Date post: | 25-Nov-2015 |
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Profesor :
FREDY AVELLANEDA VARGAS
SNTESIS DE REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
2 Clase
Determinacin del punto de pliegue
ANLISIS DE PROCESOS
El objetivo de stas REDES es realizar
transferencias de calor y trabajo entre las mismas
corrientes de la planta qumica con el fin de reducir
el uso de servicios auxiliares.
La sntesis ptima de este componente es crucial
para establecer la eficiencia energtica del sistema
total. Tambin se presenta una superestructura al
existir varias configuraciones de redes de
intercambio de energa.
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RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Consumo mnimo de servicios auxiliares:
Es el objetivo de diseo ms importante para una red eficiente, ya que corresponde a la mxima integracin de calor que se puede lograr en una posible red para una aproximacin de temperatura fija mnima.
Nmero mnimo de intercambiadores de calor:
Con este factor se pretende disminuir indirectamente los costos de inversin de la red.
Modificacin de los puntos pinch:
Lmite mximo de integracin de calor que previene la violacin de las leyes termodinmicas.
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RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
REQUERIMIENTOS MINIMOS DE SERVICIOS
Existen fundamentalmente dos mtodos para determinar los requerimientos mnimos de calentamiento y enfriamiento de una red de intercambiadores de calor.
En ambos mtodos se obtiene los mencionados requerimientos sin necesidad de disear la RIC.
Adems los resultados obtenidos dependen de la eleccin que realiza el diseador de la aproximacin mnima de temperatura Tmin.
Una vez determinados los requerimientos mnimos, es posible sintetizar la red de intercambiadores a travs de un proceso de cruzamiento de corrientes que tambin se puede llevar a cabo por dos mtodos diferentes.
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Los dos mtodos principales para determinar los
Requerimientos Mnimos de Calentamiento y
Enfriamiento son:
1. Mtodo de los Intervalos de Temperatura
2. Mtodo algortmico o de Programacin Lineal
Solo veremos el primero, ya que el segundo se ve en
cursos de posgrado.
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METODO DEL INTERVALO DE TEMPERATURA
(MTODO TI)
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A fin de desarrollar el mtodo, utilizaremos el ejemplo
clsico de Linnhof y Turner (1981).
El mtodo nos permite estimar los mnimos
requerimientos de calentamiento y enfriamiento de TODA
la red de intercambio posible.
Luego de determinar estos mnimos se establece el punto
de pliegue y. se disea la RIC
EJEMPLO DEL METODO DEL PUNTO DE
PLIEGUE (PINCH POINT)
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Dadas dos corrientes fras que deben ser calentadas C1 y
C2 y dos corrientes calientes que deben ser enfriadas H1 y
H2, sin cambio de fase. Las condiciones y propiedades de
las mismas son las siguientes:
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La primera etapa en la aplicacin del mtodo TI consiste en ajustar las temperaturas de entrada y
salida usando el Tmin fijado previamente.
Esto puede realizarse en forma arbitraria reduciendo las temperaturas de las corrientes calientes en un
valor igual a Tmin , y dejando los valores de las corrientes fras sin alterar.
Con referencia a las temperaturas ajustadas, se establece el orden decreciente, (los valores duplicados
no se toman en cuenta)
De esta forma podemos definir un conjunto de intervalos de temperaturas entre cada uno de los
niveles de temperatura de las corrientes fras y
calientes.
1 PASO
TEMPERATURAS CALIENTES AJUSTADAS
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2 PASO
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Observando los rangos de temperaturas de las corrientes
y los intervalos definidos, vemos que en cada intervalo
est incluida una o ms corrientes, tanto fras como
calientes.
En funcin de ello y teniendo en cuenta que conocemos el
caudal de capacidad calorfica de cada una de las
corrientes, podemos calcular el contenido calrico de
cada uno de los intervalos de acuerdo a:
Hi = { i (mCp)H,i - i (mCp)C,i } Ti
3 PASO
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Se grafican los niveles de temperatura en forma decreciente mediante lneas horizontales, y cada una
de las corrientes mediante lneas verticales. A la
derecha se indican los 5 intervalos de temperatura
definidos.
Como se puede observar, las corrientes incluidas en los distintos intervalos son las siguientes: I1:(H1);
I2:(H1, H2, C2); I3:( H1, H2, C1, C2); I4(H1, H2, C1);
I5:( H2, C1).
Luego mediante la ecuacin de Hi podemos calcular los contenidos calricos de todos los intervalos.
4 PASO
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Una vez calculados todos los contenidos calricos de los
intervalos, se puede representar el balance de energa de
cada intervalo mediante un diagrama en cascada.
En l se representa los intervalos de temperatura, el
balance de energa de cada intervalo, los flujos de calor
entre intervalos, y los flujos de vapor y agua de
enfriamiento que satisfacen el balance de energa.
DIAGRAMA DE CASCADA
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Se observa algunos valores negativos para algunos
Intervalos ( I3 e I5) lo cual viola la 2 Ley ya que
significara que se estara transfiriendo calor de una
regin de baja temperatura a otra de alta
temperatura.
Para corregir este efecto, necesitamos agregar calor
de alguna fuente externa; se elige entonces el valor
negativo ms alto y se agrega esa cantidad como Qh
(vapor de servicio auxiliar)
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Por lo tanto el residuo R3 = - 50x104 Btu/hr debe
satisfacerse mediante vapor del servicio auxiliar.
En la columna del diagrama de cascada se muestra el
balance final con un ingreso de energa (por vapor) de
50x104 Btu/hr, y un egreso de energa de 60x104 Btu/hr
mediante agua de enfriamiento.
Dichos valores constituyen los mnimos requerimientos
de calentamiento y enfriamiento que satisfacen el 1 y 2
principio de la Termodinmica.
Ntese que la diferencia: Qsteam - QCW = 50 60 = - 10 resulta consistente con el primer principio.
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Como puede observarse para dichos
requerimientos mnimos, no fluye energa entre
los intervalos 3 y 4. Nos queda as definido el
denominado PUNTO PINCH a una
temperatura de 180 para las corrientes fras y
180 + Tmin = 190 para las corrientes calientes. Su principal caracterstica es que:
Para mantener requerimientos mnimos de
energa, no se debe transferir energa a
travs del pinch.
CONCLUSIONES DEL DIAGRAMA DE
CASCADA
Se determina Qh que representa la cantidad
mnima de calentamiento que se necesita por
parte de servicios externos.
Se determina Qc que representa la cantidad
mnima de enfriamiento.
Se determina un punto crtico para el diseo de la
RIC EL PUNTO DE PLIEGUE
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Ahora se puede hacer una representacin de
las corrientes calientes y fras con el punto
pinch que particiona el problema.
De izquierda a derecha se representan las
corrientes calientes con sus valores reales
de temperaturas, y de derecha a izquierda
las corrientes fras.
DESCOMPOSICIN DE LAS CORRIENTES
FRAS Y CALIENTES
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CRITERIOS ESENCIALES PARA DISEAR UNA
RED DE INTERCAMBIO DE CALOR
1. No transferir calor a travs del punto de
pliegue
Cualquier cantidad de calor que se transfiera
debe satisfacer un balance global de energa, lo
cual implica que el consumo de servicios va a
exceder a los requerimientos mnimos, tanto de
calentamiento como de enfriamiento, en una
cantidad equivalente a la que se transfiere a
travs del punto de pliegue. 20
CRITERIOS ESENCIALES PARA DISEAR UNA
RED DE INTERCAMBIO DE CALOR
2. No usar calentamiento abajo del punto de
pliegue
Cualquier cantidad de calor que se use en este
nivel debe rechazarse eventualmente a una
fuente de enfriamiento externa , alterando as
el consumo de servicios con respecto a los
requerimientos mnimos.
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CRITERIOS ESENCIALES PARA DISEAR UNA
RED DE INTERCAMBIO DE CALOR
3. No usar enfriamiento arriba del punto de
pliegue
Cualquier cantidad de enfriamiento que se use
arriba del punto de pliegue debe compensarse
con una cantidad equivalente de calentamiento.
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As puede observarse que la red interior esta constituida por 4 intercambiadores (1,2,3,4), y la red auxiliar posee 3 intercambiadores, dos con el servicio caliente y uno con el servicio fro.
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24/13
GRACIAS
EL XITO ES LA CAPACIDAD QUE UNO TIENE DE VIVIR
EN PAZ CON POCAS COSAS