¿Por los tubos o por la carcasa? Cómo asignar los fluidos en un intercambiador de carcasa y tubos
Decidir qué fluido circula por el interior de los tubos y cuál por el lado de la carcasa es una de las primeras elecciones al diseñar un intercambiador de carcasa y tubos. Influye en el precio, los materiales, la forma de limpiar el equipo y su vida útil. Los compradores suelen dejar esta decisión al proveedor, pero el comprador normalmente sabe cosas que el proveedor no: qué fluido ensucia, cuál es corrosivo, cómo limpia la planta sus equipos y qué ocurre si los dos fluidos se mezclan por una fuga.
Este artículo resume las reglas prácticas que usan los ingenieros, muestra dónde entran en conflicto y enumera lo que hay que decir al proveedor para que la asignación de la oferta sea la adecuada para su planta. El catálogo de productos de este sitio incluye intercambiadores de carcasa y tubos de placa tubular fija, tubos en U, cabezal flotante y prensaestopas. Para un proyecto concreto, envíe los datos de ambos fluidos mediante el formulario de solicitud de oferta.
1. Las reglas habituales de un vistazo
La tabla combina dos referencias muy utilizadas: las reglas de asignación de fluidos de Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6, de Sinnott, y la columna de Andrew Sloley sobre cómo elegir el lado correcto en Chemical Processing. Ambas insisten en que son pautas, no leyes.
| Situación | Lado habitual | Por qué |
|---|---|---|
| Presión más alta | Lado tubos | Los tubos de diámetro pequeño soportan alta presión con menos metal que una carcasa grande; unos tubos de alta presión cuestan menos que una carcasa de alta presión |
| Fluido corrosivo | Lado tubos | Solo los tubos, las placas tubulares, los cabezales y las tapas necesitan la aleación cara; un fluido corrosivo por la carcasa obliga a usar aleación en todo el intercambiador |
| Fluido que ensucia | Lado tubos | Los tubos rectos se limpian con más facilidad que el lado de la carcasa, y en los tubos se puede mantener una velocidad alta, que reduce el ensuciamiento |
| Temperatura alta | Lado tubos | Si la temperatura exige aleaciones especiales, se necesita menos aleación; a temperaturas moderadas, una carcasa más fría necesita menos aislamiento |
| Vapor | Lado carcasa | Un vapor tiene mucho volumen y un coeficiente de transferencia de calor bajo; la carcasa ofrece más sección de paso y menos pérdida de carga |
| Fluido que condensa | Lado carcasa, en la mayoría de los casos | Cuidado con las mezclas que condensan en un rango amplio de temperatura |
| Líquido viscoso | Lado carcasa, si el flujo es turbulento | Los deflectores generan turbulencia con números de Reynolds bajos; Sinnott sitúa el límite turbulento en la carcasa en torno a Re 200 |
| Caudal más bajo | Lado carcasa | Sinnott señala que normalmente da el diseño más económico |
El agua de refrigeración es el ejemplo clásico. Ensucia y puede ser corrosiva, así que normalmente va por los tubos, donde estos pueden limpiarse y fabricarse en un material mejor sin encarecer todo el intercambiador.
2. Pérdida de carga: donde las referencias no coinciden
En la pérdida de carga, las dos referencias apuntan en direcciones opuestas. Sinnott escribe que, a igual pérdida de carga, el lado de los tubos da un coeficiente de transferencia de calor más alto, por lo que el fluido con la menor pérdida de carga admisible debe ir por los tubos. Sloley escribe que un fluido con poca pérdida de carga admisible debe ir por la carcasa, porque el corte, la separación y el tipo de los deflectores pueden elegirse para cumplir casi cualquier límite, y que los servicios a vacío van casi siempre por la carcasa.
La lección práctica: cuando la pérdida de carga admisible manda en el diseño, ninguna regla lo resuelve. Pida al proveedor que calcule las dos asignaciones y compare superficie, pérdida de carga y precio.
3. El tipo de construcción cambia la respuesta
Las reglas anteriores suponen que ambos lados pueden limpiarse. Eso depende de cómo esté construido el intercambiador.
| Construcción | Efecto en la asignación |
|---|---|
| Placa tubular fija | El haz de tubos no puede extraerse, así que el lado de la carcasa no puede limpiarse mecánicamente. Según Sloley, la placa tubular fija obliga a llevar un fluido limpio por la carcasa, salvo que el ensuciamiento se elimine con facilidad por vía química. Una gran diferencia de temperatura entre carcasa y tubos puede exigir además una junta de expansión |
| Tubos en U | El haz puede extraerse, así que la carcasa puede limpiarse. El interior de los tubos en U es más difícil de limpiar que el de los tubos rectos, por lo que a veces un fluido que ensucia va por la carcasa, con medidas como deflectores helicoidales |
| Cabezal flotante | Ambos lados pueden limpiarse y el haz puede extraerse, con un coste más alto |
Por eso la asignación y la construcción deben decidirse juntas. Si su planta solo puede limpiar por circulación química, dígalo; si puede limpiar los tubos con agua a alta presión pero no tiene espacio para extraer un haz, dígalo también.
4. Cuando las reglas chocan
En los servicios reales, a menudo dos reglas empujan en direcciones contrarias. Algunos casos frecuentes:
- Fluido limpio a alta presión frente a agua que ensucia a baja presión. Por la presión, el fluido limpio va por los tubos; por el ensuciamiento, el agua. La respuesta depende de lo alta que sea la presión, de la rapidez con que ensucia el agua y de cómo se limpiará el equipo.
- Fluido viscoso que además ensucia. La carcasa da mejor transferencia de calor, pero limpiarla exige un haz extraíble y una disposición de tubos con pasillos de limpieza. Sloley advierte además de que una pérdida de carga alta en la carcasa puede causar derivaciones del flujo alrededor de los deflectores y vibración de los tubos.
- Fluido que puede solidificarse. Sloley aconseja evitar un intercambiador de carcasa y tubos si el riesgo de solidificación es alto. Si hay que usarlo, llevar ese fluido por los tubos permite extraer y sustituir un haz obstruido.
Cuando el caso no esté claro, pida al proveedor que oferte y calcule las dos asignaciones. La diferencia de superficie y de coste suele ser menor de lo esperado, y ver las dos opciones hace visible la decisión.
5. Dos casos frecuentes
Calentadores de vapor. El vapor que condensa suele ir por la carcasa y el fluido de proceso por los tubos. La carcasa necesita entonces un buen drenaje del condensado y una purga de incondensables. Para los problemas de condensado y estancamiento comunes a todos los calentadores de vapor, vea nuestra guía sobre intercambiadores de placas en servicio con vapor.
Enfriadores por agua. El agua de refrigeración va por los tubos y el fluido de proceso por la carcasa. Con agua de mar, el material de los tubos pasa a ser la decisión principal; vea la lista de comprobación de intercambiadores marinos y de agua de mar.
6. Si los dos fluidos no deben mezclarse nunca
La asignación por sí sola no evita una fuga. Si un fluido no debe entrar nunca en el otro, por ejemplo porque reaccionan o porque un producto no puede contaminarse, trátelo con el proveedor desde el principio. Dos medidas habituales son la doble placa tubular y una regla de presiones. La doble placa tubular deja que una fuga en las uniones entre los tubos y la placa tubular salga al exterior en lugar de pasar al otro fluido; no sirve si falla la pared de un tubo, así que pregunte también al proveedor cómo trata ese caso, por ejemplo con el material y el espesor de los tubos, las pruebas de estanqueidad y la inspección. Mantener el fluido más crítico a mayor presión hace que cualquier fuga, también a través de la pared de un tubo, salga de él y no entre en él.
7. Qué decir al proveedor
| Para cada fluido | Por qué importa |
|---|---|
| Presión de operación y de diseño | Decide qué lado debe soportar la presión |
| Temperatura de operación y de diseño | Decide materiales, aislamiento y dilatación térmica |
| Caudal y pérdida de carga admisible | Decide velocidades y el diseño de los deflectores |
| Tendencia al ensuciamiento, sólidos y factor de ensuciamiento si se conoce | Decide qué lado debe poder limpiarse |
| Componentes corrosivos, por ejemplo cloruros, H2S o ácidos | Decide qué lado necesita la aleación |
| Viscosidad en todo el rango de temperatura | Decide si es posible la turbulencia en la carcasa |
| Cambio de fase | Condensación o ebullición, y en qué rango de temperatura |
| Método de limpieza en planta | Mecánica, agua a alta presión o química, y espacio para extraer un haz |
| Consecuencia de una fuga | Si hace falta doble placa tubular o una regla de presiones |
Pida al proveedor que indique en la hoja de datos qué fluido va por cada lado y por qué, y que señale cualquier regla que haya decidido no seguir. Vea también qué datos enviar antes de pedir una oferta de intercambiador y la lista de comprobación de fabricantes de intercambiadores de carcasa y tubos.
8. Qué significa esto para los compradores
La mayoría de las asignaciones siguen unas pocas reglas sencillas: la presión, la corrosión y el ensuciamiento suelen llevar un fluido a los tubos, mientras que los vapores, los fluidos que condensan, los líquidos viscosos y los caudales bajos suelen ir por la carcasa. El tipo de construcción y los métodos de limpieza disponibles en planta pueden cambiar esa respuesta, y algunas reglas, como la de la pérdida de carga, dependen del diseño concreto. Un proveedor que justifica por escrito su asignación, y calcula la alternativa cuando el caso está ajustado, es más fácil de tratar que uno que se limita a rellenar una hoja de datos.
Fuentes y páginas relacionadas
- Andrew Sloley, «Shell-and-Tube Heat Exchanger: Pick the Right Side», Chemical Processing, 2013: https://www.chemicalprocessing.com/processing-equipment/fluid-handling/article/11340603/shell-and-tube-heat-exchanger-pick-the-right-side-chemical-processing
- R. K. Sinnott, Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design, apartado sobre la asignación de fluidos (carcasa o tubos)
- Intercambiadores de carcasa y tubos en HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/es/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger
- Guía para elegir entre intercambiador de placas y de carcasa y tubos en HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/es/industry-news/posts/plate-heat-exchanger-vs-shell-and-tube-selection-guide