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