Uso Sostenible de la Energía

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1

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.)

1.- Redes de Intercambiadores de Calor

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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.)

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1. Redes de Intercambiadores de Calor



  i TiR A 1 k



i o



o i ∆t / ∆t Ln ∆t ∆t LMTD 

Coeficiente Global de Transmisión de Calor, k:

Potencia Térmica, P_T:

Teoría General de Intercambiadores de Calor

LMTD A k PT    t₂₁ t₁₂

t

_o t11 t₂₂

t

_i Intercambiador sencillo en contracorriente 21 12 o 22 11 i t t t t t t      

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5



  i TiR A 1 k



i o



o i ∆t / ∆t Ln ∆t ∆t LMTD 

Coeficiente Global de Transmisión de Calor, k:

Potencia Térmica, P_T:

Teoría General de Intercambiadores de Calor

LMTD A k PT    t₁₁ t22 t₂₁ t₁₂

t

_o

t

_i Otras configuraciones (F) : (F en gráficos) LMTD F A k P_T     Intercambiador sencillo en contracorriente 21 12 o 22 11 i t t t t t t      

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Eficacia de un Intercambiador de Calor, _T:

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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)

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9

Al aumentar el área de intercambio, el equipo se va haciendo menos rentable

t

_o t₁₁=100ºC t₂₂=50ºC

t

_i t₁₂=80ºC t₂₁=0ºC t₂₁

t

_o t₁₁ t₂₂=75ºC

t

_i _t 12=70ºC

Al aumentar la longitud, el salto térmico en el interior del intercambiador disminuye, y con ello la cantidad de calor transferida por unidad de área



i o



o i ∆t / ∆t Ln ∆t ∆t LMTD  C º 8 , 63 ) 80 / 50 ( Ln 80 50 LMTD 80 0 80 t 50 50 100 t o i _ _  _                       70 0 70 t 25 75 100 t o i C º 7 , 43 ) 70 / 25 ( Ln 70 25 LMTD   21 12 o 22 11 i t t t t t t      

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

En una planta, ¿cuáles son las mejores uniones? - Máxima energía recuperada

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11

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

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Representación de las Curvas Compuestas

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Temperatura de Aproximación (T)

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Temperatura de Aproximación (T)

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

16 Tabla Problema L1-C1 L2-C2 L3-C3 t_C t_F L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx. Se elige T



Fn Cn



 n n 1 n C C t t ef. 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 Max.nMax.1Ac.n n 1 n n Ac. Def. . Ac   

1. Redes de Intercambiadores de Calor

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Temperaturas Pinch

Servicio mínimo de calentamiento Tabla Problema L1-C1 L2-C2 L3-C3 t_C t_F 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.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Pinch Próximos

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19 Zona Pinch t_C t_F Máx. 140 130 120 125 115 60 80 70 0 65 55 0 50 40 20 30 20 35 Tramo Pinch

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1. Redes de Intercambiadores de Calor

Pinch de Suministro

L1-C1 L2-C2 L3-C3 t_C t_F 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

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21

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.

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

Ref. Aux.

Cal. Aux. Ej: para realizar la refrigeración se dispone de:

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23

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

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1. Redes de Intercambiadores de Calor

Representación de Líneas Térmicas

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25

Representación de Líneas Térmicas con Servicios Auxiliares e Intercambiadores

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

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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.)

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1. Redes de Intercambiadores de Calor

 No transferencia de energía de la parte superior a la inferior  No empleo de servicios de refrigeración sobre el Pinch

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 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

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1. Redes de Intercambiadores de Calor

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31

Adjudicar a cada parte la energía correspondiente

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

32

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

(17)

33

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.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

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35

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.)

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1. Redes de Intercambiadores de Calor

Cálculo de las Temperaturas Intermedias

FP 2 FP FP CP 1 CP CP t C . Interc Calor ∆t t t C . Interc Calor ∆t t      



_CP _CP _CP



1 (t t ) t C Interc. Calor    



FP FP FP



2 (t t ) t C . Interc Calor    

(19)

37

Red Pinch Sobre el Pinch

C_C C_F Nº L.C.  Nº L.F. C_C C_F

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

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39

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.)

40

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

(21)

41

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 ( C_C  C_F) Cálculo de las Temperaturas Intermedias

Cálculo de la Red Residual bajo el Pinch

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(22)

43

Unión de las dos Redes (II)

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

44

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

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45

Lazos de Carga Calorífica

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Lazos de Carga Calorífica

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47

Camino de Carga Calorífica

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

48

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Restitución de la Tª. de Aprox. con un Camino de Carga Calorífica Camino de Carga Calorífica

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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.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Si al romper un Lazo:

(26)

51

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.)

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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

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53

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) 210 375 2,5 60

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Mejoras de la Tecnología Pinch (III)

(28)

55

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.)

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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 dos

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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.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Mejoras de la Tecnología Pinch (V)

(30)

59

Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)

o División del problema sobre y bajo el Pinch

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

60

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)

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61

Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)

o Red bajo el Pinch

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(32)

63

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.)

64

1. Redes de Intercambiadores de Calor

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 MW 75 MW

(33)

65

5.- Introducción de un 2º Pinch (II) • Líneas Compuestas paralelas • Líneas Compuestas no paralelas

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(34)

67

• 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.)

68

1. Redes de Intercambiadores de Calor

• Colocar servicios auxiliares y traspaso de calor a través del Pinch • División de alguna línea térmica

(35)

69

Ejemplo de aplicación a una planta

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

• Datos de la planta (I)

L6-C6 L2-C2

(36)

71

• 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.)

72

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(37)

73

Líneas Térmicas

Tabla Problema t_C t_F Acumulado Máximo

500 53,969

150 140 0

45 35 10,368

QH= 66,4 MW

Q_R= 22,8 MW

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(38)

75

Tabla Problema

Distribución de Líneas Térmicas sobre y bajo el Pinch

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

76

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Tabla Problema

Red de intercambiadores sobre el Pinch

1,1 MW 2,4 MW

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Tabla Problema

Red de intercambiadores sobre el Pinch

Red de intercambiadores bajo el Pinch

1,1 MW 2,4 MW 1,1 MW

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(40)

79

Restablecimiento deT (I)

Con el camino:

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

80

1. Redes de Intercambiadores de Calor

Restablecimiento deT (II) 160

4,1 MW

2,3 MW 150

(41)

81

Red 10.1

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

1. Redes de Intercambiadores de Calor

(42)

83

Red 10.3

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

84

1.- Redes de Intercambiadores de Calor

2.- Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

3.- Referencias y Bibliografía

(43)

85

La recuperación de calor se ha estudiado tradicionalmente en los procesos

productivos de funcionamiento continuo (las restricciones son los caudales y

las T

as

_{de los fluidos), siendo la Tecnología Pinch la más empleada}

Con Procesos no simultáneos (Batch) se requiere la utilización de un

almacenamiento térmico

intermedio, ya sea de Q latente o Q sensible

Esta exposición se ha centrado en los almacenamientos de Q sensible, y

dentro de ellos en los de Tª cte y V variable, estudiando las forma de

organizar las acumulaciones térmicas en una superestructura

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Inicialmente quedaron al margen los procesos Batch, por tener peores

rendimientos energéticos y económicos

(44)

87

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.)

88

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 compañías suministradoras de energía

(45)

89

Los métodos para el almacenamiento de calor se resumen en:

 

final inicial p

almacenada J (T T ) V c

E    

En los sistemas de Q sensible la energía se almacena cambiando la Tª del medio de

almacenamiento ) C ( f C C_Latente _Sensible _p

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 rocas Lecho de tierra Tanques de Agua Lecho de rocas Lecho de tierra Tanques de agua Grandes acuíferos Parque solar Materiales Inorgánicos Materiales Orgánicos Ácidos grasos Aromáticos

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(46)

91 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.)

92

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

(47)

• Tanques con Membrana • Sistemas Baffle

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Sistemas Térmicamente

(48)

• 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.)

96

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Tecnologías de los AET Sistemas Térmicamente Estratificados Otros diseños de AET de agua

• Tanques en Serie • Sistemas de Laberintos

• Sistemas de Tanques Vacíos • Sistemas de Cambio de Fase

(49)

• 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.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(50)

99

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.)

100

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

AET de Q latente:

(51)

101

AET de Q latente:

Empleo de PMC (Phase Change Materials)

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

AET de Q sensible (V cte y T var.)

(52)

103

AET de Q sensible (T cte y V var.)

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

104

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Resultados:

Diferentes potencias de almac. y rango de Tas Tipo de calor Potencia térmica

almac. (kW) Area del inter. (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

(53)

105

Resultados:

Diferentes potencias de almac. y rango de Tas Tipo de calor Potencia térmica

almac. (kW) Area del inter. (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. Sensible Situación Almac. Latente

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Esquema de un sistema de almac. de calor sensible a Tª cte y V variable con dos tanques de ac. en un proceso Batch

(54)

107

El calor excedentario de la línea caliente se transfiere al almac. a través de un intercambiador instalado en contracorriente con un flujo del fluido acumulador, que es enviado desde el almac. frío al caliente. Esquema de un sistema de almac. de calor sensible a Tª cte y V variable con dos tanques de ac. en un proceso Batch



p



_fluido_ac.



almaccaliente almacfrío



ac. m c T T

Q    



p



_línea



entlineainter sallineainter



ac. m c T T

Q    

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

108

Esquema de un sistema de almac. de calor sensible a Tª cte y V variable con dos tanques de ac. en un proceso Batch

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

El calor excedentario de la línea caliente se transfiere al almac. a través de un intercambiador instalado en contracorriente con un flujo del fluido acumulador, que es enviado desde el almac. frío al caliente.

Cuando es la línea fría la que requiere calor, la situación es inversa, es el fluido acumulador el que se envía del almac. caliente, a través de otro intercambiador, en el que en contracorriente, calienta el fluido frío



p



fluidoac.



almaccaliente almacfrío



ac. m c T T

Q    



p



_línea



entlineainter sallineainter



ac. m c T T

(55)

109

Posibles ac. Líneas

Ac. seleccionadas

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Técnicas de optimización:

(56)

111

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.)

112

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

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 que absorbe 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

(57)

113

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

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(58)

115

Mezcla de diferentes almacenamientos

Se realiza para temperaturas intermedias Relajación del flujo

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

116

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

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

(59)

117

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.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(60)

119

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.)

120

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

(61)

121

Superestructura de 2 almacenamientos

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(62)

123

Superestructura de 3 almacenamientos

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

124

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(63)

125

Reequilibrio y Cascada en una superestructura

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(64)

127

Reequilibrio y Cascada en una superestructura

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

128

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 evaporador r condensado SpEst BC W Q Q COP _  

(65)

129

Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(66)

131

Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

132

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm. La B.C. reversible mejora el diseño

(67)

133 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.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

(68)

135

Caso de Ej:

sólo 6 / 16 casos

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

136

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

(69)

137

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.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

Resuelto por Tecnología Pinch Considerando el Caso 2

(70)

139

Caso de Ej:

• Método de Análisis

• Resuelto Caso a Caso

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

140

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

Calcular el calor que se puede transferir de un Caso

al Siguiente en función del tamaño de las Ac.

(71)

141

Caso de Ej:

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

(72)

143

Caso de Ej:

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

144

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

• Método de Análisis • Resultados

(73)

145

Caso de Ej:

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

(74)

147

Caso de Ej:

Integración Térmica (M.I.I.I.: D. y P.I.)

148

2. Redes de I.C. con Acumulaciones Térmicas

Caso de Ej:

• Método de Análisis • Resultado

(75)

149

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. Referencias y Bibliografía

“Tecnología Pinch para el Diseño de Redes de Intercambiadores • (I) Principios, Reglas Básicas, Suministros”, C.J. Renedo, P.

(76)

151

“Recuperación Energética Mediante Almacenamiento Térmico en Procesos 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 de Almac. Térmico”,J. Peredo, C.J. Renedo y A. Ortiz, mayo 2007

“

Empleo de Almacenamientos Térmicos en Redes Industriales de de Intercambiadores de Calor para Recuperación Energética”, J. Peredo, C.J. Renedo, A. Ortiz, M. Mañana, Ingeniería Química Uruguay, mayo 2008

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