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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingeniería

Junio 2020 Vol.7 No.23 7-18

Metodología para el diseño de intercambiadores de calor tipo coraza y tubos

Methodology for the design of shell and tube heat exchangers

NUÑEZ-HERNÁNDEZ, Lourdes Nohemi†*´, HORTELANO-CAPETILLO, Juan Gregorio´,
KANTUN-UICAB, Maria Cristina´´ y TÉLLEZ-MARTÍNEZ, Jorge Sergio´
´Universidad Politécnica de Juventino Rosas. Academia de Ingeniería Metalúrgica. Hidalgo 102, Comunidad Valenciana,
Santa Cruz de Juventino Rosas, Gto, México.
´´Universidad Politécnica de Juventino Rosas. Academia de Ingeniería en Plásticos. Hidalgo 102, Comunidad Valenciana,
Santa Cruz de Juventino Rosas, Gto, México.

ID 1er Autor: Lourdes Nohemi, Nuñez-Hernández / ORC ID: 0000-0002-3684-7700, CVU CONACYT ID: 1017764

ID 1er Coautor: Juan Gregorio, Hortelano-Capetillo / ORC ID: 0000-0002-3702-4853, CVU CONACYT ID: 347496

ID 2do Coautor: Maria Cristina, Kantun-Uicab / ORC ID: 0000-0003-1588-5414, CVU CONACYT ID: 162342

ID 3er Coautor: Jorge Sergio, Téllez-Martínez / ORC ID: 0000-0003-0587-0059, CVU CONACYT ID: 40084

DOI: 10.35429/JEA.2020.23.7.7.18 Recibido: 15 de Abril, 2020; Aceptado: 29 de Junio, 2020

Resumen Abstract

Los intercambiadores de calor han sido objeto de estudio por Heat exchangers have been the subject of study for over a
más de una centuria. Su clasificación ha abierto diversas ramas century. Its classification has opened various branches of study.
de estudio. Dentro de los equipos denominados recuperadores Among the equipment called recuperators are those of the casing
se encuentran los de tipo carcasa y tubos. Estos equipos se and tube type. These equipments are used to carry out cooling
utilizan para realizar procesos de refrigeración y calentamiento and heating processes from water circuits. Although water is not
a partir de circuitos hídricos. Aunque el agua no es la única the only substance of interest, a large number of research papers
sustancia de interés, un gran número de trabajos de address hydrodynamic behavior coupled to heat exchange
investigación abordan el comportamiento hidrodinámico processes in elements of different sizes, with various flow
acoplado a procesos de intercambio de calor en elementos de arrangements and of various types, such that it is desired to
diferentes tamaños, con varios arreglos de flujo y de diversos characterize them depending on the thermal performance to
tipos, tal que se desea caracterizarlos en función del desempeño mainly achieve some target temperature in the fluids involved,
térmico para alcanzar principalmente, alguna temperatura even when this involves dealing with large pressure drops. In this
objetivo en los fluidos involucrados, aun cuando esto implique way, the generation of computational tools that help the
lidiar con grandes caídas de presión. De esta forma, se ha understanding of functionality under certain operating conditions
planteado la generación de herramientas computacionales que has been proposed, as well as the manufacturing with certainty
auxilien a la comprensión de la funcionalidad a ciertas and low cost. The verified and validated results of an application
condiciones de operación, así como también la fabricación con developed with accessible computing resources establish a
certidumbre y bajo costo. Los resultados verificados y contribution in this active field of engineering.
validados de una aplicación desarrollada con recursos
informáticos accesibles establecen una contribución en este
campo activo de la ingeniería.

Intercambiador de calor, procesos térmicos optimizados, Heat exchangers optimized thermal processes, recuperators
simulación de recuperadores, ɛ-NTU simulation, ɛ-NTU

Citación: NUÑEZ-HERNÁNDEZ, Lourdes Nohemi, HORTELANO-CAPETILLO, Juan Gregorio, KANTUN-UICAB,

Maria Cristina y TÉLLEZ-MARTÍNEZ, Jorge Sergio. Metodología para el diseño de intercambiadores de calor tipo coraza y
tubos. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería. 2020. 7-23:7-18.

* Correspondencia del Autor (Correo Electrónico: lulisnun@gmail.com)

† Investigador contribuyendo como primer autor.

©ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Introducción

Los intercambiadores de calor tipo coraza y

tubos son ampliamente usados en la industria
gracias a su variedad de construcción y la
aplicación que tienen en los procesos de
transferencia de calor entre sustancias. La
necesidad de la industria por aprovechar la
energía ha impulsado tecnologías innovadoras
para la fabricación de los intercambiadores de
calor bajo las normas de la Asociación de
Constructores de Cambiadores de Calor del tipo
Tubular (TEMA de sus siglas en inglés). De
acuerdo con la clase de intercambiador, estas Figura 2 Intercambiadores de Calor Carcasa y Tubos. (a)
Un paso por la carcasa y tubos, flujo contracorriente. (b)
especifican con detalle: los materiales, las
Dos pasos por la carcasa y cuatro pasos por los tubos. (c)
técnicas de diseño, las dimensiones y los Un paso por la carcasa y dos pasos por los tubos
métodos de construcción. Lo anterior para Fuente: Kakac & Hongtan, 1998
determinar el buen funcionamiento mecánico y
térmico, es decir, para la optimización de los Considerando la relevancia del control de
procesos de transferencia de calor y ahorro de la transferencia de calor en estos sistemas, en
energía. Los intercambiadores de calor pueden este trabajo se platea una metodología de análisis
clasificarse de acuerdo con criterios tales como y se sugiere el uso de una aplicación informática
la geometría de construcción, los procesos de para diseñar un intercambiador de calor tipo
transferencia y el arreglo de flujos de fluidos, en carcasa y tubos.
recuperadores y regenerativos (Kakac &
Hongtan, 1998). De los recuperadores, los más Estos equipos se diseñan con grandes
sencillos se pueden definir como cuerpos superficies de transmisión de calor asociadas con
cilíndricos concéntricos. Estos a su vez se los diversos tubos montados paralelamente en el
clasifican en: flujo en paralelo o flujo a interior de la carcasa (Geankoplis, 1993). En
contracorriente, como se muestra en la Fig. 1 (a) relación al tamaño de estos componentes, existen
y (b), respectivamente. ciertas limitaciones para que los equipos operen
tomando en cuenta grandes caídas de presión y
su efecto sobre la temperatura de los fluidos
(Ozisik, 1990).

Tomando en consideración lo anterior y

la información de los estándares de TEMA
(Tubular Exchanger Manufacturers Association
Figura 1 Intercambiadores de calor concéntricos. Con (a) de sus siglas en inglés) (TEMA, 2007), los
flujo en paralelo y (b) flujo a contracorriente esfuerzos para generar metodologías similares a
Fuente: Kakac & Hongtan, 1998 la propuesta, incluyen el análisis de Mehra
(1983), quien propone que los estándares de
Otra configuración se estructura con el TEMA y ASME se consideren fuentes de
concepto concéntrico mediante la coraza o información adecuadas para el diseño mecánico
carcasa externa y arreglos de tubos. Tales y fabricación de los intercambiadores de calor de
configuraciones se distinguen de acuerdo con la carcasa y tubos. Con esta referencia, Keene et al.
circulación de los fluidos en los tubos y al (1994) desarrollaron una aplicación
interior de la carcasa, denominada “paso”. En computacional para el cálculo de la temperatura
estos intercambiadores normalmente se instalan de fluidos para un equipo. Sus resultados fueron
deflectores (bafles) para aumentar la interacción validados respecto a los modelos matemáticos
del fluido al interior de la coraza con los tubos. propuestos, los cuales integraban los efectos de
La Fig. 2 muestra esquemáticamente algunos las caídas de presión del fluido en las secciones
ejemplos con una configuración geométrica que delimitadas por los bafles.
permite distintos pasos.

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Por otra parte, Yusuf y Ozbilen (2004) Machuca y Urresta (2008) presentaron la
realizaron un diseño con predicciones de un estructura de gráficos y datos determinados por
código de programación que determina la una aplicación informática para el aprendizaje
transferencia de calor óptima en función de los del funcionamiento de los intercambiadores de
flujos másicos de los fluidos, su temperatura de calor tipo coraza y tubos.
entrada y salida al proceso, así como el tipo de
material de los tubos. La información obtenida Esta aplicación permite modificar
específica las dimensiones generales del equipo condiciones de diseño y de operación.
como son: número de tubos, número de bafles, Similarmente, Tan y Fok (2006) desarrollaron
longitud de los tubos, diámetro interno y externo una herramienta informática educativa para el
de los tubos, el área de superficie para la diseño de intercambiadores de calor tipo carcasa
transferencia de calor y las caídas de presión del y tubos usando el método de Kern para análisis
lado de la carcasa y del lado de los tubos. termo hidráulicos. En este programa de cómputo
Asimismo, Leong (1998) desarrolló una el usuario introduce las especificaciones de
aplicación computacional donde diseñan estos diseño y los resultados se muestran dibujos
equipos alimentando datos de los estándares de esquemáticos. Los investigadores El-Harbawi,
TEMA. Acellam, & Yin (2011), presentaron una
metodología para desarrollar un programa de
La información para el cálculo requiere el cómputo educativo en el lenguaje de
conocimiento de: los flujos másicos, la programación Visual Basic para diseñar
temperatura de entrada y salida de los fluidos del intercambiadores de calor coraza y tubos
lado de la carcasa y del lado de los tubos, fundamentado en los métodos de Kern y Bell
algunas propiedades físicas de fluidos de trabajo Delaware.
como el agua, aire, freon 12, etilenglicol,
glicerina y mercurio. En este trabajo se En el proceso de verificación de
implementa el método de Bell Delaware para resultados se incluyen datos de manuales y de
determinar los parámetros geométricos del otros programas de diseño. Por su parte, Cartaxo
intercambiador de calor (número de tubos, y Fernandes (2010), generaron otro programa en
diámetro de la coraza, número de tubos, la línea educativa para el diseño de equipos
espaciamiento de bafles, paso pitch, número de utilizando los métodos de Kern, Bell Delaware y
pasos en los tubos, etc.). Los investigadores Su, Tinker, proporcionando cursos de operación con
Khin, y Mi (2008) también desarrollaron una ejercicios realistas. Los parámetros que el
aplicación computacional con el objetivo de usuario determina son: los fluidos de trabajo (34º
diseñar intercambiadores como enfriadores de API, 26º API), la temperatura de entradas en °F
aceite. En su procedimiento intentan obtener la (300, 450) y salidas en °F (310, 350), los flujos
mayor transferencia de energía sin exceder la másicos en lbh-1 (72179.79, 6900) y algunos
caída de presión permitida. datos geométricos como diámetros de las
tuberías. Otra contribución fue originada por
Al comparar sus resultados con datos de Reyes-Rodríguez et al. (2013), quienes
equipos industriales ajustan sus simulaciones realizaron una modelación térmica e hidráulica
para obtener coeficientes de transferencia de de un intercambiador de calor tipo coraza y tubos
calor internos (del lado tubos) y externos (del usando el método ɛ-NTU y Bell Delaware a
lado carcasa) variando el número de bafles, través de MATLAB® utilizando, además, una
número de tubos y la longitud de los tubos. A su técnica de optimización de algoritmos genéticos
vez, El-Fawal, Fahmy, & Taher (2011), para proporcionar un conjunto de Pareto de
generaron una aplicación computacional con el múltiples soluciones y así minimizar el costo de
objetivo de disminuir al mínimo el costo del construcción.
diseño al definir la presión optima de los fluidos
del lado de la carcasa y del lado tubos. En relación con la mejora de métodos
Minimizar el costo implica mejorar el diseño de matemáticos, Toledo-Velázquez et al. (2014)
la geometría del equipo, por lo tanto, para presentaron un estudio implementando factores
verificar sus resultados realizan una búsqueda de de corrección del método de Bell Delaware para
datos en la literatura. los cálculos de los coeficientes de transferencia
de calor y las caídas de presión.

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Aunque el desarrollo se estructuró en La Ec. 2 representa una relación para un

FORTRAN 77 se considera una herramienta flujo de fluido en un sistema a contracorriente.
amigable, en la que el usuario introduce con Donde “Th” indica la temperatura más alta del
facilidad parámetros de la geometría del equipo, fluido y “Tc” la temperatura menor. Los índices 1
la temperatura de entrada y las características de y 2 representan los datos con referencia al fluido
los fluidos. Desde el punto de vista físico, de los lados carcasa y tubos, respectivamente
Gawande et al. (2012), diseñaron y construyeron (Kakac & Hongtan, 1998).
un intercambiador de calor coraza y tubos en
base a los estándares de TEMA y ASME para (𝑇ℎ1 −𝑇𝑐2 )−(𝑇ℎ2 −𝑇𝑐1 )
∆𝑇𝑚𝑙 = 𝑇 −𝑇 (2)
fines industriales. Otras referencias de 𝐿𝑛[ ℎ1 𝑐2 ]
𝑇ℎ2 −𝑇𝑐1
construcción de equipos utilizando herramientas
de optimización para disminuir los costos se Puesto que se requiere conocer el área
detallan en las referencias (Reppicha & total (Atotal) asociada a la transferencia de calor;
Zagermann, 1995), (Babua & Munawar, 2007), se define la Ec. 3 para aproximar su magnitud
(Fettaka, Thibault, & Gupta, 2013), (Selbaşa, como el producto del diámetro externo de los
Kızılkana, & Reppich, 2006), (Caputo, tubos (Detub), su longitud (Ltub) y el número total
Pelagagge, & Salini, 2008), (Ponce-Ortega, de ellos (Ntub) (Kakac & Hongtan, 1998):
Serna-González, & Jiménez-Gutiérrez, 2009),
(Fesangharya, Damangira, & Soleimani, 2009), 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜋𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏 𝐿𝑡𝑢𝑏 𝑁𝑡𝑢𝑏 (3)
(Patel & Rao, 2010), (Hilbert, Janiga, Baron, &
Thévenin, 2006), (Sanaye & Hajabdollahi, Lo anterior permite analizar o predecir el
2010), (Costa & Queiroz, 2008), (Rajasekaran & rendimiento de un intercambiador de calor, al
Kannadasan, 2010). cuantificar la energía transferida “Q” estimando
un coeficiente de transferencia de calor
Metodología denominado global (Uglobal), tal como lo expresa
la Ec. 4 (Kakac & Hongtan, 1998).
Contribuyendo al desarrollo de aplicaciones para
el diseño de equipos intercambiadores de calor 𝑄 = 𝑈𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∆𝑇𝑚𝑙 (4)
tipo carcasa y tubos, se planteó la generación de
una nueva aplicación de cómputo utilizando la El cálculo aproximado del coeficiente
interfaz del software ESS (Engineering Equation global de transferencia de calor se obtiene
Solver, de sus siglas en inglés). En el algoritmo planteando la analogía con un circuito eléctrico
de cálculo se establece la solución a la en el cual se integran diversas resistencias. Los
formulación de la transferencia de calor total en términos de resistencias asociados a la analogía
el sistema planteando un balance de energía entre se expresan como sumandos en el denominador
los fluidos del lado de la carcasa y del lado de los de la Ec. 5. Datos de los coeficientes de
tubos. La Ec. 1 determina el balance. transferencia de calor asociados al fluido
circulando al interior de los tubos (hi) y en el
𝑄 = 𝑚̇𝑐𝑎𝑟𝑐 𝐶𝑝𝑐𝑎𝑟𝑐 (𝑇𝑠𝑐 − 𝑇𝑒𝑐 ) = 𝑚𝑡𝑢𝑏
̇ 𝐶𝑝𝑡𝑢𝑏 (𝑇𝑒𝑡 − 𝑇𝑠𝑡 ) (1) exterior (ho), la conductividad en las paredes de
los tubos (kmat), su diámetro interno (Ditub) y
Donde “ṁ” es representa el flujo másico, externo (Detub), así como, el factor de
“Cp” la capacidad calorífica y “T” valores de ensuciamiento (Ric), intervienen en la relación.
temperatura respectivos a los subíndices “carc”
que indica la referencia al lado de la carcasa, 1
𝑈𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = (5)
“ec” a la entrada del lado carcasa, “et” a la 𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏 𝑅𝑖𝑐 𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏
𝐷𝑒
𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏 𝐿𝑛( 𝑡𝑢𝑏 )
𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏 1
entrada del lado tubos, “sc” a la salida del lado 𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏 ℎ𝑖
+
𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏
+
2𝐾𝑚𝑎𝑡
+
ℎ𝑜
carcasa y “st” a la salida del lado tubos.
El cálculo de las caídas de presión, a su
Debido a que los fluidos que se desplazan vez, requiere de la definición del diámetro de la
a lo largo del intercambiador de calor pierden o carcasa (Ds). La Ec. 6 permite establecer una
adquieren un índice de temperatura local diverso. magnitud apropiada en función de las
Una forma de obtener un valor de temperatura características dimensionales de los tubos:
representativo se logra mediante la
implementación del concepto de la media 0.5
𝐶𝐿 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑅 2 𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏
logarítmica de la diferencia de temperaturas. 𝐷𝑠 = 0.637√𝐶𝑇𝑃 [ ] (6)
𝐿𝑡𝑢𝑏

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Donde el término CTP adquiere los Adicionalmente, se debe especificar los

valores 0.93, 0.90 y 0.85 en relación con si el coeficientes de transferencia de calor. La
número de pasos del fluido en el equipo se define definición de su magnitud no es arbitraria y por
como 1, 2 o 3, respectivamente. Por otra parte, el lo tanto, se debe establecer algún mecanismo
término CL adquiere el valor de 1.0 o 0.87 si, el para utilizar información confiable. El uso de
arreglo de los tubos permite establecer una correlaciones para estimar los coeficientes es una
relación geométrica entre sus centros de, 90° y estrategia propuesta en este trabajo para
45°, o de, 30° y 60°, respectivamente. concretar el diseño de un equipo intercambiador
de calor tipo carcasa y tubos. Las referencias
De esta forma, la caída de presión en el (Colburn, 1993), (Gnielinski, 1976), (Sieder &
fluido del lado de los tubos se calcula con la Tate, 1936), (Petukhov, 1970), (Sleicher &
siguiente ecuación (Kakac & Hongtan, 1998): Rouse, 1975), así como, (Zukauskas & Ziugzda,
1985), (Kern, 1965), (Hilpert, 1933), (Bell,
4𝑓𝐿𝑡𝑢𝑏 𝑁𝑝 𝜌𝑣 2 1988), y (Taborek, 1991), se seleccionaron como
∆𝑃𝑡 = ( + 4𝑁𝑝) ( ) (7)
𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏 2 fuentes confiables de datos de coeficientes de
−2
𝑓 = (0.79𝐿𝑛(𝑅𝑒𝐷 ) − 1.64) transferencia de calor para caracterizar los
fluidos en circulación respecto al interior y el
Donde “f” es el factor de fricción exterior de los tubos.
estimado a partir del número de Renolds. Las
variables “v” y “” representan la velocidad y
densidad del fluido, respectivamente. Tals que, la
caída de presión en el fluido de lado de la carcasa
es:

𝑓𝐺𝑠2 (𝑁𝑏+1)𝐷𝑠
∆𝑃𝑠 = 𝜇 0.14
(8)
2𝜌𝐷𝑒 ( )
𝜇𝑤

𝑓 = exp(0.576 − 0.19𝐿𝑛(𝑅𝑒𝑠 ))

En resumen, los parámetros geométricos

requeridos para especificación son:

• Diámetro interno de los tubos.

• Diámetro externo de los tubos.

• Número de bafles o mamparas.

• Número de tubos.

• Longitud de los tubos.

• Radio Pitch (CL). Tabla 1 Correlaciones para calcular números de Nusselt

asociados al flujo de fluidos al interior de los tubos.
Fuente: elaboración propia [MS PowerPoint]
• Número de pasos del fluido (CTP).
Las Tablas 1 y 2 muestran los datos
Por otra parte, se requiere especificar tabulados de las correlaciones extraídas de las
propiedades físicas de los materiales, incluidos respectivas referencias para la determinación de
los fluidos, tal como: números adimensionales de Nusselt, de cuya
definición, se obtienen los valores de los
• Conductividad térmica del material de los coeficientes de transferencia de calor necesarios
tubos. para la simulación; de acuerdo con las
características de los procesos planteados en
• Densidad, capacidad térmica y viscosidad términos de los números adimensionales de
de los fluidos. Reynolds (Re) y Prandtl (Pr).

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Adicionalmente, la codificación
implementa el uso de los métodos del Número de
Unidades de Transferencia (NTU de sus siglas en
inglés) y el de Número de Eficiencia (ε), ambos
números adimensionales dependientes de la
capacidad térmica de los fluidos, que permiten
obtener una estimación de la temperatura de
salida de los fluidos (Reyes-Rodríguez et al.,
2013). Para verificar y validar el alcance de los
cálculos de la aplicación, se recurrió a
información publicada sobre casos teóricos y
experimentales, respectivamente.

Resultados

Se presentan los datos obtenidos de 5 casos de

estudio y se analizan con respecto a la predicción
del rendimiento térmico e hidráulico de equipos.
La Fig. 4 muestra la interfaz de resultados
conteniendo datos de una simulación.

Tabla 2 Correlaciones para calcular números de Nusselt

asociados al flujo de fluidos en el exterior de los tubos
Fuente: elaboración propia [MS PowerPoint]

La Fig. 3 presenta la interfaz de usuario

simplificada y amigable creada para los
ejercicios de cálculo que establecen condiciones
de diseño de los equipos. Datos relacionados con
el flujo volumétrico y la temperatura de entrada
de ambos fluidos, así como la presión de
alimentación, se definen como condiciones de Figura 4 Interfaz de resultados de la simulación
operación mediante casillas de texto con una presentada al usuario
etiqueta identificadora. Fuente: elaboración propia [Impresión de pantalla
interfaz del programa ESS]

Como puede notarse, se obtienen

resultados de flujos másicos, diámetro de la
carcasa, distancia entre bafles, caídas de presión,
números de Reynolds, el coeficiente global de
transferencia de calor, la temperatura de salida de
fluidos, la transferencia de calor total y el área de
transferencia de calor. Asimismo, explícitamente
se definen coeficientes de transferencia de calor
de 5 correlaciones para flujo interno y flujo
externo, respectivamente. Dependiendo del tipo
de proceso (Re, Pr), se realizan una serie de
combinaciones de las correlaciones para obtener
Figura 3 Interfaz de usuario creada en el programa ESS el coeficiente global de transferencia y
para definir datos respecto al diseño de equipos posteriormente de la temperatura de salida de los
Fuente: elaboración propia [Impresión de pantalla
interfaz del programa ESS]
fluidos con el método ɛ-NTU.
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Caso de análisis 1 Los coeficientes de transferencia de calor

denominados interno y externo que se adoptaron
La Tabla 3 contiene los datos geométricos y para las simulaciones fueron los respectivos a
condiciones de operación de un equipo dispuesto Nutter_Sleicher y Zukauskas.
como caso de estudio por (Flores-González,
2007). Utilizando la aplicación desarrollada se Dato Subcaso Referencia Modelo
[40] propuesto
ejecutaron cuatro simulaciones tomando la Temperatura 1 35.3 33.64
información de las condiciones dispuestas al de salida de 2 37.5 36.59
coraza. °C
equipo y se cotejaron los resultados obtenidos, en 3 35.6 34.56
particular, la temperatura de salida de los fluidos. 4 35.6 34.61
Temperatura 1 47.9 49.58
de salida de 2 49.4 50.86
Datos tubos. °C
3 48.2 50.02
Diámetro interno tubos 14.5 mm
4 48.9 49.95
Diámetro externo de tubos 15.5 mm
Transferencia 1 148313 119813
Número de tubos 55 de calor total. 2 122663 108351
Longitud de tubos 1163.6 mm W
3 132652 117389
Paso de Pich 19.8mm
4 130341 116913
Número de bafles 12
Coeficiente de 1 2224 1697
Pasos en carcasa 1 transferencia 2 2198 1693
Pasos en tubos 1 de calor global.
3 2267 1676
Conductividad del material de tubos 55 Wm-2K-1 W m-2 K-1
4 1976 1661
Arreglo de tubos Triangular
Coeficiente de 1 2763 3667
Caso 1 transferencia 2 2788 3684
Fluido: agua Lado de coraza Lado de tubos de calor
3 2770 3676
Fujo volumínico, L h-1 14700 14700 interno. W m-2
K-1 4 2777 3673
Flujo másico, kg s-1 4 4
Temperatura (°C) 26.6 56.7 Coeficiente de 1 4766 9883
transferencia 2 4633 9628
Caso 2
de calor
Fluido: agua Lado de coraza Lado de tubos 3 4427 9148
externo. W m-2
Flujo volumínico, L h-1 13800 14700 K-1 4 4312 8743
Flujo másico, kg s-1 3.8 4 Caída de 1 78000 35036
Temperatura (°C) 29.8 57.3 presión en 2 68000 31018
Caso 3 carcasa. Pa 3 58000 27646
Fluido: agua Lado de coraza Lado de tubos 4 51000 24282
Flujo volumínico, L h-1 12900 14700 Caída de 1 7000 1332
Flujo másico, kg s-1 3.57 4 presión en 2 7000 1330
Temperatura (°C) 26.7 57 tubos. Pa 3 7000 1331
Caso 4 4 7000 1331
Fluido: agua Lado de coraza Lado de tubos
Flujo volumínico, L h-1 12000 14700 Tabla 4 Datos de interés para el Caso de análisis 1
Flujo másico, kg s-1 3.32 4 tabulados para el cotejo de magnitudes
Temperatura (°C) 26.2 56.9 Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint]
Tabla 3 Datos geométricos y condiciones de proceso de
los casos de estudio en el intercambiador de calor utilizado Caso de análisis 2
por (Flores-González, 2007)
Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint] La Tabla 5 muestra las condiciones de operación
y los parámetros geométricos considerados por
La Tabla 4 contiene la tabulación de la Yusuf y Ozbilen (2004), así como, la tabulación
información de ambas fuentes, referencia - de resultados de que permiten encontrar
modelo propuesto, para los cuatro subcasos magnitudes similares en la temperatura de salida
analizados considerando un equipo con una de fluidos, el diámetro de la carcasa, la distancia
carcasa de 0.185 m y 0.1586 m de diámetro y, entre bafles, el área de transferencia, el
para un ajuste de la distancia entre bafles de coeficiente global y la transferencia de calor
0.08325 m y 0.08951 m, respectivamente. Puede total. En la simulación los coeficientes
notarse que la temperatura de salida de los respectivos de transferencia de calor interno y
fluidos que circulan en el lado carcasa y en al externo fueron los reportados por
interior de los tubos, difieren en el cálculo con el Nutter_Sleicher y Bell_Delaware.
programa desarrollado entre 1 y 2 oC
aproximadamente.

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Datos Datos
Diámetro interno de tubos 18 mm Diámetro interno de tubos 30 mm
Diámetro externo de tubos 19.05 mm Diámetro externo de tubos 31.75 mm
Número de tubos 2077 Número de tubos 87
Longitud de tubos 516 mm Longitud de tubos 3048 mm
Paso de Pitch 0.02 mm Paso de Pitch 43 mm
Número de bafles 1 Número de bafles 6
Pasos em carcasa 1 Pasos em carcasa 1
Pasos en tubos 1 Pasos en tubos 4
Conductividad del material de tubos 60 Wm- Conductividad del material 60 Wm-2K-1
2 -1
K de tubos
Arreglo de tubos Triangular Arreglo de tubos Triangular
Caso 1 Caso 1
Fluido: agua Lado de Lado de Fluido: agua Lado de Lado de
coraza tubos coraza tubos
Flujo volumínico, L h-1 500 850 Flujo volumínico, L h-1 500 850
Flujo másico, kg s-1 8.33 13.88 Flujo másico, kg s-1 8.33 13.88
Temperatura (°C) 17 67 Temperatura (°C) 17 67
Dato Referencia Modelo Dato Referencia Modelo
[7] propuesto [7] propuesto
Temperatura de salida de 40 39.28 Temperatura de salida de 40 41.56
coraza, °C coraza, °C
Temperatura de salida de 53 53.64 Temperatura de salida de 53 52.27
tubos, °C tubos, °C
Diámetro de coraza 1.219 1.034 Diámetro de coraza, m 0.438 0.4479
Distancia entre bafles, m 0.258 0.258 Distancia entre bafles, m 0.25 0.43
Área de transferencia, m2 64.15 64.14 Área de transferencia, m2 24.63 25.84
Transferencia de calor 801368 775596 Transferencia de calor 813021 855154
total, W total, W
Coeficiente de 422 404.1 Coeficiente de 1012 1184
transferencia de calor transferencia de calor
global, Wm-2K-1 global, Wm-2K-1
Coeficiente de - 490.4 Coeficiente de - 6303
transferencia de calor transferencia de calor
interno, Wm-2K-1 interno, Wm-2K-1
Coeficiente de - 4431 Coeficiente de - 2098
transferencia de calor transferencia de calor
externo, Wm-2K-1 externo, Wm-2K-1
Caída de presión en 100 2123 Caída de presión en 12000 20922
carcasa, Pa carcasa, Pa
Caída de presión en tubos, 78 3.6 Caída de presión en tubos, 12000 339.4
Pa Pa
Velocidad en tubos, m s-1 0.64 0.94
Tabla 5 Condiciones de operación, datos geométricos y
comparación de resultados del Caso de análisis 2 Tabla 6 Condiciones de operación, parámetros
Fuente: Elaboración propia [Ms PowerPoint] geométricos y comparación de resultados para el Caso de
análisis 3
Caso de análisis 3 Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint]

De forma similar, la Tabla 6 contiene los datos Las temperaturas de salida del lado
de las condiciones de operación y los parámetros coraza y tubos tienen un grado de similitud
geométricos obtenidos del trabajo de Costa y significativo si se utiliza una combinación de los
Queiroz, (2008). Introduciendo los parámetros coeficientes de transferencia de calor, interno y
geométricos y las condiciones de operación para externo, correspondientes a las fuentes
la simulación, nuevamente se realizó el proceso Nutter_Sleicher y Bell_Delaware,
de comparación de resultados. respectivamente.

Caso de análisis 4

La Tabla 7 muestra información de 3 subcasos de

estudio abordados por Leong (1998), cada uno
considerando condiciones de operación y datos
geométricos de equipo.

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Subcasos 1, 2, 3 Dato Subcasos Referencia [8] Modelo

Estructura Lado de Lado de propuesto
coraza tubos Temperatura 1 40 37.91
Fluido Aire Agua de salida de 2 37.5
Flujo volumínico, Lh-1 11000 610 coraza, °C 3 37.66
Flujo másico, kg s-1 1.689 10 Temperatura 1 36.1 32.54
de salida de 2 32.56
Temperatura (°C) 100 30
tubos, °C 3 32.58
Presión, bar 10 1
Diámetro de 1 0.838 0.783
Datos Subcaso 1 Subcaso 2 Subcaso 3 coraza, m 2 0.889 0.833
Diámetro 25 25 31.7 3 0.838 0.83
externo de Distancia entre 1 0.3352 0.52
tubos, mm bafles, m 2 0.311 0.483
Diámetro 25.4 25.4 31.75 3 0.311 0.51
externo de Área de 1 - 73.4
tubos, mm transferencia, 2 77.56
Número de 439 497 316 m2 3 81.26
tubos Transferencia 1 - 107516
Longitud de 2095 19955.8 2578.1 de calor total, 2 108493
tubos, mm W 3 109341
Paso de Pitch, 31.75 31.75 39.69 Coeficiente de 1 - 55.2
mm transferencia 2 54.25
Número de 3 3 4 de calor global, 3 51.4
bafles Wm-2K-1
Pasos en carcasa 1 1 1 Coeficiente de 1 - 482.6
Pasos en tubos 2 2 2 transferencia 2 408.8
Conductividad 60 60 60 de calor 3 426.8
interno, Wm-
del material de 2 -1
K
tubos, Wm-2K-1
Coeficiente de 1 - 63.16
Arreglo de tubos Cuadrangular Cuadrangular Cuadrangular transferencia 2 63.42
de calor 3 59.06
Tabla 7 Condiciones de operación y datos geométricos del externo, Wm-
2 -1
Caso de análisis 4 K
Caída de 1 4430 6424
Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint] presión en 2 4615 6919
carcasa, Pa 3 4101 6815
En la Tabla 8 puede notarse que en la Caída de 1 - 171.7
presión en 2 131.2
referencia (Leong, 1998) no presenta datos tubos, Pa 3 122.2
considerados para la validación. Sin embargo, la Velocidad en 1 - 0.094
tubos, m s-1 2 0.083
temperatura de los fluidos simulada se ajusta 3 0.081
relativamente bien, (3 a 4 °C) cuando se
consideran las correlaciones de Gnielinski y Tabla 8 Comparación de resultados de los planteamientos
Taborek. del Caso de análisis 4
Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint]
Caso de análisis 5
La innovación, sobre todo en la
Finalmente, la Tabla 9 contiene las condiciones generación de aplicaciones computacionales,
de operación y los datos geométricos de los adopta las recomendaciones de las
equipos analizado por El-Fawal, Fahmy, & Taher investigaciones tanto, para desarrollos teóricos
(2011) y Mizutani et al. (2003). Realizando la como, de aplicaciones prácticas a nivel
comparación del valor de la temperatura de laboratorio o industrial. De esta forma, la
salida de ambos fluidos se observa que la contribución al desarrollo de estas herramientas,
diferencia entre el modelo y las referencias es de abordando diversos puntos de vista, representa el
alrededor de 5 oC aproximadamente. Para la carácter evolutivo hacia el control deseado para
simulación se encontró que los datos de los la fabricación de equipos a bajo costo.
coeficientes de transferencia y calor, interno y
externo, a considerar debían ser los definidos por
Nutter_Sleicher y Bell_Delaware,
respectivamente.

Conclusiones

El diseño de equipos intercambiadores de calor

tipo carcasa y tubos representa una actividad
ingenieril que evolutivamente ha adquirido un
nivel de sofisticación elevado.

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En particular, para la aplicación

Caso 1 desarrollada en este trabajo, se demuestra que
Fluido: agua Lado de coraza Lado de tubos
Flujo volumínico, Lh- 850 500 combinando la formulación matemática de la
1
fenomenología implícita en sistemas de flujo a
Flujo másico, kg s-1 13.88 8.33
Temperatura (°C) 67 17 contracorriente y de una herramienta de alto
Datos Referencia Referencia Modelo potencial y de fácil accesibilidad como lo es el
[41] [10] propuesto
Diámetro 12.6 22 12.6
programa ESS, es posible obtener resultados con
interno de elevada rapidez y alta confiabilidad. Puesto que
tubos, mm
Diámetro 15.9 24 15.9
ha sido verificado y validado con información
externo de histórica reportada en la literatura en relación a la
tubos, mm
Número de 832 700 832
predicción del rendimiento térmico y mecánico
tubos del equipo.
Longitud de 4880 5000 4880
tubos, mm
Paso de Pitch, - - 20 Asimismo, la aplicación provee la
mm información que determina las opciones de
Número de 8 8 8
bafles diseño y puede utilizarse para ajustar la
Pasos en - - 1 construcción de equipos a condiciones de
carcasa
Pasos en tubos 2 6 2 operación requeridas, con el análisis de sus
Conductividad 60 60 60 posibles variaciones. Lo anterior en principio,
del material de
tubos Wm-2K-1 para algunas sustancias que son comunes en
Arreglo de Triangular Triangular Triangular procesos químicos y que requieren de su
tubos
Temperatura 55 55 45.55
procesamiento a ciertas temperaturas específicas.
de salida de
coraza, °C
Temperatura 37 37 52.78
El uso de correlaciones proporciona una
de salida de consistencia en la certidumbre para la asignación
tubos, °C de coeficientes de transferencia de calor, interno
Diámetro de 0.687 1.11 0.633
coraza, m y externo. Para las simulaciones se puede
Distancia entre 0.54 0.52 0.54 establecer cualquier combinación de éstas que
bafles, m
Área de 202 230 202.8 pueda asociarse a un proceso con diferentes
transferencia, condiciones de operación.
m2
Transferencia - - 1246000
de calor total, Referencias
W
Coeficiente de 860 720 645.4
transferencia Babua, B. V., & Munawar, S. A. (2007).
de calor global,
Wm-2K-1 Differential evolution strategies for optimal
Coeficiente de - - 1183 design of shell-and-tube heat exchangers.
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interno, Wm-
2 -1
K
Coeficiente de - - 4328
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2 -1
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Tabla 9 Comparación de resultados de los
planteamientos del Caso de análisis 5 Cartaxo, S. J., & Fernandes, F. A. (2010).
Fuente: elaboración propia [Ms PowerPoint] Educational software for heat exchanger
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