse una limpieza por
intermedio de cepillos o alta presión por el interior de los tubos y por su configuración de área
confinada para la carcaza una limpieza química que permita disolver por intermedio de la
circulación la mayor cantidad de sólidos adheridos a la superficie.

Los químicos comúnmente utilizados para la desincrustación en áreas confinadas suelen
variar de acuerdo al material de construcción del equipo, así como el fluido que maneja el
intercambiador, en el caso de agua o vapor, se utilizan desincrustantes que pueden contener
ácidos fuertes o débiles dependiendo del material de construcción del intercambiador, por
ejemplo para intercambiadores de calor construidos en acero al carbono o acero inoxidable,
pueden utilizarse productos basándose en ácido clorhídrico, fosfórico, cítrico u otra formulación
que permita disolver los minerales producto de las deposiciones del agua o del vapor estén
presentes en el intercambiador, es importante señalar que estos productos deben ser formulados,
tomando en consideración las posibles consecuencias de la acción del químico sobre los
materiales de construcción.

Para intercambiadores de haz removible o de tubería en u el proceso se simplifica
bastante ya que la posibilidad de extraer el intercambiador de la coraza permite actuar
directamente sobre la superficie externa e interna del tubo, así como acceso directo al interior de


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la coraza. El mantenimiento puede realizarse por intermedio de cepillos de alambre circulares
mechas o latiguillo de alta presión en el interior de los tubos y alta presión por el lado externo de
la tubería. La coraza puede limpiarse con elementos mecánicos o presión de agua.

Para el caso de los intercambiadores de placa, dependiendo de su estado pueden limpiarse
con químicos desincrustantes en el caso de agua o desengrasante para el caso de aceites, en caso
de encontrarse defectos en el sistema de sellos de estos equipos es recomendable sustituir las
empacaduras entre placas y limpiar placa a placa con químicos y agua a presión.

Para el caso de intercambiadores de flujo cruzado se procede de forma similar con el
interior de los tubos de acuerdo al acceso que posea el equipo, (tapas removibles o agujeros de
limpieza) mientras que el área de superficie extendida se limpia con agentes químicos adecuados
para el material adicionando agua de alta presión.

Para equipos involucrados dentro de los procesos tales como agua helada, condensadores
de gases, serpentín de inmersión y otros es importante estudiar las condiciones de proceso para
establecer el mantenimiento correcto que debe aplicarse, siempre tomando en consideración que
la finalidad del mantenimiento es la de liberar de incrustaciones de las superficies de contacto de
los fluidos para la optimización de la transferencia de calor.

Implicaciones de un mal mantenimiento en intercambiadores de calor
Para cualquier equipo de transferencia de calor, el hecho de que trabaje con niveles
elevados de incrustaciones o con superficies totalmente obstruidas, puede resultar en paradas de
proceso imprevistas, o en su defecto una drástica disminución de las condiciones iniciales de
transferencia de diseño, por lo que una política de mantenimiento en estos equipos redunda en
beneficios ulteriores económicos importantes.

Los equipos de transferencia de calor son sensibles a las deposiciones de sólidos y a las
obstrucciones, dado que la superficie de los tubos y carcaza son por lo general porosas, pueden
producir fuerte adherencia de sólidos y posteriores socavaduras y corrosión en los materiales.
Las deposiciones de agua dura producen corrosión puntual o pitting, así como abrasión de la
superficie del material, otra grave consecuencia que puede presentarse en los equipos, sobre todo
en los de área confinada, o placas fijas es que los depósitos de agua dura llegan a un punto de
cristalización que imposibilita la acción de los químicos, produciendo perdida completa del
equipo. En el caso de equipos en u las incrustaciones de agua dura dentro de los tubos pueden ser
removida por mechas en la zona recta del tubo, sin embargo en las curvas esto se hace imposible,
para el caso de equipos con tubería de diámetros superiores a ¾ es posible introducir un latiguillo
de alta presión, aunque en la mayoría de los casos los resultados no son muy satisfactorios.


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EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR MÁS COMUNES EN LA INDUSTRIA.

Serpentines
Los serpentines son unidades de transferencia hechas de tubo liso o aleteado por los que
circula un fluido en el interior de los tubos y otro se ubica dentro de un área confinada, estos
equipos pueden verse comúnmente en ollas de calentamiento, contenedores de agua helada,
calentadores de aire, enfriadores de aire, chaquetas de autoclaves etc.
La configuración de los serpentines es muy variada, aunque el principio establece que la
unidad debe tener una longitud definida y el fluido entra y sale por el mismo tubo. Los
serpentines suelen conseguirse en configuraciones helicoidales rectas en U etc.

Evaporadores
Los Evaporadores son intercambiadores que se encargan de enfriar fluidos por un proceso
de expansión de gas el cual circula a través del interior de los tubos y enfría el fluido que circula
por la carcaza. Los Evaporadores son equipos normalmente usados en los dispositivos de
enfriamiento de agua tales como Chiller o para enfriamiento de gases o aire tal es el caso de los
aires acondicionados. Su configuración puede estar dada en equipos de tubo coraza o flujo
cruzado.

Condensadores
Se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercambiador que cumple una
función de disminución de temperatura, ya sea para gases, vapores otros.
La configuración de un condensador puede ser de tubo coraza, placas y superficies
extendidas. Los condensadores son generalmente equipos que se encuentran en los procesos de
cambios de fase de gases a líquidos, los equipos de calefacción de líquidos con vapor son a su vez
condensadores de vapor. En los ciclos de refrigeración los condensadores tienen la función de
enfriar el gas refrigerante ya sea por flujo cruzado gas-aire o gas-agua.

Chiller
Las unidades Chiller están conformadas por dos elementos de transferencia de calor un
evaporador y un condensador, además de los elementos clásicos del ciclo de refrigeración
(compresor, válvula de expansión, filtros etc.) los Chiller son unidades que se encargan de enfriar
agua para aplicaciones varias. Este proceso se realiza mediante la compresión de un gas
refrigerante el cual sale comprimido de la bomba o compresor a una temperatura de
aproximadamente 80 grados, circula a través del compensador manteniendo la presión y bajando
la temperatura a 40 grados aproximadamente luego pasa por la válvula de expansión donde el gas
se expande produciendo su enfriamiento, el gas circula dentro de los tubos del evaporador donde
se genera la transferencia con el agua enfriándola hasta una temperatura que puede oscilar entre
1 y 4 grados (o menos de acuerdo al control).

Torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento son unidades que se encargan de enfriar agua por un proceso de
división de la partícula de agua y su posterior circulación por una corriente de aire forzado
logrando reducir la temperatura de la gota de agua en el proceso. Estos sistemas tienen ventajas y
desventajas bien marcadas. Las torres de enfriamiento son unidades abiertas donde el agua de un


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determinado proceso llega al tope de la torre a una temperatura máxima de 60 grados centígrados.
esta entra a los rociadores de tope que se encargan de separar él liquido en la mayor cantidad de
partículas posibles, estas caen en un relleno ubicado a los lados de la torre donde establece un
recorrido en contra flujo con un a columna de aire forzado, las partículas de agua recorren el
relleno hasta enfriarse (1 o 2 grados por encima de la temperatura de la columna de aire) y llegan
hasta la bandeja de fondo donde se retorna al proceso.
Las temperaturas máximas que manejan las torres de enfriamiento constituyen una
limitante importante, así como la contaminación del agua de proceso por el contacto directo con
el aire ambiental, los tratamientos de esta agua son por lo general costosos y requieren de
mantenimientos constantes, sin embargo la posibilidad de enfriar grandes volúmenes de agua
logra compensar sus debilidades.

Torres evaporativas
Las torres de tipo evaporativas tienen un comportamiento similar al de las torres de
enfriamiento, con la diferencia de que el agua de proceso se encuentra en un ciclo cerrado a
través de un serpentín en el tope de la torre, produciéndose el enfriamiento del agua de proceso
por intermedio del rociado de agua sobre la superficie del serpentín acompañado de aire forzado,
el agua cae al fondo de la tina y es nuevamente bombeado al tope de la torre para volver a
cumplir el proceso.
Una de las ventajas de estos equipos es que el agua de proceso se contamina muy poco ya
que se encuentra en un ciclo cerrado, sin embargo su costo es sustancialmente superior al de las
torres de enfriamiento.

Calentadores de vapor
Los calentadores de vapor son por lo general intercambiadores de tubo coraza por los que
circula vapor por la coraza y agua o gas por el interior de los tubos, existen también calentadores
de aceite térmico y de resistencia eléctrica.

After cooler – pre cooler
Estos equipos son utilizados normalmente en unidades de compresión de aire ya sean de
una o varias etapas. Por lo general los compresores de aire de una etapa poseen un intercambiador
a la salida de aire comprimido de tipo tubo coraza agua-aire o flujo cruzado aire-aire, estos
equipos son conocidos como after cooler o post enfriadores su función es bajar la temperatura del
aire comprimido hasta niveles idóneos de trabajo dentro de la planta. Los pre-cooler son equipos
utilizados en compresores de múltiples etapas para enfriar el aire que sale de una etapa y entra en
la siguiente, por lo general estos son de tubo coraza.

Fin fan cooler
Estos equipos están compuestos de una unidad de flujo cruzado con un ventilador
alineado a la superficie plana del intercambiador con la finalidad de hacer circular aire a través de
la tubería aletada y enfriar el fluido que corre por dentro de los tubos.


Que es un intercambiador de calor

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