LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Escuela profesional de Ingeniería Química

INFORME N° 5 (PARTE N°1)

ASIGNATURA: LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

TEMA: CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR

PROFESOR: ING. ZOILA DÍAZ CÓRDOVA

ALUMNA: MILLA CUEVA, DIANA

BELLAVISTA 18 DE SETIEMBRE DE 2017

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

1. INTRODUCCIÓN:

El campo de la aplicación de la energía térmica en la producción industrial es un

factor totalmente preponderante en los costos de operación y como tal puede decidir
la viabilidad técnico – económica de una actividad empresarial. Dentro de este campo
de aplicación energético, desempeñan un papel preponderante las plantas de vapor,
con las calderas y los sistemas de transporte de vapor.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor
para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se
usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba
durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al
calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.Luego de otras experiencias, James
Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su
propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y

desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de

cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó
en ese siglo y continúa en el nuestro. Máquinas de vapor alternativas de variada
construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido
perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas
encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW
de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para
usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción,
utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una
caldera multi−humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar
carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el
interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir
la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras−pie/minuto o
sea 550 libras−pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un
caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más
de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió
redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en
homenaje a Watt.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

2. OBJETIVOS:

2.1.Objetivo general
 Reconocer y diferenciar los diversos tipos de calderas e
intercambiadores de calor.

2.2.Objetivos específicos
 Conocer los principios de funcionamiento de ambos equipos.
 Observar y analizar las características de las calderas e intercambiadores
de calor presentes en LOPU.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO:

3.1.Calderas
En términos muy simples y genéricos podemos decir que un caldero o caldera, como
también se le denomina, es básicamente un recipiente a presión, cerrado, en el que se
calienta agua para uso externo del mismo por aplicación directa de calor resultante de
la combustión de un combustible (sólido, líquido o gaseoso). Este fluido puede ser
calentado hasta su evaporación en el caso de que el requerimiento sea de vapor de
agua.

3.1.1. Partes principales

Para comprender cabalmente el funcionamiento de un caldero, y ejecutar el
mantenimiento adecuado, es necesario conocer detalladamente las partes del caldero.
La estructura real de una caldera dependerá mucho del tipo que sea. No obstante, de
forma general, podemos describir las siguientes partes:

 Tambor de vapor o domo principal: Recibe agua de alimentación fresca,

bombeada externamente. En algunas calderas que poseen economizador, el
agua del sistema de alimentación de calderas pasa primeramente por el
economizador y luego de ganar temperatura, pasa hacia el tambor de vapor
después de haberse precalentado el agua. El tambor de vapor (Steam Drum)
es diseñado para dar cabida al volumen de vapor requerido en conjunto con el
equipo de combustión y sus sistemas de control de nivel asociados. En
resumen, la capacidad de producción de vapor es función del volumen del
tambor y del sistema de combustión.
 Tambor de lodos: Dispuesto en la parte baja de la caldera, como se muestra
en la figura siguiente, el tambor de lodos colecta las impurezas que se
producen del tratamiento químico del agua. Estas impurezas tienden a
depositarse en las partes bajas, por lo cual allí se van los materiales
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

indeseables e impurezas de la caldera para, mediante extracciones como las

purgas de fondo, mantener limpia y libre de suciedad la caldera.
 Horno y hogar: Recinto dentro del cual se realiza la combustión y el proceso
de transferencia de calor por radiación. Constituido por un gran número de
tubos que forman el banco generador de la caldera y las paredes de agua,
llamadas así por conformar los límites laterales de la caldera y que le dan su
forma. Dentro del hogar se encuentran los quemadores de combustibles que
se ubican en el mismo plano de una pared del homo o en las esquinas, para las
grandes unidades de generación de potencia.
o Horno paralelo: Se denomina así, cuando los quemadores se colocan
al frente y atrás de la pared posterior del horno. Es decir, quedan
enfrentados los quemadores en paredes opuestas.
o Horno turbulento: Se llama así cuando los quemadores están ubicados
en las esquinas e inyectan el combustible en forma tangencial hacia el
interior del horno. Este tipo de homos es ideal para la quema de carbón,
pues ofrece mayor turbulencia y mejor mezcla aire combustible.
Igualmente propicia la sedimentación de las partículas de carbón.
 Pre calentador de aire de combustión: El aire para la combustión de la
caldera, por tomarse directamente del medio circundante, lleva humedad
propia del lugar de la instalación. Esta humedad produce corrosión de los
elementos del interior de la caldera. El primer contacto que realiza el aire al
entrar a una caldera es en el calentador de aire, por lo cual debe evitarse que
la humedad del aire llegue allí. El precalentador de aire retira la humedad,
elevando su temperatura y haciendo más fácil su recorrido por los ductos hacia
la caja de aire. El problema de la corrosión en la parte extrema de los tubos
del calentador, lado aire, se obvia instalando un precalentador de aire
directamente a la salida de la decaiga del sistema de aire forzado.
 Sobrecalentador de vapor saturado: El sobrecalentador, es un equipo que
ofrece una superficie de intercambio de calor para elevar la temperatura del
vapor saturado y conseguir temperaturas de sobrecalentamiento, para cumplir
los requerimientos del proceso aguas abajo. Entre las principales razones para
realizar este proceso se tiene:
o Obtener un vapor seco.
o Mejorar la eficiencia total de la unidad.
o Adecuar el vapor a las necesidades nominales del equipo que lo
requiere.
 Economizador: Es un equipo de intercambio de calor para precalentar el agua
líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.Cuando
los gases de combustión dejan la zona de transferencia de calor por
radiación/convección, aún contienen calor que al no recobrarse, causará
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

pérdidas en la eficiencia de la caldera. Una sustancial porción de ese calor

puede recuperarse con la adición de accesorios intercambiadores de calor,
tales como el economizador (calentadores de agua dentro de la caldera).
 Chimenea: Es la vía de escape de los humos y gases de combustión después
de haber cedido calor al fluido. La Chimenea es el Conducto vertical
disponible para llevar a la salida final de la caldera los gases de la combustión.
Las primeras calderas de tipo industrial y los pequeños hornos de proceso,
operaban con tiro natural por efecto chimenea. El efecto chimenea es la
diferencia de presión causada por la elevación entre dos localizaciones en
doctos que transportan gases calientes por tubos verticales. Este efecto se da
por convección.
 Quemador: Sirve para quemar el combustible. Las calderas industriales por
lo general utilizan el gas y el diesel combustible o un crudo como insumo
energético. La capacidad de generación de vapor de la caldera se mide por la
potencia térmica que soporta el quemador, manejando un determinado
combustible por el número de quemadores. Cuando existen quemadores
duales para gas y combustóleo, no se deben operar simultáneamente con los
dos combustibles, ya que la capacidad de soporte térmico es sólo para un
combustible. De lo contrario, el quemador se fundiría en sus componentes de
acero y carbón.
 Ventiladores de aire/ gases: El aire de la combustión es proporcionado por
los ventiladores de aire forzado e inducido. El ventilador debe tener la
capacidad de suministrar el aire requerido para dar la capacidad de producción
nominal de la caldera, más un incremento por encima de lo nominal llamado
capacidad de carga pico.

FIGURA 3.1: Partes de una Caldera

Fuente:http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/IF_NO
VIEMBRE_2012/IF_MARILUZ%20JIMENEZ_FIIS/INFORME%20FINAL.pdf
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

3.1.2. Tipos de Calderas

Por el contenido de los tubos

o Calderas de tubos de fuego o Pirotubulares: Estas son calderas dotadas de

tubos rectos, rodeados de agua. La llama se forma en el hogar pasando los
humos por el interior de los tubos para ser conducidos a la chimenea;
presentan una elevada perdida de carga en los humos. Estos tubos se instalan
normalmente en la parte inferior de un tambor sencillo o de un caso, abajo del
nivel del agua. En este tipo de calderos, el fluido en estado líquido se
encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula
fuego y gases producto de un proceso de combustión.
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características:
- El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición
horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de
transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación
de vapor.
- La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida
de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra
cámara de salida de humos.
- El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y
abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases,
equipadas con bridas de conexión.
- En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre,
situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran
diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza
de posible acumulación de lodos.

VENTAJAS:

 Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.

 Mayor flexibilidad de operación.
 Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
 Son pequeñas y eficientes.
 Inconvenientes:
 Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
 No son empleables para altas presiones.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

FIGURA 3.2: Caldera Pirotubular

Fuente: https://es.slideshare.net/luisjmacias1/generadores-de-vapor-30776564

o Calderas de tubos de Agua o Acuotubulares: En estas calderas los tubos

contiene en su interior el vapor o el agua, mientras que el fuego es aplicado en
la superficie exterior de los mismos. Los tubos generalmente unidos a uno o
más domos. Los domos van colocados horizontalmente por lo regular. La llama
se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de
combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es más cara, tiene
problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica. En este tipo
de calderas, el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su
calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que
permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad de generación.

VENTAJAS:

 Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.

 La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar
a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
 Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
 Por su fabricación de tubos de agua es una caldera
"INEXPLOSIBLE" (libre de explosiones).
 La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de
tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos.
 El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión
de trabajo no excede los 20 minutos.
 Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
 Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su
operación automática.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

 Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y

diesel.
 Sistemas de modulación automática para control de admisión
aire combustible a presión.
 El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor
seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe
un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por
una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto
de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de
transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor
hasta en un 20%.

INCONVENIENTES:

 Mayor tamaño y peso, mayor costo.

 Debe ser alimentada con agua de gran pureza

FIGURA 3.3: Caldera Acuotubular

Fuente: https://es.slideshare.net/luisjmacias1/generadores-de-vapor-30776564

3.1.3. Importancia de la elección de un buen combustible

Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de
(kilocalorías / kilogramo) que suministran al quemarse), un grado de humedad
y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas. Esto datos son de gran
utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no
son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones
químicas. El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes
elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden
clasificar en dos grandes categorías.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,

cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.

Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como

tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.

El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar

una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio
que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una
cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se
realice la combustión completa.Además de la exactitud correcta de la mezcla
“aire-combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea
íntima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar
debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la
combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis
del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de
103 productos gaseosos formados.

CUADRO 3.1: Tipos de Combustible

NATURAL MANUFACTURADO
TIPO
Antracita Coque
Hulla Carbón de leña
SÓLIDO Lignito Briquetas
Turba
Alquitrán
Destilado de petróleo
Petróleo Residuos de petróleo
LÍQUIDO Alcoholes
Combustible coloidales

Gas de agua
Gas de aceite
Gas Natural Gas de alto horno
GASEOSO Gas de gasógeno
Acetileno

Fuente: Propia
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

3.1.4. Principales parámetros de operación de una caldera

- PRESION NOMINAL Pn
Es la presión máxima de funcionamiento admisible del tambor
(domo) de la caldera, cuyos valores son estandarizados. Se mide en
la parte superior del domo de la caldera

- PRESION DE REGIMEN, Pr
Es uno de los criterios de clasificación de la caldera, es menor que la
presión nominal en 5%, es la presión de la caldera durante su
explotación, medida antes del sobrecalentador de calor

- PRESION DE UTILIZACION, Pu
Es la presión del vapor medida a la salida del sobrecalentador

- TEMPERATURA NOMINAL, Tn
Es la temperatura del vapor sobrecalentado medida, a flujo nominal
de la caldera, después del regulador de temperatura o, a falta de este,
a la salida del sobrecalentador

- TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTACION, Ta

Son valores estandarizados y establecido en función de la presión
nominal, es la que se mide a la entrada al economizador, o si falta
este componente, a la entrada a la caldera (vaporizador)

- FLUJO NOMINAL, Dn
Es el flujo máximo continuo de vapor que debe asegurar la caldera
en funcionamiento permanente, con rendimiento menor que el
correspondiente al flujo normal.

- FLUJO NORMAL, D
Es el flujo de vapor correspondiente al funcionamiento de la caldera
con rendimiento óptimo, D = 0.8 * Dn

- FLUJO PICO DE VAPOR, Dp

Es el flujo de vapor más elevado que puede producir la caldera en
casos excepcionales para un período de funcionamiento de máximo
30 minutos, es igual a Dp = 1.10* Dn
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

3.2. Intercambiadores de Calor

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 la anterior,
empleándose agua y aire como medios principales de refrigeración.

3.2.1. Clasificación

o Según el tipo de servicio

- Enfriador: Es una unidad en la cual una corriente de proceso

intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase.
- Calentador: Un calentador es un intercambiador de calor que
aumenta la entalpia 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.
- 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.
- 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 termino condensador de
superficie se refiere específicamente a aquellas unidades de carcaza 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.
- Evaporador: Los evaporadores son intercambiadores diseñados
específicamente para aumentar la concentración de las soluciones
acuosas mediante la evaporación de una parte del agua.
- Vaporizador: Es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El
termino vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que
manejan líquidos diferentes al agua.
- Rehervidor: Es una vaporizador que suministra el calor latente de
vaporización al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. Hay
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

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.
- 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.
- Sobrecalentador: Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de
su temperatura de saturación.

En teoría, el diseño de todos estos equipos es parecido, sin embargo, los cálculos
de los coeficientes de transferencia de calor difieren unos de otros. Por ejemplo,
hay que considerar si existe o no cambio de fase, el régimen de flujo, si el fluido
es multicomponente, etc.

o De acuerdo al proceso de transferencia

- De contacto directo: Este tipo de intercambiador, el calor es

transferido por contacto directo entre dos corrientes distintas fases
(generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor)
fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía;
como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo
de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.
- De contacto indirecto: En los intercambiadores de tipo contacto
indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de
calor se realiza a través de una pared divisora, o desde el interior hacia
el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de
calor es intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en
la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frio se
denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo
almacenador o sencillamente regenerador.

o De acuerdo a los mecanismos de transferencia de calor

Los mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una

superficie son:
- Convección en una sola fase, forzada o libre.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

- Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación o

ebullición.
- Una combinación de convección y radiación.

Cualquiera de estos mecanismos o una combinación de ellos puede estar

activo a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola
fase se encuentra en radiadores de los automóviles, enfriadores,
refrigeradores, etc. Convección monofásica de un lado y bifásica del otro se
puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc.
Por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel
importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, etc.

o De Acuerdo a la Disposición de los Fluidos

La escogencia de una disposición de flujo en particular depende de la

eficiencia de intercambio requerida, los esfuerzos térmicos permitidos, los
niveles de temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las
disposiciones de flujo más comunes son:
- Intercambiadores de Calor de Paso Único: Se distinguen tres tipos
básicos:

a) Flujo en Paralelo o Co-corriente: En este tipo ambos

fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la
misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones
de temperatura son idealizadas como unidimensionales
Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres,
sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los
materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce
una temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la
misma efectividad del intercambiador sobre un amplio
intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece
el inicio de la nucleación.

b) Flujo en Contracorriente o Contraflujo: En este tipo los

fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. Las
variaciones de temperatura son idealizadas como
unidimensionales Esta es la disposición de flujo
termodinámicamente superior a cualquier otra.

c) Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos

son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

idealizadas como bidimensionales. Termodinámicamente la

efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores.

- Intercambiadores de Calor de Pasos Múltiples: Una de las ventajas

de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del
intercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse
diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo:
Paralelo-cruzado, contracorriente-paralelo, contracorriente-cruzado y
combinaciones de éstos.

o De Acuerdo al Tipo de Construcción

- Intercambiadores de doble tubo: Son los equipos de transferencia

de calor más sencillos que existen, y están formados por dos tubos
concéntricos, como lo muestra la figura 3.4.

FIGURA 3.4: Intercambiador de doble tubo

Fuente: http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF

Las características favorables de éste equipo son su bajo costo, su

simpleza de construcción y sus necesidades de mínimo
mantenimiento. Sus desventajas son las de resultar de gran tamaño y
no poder manejar fluidos a altas presiones. Una de sus principales
aplicaciones se encuentra en el manejo de sustancias corrosivas.

- Intercambiadores de tipo evaporativo: Estos equipos pueden usarse

como condensadores o enfriadores de gases. El fluido de enfriamiento
es agua que se rocía sobre los tubos por los que en el interior circula
el fluido a condensar o a enfriar. El calor transmitido produce la
evaporación de agua, por lo que necesita de una reposición
permanente. El uso de estos equipos se encuentra principalmente en
pequeñas plantas de refrigeración. En la figura 3.5 se muestra una
descripción esquemática del equipo.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

FIGURA 3.5: Intercambiadores de tipo evaporativo: a) Fluido a

enfriar b) Bomba de circulación c) Alimentación de agua d) Válvula
de Flotador

Fuente: http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF

- Intercambiadores de placas: Están formados por placas de espesores

de 0.0635 a 0.127 cm, colocadas paralelamente y montadas en marcos
fijos que a la vez actúan como repartidores y separadores de los fluidos
manejados. La separación entre placas es del orden de 0.102 a 0.203
cm. En la figura 3.6 se muestra esquemáticamente éste tipo de equipos.
Entre sus ventajas se pueden citar su facilidad de limpieza y su
flexibilidad de modificar su superficie de transmisión de calor. Sus
mayores aplicaciones se encuentran en las industrias alimenticias y
farmacéuticas.
FIGURA 3.6: Diagrama de un Intercambiador de Placas

Fuente: http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF

- Intercambiadores de Serpentín: Consiste en un serpentín colocado

en un recipiente por el que circula agua de enfriamiento (figura 3.7).
Sus principales aplicaciones se hacen en el enfriamiento de gases a
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

alta presión, y cuando se tiene interés en detectar fugas en forma

sencilla.
FIGURA 3.7: Intercambiadores de calor de serpentín: a) Entrada de
gas b) Salida de gas c) Entrada de agua d) Salida de agua

Fuente: http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF

- Intercambiadores de espiral: Están formados por placas enrolladas

que mantienen los fluidos separados (figura 3.8); las placas se colocan
en el interior de un recipiente cilíndrico, cerrado con tapas herméticas
por ambos lados.
Los fluidos pueden circular de las siguientes formas: Ambos fluidos
en espiral, un fluido en espiral y otro en forma axial, un fluido en
forma axial y el otro en forma combinada (espiral y axial).
La ventaja de estos equipos es que pueden manejar cualquier tipo de
fluido, incluyendo los que contienen sólidos en suspensión. Como
desventaja se presenta la dificultad de limpieza. Sus aplicaciones son
a presiones moderadas y principalmente en la industria maderera.

FIGURA 3.8: Intercambiadores de calor de espiral

Fuente: http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF

- Intercambiadores enfriados por aire: Están compuestos por un haz

de tubos aletados externamente, montados sobre dos cabezales que
hacen las funciones de distribuidor y colector de fluido. Otro elemento
primordial son los ventiladores que forzan la circulación del aire a
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

través de los tubos aletados. Comúnmente se le conoce como

intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar
perpendicularmente al eje de los tubos.

FIGURA 3.9: Intercambiadores de flujo cruzadp

Fuente: https://operacionesunitarias1.files.wordpress.com/2011/07/unidad-iv-
intercambiadores-de-calor.pdf

Se conocen dos tipos: de tiro forzado y de tiro inducido.

 Intercambiadores enfriados por aire de tiro forzado: Su

característica principal es que los ventiladores se encuentran
colocados antes del paso del aire por los tubos.
 Intercambiadores enfriados por aire de tiro inducido: Se
muestran en la figura 1.8, y su arreglo característico es que los
ventiladores se encuentran colocados después del paso del aire
por los tubos. La ventaja de estos equipos es que pueden usarse
en lugares en los que el agua es escasa o su tratamiento
químico resulta muy costoso. Como desventaja se puede
señalar su alto costo de adquisición.

- Intercambiadores de carcaza y tubos: Están compuestos por un haz

de tubos contenidos en el interior de una carcasa, sus elementos
principales son (figura 1.9): a) Haz de tubos b) Espejos de tubos c)
Cabezales d) Deflectores e) Carcaza
Estos equipos tienen la ventaja de ser compactos, y de soportar
presiones tan altas o mayores a 400 atm. Sin lugar a dudas es el
intercambiador de calor de mayor uso en la industria; los fluidos que
pueden manejar son gases o líquidos, incluyendo cambios de fase.
También resultan ser los equipos más estudiados y sobre los que existe
una normalización como es el TEMA (Tubular Exchanger
Manufacturers Association).
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

FIGURA 3.10: Intercambiadores de carcasa y tubos

Fuente:https://operacionesunitarias1.files.wordpress.com/2011/07/unidad-iv-
intercambiadores-de-calor.pdf

- Intercambiadores rotatorios: La matriz metálica entra en contacto

de manera alterada, con las corrientes de gases calientes y fríos,
intercambiando calor de esta forma. Como ventajas de estos equipos
se pueden señalar que son muy compactos; a igual superficie de
transmisión de calor resultan ser los menos caros, y la dirección
alternada de los fluidos evita las incrustaciones. Como principal
desventaja se considera la pequeña mezcla de gases que no es posible
evitar.
3.2.2. Relaciones gobernantes

o Primera Ley de la Termodinámica

Consideremos que existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido
caliente tiene una razón de capacidad calorífica defina como Ch = mCph [W/K]
donde m[kg/s] es el flujo másico y Cph [J/kgK] es su capacidad calorífica a
presión constante y análogamente para el fluido frío se tiene Cc = mcph.
Entonces, con base en la Primera Ley de la Termodinámica o Conservación de
la Energía, se establece que el calor transferido entre ambos flujos se puede
describir por un balance de entalpía de la forma:

La ecuación anterior es una representación ideal donde no se consideran

pérdidas de calor y ésta sólo describe el calor que será transferido (la capacidad
o comportamiento del intercambiador) para el caso donde se conocen los flujos
másicos y las temperaturas de operación. Sin embargo, dicha ecuación no provee
ninguna indicación del tamaño del intercambiador necesaria para mejorar su
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

capacidad o eficacia. Si consideramos el tamaño del intercambiador, la ecuación

tornaría a:

o Diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD): Para los cuatro

arreglos básicos simples indicados en la figura 3.11, θm en las ecuaciones
anteriormente mencionadas es la diferencia de temperatura media logarítmica,
la cual se puede escribir como:

FIGURA 3.11: Cuatro arreglos básicos para los cuales la diferencia

de temperatura media logarítmica se puede determinar a partir de
la ecuación: (a) Contraflujo; (b) flujo paralelo; (c) fuente con
temperatura constante y receptor con incremento de temperatura;
(d) temperatura constante en el receptor y fuente con temperatura
en decremento.

Fuente: http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf

3.2.3. Termocuplas
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado
industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material
unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la
unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del
orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una
termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

(aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C,

debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

FIGURA 3.12: Funcionamiento de una termocupla

Fuente: http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf

Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de

un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está la unión
y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja
redonda de aluminio (cabezal).

o Tipos de termocuplas
Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de
las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo
J o del tipo K.
TABLA3.2: Tipos de Termocuplas

Fuente: http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf

o Aplicaciones

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico,

goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

(Zamac, Aluminio).
La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas
menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos
térmicos.
Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria
siderúrgica (fundición de acero)
Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de
alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100, este
último consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al
aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica.

4. METODOLOGÍA

4.1.Procedimiento experimental

CALDERAS
 Reconocer el tipo de caldera del laboratorio de Operaciones Unitarias y sus
características principales.

Figura 4.1: Caldera de LOPU

FUENTE: Propia
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

INTERCAMBIADORES DE CALOR
 Reconocer las conexiones y entradas del intercambiador de calor del LOPU

Figura 4.2: Intercambiador de calor de LOPU

FUENTE: Propia

5. REPORTE DE RESULTADOS

CALDERAS
Figura 5.1: Características de la caldera

FUENTE: Propia

Como podemos observar, está caldera es de tipo pirotubular de marca Intesa, con
orientación vertical, soporta una presión de 150 psia , opera a gas y fue fabricada
en el 2012 pero adquirida en el año 2013.
La misma consta de la caldera en sí. Una unidad de tratamiento de aguas y una
unidad de combustible. Además observamos en la caldera: presiostatos, un
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1

medidor de nivel y una válvula de alivio. Sobre su ubicación: se encuentra

correctamente localizada, con conexiones adecuadas y alejada de la fuente
principal de combustible.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

El intercambiador de calor de LOPU es de doble tubo con los siguientes

diámetros: Tubería central 3/4” y Tubería externa 2”.
Se puede adecuar a flujo paralelo y contracorriente según sea la necesidad, es
importante resaltar su aislamiento para un trabajo más eficiente, además posee
presiostatos y termocuplas, una de ellas colocada con la finalidad de automatizar
el sistema con la ayuda de un multipunto.

6. RECOMENDACIONES

 Es importante tener presente el tratamiento del agua para a la entrada de

alimentación hacia la caldera.
 El buen manejo del sistema de control ayudara a tener mayor amplitud
con los parámetros a controlar.

7. CONCLUSIONES

 Pudimos observar el equipamiento de una caldera pirotubular y un

intercambiador de calor, ambos tienen altas medidas de seguridad y
operación.
 Tener en cuenta los parámetros a controlar como son; presión,
temperatura, alimentación, dureza del agua.
 La disminución de las pérdidas por purga reducen las pérdidas de energía,
ya que la temperatura del líquido de purga es la misma que la del vapor
generado en la caldera.
 La mayoría de las empresas que utilizan los diferentes tipos de calderas,
generalmente aprovechan el vapor para una parte del proceso como es el
caso de la industria textil que aprovecha el vapor para secado en el teñido
de telas.

8. BIBLIOGRAFÍA

- Robert L. Mott, “MECANICA DE FLUIDOS”. Sexta edición

- Mataix Claudio, “MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS
HIDRAULICAS”. Editorial Harla Harper.
- “FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS”, segunda edición, P.
Gerhart, R. Gross, J. Hochtein, Addison-Wesley Iberoamericana. USA 1995.