integración térmica en la industria web/master inv … · 1. redes de intercambiadores de calor i...

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


2

1.- Redes de Intercambiadores de Calor

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

3.- Referencias y Bibliografía


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


4


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


5


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


6


i TiRA

1k

oi

oi

Δt/ΔtLn

ΔtΔtLMTD

Coeficiente Global de Transmisión de Calor, k:

Potencia Térmica, PT :


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


7


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):


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


9


Eficacia de un Intercambiador de Calor, T :

atransferid máx.P

atransferidP

T

TT

minC

AkNTU

(gráficos)

Pérdidas de Rendimiento

Pérdidas de Presión


• Pérdidas térmicas al exterior

• Ensuciamiento de las superficies de intercambio


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

(%)


11


Selección de un Intercambiador de Calor- Tipo - Compatibilidad de materiales

- Temperaturas - Limpieza

- Presiones - Precio

Colocación de un Intercambiador de Calor


12


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)


13


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


14


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


15


Ejemplo:


16


Representación de las

Líneas Térmicas


17


Representación de las

Curvas Compuestas


18


Temperatura de

Aproximación (T)


19


Temperatura de

Aproximación (T)


20

Tabla Problema

L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Déf. Acu. Máx.

Se elige T


Por ejemplo: 20ºC


21

Tabla Problema


Se elige T

Los extremos de las Líneas Térmicas marcan las Tª


40ºC30ºC 110ºC250ºC 210ºC 60ºC

LC1LF1 LF2


22

Tabla Problema


Se elige T



40ºC30ºC250ºC 210ºC 60ºC

50ºC150ºC 120ºC 50ºC 30ºC60ºC

LC1LF1 LF2

LC2 LC3LF3

110ºC


23

Tabla Problema


Se elige T


Se rellenan las columnas de Tª (marcadas por LC y LF)


120ºC 50ºC

30ºC60ºC

LC2

LC3

210ºC 60ºCLC1

Tª LC

210

120

60

50

30


24

Tabla Problema


Se elige T




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


25

Tabla Problema


Se elige T




Tª LC

210

120

60

50

30

120ºC 50ºC

30ºC60ºC

LC2

LC3


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


26

Tabla Problema


Se elige T




Tª LC

210

120

60

50

30

120ºC 50ºC

30ºC60ºC

LC2

LC3


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


27


Tabla Problema


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


28

Tabla Problema


Se elige T



Se rellenan las columnas de las Líneas con la C


120ºC 50ºC

30ºC60ºC

LC2

LC3

210ºC 60ºCLC1 375 MW / 150ºC = 2,5

280 MW / 70ºC = 4

90 MW / 30ºC = 3


29


Tabla Problema

120ºC 50ºC

30ºC60ºC

LC2

LC3

210ºC 60ºCLC1 375 MW / 150ºC = 2,5

280 MW / 70ºC = 4

90 MW / 30ºC = 3


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


30

Tabla Problema


Se elige T

1nnnCnFn ttCCef.D




Se calcula el Déficit calórico en cada tramo de T



31


Tabla Problema


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


32

Tabla Problema


Se elige T

1nnnCnFn ttCCef.D





Se calcula el Acumulado del Déficit en cada tramo de T n1nn .Def.Ac.Ac



33


Tabla Problema


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


34

Tabla Problema


Se elige T

1nnnCnFn ttCCef.D





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



35


Tabla Problema


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


36

Tabla Problema


Se elige T

1nnnCnFn ttCCef.D





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



37


Tabla Problema


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


38


Temperaturas Pinch

Servicio mínimo de calentamiento

Tabla Problema


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


39


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


40


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


41


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


42


Pinch de Suministro


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


43

Pinch de Suministro


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


44


Pinch de Suministro


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


45


Representación de Líneas Térmicas

Representación de los Servicios Auxiliares e Intercambiadores


46


Representación de Líneas Térmicas con Servicios Auxiliares e Intercambiadores


47


Reglas Básicas de la Tecnología Pinch


48



No transferencia de energía de la parte superior a la inferior

QI, R e H


49




No empleo de servicios de refrigeración sobre el Pinch

QI, H


50




No empleo de servicios de refrigeración sobre el Pinch

No empleo de servicios de calentamiento bajo el Pinch

QI, R


51


División del Problema en dos; sobre y bajo el Pinch

T = 20ºC


52


Adjudicar a cada parte la energía correspondiente


53


Cálculo de la Red por encima del Pinch

• Cálculo de la Red Pinch

1.- Capacidades Caloríficas (CC CF)

División de las

Líneas Térmicas


54





2.- Restricción del Nº de Líneas Térmicas

(Nº L.C. Nº L.F.)


55




3.- Diferencia global de Capacidades Caloríficas (CC CF ) (I)

CC (10) > CF (8)

No es posible para todas las líneas


56




3.- Diferencia global de Capacidades Caloríficas (CC CF ) (II)

CC (10) < CF (11)

Sí es posible para todas las líneas dividiéndolas


57


Cálculo de las Temperaturas Intermedias

FP2

FPFP

CP1

CPCP

tC

.IntercCalorΔtt

tC

.IntercCalorΔtt

CPCPCP1 t)tt(CInterc.Calor

FPFPFP2 t)tt(C .IntercCalor


58


Red Pinch Sobre el Pinch

CC CF Nº L.C. Nº L.F. CC CF


59


Cálculo de Tas y de la Red Residual sobre el Pinch


60


NOTA: la red residual no debe introducir violaciones de T

Violación de la T

T < 20ºC


61


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


62


Cálculo de la Red por debajo del Pinch



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


63


Unión de las dos Redes (I)


64


Unión de las dos Redes (II)


65


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)


66


Lazos de Carga Calorífica


67


Lazos de Carga Calorífica

Eliminación de I5 redistribuyendo la carga térmica con el Lazo


68


Camino de Carga Calorífica


69


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



70


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



71


Si al romper un Lazo:

La carga Térmica no se puede restablecer

IMPOSIBLE

(380 LF > 375 LC)

IMPOSIBLE

(intercambio negativo)


72


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


73


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

• …


74


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


75


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


76


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


77


Mejoras de la Tecnología Pinch (IV)


• 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


78


Mejoras de la Tecnología Pinch (V)


Ejemplo de una Planta con intercambiadores instalados


79


Mejoras de la Tecnología Pinch (V)




80


Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)



o División del problema sobre y bajo el Pinch


81


Mejoras de la Tecnología Pinch (VI)



o Red sobre el Pinch


82


Mejoras de la Tecnología Pinch (VII)



o Red bajo el Pinch


83



5.- Introducción de un 2º Pinch (I)

• Líneas Compuestas paralelas


84





o Hay que dividir la líneas hasta tener igual nº LC y LF con igual C


85





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


86



5.- Introducción de un 2º Pinch (II)


• Líneas Compuestas no paralelas


87






• Colocar servicios auxiliares y traspaso de calor a través del Pinch

100 MW


88







• División de alguna línea térmica


89







• División de alguna línea térmica

• Encontrar situaciones que permitan colocar inter. en serie


90


Ejemplo de aplicación a una planta


91


• 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


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


222 12,3 7,9 0,08587

130 4,4 4,4 0,06984

67


92


• Datos de la planta (II)

L1-F1


327 25,8 9,6 0,09796

229 16,2 16,2 0,12756

102

L4-F4


500 56,7 19 0,14286

367 37,7 29,3 0,1534

176 8,4 8,4 0,23333

140

L3-F3


164 10,4 0,08062

35

L5-F5


500 37,8 1,89

480 L8-F8


123 3,8 0,08837

80

L9-F9


169 7.9 0.07182

59 L11-F11


125 4.8 0.12

85


93


Líneas Térmicas


94


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


95


Líneas Térmicas

Tabla Problema

Distribución de Líneas Térmicas

sobre y bajo el Pinch


96


Líneas Térmicas

Tabla Problema




97


Líneas Térmicas

Tabla Problema



Red de intercambiadores sobreel Pinch

1,1 MW

2,4 MW


98


Líneas Térmicas

Tabla Problema



Red de intercambiadores sobreel Pinch

Red de intercambiadores bajo elPinch

1,1 MW

2,4 MW

1,1 MW


99


Comprobar violaciones de T


100


Restablecimiento de T (I)

Con el camino:


101


Restablecimiento de T (II)

160

4,1 MW

2,3 MW

150


102


Red 10.1


103


Red 10.2


104


Red 10.3


105





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


107


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


108


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.


109


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


110


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


111


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


112


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


113


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


114


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


115






• Sistemas Baffle






116






• Sistemas Baffle






117






• Sistemas Baffle






118






• Sistemas Baffle






119






• Sistemas Baffle






120






• Sistemas Baffle




• Sistemas de Cambio de Fase (PCM)


121


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


122


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


123


AET de Q latente:

Empleo de PMC (Phase Change Materials)


124


AET de Q latente:

Empleo de PMC (Phase Change Materials)


125


AET de Q sensible

(V cte y T var.)


126


AET de Q sensible

(T cte y V var.)


127


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


128


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


129

fríoalmaccalientealmacac.fluidopac. TTcmQ

inter linea salinter linea entlíneapac. TT cmQ


Esquema de un sistema de almac. decalor sensible a Tª cte y V variable condos tanques de ac. en un proceso Batch


130


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.





131



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




132


Posibles ac.

Líneas

Ac. seleccionadas


133


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


134




Permite optimizar los aspectos económicos del sistema







135





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.






136






Especificar el T mín que haga rentable una inversión





137







Se realiza para temperaturas intermedias




138







Se realiza para temperaturas intermedias




139








• Conexiones de un proceso a dos almac.

• Conexiones de un proceso a otros que no sean cercanos

• Almacenamiento de las corrientes en cascada



140













141













142









Implica equipos de control más sofisticados


143


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


144


Superestructura de 2 almacenamientos


145




146




147


Reequilibrio y Cascada en una superestructura


148




149




150




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:


Acoplamiento de Bombas de Calor a Superestructuras

¡Rendimiento “doble” que el conseguido con el uso habitual de una B.C.

compresor

evaporadorrcondensadoSpEstBC W

QQCOP


152


Bombas de Calor en Superestructuras de 3 Alm.


153




154




155



La B.C. reversible mejora el diseño


156


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


157


Caso de Ej:


158


Caso de Ej:

sólo 6 / 16 casos


159


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


160



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:



161



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:


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


162


Caso de Ej:

• Método de Análisis

• Resuelto Caso a Caso


163


Caso de Ej:



Calcular el calor que se puede transferir de un Caso al Siguiente en función del

tamaño de las Ac.


164


Caso de Ej:




165


Caso de Ej:




166


Caso de Ej:




167


Caso de Ej:


• Resultados


168


Caso de Ej:


• Resultados


169


Caso de Ej:


• Resultados


170


Caso de Ej:


• Resultados


171


Caso de Ej:


• Resultado


172





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


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

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



175



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Pantalla vieja de SCOPUS


177

Pantalla vieja de SCOPUS



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185

Búsqueda en las BBDD de:

• Artículos sobre la temática publicados en el último año

• Grupos / Centros / Universidades que han publicado másartículos sobre la temática en los últimos 5 años

• Reviews sobre la temática publicados en los últimos 5 años

• Artículos más citados, de entre los publicados en losúltimos 5 años


186

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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