Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
1
Master de Investigación en Ing. Industrial(Diseño y Producción Industrial)
Uso Sostenible de la Energía
Integración Térmica en la Industria
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
2
1.- Redes de Intercambiadores de Calor
2.- Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
3.- Referencias y Bibliografía
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
3
1. Redes de Intercambiadores de Calor
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Años 70, crisis del petróleo
Diferentes metodologías: poco comprensibles y que no siempre ofrecían buenos resultados
Métodos termodinámicos:
A.C. Hohmann (1971)
B. Linnhoff – Método Pinch
Repaso a la evolución histórica del método Pinch– Mínimo consumo energético– Reducción del área de intercambio térmico– Mínimo número de unidades– Mínimo coste anual
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
4
1. Redes de Intercambiadores de Calor
i TiRA
1k
oi
oi
Δt/ΔtLn
ΔtΔtLMTD
Coeficiente Global de Transmisión de Calor, k:
Potencia Térmica, PT :
Teoría General de Intercambiadores de Calor
LMTDAkPT
t21
t12
to
t11
t22
tiIntercambiador sencillo en contracorriente
2112o
2211i
ttt
ttt
LMTD: la diferencia de Tªentre los fluidos no es cte
t11
t22
t12
t21
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
5
1. Redes de Intercambiadores de Calor
t21
t12
to
t11
t22
ti
Intercambiador sencillo en contracorriente
2112o
2211i
ttt
ttt
t21
t12
to
t11
t22ti
Intercambiador sencillo en equicorriente
2212o
2111i
ttt
ttt
t21
t12
to
t11
t22
ti
t21
t12
to
t11
t22ti
Aumentando el tamaño siempre se puede
enfriar más
Aumentando el tamaño siempre se puede
calentar más
Aumentando el tamaño llega un pto donde las
Tas se igualan
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
6
1. Redes de Intercambiadores de Calor
i TiRA
1k
oi
oi
Δt/ΔtLn
ΔtΔtLMTD
Coeficiente Global de Transmisión de Calor, k:
Potencia Térmica, PT :
Teoría General de Intercambiadores de Calor
LMTDAkPT
t11
t22
t21
t12
to
tiOtras configuraciones (F) :(una parte en equi y otra en contra)
(F en gráficos)
LMTDFAkPT
Intercambiador sencillo en contracorriente
2112o
2211i
ttt
ttt
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
7
1. Redes de Intercambiadores de Calor
t21
t22t11
t12 t22t11
t12
t21
1 Paso por carcasa
2 Pasos por tubos
2 Pasos por carcasa
4 Pasos por tubos
Otras configuraciones (F):
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
8
1121
2221
tt
ttP
2122
1211
1
2
tt
tt
C
CZ
Z
PZ
PZ
P
F
F
F
1 Paso por carcasa
2 Paso por tubos
1 Paso por carcasa
3 Pasos por tubos
2 Pasos por carcasa
4 Pasos por tubos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
9
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Eficacia de un Intercambiador de Calor, T :
atransferid máx.P
atransferidP
T
TT
minC
AkNTU
(gráficos)
Pérdidas de Rendimiento
Pérdidas de Presión
Teoría General de Intercambiadores de Calor
• Pérdidas térmicas al exterior
• Ensuciamiento de las superficies de intercambio
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
10
minC
AkNTU
Equicorrientemax
min
C
C
Efi
cien
cia
(%)
maxmin C/C
minC
AkNTU
Efi
cien
cia
(%)
Contracorriente
1 Paso por carcasa y 1 Paso por tubos
1 Paso por carcasa
2 Pasos por tubos
maxmin C/C
minC
AkNTU
Efi
cien
cia
(%)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Selección de un Intercambiador de Calor- Tipo - Compatibilidad de materiales
- Temperaturas - Limpieza
- Presiones - Precio
Colocación de un Intercambiador de Calor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Selección de un Intercambiador de Calor- Tipo - Compatibilidad de materiales
- Temperaturas - Limpieza
- Presiones - Precio
Colocación de un Intercambiador de Calor- Ahorro energético (cuanto mayor mejor)
- Ahorro económico (estudio ahorro-inversión)
- Operatividad del proceso (problema en arranque e interacción de procesos)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
13
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Al aumentar el área de intercambio, el equipo se va haciendo menos rentable
to
t11=100ºC
t22=50ºC
ti
t12=80ºC
t21=0ºC
t21
to
t11
t22=75ºC
ti t12=70ºC
Al aumentar la longitud, el salto térmico en el interior del intercambiadordisminuye, y con ello la cantidad de calor transferida por unidad de área
oi
oi
Δt/ΔtLn
ΔtΔtLMTD
Cº8,63)80/50(Ln
8050LMTD
80080t
5050100t
o
i
70070t
2575100t
o
i
Cº7,43)70/25(Ln
7025LMTD
2112o
2211i
ttt
ttt
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
14
1. Redes de Intercambiadores de Calor
En una planta, ¿cuáles son las mejores uniones?
Toma de datos:
-Temperaturas requeridas
-Necesidades térmicas
-Uniones recomendadas/prohibidas
L1 – C1
T (ºC) Nec. Ref. (MW) C (MW/ºC)
210375 2,5
60
- Máxima energía recuperada
- Mínimo área de intercambio térmico
- Menor inversión
- Mayor rentabilidad
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Ejemplo:
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Representación de las
Líneas Térmicas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Representación de las
Curvas Compuestas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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1. Redes de Intercambiadores de Calor
Temperatura de
Aproximación (T)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
19
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Temperatura de
Aproximación (T)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
20
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Por ejemplo: 20ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
21
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
1. Redes de Intercambiadores de Calor
40ºC30ºC 110ºC250ºC 210ºC 60ºC
LC1LF1 LF2
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
22
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
1. Redes de Intercambiadores de Calor
40ºC30ºC250ºC 210ºC 60ºC
50ºC150ºC 120ºC 50ºC 30ºC60ºC
LC1LF1 LF2
LC2 LC3LF3
110ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
23
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
1. Redes de Intercambiadores de Calor
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1
Tª LC
210
120
60
50
30
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
24
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tª LC
210
120
60
50
30
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1 40ºC
30ºC 110ºC
250ºC
50ºC 150ºC
LF1
LF2
LF3
Tª LF
250
150
110
50
40
30
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
25
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tª LC
210
120
60
50
30
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1 40ºC
30ºC 100ºC
250ºC
50ºC 150ºC
LF1
LF2
LF3
Tª LF
250
150
110
50
40
30
Tª LC
210
120
60
50
30
Tª LF
250
150
110
50
40
30
Tª LC
270
170
130
70
60
50
Tª LF
190
100
40
30
10
-20ºC
+20ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
26
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tª LC
210
120
60
50
30
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1 40ºC
30ºC 100ºC
250ºC
50ºC 150ºC
LF1
LF2
LF3
Tª LF
250
150
100
50
40
30
Tª LC
210
120
60
50
30
Tª LF
250
150
110
50
40
30
Tª LC
270
170
130
70
60
50
Tª LF
190
100
40
30
10
Tª LC
270
210
170
130
120
70
60
50
30
Tª LF
250
190
150
110
100
50
40
30
10
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
27
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250
210 190
170 150
130 110
120 100
70 50
60 40
50 30
30 10
Tª LC
270
210
170
130
120
70
60
50
30
Tª LF
250
190
150
110
100
50
40
30
10
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
28
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
Se rellenan las columnas de las Líneas con la C
1. Redes de Intercambiadores de Calor
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1 375 MW / 150ºC = 2,5
280 MW / 70ºC = 4
90 MW / 30ºC = 3
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
29
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
120ºC 50ºC
30ºC60ºC
LC2
LC3
210ºC 60ºCLC1 375 MW / 150ºC = 2,5
280 MW / 70ºC = 4
90 MW / 30ºC = 3
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250
210 190 3
2,5 170 150 3
2,5 130 110 3 4
2,5 120 100 3 2 4
2,5 4 70 50 3 2 4
2,5 4 3 60 40 3 2
4 3 50 30 2
30 10
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
30
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
1nnnCnFn ttCCef.D
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
Se rellenan las columnas de las Líneas con la C
Se calcula el Déficit calórico en cada tramo de T
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
31
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250
210 190 3 180
2,5 170 150 3 20
2,5 130 110 3 4 180
2,5 120 100 3 2 4 65
2,5 4 70 50 3 2 4 125
2,5 4 3 60 40 3 2 -15
4 3 50 30 2 -50
30 10 -60
1nnnCnFn ttCCef.D
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
32
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
1nnnCnFn ttCCef.D
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
Se rellenan las columnas de las Líneas con la C
Se calcula el Déficit calórico en cada tramo de T
Se calcula el Acumulado del Déficit en cada tramo de T n1nn .Def.Ac.Ac
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
33
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250
210 190 3 180 180
2,5 170 150 3 20 200
2,5 130 110 3 4 180 380
2,5 120 100 3 2 4 65 445
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570
2,5 4 3 60 40 3 2 -15 555
4 3 50 30 2 -50 505
30 10 -60 445
n1nn .Def.Ac.Ac
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
34
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
1nnnCnFn ttCCef.D
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
Se rellenan las columnas de las Líneas con la C
Se calcula el Déficit calórico en cada tramo de T
Se calcula el Acumulado del Déficit en cada tramo de T
Se añade el Mayor de los acumulados a la columna Máximo
n1nn .Def.Ac.Ac
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
35
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250 570
210 190 3 180 180
2,5 170 150 3 20 200
2,5 130 110 3 4 180 380
2,5 120 100 3 2 4 65 445
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570
2,5 4 3 60 40 3 2 -15 555
4 3 50 30 2 -50 505
30 10 -60 445
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
36
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
Se elige T
1nnnCnFn ttCCef.D
Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª
Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)
Se rellenan las columnas de las Líneas con la C
Se calcula el Déficit calórico en cada tramo de T
Se calcula el Acumulado del Déficit en cada tramo de T
Se añade el Mayor de los acumulados a la columna Máximo
Se rellena la columna Max n1n .Ac.Max.Max
n1nn .Def.Ac.Ac
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
37
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 3 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
30 10 -60 445 125
n1n .Ac.Max.Max
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
38
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Temperaturas Pinch
Servicio mínimo de calentamiento
Tabla Problema
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 3 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
30 10 -60 445 125
Servicio mínimo de refrigeración
T = 20ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
39
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Pinch Próximos
tC tF Máx.
140 130 120
125 115 60
80 70 2
65 55 45
50 40 0
30 20 35
Pinch
Near Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
40
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Zona Pinch
tC tF Máx.
140 130 120
125 115 60
80 70 0
65 55 0
50 40 20
30 20 35
Tramo Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
41
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Pinch de Suministro
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Def. Ac. Max.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
3 30 10 -60 445 125
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
42
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Pinch de Suministro
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Def. Ac. Max.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
3 30 10 -60 445 125
380
200
180
0
125
0
15
65
125
SC 190
Cal. Aux.
Ej: Se dispone de calor de un motor:Agua de las camisas y gases del escape
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
43
Pinch de Suministro
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Def. Ac. Max.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
3 30 10 -60 445 125
380
200
180
0
125
0
15
65
125
380
200
180
0
125
0
15
65
125
SC 190
380
200
180
0
125
0
15
0
60
SF 65
Ref. Aux.
Cal. Aux.
Ej: para realizar la refrigeración se dispone de:Una enfriadora y agua fresca de un río
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
44
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Pinch de Suministro
L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Def. Ac. Max.
270 250 570
210 190 3 180 180 390
2,5 170 150 3 20 200 370
2,5 130 110 3 4 180 380 190
2,5 120 100 3 2 4 65 445 125
2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0
2,5 4 60 40 3 2 -15 555 15
4 3 50 30 2 -50 505 65
3 30 10 -60 445 125
380
200
180
0
125
0
15
65
125
SC 190
635
455
435
190
125
0
15
255
315
SF 65
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
45
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Representación de Líneas Térmicas
Representación de los Servicios Auxiliares e Intercambiadores
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
46
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Representación de Líneas Térmicas con Servicios Auxiliares e Intercambiadores
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
47
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Reglas Básicas de la Tecnología Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
48
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Reglas Básicas de la Tecnología Pinch
No transferencia de energía de la parte superior a la inferior
QI, R e H
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
49
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Reglas Básicas de la Tecnología Pinch
No transferencia de energía de la parte superior a la inferior
No empleo de servicios de refrigeración sobre el Pinch
QI, H
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
50
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Reglas Básicas de la Tecnología Pinch
No transferencia de energía de la parte superior a la inferior
No empleo de servicios de refrigeración sobre el Pinch
No empleo de servicios de calentamiento bajo el Pinch
QI, R
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
51
1. Redes de Intercambiadores de Calor
División del Problema en dos; sobre y bajo el Pinch
T = 20ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
52
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Adjudicar a cada parte la energía correspondiente
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
53
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de la Red por encima del Pinch
• Cálculo de la Red Pinch
1.- Capacidades Caloríficas (CC CF)
División de las
Líneas Térmicas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
54
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de la Red por encima del Pinch
• Cálculo de la Red Pinch
1.- Capacidades Caloríficas (CC CF)
2.- Restricción del Nº de Líneas Térmicas
(Nº L.C. Nº L.F.)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
55
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de la Red por encima del Pinch
• Cálculo de la Red Pinch
3.- Diferencia global de Capacidades Caloríficas (CC CF ) (I)
CC (10) > CF (8)
No es posible para todas las líneas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
56
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de la Red por encima del Pinch
• Cálculo de la Red Pinch
3.- Diferencia global de Capacidades Caloríficas (CC CF ) (II)
CC (10) < CF (11)
Sí es posible para todas las líneas dividiéndolas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
57
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de las Temperaturas Intermedias
FP2
FPFP
CP1
CPCP
tC
.IntercCalorΔtt
tC
.IntercCalorΔtt
CPCPCP1 t)tt(CInterc.Calor
FPFPFP2 t)tt(C .IntercCalor
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
58
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Red Pinch Sobre el Pinch
CC CF Nº L.C. Nº L.F. CC CF
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
59
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de Tas y de la Red Residual sobre el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
60
1. Redes de Intercambiadores de Calor
NOTA: la red residual no debe introducir violaciones de T
Violación de la T
T < 20ºC
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
61
1. Redes de Intercambiadores de Calor
NOTA: la red residual no debe introducir violaciones de T
Violación de la T
T < 20ºC
Se debe permitir el paso de Q
a la parte baja del Pinch
28 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
62
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Cálculo de la Red por debajo del Pinch
• Cálculo de la Red Pinch
1.- Capacidades Caloríficas (CC CF)
2.- Restricción del Nº de Líneas Térmicas (Nº L.C. Nº L.F.)
3.- Diferencia global de Capacidades Caloríficas ( CC CF)
Cálculo de las Temperaturas Intermedias
Cálculo de la Red Residual
bajo el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
63
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Unión de las dos Redes (I)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
64
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Unión de las dos Redes (II)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
65
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Evolución hacia un número mínimo de intercambiadores
Condicionado por las temperaturas
1 - Refrig) (Calent. Aux Ser. Nº - líneas de total Nº Int mín. Nº En cada parte
(sobre y bajo el Pinch)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
66
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Lazos de Carga Calorífica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
67
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Lazos de Carga Calorífica
Eliminación de I5 redistribuyendo la carga térmica con el Lazo
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
68
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Camino de Carga Calorífica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
69
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Restitución de la Tª. de Aprox. con un Camino de Carga Calorífica
Camino de Carga Calorífica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
70
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Restitución de la Tª. de Aprox. con un Camino de Carga Calorífica
Camino de Carga Calorífica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
71
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Si al romper un Lazo:
La carga Térmica no se puede restablecer
IMPOSIBLE
(380 LF > 375 LC)
IMPOSIBLE
(intercambio negativo)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
72
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Si al romper un Lazo:
La carga Térmica no se puede restablecer
Se producen violaciones de la T
IMPOSIBLE
IMPOSIBLE
Hay que recurrir a los Camino de Carga Calorífica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
73
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (I)
1.- División del problema
Selección de líneas por proximidad física
Tabla Problema total
Tabla Problema en dos partes
Comparación de los resultados
Para hacer la división, considerar:
• La proximidad de las líneas térmicas
• La incompatibilidad de fluidos
• …
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
74
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (II)
2.- Líneas Térmicas con Capacidad Calorífica variable
Toma de datos
Cálculo de las Temperaturas intermedias
Cálculo de los calores intercambiados en los diferentes tramos
L1-F1
Tª (ºC) Nec. R (MW) Nec. Tramo (MW) C (MW/ºC)
210 375 250 2,3
100 125 125 3,1
60
L1 – C1
T (ºC) Nec. R. (MW) C (MW/ºC)
210375 2,5
60
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
75
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (III)
3.- Condensaciones y Evaporaciones
L1-F1
T (ºC) Nec. R. (MW) Nec. Tramo (MW) C (MW/ºC)
180 900 280 3,54
101 620 500 500
100 120 120 3
60
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
76
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (IV)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
• Eliminar los intercambiadores ya instalados
• Considerar fijos los intercambiadores previos
• Integrar los intercambiadores antiguos en el nuevo diseño
o Selección de las líneas térmicas
o Elección de la Temperatura de Aproximación
o Tabla Problema
o División en dos, sobre y bajo el Pinch
o Situar a cada intercambiador previo en una parte
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
77
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (IV)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
• Eliminar los intercambiadores ya instalados
• Considerar fijos los intercambiadores previos
• Integrar los intercambiadores antiguos en el nuevo diseño
o Selección de las líneas térmicas
o Elección de la Temperatura de Aproximación
o Tabla Problema
o División en dos, sobre y bajo el Pinch
o Situar a cada intercambiador previo en una parte
o Determinar el calor en cada línea sobre y bajo el Pinch
o Determinar en cada intercambiador el calor sobre y bajo el Pinch
o Resolver llevando los int. a una de las dos partes, calcular las dosredes, unirlas y finalmente hacerlas evolucionar
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
78
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (V)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
79
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (V)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
80
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados
o División del problema sobre y bajo el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
81
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados
o Red sobre el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
82
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
4.- Modificación de una Red Previa de Intercambiadores
Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados
o Red bajo el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
83
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (I)
• Líneas Compuestas paralelas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
84
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (I)
• Líneas Compuestas paralelas
o Hay que dividir la líneas hasta tener igual nº LC y LF con igual C
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
85
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (I)
• Líneas Compuestas paralelas
o Hay que dividir la líneas hasta tener igual nº LC y LF con igual C
o Permitir el paso de Q a través de ambos Pinch
75 MW75 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
86
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (II)
• Líneas Compuestas paralelas
• Líneas Compuestas no paralelas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
87
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (II)
• Líneas Compuestas paralelas
• Líneas Compuestas no paralelas
• Colocar servicios auxiliares y traspaso de calor a través del Pinch
100 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
88
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (II)
• Líneas Compuestas paralelas
• Líneas Compuestas no paralelas
• Colocar servicios auxiliares y traspaso de calor a través del Pinch
• División de alguna línea térmica
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
89
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)
5.- Introducción de un 2º Pinch (II)
• Líneas Compuestas paralelas
• Líneas Compuestas no paralelas
• Colocar servicios auxiliares y traspaso de calor a través del Pinch
• División de alguna línea térmica
• Encontrar situaciones que permitan colocar inter. en serie
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
90
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Ejemplo de aplicación a una planta
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
91
1. Redes de Intercambiadores de Calor
• Datos de la planta (I)
L6-C6
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
495 29,3 0,15585
307
L2-C2
T (ºC) Q (MW) Q tramo (MW) C (MW / ºC)
327 31,5 16,2 0,10588
174 15,3 10,4 0,12683
92 4,9 4,9 0,11667
50
L7-C7
T (ºC) Q (MW) Q tramo (MW) C (MW / ºC)
220 30,5 8,4 0,14
160 22,1 3,8 0,2375
144 18,3 4,8 0,25263,0
125 13,5 13,5 0,20454
59
L10-C10
T (ºC) Q (MW) Q tramo (MW) C (MW / ºC)
222 12,3 7,9 0,08587
130 4,4 4,4 0,06984
67
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
92
1. Redes de Intercambiadores de Calor
• Datos de la planta (II)
L1-F1
T (ºC) Q (MW) Q tramo (MW) C (MW / ºC)
327 25,8 9,6 0,09796
229 16,2 16,2 0,12756
102
L4-F4
T (ºC) Q (MW) Q tramo (MW) C (MW / ºC)
500 56,7 19 0,14286
367 37,7 29,3 0,1534
176 8,4 8,4 0,23333
140
L3-F3
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
164 10,4 0,08062
35
L5-F5
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
500 37,8 1,89
480 L8-F8
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
123 3,8 0,08837
80
L9-F9
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
169 7.9 0.07182
59 L11-F11
T (ºC) Q (MW) C (MW / ºC)
125 4.8 0.12
85
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
93
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
94
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Tabla Problema tC tF Acumulado Máximo
500 53,969
150 140 0
45 35 10,368
QH = 66,4 MW
QR = 22,8 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
95
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Tabla Problema
Distribución de Líneas Térmicas
sobre y bajo el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
96
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Tabla Problema
Distribución de Líneas Térmicas
sobre y bajo el Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
97
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Tabla Problema
Distribución de Líneas Térmicas
sobre y bajo el Pinch
Red de intercambiadores sobreel Pinch
1,1 MW
2,4 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
98
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Líneas Térmicas
Tabla Problema
Distribución de Líneas Térmicas
sobre y bajo el Pinch
Red de intercambiadores sobreel Pinch
Red de intercambiadores bajo elPinch
1,1 MW
2,4 MW
1,1 MW
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
99
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Comprobar violaciones de T
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
100
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Restablecimiento de T (I)
Con el camino:
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
101
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Restablecimiento de T (II)
160
4,1 MW
2,3 MW
150
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
102
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Red 10.1
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
103
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Red 10.2
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
104
1. Redes de Intercambiadores de Calor
Red 10.3
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
105
1.- Redes de Intercambiadores de Calor
2.- Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
3.- Referencias y Bibliografía
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
106
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
La recuperación de calor se ha estudiado tradicionalmente en los procesosproductivos de funcionamiento continuo (las restricciones son los caudales ylas Tas de los fluidos), siendo la Tecnología Pinch la más empleada
Con Procesos no simultáneos (Batch) se requiere la utilización de unalmacenamiento térmico intermedio, ya sea de Q latente o Q sensible
Esta exposición se ha centrado en los almacenamientos de Q sensible, ydentro de ellos en los de Tª cte y V variable, estudiando las forma deorganizar las acumulaciones térmicas en una superestructura
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
107
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Inicialmente quedaron al margen los procesos Batch, por tener peores
rendimientos energéticos y económicos
En estos procesos la diferencia de Tª en los intercambiadores es la mitad
de la existente en proceso continuo
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
108
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Los tipos de Ac. térmicas son:
A.T. de calor latente
A.T. de calor sensible
• con Tª = cte y V variable.
Tcte
T(t)
V V
• con Tª variable y V = cte.
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
109
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
En general resulta atractivo el uso de los A.T. si ocurre al menos uno de
los siguientes factores:
– Las necesidades térmicas son de corta duración y gran valor de pico(reduce la potencia de la máquina térmica instalada)
– La solicitación térmica es esporádica(se reducen los arranques de la máquina)
– Las cargas térmicas son periódicas(hay un ciclo de demanda; más rentable con periodos cortos)
– La demanda térmica no se acopla a disposición de energía
– Incentivos económicos por parte de las administraciones o las compañíassuministradoras de energía
– Es necesario garantizar el suministro térmico
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
110
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Los métodos para el almacenamiento de calor se resumen en:
pinicialfinalalmacenada cV)TT(JE
En los sistemas de Q sensible la energía se almacena
cambiando la Tª del medio de almacenamiento
)C(fCC pSensibleLatente
En los sistemas de Q latente la energía se almacena
mediante el cambio de fase de la materia acumuladora
Calor Sensible Calor Latente
Corto Almacenamiento Largo Almacenamiento Corto Almacenamiento
Lecho de rocasLecho de tierraTanques de agua
Lecho de rocasLecho de tierraTanques de aguaGrandes acuíferosParque solar
Materiales inorgánicosMateriales orgánicosÁcidos grasosAromáticos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
111
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
El proceso que se sigue en los AET se puede esquematizar:
La manera más inmediata de almacenar calor/frío es con agua
En almac. fríos el Tª no puede exceder los 15ºC; en los calientes está sobre 70ºC
El ratio de V de una ac. fría /caliente es (70 / 15) 4,7
Los volúmenes de los tanques de agua caliente son razonables, y por eso han sido
ampliamente utilizados (p.ej. district heating)
El gran volumen que conllevan los almacenamientos fríos ha forzado al desarrollo
de diferentes tipos de acumulaciones de frío
DescargaCarga
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
112
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
El proceso que se sigue en los AET se puede esquematizar:
La manera más inmediata de almacenar calor/frío es con agua
En almac. fríos el Tª no puede exceder los 15ºC; en los calientes está sobre 70ºC
El ratio de V de una ac. fría /caliente es (70 / 15) 4,7
Los volúmenes de los tanques de agua caliente son razonables, y por eso han sido
ampliamente utilizados (p.ej. district heating)
El gran volumen que conllevan los almacenamientos fríos ha forzado al desarrollo
de diferentes tipos de acumulaciones de frío
DescargaCarga
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
113
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Los aislantes se colocan para evitar pérdidas térmicas
Los de calor deben evitar temperaturas de contacto peligrosas
Los de frío además deben evitar condensaciones superficiales
Tª
Aislante congelado
Tª
0ºC
Q QQ Q
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
114
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
115
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
116
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
117
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
118
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
119
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
120
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Tecnologías de los AET
Sistemas Térmicamente Estratificados
Otros diseños de AET de agua
• Tanques con Membrana
• Sistemas Baffle
• Tanques en Serie
• Sistemas de Laberintos
• Sistemas de Tanques Vacíos
• Sistemas de Cambio de Fase (PCM)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
121
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Los modos de operación de un tanque de AET son:
– Producción directa– Carga del Tanque
– Descarga del Tanque
– Carga y Producción directa
– Descarga y Producción directa
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
122
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
La recuperación energética se puede llevar a cabo:
• AET de calor latente
• AET de calor sensible (Tª variable y V = cte)
• AET de calor sensible (Tª = cte y V = variable)
Fluido caliente (FC) Fluido frío (FF)
Tª salida del tanque caliente 100ºC Tª salida del tanque frío 25ºC
Tª de entrada al tanque frío 50ºC Tª de entrada al tanque caliente 75ºC
Capacidad calorífica, C 40 kW/ºC Capacidad calorífica, C 40 kW/ºC
Calor excedentario de la línea 2.000 kW Calor deficitario de la línea 2.000 kW
Tiempo de carga 100 seg Tiempo de descarga 100 seg
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
123
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
AET de Q latente:
Empleo de PMC (Phase Change Materials)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
124
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
AET de Q latente:
Empleo de PMC (Phase Change Materials)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
125
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
AET de Q sensible
(V cte y T var.)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
126
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
AET de Q sensible
(T cte y V var.)
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
127
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Resultados:
Diferentes potencias de almac. y rango de Tas
Tipo de calorPotencia térmica
almac. (kW)Area delinter. (m2)
Vol. Almac. (m3)
Pot. auxiliar R. y C. (kW)
Latente
1.000 43,9 0,59 1.000
1.400 108,3 0,82 600
1.800 77,6 (x2) 0,53 (x2) 200
Sensible
T var, Vol cte
1.000 (75-50) 47,2 0,95 1.308
1.400 (75-50) 140,5 1,33 1.031
1.000 (70-55) 45,12 1,59 1.189
T cte, Vol var
1.000 (75-50) 40 0,95 (x2) 1.000
1.400 (75-50) 71,51 1,33 (x2) 600
1.000 (70-55) 40,54 1,59 (x2) 1.000
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
128
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Resultados:
Diferentes potencias de almac. y rango de Tas
Tipo de calorPotencia térmica
almac. (kW)Area delinter. (m2)
Vol. Almac. (m3)
Pot. auxiliar R. y C. (kW)
Latente
1.000 43,9 0,59 1.000
1.400 108,3 0,82 600
1.800 77,6 (x2) 0,53 (x2) 200
Sensible
T var, Vol cte
1.000 (75-50) 47,2 0,95 1.308
1.400 (75-50) 140,5 1,33 1.031
1.000 (70-55) 45,12 1,59 1.189
T cte, Vol var
1.000 (75-50) 40 0,95 (x2) 1.000
1.400 (75-50) 71,51 1,33 (x2) 600
1.000 (70-55) 40,54 1,59 (x2) 1.000
Situación Almac. SensibleSituación Almac. Latente
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
129
fríoalmaccalientealmacac.fluidopac. TTcmQ
inter linea salinter linea entlíneapac. TT cmQ
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Esquema de un sistema de almac. decalor sensible a Tª cte y V variable condos tanques de ac. en un proceso Batch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
130
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
El calor excedentario de la línea caliente setransfiere al almac. a través de unintercambiador instalado en contracorrientecon un flujo del fluido acumulador, que esenviado desde el almac. frío al caliente.
Esquema de un sistema de almac. decalor sensible a Tª cte y V variable condos tanques de ac. en un proceso Batch
fríoalmaccalientealmacac.fluidopac. TTcmQ
inter linea salinter linea entlíneapac. TT cmQ
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
131
Esquema de un sistema de almac. decalor sensible a Tª cte y V variable condos tanques de ac. en un proceso Batch
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
El calor excedentario de la línea caliente setransfiere al almac. a través de unintercambiador instalado en contracorrientecon un flujo del fluido acumulador, que esenviado desde el almac. frío al caliente.
Cuando es la línea fría la que requiere calor, la situación es inversa, es el fluidoacumulador el que se envía del almac. caliente, a través de otro intercambiador,en el que en contracorriente, calienta el fluido frío
fríoalmaccalientealmacac.fluidopac. TTcmQ
inter linea salinter linea entlíneapac. TT cmQ
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
132
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Posibles ac.
Líneas
Ac. seleccionadas
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
133
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
134
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Permite optimizar los aspectos económicos del sistema
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
135
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Se utiliza siempre que el Q cedido por la LC al almac. sea distinto al queabsorbe de él la LF, un déficit energético en un almac.
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
136
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Especificar el T mín que haga rentable una inversión
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
137
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Se realiza para temperaturas intermedias
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
138
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Se realiza para temperaturas intermedias
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
139
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
• Conexiones de un proceso a dos almac.
• Conexiones de un proceso a otros que no sean cercanos
• Almacenamiento de las corrientes en cascada
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
140
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
• Conexiones de un proceso a dos almac.
• Conexiones de un proceso a otros que no sean cercanos
• Almacenamiento de las corrientes en cascada
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
141
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
• Conexiones de un proceso a dos almac.
• Conexiones de un proceso a otros que no sean cercanos
• Almacenamiento de las corrientes en cascada
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
142
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Técnicas de optimización:
Ajuste fino de las Tª de almacenamiento
Incorporación de ser. Aux. para reequilibrio de los almacenamientos térmicos
Ajuste de las temperaturas inferiores de procesos integrados
Mezcla de diferentes almacenamientos
Relajación del flujo
Relajación de la temperatura fija en los almacenamientos
Implica equipos de control más sofisticados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
143
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Superestruturas:
Para sistemas con gran nº de líneas y de almacenamientos
Las más utilizadas son de 2 ac. y de 3 ac.
Cuando se trata de estudiar grandes sistemas térmicos, los métodos de
optimización que se utilizan de forma habitual son muy tediosos de aplicar
Las superestructuras comprenden todas las configuraciones posibles que
puedan ser estudiadas.
Las dos posibilidades más interesantes que éstas han de incluir para optimizar
su funcionamiento son: los reequilibrios y la cascada
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
144
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Superestructura de 2 almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
145
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Superestructura de 3 almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
146
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Superestructura de 3 almacenamientos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
147
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Reequilibrio y Cascada en una superestructura
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
148
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Reequilibrio y Cascada en una superestructura
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
149
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Reequilibrio y Cascada en una superestructura
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
150
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Reequilibrio y Cascada en una superestructura
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
151
Puede conducir a un gran ahorro energético debido al aprovechamiento simultáneo
del calor que se desprende en el condensador y del absorbido por el evaporador
Cambia la definición del COP:
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Acoplamiento de Bombas de Calor a Superestructuras
¡Rendimiento “doble” que el conseguido con el uso habitual de una B.C.
compresor
evaporadorrcondensadoSpEstBC W
QQCOP
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
152
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
153
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
154
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
155
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.
La B.C. reversible mejora el diseño
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
156
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
2 LC y 2 LF
LF1 LF2 LC1 LC2
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Caso 5
Caso 6
Caso 7
Caso 8
Caso 9
Caso 10
Caso 11
Caso 12
Caso 13
Caso 14
Caso 15
Caso 16
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
157
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
158
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
sólo 6 / 16 casos
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
159
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
Resuelto por Tecnología Pinch
LC2 LC1 TC TF LF1 LF2 Déficit(kW)
Acumulado(kW)
Máximo (kW)
100 90 0 0 1.100
95 85 14,5 72 72 1.028
150 85 75 14,5 -1.355 -1.283 2.383
60 50 14,5 362 -921 2.021
49 39 14,5 40,5 605 -315 1.415
17,5 45 35 14,5 40,5 150 -165 1.265
22 12 14,5 40,5 1.265 1.100 0
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
160
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
LC2 LC1 TC TF LF1 LF2 Déficit(kW)
Acumulado(kW)
Máximo (kW)
100 90 0 0 1.100
95 85 14,5 72 72 1.028
150 85 75 14,5 -1.355 -1.283 2.383
60 50 14,5 362 -921 2.021
49 39 14,5 40,5 605 -315 1.415
17,5 45 35 14,5 40,5 150 -165 1.265
22 12 14,5 40,5 1.265 1.100 0
Caso de Ej:
Resuelto por Tecnología Pinch
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
161
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
LC2 LC1 TC TF LF1 LF2 Déficit(kW)
Acumulado(kW)
Máximo (kW)
100 90 0 0 1.170
95 85 14,5 72 72 1.098
150 85 75 14,5 -1.355 -1.283 2.453
60 50 14,5 362 -921 2.091
49 39 14,5 40,5 605 -315 1.485
45 35 14,5 40,5 220 -95 1.265
22 12 14,5 40,5 1.265 1.170 0
Caso de Ej:
Resuelto por Tecnología Pinch
Considerando el Caso 2
¡Los servicios auxiliares de
calentamiento en el caso 2
1.170 kW
son mayores que estudiando
la red globalmente!
(1.061 + 39) kW
Tecnología Pinch no lo resuelve
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
162
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resuelto Caso a Caso
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
163
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resuelto Caso a Caso
Calcular el calor que se puede transferir de un Caso al Siguiente en función del
tamaño de las Ac.
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
164
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resuelto Caso a Caso
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
165
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resuelto Caso a Caso
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
166
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resuelto Caso a Caso
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
167
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resultados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
168
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resultados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
169
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resultados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
170
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resultados
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
171
2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
Caso de Ej:
• Método de Análisis
• Resultado
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
172
1.- Redes de Intercambiadores de Calor
2.- Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas
3.- Referencias y Bibliografía
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
173
3. Referencias y Bibliografía
“Tecnología Pinch para el Diseño de Redes de Intercambiadores
• (I) Principios, Reglas Básicas, Suministros”, C.J. Renedo, P.Fernández, mayo 2003
• (II): Cálculo de la Red por Encima del Pinch”, C.J. Renedo, P.Fernández, junio 2003
• (III): Cálculo de la Red por Debajo del Pinch, Unión de las dosRedes y Optimización”, C.J. Renedo, P. Fernández, julio 2003
• (IV): Pinch Próximos y Selección de Líneas Térmicas”, C.J.Renedo, P. Fernández, D. Silió, J. Peredo, septiembre 2003
• (V): Mejora de una Red Instalada de Intercambiadores de Calor”,C.J. Renedo, P. Fernández, D. Silió, octubre 2003
• (VI): Líneas Térmicas con Capacidad Calorífica Variable”, C.J.Renedo, P. Fernández, D. Silió, noviembre 2003
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
174
“Recuperación Energética Mediante Almacenamiento Térmico enProcesos Batch”, C.J. Renedo, J. Peredo, A. Ortiz, noviembre 2004
“Almac. Térmicos de Calor Sensible en los Procesos Batch:• Principios Básicos”, C.J. Renedo, J. Peredo, A. Ortiz, mayo 2006• Técnicas de optimización y superestructuras”, C.J. Renedo, J.
Peredo, A. Ortiz, junio 2006
“Integración de la Bomba de Calor en las Superestructuras deAlmac. Térmico”, J. Peredo, C.J. Renedo y A. Ortiz, mayo 2007
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3. Referencias y Bibliografía
Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)
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Pantalla vieja de SCOPUS
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Pantalla vieja de SCOPUS
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Master de Investigación en Ingeniería Industrial(Diseño y Producción Industrial)
Uso Sostenible de la Energía
Integración Térmica en la Industria
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
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