Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son los pilares de los procesos industriales de calentamiento y refrigeración. Presentes en refinerías de petróleo, plantas químicas, centrales eléctricas, instalaciones farmacéuticas y prácticamente todos los demás sectores de la industria pesada, siguen siendo el tipo de intercambiador de calor más utilizado en el mundo, a pesar de ser uno de los diseños más antiguos de la ingeniería.
Esta guía explica cómo funcionan los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, las principales variantes de diseño, los criterios de selección y cómo se comparan con las alternativas de tipo placa.
Cómo funcionan los intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos consta de un haz de tubos paralelos encerrados dentro de una carcasa exterior cilíndrica. Un fluido —el fluido del lado de los tubos— fluye por el interior de los tubos. Un segundo fluido —el fluido del lado de la carcasa— fluye alrededor del exterior de los tubos dentro de la carcasa. La pared de los tubos forma la superficie de transferencia de calor entre los dos fluidos.
Los deflectores situados dentro de la camisa dirigen el fluido del lado de la camisa a través del haz de tubos en una serie de pasadas, lo que aumenta la turbulencia y la eficiencia de la transferencia de calor. El número de pasadas de los tubos —es decir, el número de veces que el fluido del lado de los tubos recorre la longitud del intercambiador— puede variarse para optimizar el rendimiento térmico en función de la aplicación específica.
Principales tipos de diseño
Placa tubular fija
El diseño más común y económico. Las placas tubulares de cada extremo están soldadas de forma permanente tanto a los tubos como a la carcasa. Este diseño es el más adecuado para aplicaciones en las que la diferencia de temperatura entre los fluidos de la carcasa y los tubos es moderada, lo que limita la tensión por expansión térmica. No se puede desmontar para la limpieza mecánica del lado de la carcasa.
Tubo en U
Los tubos se doblan en forma de U y se fijan a una única placa tubular. El haz de tubos en U puede retirarse de la carcasa para su inspección y limpieza, lo que hace que este diseño sea adecuado para aplicaciones con riesgo de incrustaciones en el lado de los tubos. Ampliamente utilizado en aplicaciones de calefacción por vapor, calentamiento de procesos y generación de energía.
Cabeza flotante
Una placa tubular está fija; la otra «flota», es decir, se puede mover libremente en sentido axial para adaptarse a la expansión térmica diferencial entre la carcasa y el haz de tubos. Este diseño soporta grandes diferencias de temperatura y permite retirar completamente el haz de tubos para su inspección y limpieza por ambos lados. Se prefiere para aplicaciones de procesos críticos y grandes diferencias de temperatura.
Ventajas clave de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos
- Capacidad para altas presiones y temperaturas: los diseños estándar soportan presiones de hasta 300 bar y temperaturas superiores a 400 °C
- Robustos y bien conocidos: décadas de códigos de diseño (TEMA, ASME, PED) proporcionan un marco de ingeniería bien establecido
- Amplia gama de materiales: los tubos y las carcasas pueden especificarse en acero al carbono, acero inoxidable, titanio, Hastelloy, dúplex y otras aleaciones para requisitos exigentes de compatibilidad con los fluidos
- Grandes capacidades: pueden fabricarse para soportar caudales muy elevados y cargas térmicas superiores a las que pueden admitir los intercambiadores de placas
- Adecuado para el flujo bifásico: apto para condensadores de vapor, rehervidores y evaporadores en aplicaciones de proceso
- Facilidad de mantenimiento: los diseños de tubo en U y de cabezal flotante permiten la extracción completa del haz de tubos
Limitaciones
- Mayor espacio ocupado que los intercambiadores de calor de placas para una carga equivalente
- Menor eficiencia térmica por unidad de volumen: los pasos múltiples y los deflectores mejoran este aspecto, pero no pueden igualar la geometría de las placas corrugadas
- Mayor coste inicial para cargas pequeñas y medianas en comparación con los intercambiadores de placas soldadas o con juntas
- Los diseños con placa de tubos fija no pueden limpiarse mecánicamente en el lado de la carcasa
Aplicaciones
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son la opción estándar para:
- Refinado de petróleo: trenes de precalentamiento de crudo, enfriadores de producto, condensadores de vapor
- Procesamiento químico y petroquímico: intercambiadores de alimentación/efluentes de reactores, recuperación de disolventes, calentamiento y enfriamiento de productos
- Generación de energía: calentadores de agua de alimentación, refrigeración de condensadores, enfriadores de aceite lubricante
- Sector farmacéutico: calentamiento y enfriamiento de fluidos de proceso, sistemas de agua para inyección (WFI)
- Sector marítimo y offshore: refrigeración con agua de mar, enfriadores de aceite lubricante, sistemas de climatización
- Procesamiento de gases industriales: refrigeración de gases, separación de condensados
Intercambiadores de calor de carcasa y tubos frente a los de placas: cuándo elegir cada uno
| Criterio | Carcasa y tubos | Intercambiador de calor de placas |
| Presión de funcionamiento | Hasta 300 bar | Hasta 45 bar (140 bar para los intercambiadores de calor de placas y tubos de CO2) |
| Temperatura de funcionamiento | Hasta 400 °C | Hasta 225 °C (BPHE) |
| Prioridad al diseño compacto | Prioridad menor | Prioridad alta |
| Limpieza mecánica del lado de la carcasa | Diseños de tubo en U y cabezal flotante | Solo placas y bastidor con juntas |
| Capacidad ampliable | No — requiere una unidad nueva | Sí — añadir placas (con juntas) |
| Fluidos corrosivos o exóticos | Amplia selección de aleaciones disponible | Limitada a las aleaciones de placas disponibles |
| Sectores típicos | Petróleo, gas, química, energía | Climatización, alimentación, farmacéutica, refrigeración |
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Frequently Asked Question
What is TEMA and why does it matter for shell and tube heat exchangers?
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) is the primary design and manufacturing standard for shell and tube heat exchangers. TEMA defines three classes — R (refinery), C (commercial), and B (chemical) — each with progressively less stringent construction requirements. Specifying the correct TEMA class is important for ensuring the exchanger meets the pressure, temperature, and service life requirements of the application.
What is the difference between TEMA R, C, and B classification?
TEMA R is the most stringent classification, specified for the demanding conditions of petroleum refinery service. TEMA C is intended for general commercial and process applications. TEMA B applies to chemical process service. The classes differ in wall thickness, nozzle reinforcement, baffle design, and other construction details.
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Yes. HEXONIC engineers and manufactures custom shell and tube heat exchangers for a wide range of industrial and process applications. Contact the HEXONIC engineering team with your process data sheet (duty specification) for a custom proposal.
