2.3.1 Clasificación de los intercambiadores de carcasa y tubos

Existe una gran variedad de intercambiadores de calor de carcasa y tubos, estos se clasifican por sus aplicaciones, formas de cabezal, carcasas, etc. TEMA (The Tubular Exchanger Manufacturers Association) ha desarrollado una notación para designar a estos intercambiadores de calor mediante letras, indicando con cada una de ellas el tipo de cabezal frontal, tipo de carcasa y cabezal trasero. Dicha clasificación se muestra en la figura 2.7.

TIPOS DE CABEZAL ESTACIONARIOEXTREMO FRONTAL

TIPOS DE CARCASASTIPOS DE CABEZALESEXTREMO POSTERIOR

A

CANAL Y CUBIERTA DESMONTABLE

E

CARCASA DE UN PASO

L

DE ESPEJO FIJO COMO EL CABEZAL ESTACIONARIO "A"

F

CARCASA DE DOS PASOSCON DEFLECTOR LONGITUDINAL

M

DE ESPEJO FIJO COMO EL CABEZAL ESTACIONARIO "B"

B

CASQUETE (CUBIERTA INTEGRADA)

G

DE FLUJO PARTIDO

N

DE ESPEJO FIJO COMO EL CABEZAL ESTACIONARIO "N"

C

SOLÓ HAZ DE TUBOS DESMONTABLECANAL INTEGRADO CON ESPEJO

Y CUBIERTA DESMONTABLE H

DE FLUJO PARIDO DOBLE

P

CABEZAL FLOTANTECON EMPAQUE EXTERIOR

J

DE FLUJO DIVIDIDO

S

CABEZAL FLOTANTECON DISPOSITIVO DE APOYO

N

CANAL INTEGRADO CON ESPEJOY CUBIERTA DESMONTABLE

K

REHEVIDOR DE CALDERA

T

CABEZAL FLOTANTE SIN CONTRABRIDA

X

FLUJO CRUZADO

U

HAZ DE TUBO EN U

D

CIERRE ESPECIAL A ALTA PRESIÓN

W

ESPEJO FLOTANTESELLADO EXTERNAMENTE

Figura 2.7 Clasificación TEMA, para cabezal frontal, carcasa y cabezal trasero respectivamente (Bejan A., 2003, p. 823).

Por ejemplo, si se emplea un intercambiador de cabezal frontal de tipo C, con un tipo de carcasa F y con cabezal posterior de tipo U (intercambiador de calor de tipo CFU), quiere decir que su cabezal frontal consistirá de un barril cilíndrico en un extremo y una brida que sujeta con pernos a los tubos, que se colocarán internamente en una carcasa de dos pasos y su cabezal trasero será un tubo en U como lo muestra la figura 2.8.

De acuerdo con TEMA, la primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (canal y cubierta desmontable) y B (carcasa) son los más comunes. La segunda letra es la indicativa del tipo de casco siendo la más común la E (carcasa de un paso).

Descripción de los componente principales de los intercambiadores de carcasa y tubos de TEMA

No. Descripción1 Cabezal estacionario, canal2 Cabezal estacionario, casquete3 Pestaña de cabezal estacionario, canal o

casquete4 Cubierta de canal5 Tobera de canal estacionario6 Lámina estacionaría de tubo7 Tubos8 Casco9 Cubierta de casco

10 Brida del casco, extremo del cabezal estacionario

11 Brida del casco, extremo del cabezal posterior12 Tobera del caco13 Brida de la cubierta del casco14 Junta de expansión15 Lámina de cierre tubular del flotador16 Cubierta del cabezal del flotador17 Brida del cabezal del flotador18 Dispositivo de apoyo del cabezal flotador19 Anillo de cizalla dividida20 Brida de apoyo dividida21 Cubierta del cabezal flotador22 Faldón de lámina de cierre tubular del flotador23 Brida del prensaestopas24 Empaque25 Anillo seguidor de empaque26 Anillo de cierre hidráulico27 Bielas y espaciadores

28 Desviadores transversales o placas de apoyo29 Desviador de choque30 Desviador longitudinal31 Separación de paso32 Conexión de ventila33 Conexión de drenaje34 Conexión de instrumentos35 Albardilla de soporte36 Talón elevador37 Ménsula de soporte38 Vertedero39 Conexión de nivel de líquido

Figura 2.8 Descripción de partes principales de un Intercambiador de calor de tubo en U (UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, (JUNIO DE 2001). Intercambiadores de calor. Obtenido el 02 de Abril de 2011.

http://webdelprofesor.ula.ve/ingeniería/mabel/materias/ope2/tiposintercambiadores.doc).

La tercera letra indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los más utilizados. En el tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor que el de la carcasa y se tiene que desmontar para sacarlo. El tipo T (cabezal flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor diámetro de carcasa para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran variedad de tubos para reemplazar los tubos dañados.

Para el ejemplo del intercambiador CFU, el conjunto de tubos son desmontables, para facilitar su limpieza, se proporciona un cabezal del lado del tubo (estacionario) y una carcasa con cubierta integrada, que se suelda a la carcasa misma. Cada tubo tiene la libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos. (Las calderas, los evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con secciones ampliadas de la carcasa para la separación del vapor y el líquido). ((UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, (JUNIO DE 2001). Intercambiadores de calor. Obtenido el 02 de Abril de 2011. http://webdelprofesor.ula.ve/ingeniería/mabel/materias/ope2/tiposintercambiadores.doc).

2.4. Características de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

El empleo de este tipo de intercambiador depende de muchos factores como son: el número de fluidos de trabajo, superficie requerida para su instalación, características de construcción, métodos de transferencia de calor considerados para su diseño, etc.

Sin embargo, no es suficiente el conocer las características que se consideran dentro de este tipo de equipo térmico, porque cada proceso donde se aplica, es diferente y con base en estos requerimientos el diseñador empleará el equipo térmico que mejor le convenga, tanto en costo como en funcionalidad.

En apartados anteriores se ha mencionado la clasificación general de los intercambiadores de calor y se ha puesto mayor énfasis en los de tipo carcasa y tubos. En este apartado se estipularán las razones por las cuales, para efectos de diseño se optará por este tipo de intercambiador de calor.

Los intercambiadores de carcasa y tubos, generalmente involucran sólo 2 fluidos donde el calor se transfiere de manera continua del fluido con mayor temperatura al fluido más frío.

Además, se considera de tipo compacto dado que, el área de transferencia de energía se incrementa debido a la cantidad de pasos o número de tubos que pueda contener el intercambiador, según el diseño. Esto repercute directamente en la disminución de tamaño, mayor eficiencia y esto a su vez provoca un decremento en el costo.

La tabla 2.1 muestra las principales característica que se consideran dentro de esta clase de intercambiadores.

Tabla 2.1 Características generales del intercambiador de carcasa y tubos (Maviansa. Transferencia de calor-Intercambiadores de calor.

Obtenido el 27 de Abril de 2011. http://www.mavainsa.com/documentos/2_transferencia_calor.pdf)

.Característica SelecciónEquipo térmico Intercambiador de calor

Número de fluidos involucrados 2 o más

Tipos de fluido Líquidos (agua) tanto en el interior como en el exterior

Tamaño CompactoTipo de intercambiador Carcasa y tubos

Limpieza interior Mecánica y Química Limpieza exterior Con agua a presión

Material Generalmente se utiliza, cobre o aleaciones de acero

Dadas las características generales de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y relacionándolas con la naturaleza del proceso en una industria de autopartes de aluminio que corresponde a este trabajo, se tendrán las siguientes variables fijas, dando pauta al inicio del análisis térmico. Para esto la tabla 2.2 muestra los parámetros que se definirán para dicha aplicación.

Tabla 2.2. Parámetros de diseño para el intercambiador de calor en una empresa de autopartes de aluminio.

Característica SelecciónEquipo térmico Intercambiador de calor

Número de fluidos involucrados 2Tipos de fluido Líquido (agua) tanto en el

interior como en el exteriorTamaño Compacto

Tipo de intercambiador Carcasa y tubosArreglo Un paso por carcasa, 4 por tubos

Mecanismos de transferencia de energía Convección (interna y externa) y conducción

Temperatura de entrada del agua fría (T ec) 286 K

Temperatura de entrada del agua caliente (T eh) 318 K

2.4.1 Análisis de energía

Para determinar variables faltantes, es necesario realizar el análisis termodinámico. De esta manera, estará representado por la primera ley de la termodinámica donde, el calor transferido entre ambos fluidos se calculará aplicando la ecuación de energía como lo muestra la siguiente ecuación.

Q=mah∗Cph∗(Teh−T sh )=mac∗C pc∗(T sc−T ec ) (2.1)

Donde:mah ymac : Flujomásicodel fluidocaliente y frío ,respectivamente .

C ph y Cpc: Capacidad caloríficadel fluidocaliente y frío respecticamente.T eh :Temperaturadeentradadel fluido caliente.T sh :Temperaturade salidadel fluidocaliente.T ec :Temperaturade entradadel fluido frío.T sc :Temperaturade salidadel fluido frío.

La ecuación (2.1) supone que todo el calor cedido por el fluido frío, será aprovechado por el fluido caliente, es decir, las paredes del intercambiador de calor estarán totalmente aisladas de tal manera que las pérdidas de calor hacia los alrededores son despreciables.

Para proporcionar información sobre el tamaño y eficiencia del intercambiador, se necesitará que la ecuación de transferencia de calor quede expresada de la siguiente forma:

Q=A s∆T mlU (2.2)

Donde:Q : Razónde latransferencia decalor .A s: Área de transferencia decalor.U :Coeficiente total de transferencia decalor .

∆T ml :Temperaturamediaque será explicadaen la sección siguiente .

a) Diferencia de temperatura media logarítmica

La temperatura media logarítmica de los dos fluidos expresa de manera promedio, el comportamiento de las temperaturas de ambos líquidos a través del tiempo a lo largo de dicho intercambiador y estará dada por la siguiente fórmula:

∆T m=∆T 1−∆T 2

ln (∆T 1

∆T 2

)

(2.3)

Donde:∆T 1=∆T eh−∆T ec

∆T 2=∆T sh−∆T sc Para intercambiadores de flujo paralelo.∆T 1=∆T eh−∆T sc

∆T 2=∆T sh−∆T ec Para intercambiadores de flujo cruzado.La relación para la diferencia de temperatura media logarítmica, se limita a ser empleada para intercambiadores de flujo paralelo o contraflujo, sin embargo, para flujo cruzado e intercambiadores de carcasa y tubos la ecuación 2.3 debe ser multiplicada por un factor de corrección “F”, el cual depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y salida del mismo. Este factor de corrección “F” se encuentra aplicando la gráfica del anexo 1 (página 80), mediante los valores de P y R, que están representadas con las siguientes ecuaciones.

P=T sc−T ec

T eh−T ec

(2.4)

Y

R=T eh−T sh

T sc−T ec

(2.5)

Al multiplicar el factor de corrección “F” en la ecuación 2.3 queda de la forma siguiente:

∆T ml= F*∆T ml ,CF (2.6)

Existe otro método diferente al de la diferencia de temperatura media logarítmica, para el análisis del intercambio de calor, el cual es el método de efectividad NTU, este método será descrito en la sección siguiente.

b) Método de efectividad NTU

El parámetro P en el método DTML como fue visto en la ecuación 2.4 se requiere conocer 3 temperaturas para su cálculo. Cuando se desconoce la temperatura de salida del fluido frío se requiere de un método de ensayo y error para determinar el valor de P. Estas iteraciones pueden ser eliminadas al emplear el método de efectividad NTU, este método se basa en 3 parámetros adimensionales que son:

Efectividad de transferencia de calor, definido de la siguiente manera:

∈= QQmáx

0≤∈≤1 (2.7)

Donde ∈ : Efectividad del intercambiador.Q : Cantidad real de transferencia de calorQmáx :Razón máxima posible de transferencia de calor

Relación de capacidades

Cr=Cmín

Cmáx

0≤Cr≤1 (2.8)

Donde:Cr : Razón de capacidades.Cmín : Valor de razón mínima de capacidad calorífica entre en fluido caliente y frío (Ch y Cc respectivamente).Cmáx : Valor de razón máxima de capacidad calorífica entre en fluido caliente y frío (Ch y Cc respectivamente).

Número de unidades de transferencia (NTU)

El NTU es una medida adimensional que indica el tamaño y efectividad del intercambiador, ya que este valor será el producto del coeficiente de transferencia de calor y del área necesaria para el intercambio, por ende, entre mayor sea el NTU, más grande será el intercambiador de calor. El cálculo de este valor estará determinado mediante la siguiente fórmula:

NTU=U∗Ad

Cmín

=U∗Ad

(m∗Cp)mín

(2.9)

Donde:

NTU : Número de unidades de transferencia.U : Coeficiente global de transferencia de calor.Cp : Capacidad calorífica.

Ad : Área de transferencia de calor.

Sin embargo existen correlaciones tanto para la efectividad y para el valor NTU, éstas estarán en función del tipo de intercambiador que se utilizará, el anexo 2 (página 81), muestra éstas correlaciones de efectividad y el valor NTU.

2.4.2 Coeficiente global de transferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor U en la ecuación 2.2, es un término que relaciona todas las resistencias que existen en la transferencia de calor, este valor se obtiene por los coeficientes por conducción y convección de los fluidos caliente y frío y de los factores de ensuciamiento. Los intervalos más comunes (dependiendo de la combinación de los fluidos) se muestran en la tabla 2.3.

Tabla 2.3 Valores del coeficiente global de transferencia de calor (Cengel Y., 2007, p. 615).

Combinación de fluidos U (W

m2∗K)

Agua con agua De 850 a 1700

Agua con aceite De 100 a 350

Condensador de vapor (agua en tubos) De 1000 a 6000

Condensador de amoniaco (agua en tubos) De 800 a 1400

Condensador de alcohol (agua en tubos) De 250 a 700

Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado) De 25 a 50

En el proceso de diseño de intercambiadores de calor, para determinar el coeficiente global de transferencia de calor, primeramente se debe proponer un coeficiente inicial, de acuerdo a los fluidos involucrados, como los que muestra la tabla 2.3. Posterior a esto, debe ser calculado como lo muestra la siguiente ecuación:

U= 1

1hac

+ 1hah

+r exte∗ln (

r exte

rinte

)

2∗kac

+Rcar+Rtub

(2.10)

Donde:

U : Coeficiente global de transmisión de calor ( W

m2∗K ).

rexte : Radio exterior de los tubos del intercambiador de calor (m).rinte : Radio interior de los tubos del intercambiador de calor (m).hac: Coeficiente por convección de los tubos (fluido frío) hah: Coeficiente por convección de la carcasa (fluido caliente).k ac: Coeficiente por conducción del material de los tubos ( Wm∗K ).

Rcar: Resistencia por ensuciamiento en el intercambiador de calor del lado de la carcasa.Rtub : Resistencia por ensuciamiento en el intercambiador de calor del lado de los tubos.

La convección sea interna o externa, es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos (Cengel Y., 2007, p. 25). Cuando el movimiento del fluido no es natural, este debe circular forzado mediante dispositivos externos (dispositivos agitadores del fluido, por ejemplo una bomba), a este tipo de transferencia se le denomina convección forzada; y en contraparte una transferencia por convección libre tendrá lugar cuando en el movimiento no existan dispositivos externos que obliguen el movimiento del fluido, es decir su movimiento es totalmente natural.

a) Convección Interna (lado de los tubos)

La convección interna en un intercambiador de calor estará dada por las propiedades y el movimiento del fluido en el interior de los tubos. De igual manera, cuando el movimiento del fluido incremente o disminuya, su régimen aumentará o disminuirá respectivamente, por esta razón, el número de Reynolds (Re) podría caer dentro de los parámetros de un flujo laminar, transitorio o turbulento si el movimiento del fluido es muy brusco.

El coeficiente por convección está relacionado con el número adimensional de Nusselt (Nu), este número adimensional relaciona la transferencia de calor por convección y por conducción. Para determinar el valor de Nu, es necesario conocer el patrón del flujo, es decir, el número de Reynolds. La siguiente tabla presenta las correlaciones para el Nu en función de Reynolds y del número de Prandtl (Pr) en el interior de tuberías y tubos cilíndricos.

Tabla 2.4. Valores de Nusselt, en función del número de Reynolds y del número de Prandtl (Bejan A., 2003, p. 424).

Flujo Número de Nusselt RestricciónFlujo

laminar Nu=1.86∗[ℜ∗Pr∗( dL )]1 /3

∗[ μμs ]

0.14  0.48 ≤ Pr ≤ 16, 700Re < 2300

Flujo en transición Nu=0.116∗(ℜ¿¿

23−125)∗Pr1 /3( μ

μs )0.14

∗[1+( dL )23 ]¿

Flujo turbulent

o

Nu=0.023∗ℜ0.8∗Prn

n = 0.4 para t s>t f n = 0.3 para t s<t f

0.6 ≤ Pr ≤ 605 x 105< Re <106

2300 <Re <104 menor precisión

|t s−t f|<6 °C para líquidos

|t s−t f|<60 °Cpara gasesFlujo

turbulento

Nu=0.027∗ℜ0.8∗Pr1 /3( μμs )

0.14 0.7 ≤ Pr ≤ 160

104< Re <106

|t s−t f|<6 °C para líquidos

|t s−t f|<60 °Cpara gases

Las variables escritas en la tabla anterior son las siguientes:

ℜ : Número de Reynolds.Pr : Número de Prandtl.d : Diámetro del tubo (m).μ : Viscosidad dinámica ( kg

m∗s ).μs : Viscosidad dinámica a temperatura de la superficie ( kgm∗s ).ts : Temperatura de superficie (K).tf : Temperatura del fluido (K).

De la tabla 2.4 se calcula el Nu en función de Re y Pr. Posteriormente, el coeficiente de convección interna estará dado al despejar el valor de hacde la siguiente fórmula:

Nu=hac∗D∫¿

kc

¿ (2.11)

Donde:

hac: Coeficiente de convección interna (fluido frío) ( W

m2∗K ) .

D∫¿ ¿: Diámetro interior del tubo (m).k c: Coeficiente de conductividad térmica del fluido frío ( Wm∗K ).

b) Convección externa (lado de la carcasa)

Para determinar este coeficiente de convección externa, es necesario conocer el arreglo de los tubos dentro de una carcasa, ya que la convección externa dependerá del acomodo de los mismos. Esto determinara la velocidad máxima posible del fluido dentro de la carcasa. La figura 2.9 muestra los 2 tipos de arreglos que puede tener un conjunto tubular en un banco de tubos.

a) Tubos alineados.

b) Tubos escalonados.Figura 2.9. Disposición de los tubos en los bancos alineados inciso a) y escalonados, inciso b). Donde, A1, AT y

AD son las áreas de flujo en los lugares indicados y L es la longitud de los tubos.

La elección de la disposición depende de diversos factores como lo son:

Para disposición alineada:

Se utiliza cuando el factor de ensuciamiento en la carcasa es ¿ .001(m2∗KW ).

Cuando la limpieza mecánica es crítica. Con flujo turbulento en casos limitados por caída de presión.

Para disposición escalonada:

Cuando el flujo es laminar Re<2000.

La convección externa en un intercambiador de calor tiene los mismos principios que la convección interna, la única diferencia es que el flujo a estudiar será el que se encuentre fuera de los tubos. Es por ello que una vez identificada la distribución del banco de tubos, se determinará la velocidad del fluido entre los tubos de la siguiente manera:

Para disposición alineada:

V máx=ST

ST−Dext

∗V α (2.12)

Para disposición escalonada:

V máx=ST

2∗(Sd−D ext)∗V α (2.13)

Donde:

V máx: Velocidad máxima del fluido (ms ).V α : Velocidad del fluido (ms ).Dext : Diámetro exterior de los tubos (m).

Donde la velocidad del fluido estará dada por la siguiente fórmula:

V α=V h

Atc (2.14)

Donde:

V h: Caudal del fluido caliente (m3

s ).Atc: Área de la carcasa (m2 ).

El área de la carcasa, sin deflectores estará dada por:

Atc=Dintcar

2

4 (2.15)

Donde:Dintcar: Diámetro de la carcasa (m).

Una vez calculada la velocidad máxima del fluido, se determinará el número de Reynolds para la carcasa, mediante la siguiente fórmula:

Rext=(δ¿¿h∗V máx∗D e)

μh

¿

(2.16)

Donde:

V máx: Velocidad máxima del fluido caliente (ms ).δ h : Densidad del fluido caliente ( kgm3 ).De : Diámetro mojado (m).μh : Viscosidad dinámica del fluido caliente ( kg

m∗s ).Para el determinar el valor de De se calculará mediante la fórmula:

De=4 A lib

π N tub D ext+πD car

(2.17)Donde:

Alib: Es el área libre, resultado del área de la carcasa menos el área de los tubos (m2 ).Dext : Diámetro exterior de los tubos (m).N tub : Número de tubos.Θ=al ángulo del deflector, si no se tiene deflectores, entonces vale 2π

Al área libre será calculada por la siguiente fórmula:

Alib=Atc−Attub (2.18)

Donde Attub será el área del tubo multiplicada por el número total de tubos calculado mediante la siguiente ecuación:

N tub=Ad

Ltub∗π∗Dext

(2.19)

Donde:Ad: Área necesaria para la transferencia de calor.Ltub: Longitud de los tubos.

Para tener un análisis completo en un intercambiador de calor, existen 5 factores que deben considerarse en el diseño del equipo sin embargo, para este trabajo y dado que el diseño no involucra deflectores por el tamaño final del intercambiador y por el costo que estos representarían, este será omitido. El factor por deflectores está expresado de la siguiente manera:

hs=JC∗J L∗J B∗J S∗J R (2.20)

Donde:JC: Factor de corrección por corte del deflector.J L: Factor de corrección por filtración del deflector.JB: Factor de corrección por el haz de tubos (partición).JS: Factor de corrección por variaciones en el espaciado de deflectores en secciones de entrada y salida, así como el espaciamiento central de los deflectores.J R: Factor de corrección por el gradiente de temperatura en función de Reynolds.

Al conocer los principales factores que están involucrados en la transferencia de calor y, de la misma manera que para convección interna, se tendrá una diversidad de correlaciones para calcular el valor de Nusselt en la carcasa en función del número de Prandtl y el número de Reynolds que se calculará con la ecuación 2.16. La tabla 2.5 muestra algunas de estas correlaciones.

Tabla 2.5. Fórmulas para Nusselt, dependiendo del tipo de flujo y disposición de tubos del lado de la carcasa (Bejan A., 2003, p. 833).

Patrón del flujo Numero de Nusselt Restricción

Flujo laminar en distribución

alineada

Nu=0.9∗ℜ0.4∗Pr0.36[ PrPrs ]

0.25

1 ≤ Re ≤ 100

Nu=0.52∗ℜ0.5∗Pr0.36[ PrPrs ]

0.25

100 ≤ Re ≤ 1 000

Nu=0.27∗ℜ0.63∗Pr0.36[ PrPr s ]

0.25

1 000 ≤ Re ≤ 2 x 105

Nu=0.033∗ℜ0.8∗Pr0.36[ PrPr s ]

0.25

2 x 105 ≤ Re ≤ 2 x 106

Flujo en transición en distribución escalonada

Nu=1.04∗ℜ0.4∗Pr 0.36[ PrPrs ]

0.25

1 ≤ Re ≤ 500

Nu=0.71∗ℜ0.5∗Pr0.36[ PrPrs ]

0.25

500 ≤ Re ≤ 1 000

Nu=0.35 ( STSL )0.2

∗ℜ0.63∗Pr0.36[ PrPrs ]

0.25

1 000 ≤ Re ≤ 2 x 105

Nu=0.031( STSL )0.2

∗ℜ0.8∗Pr0.36[ PrPrs ]

0.25

2 x 105 ≤ Re ≤ 2 x 106

De la tabla 2.5 se decretará el valor Nu, por lo tanto, el coeficiente de convección externa se determinará al despejar de la siguiente fórmula el valor de hah.

Nuh=hah∗D ext

k h

(2.21)

Donde:hah: Coeficiente de convección externa (fluido caliente)( W

m2∗K ) .Dext: Diámetro exterior del tubo (m).k h: Coeficiente de conductividad térmica( W

m∗K ).

c) Coeficiente por conducción del material.

En los intercambiadores de calor, es fundamental el conocer qué tipo de material se puede emplear según convenga el proceso y según su resistencia a la transferencia de calor, el anexo 4 (página 83), muestra las propiedades de los materiales más comunes para intercambiadores de calor, como lo son:

Acero al carbón. Acero inoxidable. Níquel. Aleaciones de cobre. Aluminio.

Los espesores de pared de los tubos serán variados, para esto la BWG (Birmingham Wire Gauge) clasifica éstos de acuerdo a su espesor de pared. Los más empleados en la fabricación de intercambiadores de calor se determinan por la presión de trabajo y por el espesor de corrosión, siendo los más utilizados los de diámetro de 0.016m, 0.019m y 0.025m (Ramesh K., 2003, p. 680). En el anexo 5 en la página 84, se presenta la clasificación de los tubos de acuerdo a la BWG.

Los valores del diámetro interior para los tubos en los intercambiadores de calor, típicamente son de calibre 12, 13 y 14, con distribución cuadrada girada 90°, o triangular. La cuadrada se utilizará por facilidad de limpieza para remover el ensuciamiento que se genere durante la operación del intercambiador de calor. El siguiente apartado, explica la definición del factor de ensuciamiento.

d) Factor de ensuciamiento.

A medida que un equipo térmico está en operación, suele deteriorarse con el paso de tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies de transferencia de calor, esta capa que se genera sobre las paredes de los equipos térmicos, representa una resistencia adicional para la transferencia, lo que ocasiona una disminución en su eficiencia térmica, a esta resistencia se le denomina factor de ensuciamiento.

El factor de ensuciamiento dependerá de la temperatura de operación, de la velocidad de los fluidos y del tiempo de servicio. El anexo 8 en la página 87, muestra los valores de estas resistencias, de acuerdo al tipo de fluido que se trate.

Anexo: Configuraciones comerciales de intercambiadores de carcasa y tubos 1 pasó por carcasa y n por tubos.

Anexo (cont.): Configuraciones comerciales de intercambiadores de carcasa y tubos 1 paso por carcasa y n por tubos.

Anexo (cont.): Configuraciones comerciales de intercambiadores de carcasa y tubos 1 paso por carcasa y n por tubos.