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SIMULACI~N Y OPTIMIZACI~N TÉCNICA DE UN SISTEMA DE COGENERACI~N CON RECUPERACI~N DE CALOR EN LA
INDUSTRZA CEMENTERA
ASESORES:
DR. HERNANDO RO REDES-RUBIO
FíSICO ALEJANDRO
Vo.Bo. - COORDINADOR DE LA LICENCIATURA
DR. EDUARDO PEREZ CISNEROS
POR: DAVID CEDILLO HERNÁNDEZ / ABíUER FOSADO LEWA
INDICE
1.- I N T R O D U C C I ~ N
I . 1. Proceso de Fabricación del Cemento a) Preparación del Material Crudo b) Producción de Clinker
I . 1 Procesos Intermedios de Fabricación - Extracción de Materias Primas - Trituración - Secado - Dosificación, molienda y homogeneización - Calcinación
1.2. Método Pinch Para la Integración Térmica de Procesos 1.3. Diagrama de Flujo de la Tecnología Pinch
11.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
11. I . 11.2.
11.3. 11.4.
111.-
Equipos die Proceso Corrientes de Proceso a)Cowientes Calientes b)Cowieni;es Frías Diagrama de Flujo Global del Sistema Recuperador de Calor Criterios para la Optimizacióri Técnica.
PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES
I I I . 1. Algoritmos de Trabajo y Criterios de Factibilidad 111.1.1 Criterios de Factibilidad
a) Lado Caliente b) Loado Frío
a) Criterios de Optimalidad b) Temperatura y Flujo de Agua de Recuperación
111.1.3 Algoritmos de Trabajo
111.2. Diagrama de Flujo de la Programación del Método Pinch
7
IV.- DISEÑO E' PROGRAMACI~N DEL CICLO DE RECCTPERACI.ON EN PLATAFORMA VISUAL BASIC /EXCEL 8.0
I\'. 1. Requerimientos Mínimos del Programa IC'.?. Siniulacióii Global del Sistema (Logística y Ayuda)
IV.2.1. Generalidades 1 \ 2 2 . Escenarios de Trabajo IV.2.3. Escenarios de información IV.2.4. L'so Eficiente del Programa I V.2.5. Sugerencias
- La.do Frío - La.do Caliente - Servicios de Enfriamiento
IV.3 Diseño de los Códigos individuales IV.3.1. Lista de Módulos y Acciones IV.3.2. Módulos de Búsqueda e Interpolación
c' I N T E G R A C I ~ N DEL CICLO DE POTENCIA A REC c PERAC I[ÓN
L'. 1 Balances d.e Masa y Energía
IS STE 1 ~ 4 DE
V.2. Obtención de la Estructura del Proceso Para Recuperación de Calor V.3. Interpretación de Resultados Y.4 Identificación de las Variables Sensibles V.S. Análisis de Sensibilidad V.6. Ejemplo Numérico del Software Creado
CONCLUSIONES
OBJETIVOS
PROGRAMACI~N DE LA TECNOLOGÍA PINCH, SIMULACI~N DEL CICLO RANKINE, EVALUACI~N DE LAS PROPUESTAS TOPOLOGÍCAS.
INTEGRACI~N AL PROCESO DE FABRICACI~N DEL CEMENTO DE UN SISTEMA DE COGENERACI~N POR RECUPERACI~N DE CALOR.
I. I N T R O D U C C I ~ N
Desde hace muchos años la energía ha tenido una gran importancia
en las actividades cotidianas de la humanidad, como un factor determinante
para el desarrollo económico e industrial de los países.
En los últimos años el incremento de la industrialización ha
prokocado una necesidad muy grande de energéticos. así mismo los
efectos de la escasez de lo recursos naturales y el problema de los altos
niLeles de contaminación se han dejado sentir, aunado a todo esto, el.
crecimiento acelerado no planificado de la población y la insuficiente
infraestructura de generación para abastecer las necesidades de energía; por
lo cual es necesario fomentar una cultura de ahorro y eficiencia energética.
Actualmente el sector industrial consume cerca del 34 YO de la
energía mundiail, mientras que en México este porcentaje es del 45 YO del
total generado, según el balance nacional de energía.
En particular la rama del cemento representa casi el 10%). del
porcentaje anterior. también se advierte que para garantizar el crecimiento
industrial del mañana, pueden y deben cambiar las pautas de producción.
La eficiencia energética debe de ser una parte vital y tener un enfoque
global de “Producción Menos Contaminante” todo esto encaminado a
reducir la contaminación en su origen, el empleo de materias primas y
en erg é ti co s p ri rnario s.
La industria cementera al ser altamente consumidora de energía. se
ha preocupado desde hace muchos años por invertir recursos económicos
para el desarrollo e implementación de medidas para hacer más eficientes
los procesos, así como para optimizar los recursos, por lo que en el
presente trabajo,. se tienen corno objetivos el proponer y utilizar métodos
y criterios para la optimización energética de un sistema de recuperación
de calor para la industria cementera, al mismo tiempo se desarrollara un
programa de computadora con el fin de apoyar en la toma de decisiones de
intercambio y división de corrientes de proceso con el fin de maximizar el
total de la energía recuperada.
Cabe resaltar que el objetivo final que se busca al resolver el
problema, es el ahorro de energía en el sentido de aprovechar las corrientes
calientes en el proceso de fabricación de cemento para la recuperación de
calor y posteriormente convertirlo en energía eléctrica, disminuyendo de
esta manera los costos en este rubro.
1.1 PROCESO DE FABRICACI~N DEL CEMENTO
Las tres etapas básicas en la producción del cemento son:
A) Preparación del material crudo
Los materiales son preparados en las proporciones necesarias y en
virtud del esta.do de sus propiedades físicas de acabado y de contacto
intimo para permitir la transformación química llevada cabo en el horno.
La materia prima principal es la caliza y roca para cemento, esta roca
esta compuesta por caliza y arcilla. Como segunda materia prima se pueden
añadir escorias de alto horno con el fin de minimizar la cantidad de energía
necesaria por kilogramo de clinker.
B) Producción del Clinker
Los materiales son calentados en el homo rotatorio para alcanzar la
temperatura de calcinación esto se lleva a cabo por doble descomposición o
neutralización.
C ) Molienda
El cemento Portland es producido por la molienda del clinker y el
mezclado con yeso, finalmente el cemento será almacenado para ser
vendido a granel o distribuido en sacos.(ver fig. 1 )
6
TOLBAS DE DOSIFICACJON
#O RNO RO TATORtO HOMOGENlZAClON
a I - - . .
'+ DESPACHO A GRANEL
Figural Proceso de Fabricación del Cemento Portland.
Los dos procesos de producción de cemento más importantes son
los siguientes:
Proceso por vía húmeda: Después de la trituración, a las materias
primas se les añade agua para un manejo y mezcla más sencillo y
económico. lográndose con esto una mayor pureza en las materias primas.
pero esto signifíca un aumento en la energía utilizada en el proceso de
calcinación.
Proceso por vía seca: Para este proceso la materia triturada se maneja
como polvo, lo que lleva a una diiicil homogenización y traslado, requiere
además de un equipo adicional de secado, pero los consumos de energía en
la calc. -9ción rlon 50% menores que en el proceso por vía húnieda.(\er
fig. 2)
II ct 11 HARiNA í < 1% de humedad) 11
MIENTO EN ETAPAS CON C IC LOX ES
J l II
(h~imedad 1 O- 1 2” O )
ti
CION (con o sin ducto de aire
terciario)
II HORNO C ORTO CON PRECr\LENTZ4DORES
1) E ( CALCIN AC IÓN) f’ 4K R I I L .-\( C AL(’ h’ A-
C’ION)
I1 MOLIENDA Y DILCCIOIc \ MI
(humedad 25%)
V HORNO
CORTO CON PRECALEN- TADOR DE PARRILLA
-
V M LIEND,A
Figura 2 Procesos Alternativos en la Fabricación de Cemento.
8
1.2 PROCESOS INTERMEDIOS D E FABRICACIÓN
+ Extracción de las materias primas
La materia es transportada en camiones desde la cantera a los procesos
de trituración. en algunos casos en bandas transportadoras. La selección
de los niateriales determina la calidad del producto y por los procesos a
se g ii i r para su transformación .
+ Trituración
Es necesario que la materia tenga cierto tamaño de grano para mejorar
las reacciones apímicas, lo anterior se logra con trituradoras de mandíbulas
o de martillos.
+ Secado
En el proceso por via seca es necesario secar la ca
que se usan secadores rotatorios. estos generalmente
iza y la arci
son de 12 a
la por lo
30 ni de
largo y de 1.2 a 2 m de diámetro. que se calientan desde su parte inferior.
con algún conibustible o con los gases del homo de calcinación.
+ Dosificación, molienda y homogenización
En función Ide las características químicas de la materia prima y de la
dosificación elegida, esta se lleva a cabo por pesada y posteriormente a
la molienda, que se realiza en los molinos de bolas hasta obtener un fino
poho. El producto final pasa por una Criba con el fin de lograr una
mezcla perfecta, y finalmente se almacenará en los silos de alimentación
del horno de calcinación.
9
4 Calcinación
Existen varios procesos de producción de cemento, estos se diferencian
poi- las etapas y equipos que los componen (ver fig. 2).
Cna diferencia fundamental se da en las diversas técnicas de
calcinación; aligunos tipos de homos para calcinación son:
Hornos verticales
Hornos rotatorios con parrilla de precalefacción y
Homos rotatorios con precalentadores.
L a calcinación del cemento gris crudo requiere temperaturas
entre 1300 y 1400 O C. mientras que para la calcinación del crudo blanco se
requieren temperaturas entre 1500 y 1600 "C
1.3 MÉTODO PINCH PARA L A INTEGRACIÓN
ENERGETIC\ DE PROCESOS
L a base dle la tecnología Pinch (Punto de Pliegue) es identificar los
reyuerimieiitos mínimos de calentamiento y enfriamiento en un proceso
dado, es decir la cantidad máxima intercambiable de calor entre las
corrientes del proceso. (ver fig. 3)
c a lent ani ie nt o ;LI ín 1 m o l 1 -d
L.ado Caliente Corrientes
Lado Frío /,/ 11
fi i ain i e n t o M in 1 m a
H Figura 3 Servicios Auxiliares en la Tecnología Pinch.
Para poder lograr lo anterior es necesario localizar el Punto Pinch,
esto es l a temperatura por debajo de la cual no debemos proporcionar calor
al sistema y poi- arriba del mismo no se debe de enfriar.
Cabe señalar que toda
No. de C. I! I . Caliente
a energía que pase a través del punto Pinch se
Te ("C) Ts ("C) Q (kW) Cp ( k W I O C )
200 3 o 640 3
reflejara en requerimientos adicionales de servicios auxiliares.
Linnhoff ha desarrollado una tecnología para la localización del punto
Pinch. a tra\,ésl de la integración de una red de intercambio de calor; el
procedimiento les el siguiente;
1. Identificación de las corrientes de proceso, con sus respectius
te 177 per at u ra c; I
2. Establecimiento de las corrientes frías y las calientes para su
separación en dos bloques (en este trabajo definiremos a las corrientes
frías como aquellas cuya temperatura de salida es mayor que la de
entrada y a las corrientes calientes a la inversa)
3. Calcular las necesidades de enfriamiento y calentamiento de cada una de
las corrientes de proceso. mediante un balance de energía. esto puede
Ilecarse a cabo en forma sencilla mediante el empleo de la tabla. como
ejemplo utiliizaremos los datos de la Tabla siguiente:
Tabla - Ejemplo Numérico de Servicios Auxiliares de Enfriamiento y Calentamiento para Corrientes de Proceso
12
Donde
No de C. Número de Corriente.
Te = Temperatura de Entrada.
T!S = Temperatura de Salida.
Q = Cantidad de Calor.
C P = Capacidad Calorífica Compuesta.( mcp)
4. Como se anotó en el punto 3, para que exista una transferencia de calor
de calor es necesario contar con un gradiente de temperatura entre las
corrientes del proceso (dt,,,,,,), si no se tiene el diseño de la red, se deben
proponer un dtmin realizando una evaluación económica para cada dt,,,,,,
propuesto con el fin de seleccionar él mas apropiado, con este gradientc
térmico se corrigen las temperaturas de las corrientes calientes.
restándoles el dtillii, las temperaturas de entrada y salida. a las corrientes
frías no se les modifica.
5. Se realiza unia tabla de corrientes corregidas, es decir se escriben
de nuevo pero con la corrección del dt,,,,, . (Corrientes calientes)
6. Se Ordenan las temperaturas de mayor a menor y se crea un conjunto de
subredes o siubsistemas. Entre dos temperaturas consecutivas de mayor a
menor valor., se crea una subred, estas subredes deben numerarse segiin
se ban creando. como se muestra en la fig. 4.
Figura 4 Diagrama de Subredes 7 . Una vez establecidos los subsistemas, se realiza un diagrama de
redes. el cual consiste en una representación gráfica de los anteriores
y de las corrientes de proceso. Los subsistemas quedan comprendidos
entre las líneas horizontales y las corrientes quedan definidas por
flechas verticales; el inicio de una corriente corresponde a la
temperatura de entrada y termina en la temperatura de salida (punta
de la flecha). Las corrientes calientes quedan definidas por las flechas
hacia abajo y las frías por las flechas hacia arriba(ver fig. 5 )
- DIAGRAMA DE REDES
Figura 5 Corrientes en el Diagrama de Redes.
8. Realizar una tabla de corrientes compuestas. Una corriente compuesta
esta constituida por todas las corrientes que participan en litla
siibred(cer fig. 6).
Figiura 6 Tabla de Corrientes Compuestas y Resultados
Donde:
T: Temperatura de cada subred.
1T : Diferencia de temperaturas entre cada subred
Qf: Suma de los calores de cada uno de los segmentos de corrientes frías
qiie cruzan en l a subred.
Qc: Suma de los calores de cada uno de los segmentos de corrientes
calientes que cruzan en la subred.
Déficit : La dikrencia Qf - Qc de cada subred.
Entrada : La entrada de energía a cada subred; la entrada de cada subred
será la salida de la inmediata superior. excepto en la subred numero 1
donde la entrada es cero, debido a que se supone que no existen servicios
elternos de calentamiento.
IS
Salida : La salida de energía de cada subred y se calcula restando la
entrada menos el déficit. Una vez completada esta columna se debe
localizar la salida mas negativa que se tiene en toda la columna.
E‘ : El valor real de entrada que se obtiene sumando cada valor de la
coILiiiina de entirada mas el valor absoluto de la salida más negatica.
S’: El valor reall de salida que se obtiene sumando cada balor de la coILii11ila
de salida mas e l valor absoluto de la salida más negativa.
E’ y S’: Estas columnas indican las mínimas cantidades de enercía c
requeridas por el sistema y por cada subred. Para los senricios de
calentamiento externo debe proporcionarse una cantidad de energía
indicada por el valor de E’ de la primera subred, los servicios de
enfriamiento ex temo deben extraer del sistema, una energía con el \ alor C l e
S‘ de la ultima subred.
9. El punto doride el flujo es cero (S’=O). es el punto Pinch del
proceso. (ver fig. 5 ) Este punto divide al sistema en dos regiones. iina
caliente y otra fría. A la región caliente pertenecen todas las cot-rientes o
partes de ellas que se encuentran a una temperatura mayor que la del
Pinch. en eslta región solo se requieren servicios extertios de
calentamiento. A la región de temperatura menor que la del punto Pinch se
le denomina región fría, esta región requiere solamente serLicios externos
de enfriamiento para expulsar el calor excedente, por este niotiLo puede ser
considerada coinio una fuente de calor.
La metodología anterior se detalla en el siguiente diagrama de flujo:
16
1.4 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA TECNOLOG~A PINCH
INICIO
T.ABL.4 DE YECESIDADES DE ENFRIAhlIENTO \i' CALE'.IT.42/11ENTO
1 DETERhIIN.4R EL ATmin ~~ 1
< ORREGIDAS L
I
ORDEU.AR LAS TEMPER.APLR.AS DE EUTRADA J . SALID 4 DE TODAS LAS CORRIEhTES E h FORMA DESCENDEUTE SI\
DI.AGR.AU.4 DE REDES i T,ABLA DE CORRIENTES
C O IZ I P I-' E STAS
FLLJO DE EKERGIA IGUAL 1 j DETERhlINACION DEL
DIAGRAMA DE VALLAS
PROPONER L'NA TOPOLOGIA
I -
E \'A L I! AC' ION D E L TERCER CRITERIO DE F,\CTIBILIDAD
1.A TOPOLOG1.A \O t:S OPTILI.4 , i
LA TOPOLOGIA ES OPTIMA
I S
11. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La industria cementera, bajo su tradicional proceso vía seca, tiene un
conjunto de perdidas energéticas en sus diversos procesos, ineficiencias
que redundan en grandes emisiones de calor al medio ambiente, con objeto
de recuperar la mayor parte del calor de desperdicio en el proceso básico
de fabricación de cemento, se propone armar una red de recuperadores de
calor para su utilización en el precalentamiento de combustible y para la
c Ireiieración electrica. se propone. pues, establecer un proceso de
cogeneración y proponer la red mas factible (energéticamente) de
recuperadores mediante la Tecnología Pinch.
Para Ilekar a efecto este trabajo se desarrollo un programa de
computo para encontrar el mejor arreglo de intercambio de calor y su
respectiva recuperación. Así mismo, y de forma acoplada, se desarrollo un
programa de simulación de un sistema de cogeneración (con ciclo Rankine)
para encontrar las condiciones de operación mas adecuadas para
iiiasimizar la potencia de salida de la turbina.
La industria cementera Cruz Azul en convenio de investigación con
la Universidad Autónoma Metropolitana a permitido a los autores de este
trabajo y a otros compañeros, el acceso a sus instalaciones y procesos de
producción. con el fin de recopilar información el presente trabajo y otros
anteriores.
La información recopilada se tomo como base para los cálculos.
evaluación niiniérica y diseño, específicamente los datos de la unidad de
Calcinación f~ 8 de Cenientos Cruz Azul.
11.1 EQUIPOS DE PROCESO Los princilpales equipos en el proceso de producción de cemento en
los cuales se tiene la posibilidad de hacer una integración energética con el
fin de recuperar el calor de deshecho son los siguientes: (ver fig. 7 )
c I
SEPARADOR 1 PRECALCINADOR TORRE
ENFRIA- - MIENTO
DE +
I
t I -
Ir HOEWO
1 E T F RI .4 DO R
.t t SEPARADOR 2
Figura 7 Diagrama de Equipos de Proceso.
Precalcinador: existen dos unidades de cuatro etapas que precalientan
un flujo de entre 80 y 90 ton/hr de mezcla cruda con una temperatura
inicial de entre 60-70°C hasta 800-850 "C, para calentar, se utiliza el
flujo de los gases de combustión provenientes del horno y gas natural.
Horno: es de tipo rotatorio, se alimenta con los precalcinadores. El aire
necesario para la combustión, proviene del enfriador de clinker. 1-21
teinperatura de formación del clinker es cercana a los 1400 "C.
Enfriador: lo forman un grupo de 8 ventiladores con flujo L,ariabie en
un rango de 50 000 a 100 O00 ni'ihr de aire. enfrían el flujo de clinker a
la salida del horno.
Separador 11: es un filtro del tipo ELEX, que separa el polvo de clinker
del flujo de aire proveniente del enfriador.
Torre de enifriamiento: es alimentada por el flujo de gases residiialcs
de los precalentadores. esta constituida por 29 toberas y un sistema de
decantación de partículas de crudo.
Separador 2: es un precipitador electrostático, que esta formado poi- 3
campos eléctricos y sus respectivos golpeadores para separar en sil
totalidad el polvo de crudo que proviene de los gases de combustión.
11.2 CORRIENTES DE PROCESO
La decision de que corrientes deberían de incluirse para la integración
energética se efectuó con base en la disponibilidad de las mismas. de
acuerdo a los gradientes térmicos de cada una, su potencial energético. el
diseño físico y la distancia entre las corrientes, todo esto debido a los
costos que pudieran representar los cambios físicos en los equipos.
Para la integración témiica se identificaron 12 corrientes. qiie
representan el potencial de recuperación energética en la producción . b er
fig. 8 )
A I 8 t
e
$ 9 t i
Figura 8 Corrientes Útiles.
A) CORRIEhTES CALIENTES
Corrientes 1, 2 y 3: Están constituidas por las perdidas de calor
con\,ectivo y radiativo de la coraza del horno. Como la temperatura
superficial tiene una variación considerable a lo largo de este. se decidió
dividirlo en tres secciones a las que pertenecen las corrientes mencionadas.
Corrientes 4, 5 y 6: Son las corrientes en el enfriador. debido a qiie
igual que en el homo. se dividió en tres secciones de enfriamiento.
Corriente 7: La determina el flujo de aire caliente que sale del
enfriador al ambiente.
Corriente 8: Es el flujo de los gases de conibustión a la salida dcl
precalcinador. que no entra a la torre de enfriamiento. para poder
api-o\ echar al máxinio su contenido energético. Las partículas de crudo
arrastradas por esta corriente se enfrían para después pasar al separador
e 1 ec tros tát ico .
Corriente 9: Con esta corriente se aprovecha el potencial energético
del clinker a la salida del enfriador.
B) CORRIENTES FRIAS
Corriente 10: Flujo de combustible para el homo.
Corriente 1 I : Flujo de combustible en el precalcinador.
Corriente 12: Flujo de aire que sale del enfriador y es utilizado para la
coiiibustión en los precalcinadores.
11.3 DIAGRAMA DE FLUJO GLOBAL DEL SISTEMA
RECUPERADOR DE CALOR
Para poder recuperar la energía en el proceso anterior se propone el
Siguiente diagrama de flujo (ver fig. 9), que tiene como base el ciclo
Rankine. esta secuencia de acciones se llevara cabo una vez que se haya
obtenido el punto Pinch y propuesto la topología, después de realizada la
ultima acción en el siguiente diagrama, obtendremos un valor numérico
apro\imado de las necesidades del sistema en cuanto a cantidad de energía
necesaria y potencia eléctrica obtenible.
r I _ I q ti ido
Flujo energético recuperado (agua presurizada)
1 Expansión del flujo
Separación de la mezcla
Producción de trabajo (Entrada a la turbina)
Recalentamiento
Producción de trabajo (entrada a la turbina)
4 Condensación
Bombeo
- e Figura 9 Ciclo de Potencia Propuesto.
11.4 CRITERIOS PARA LA O P T I M I Z A C I ~ N TECNICA
Para tratar de recuperar la mayor cantidad de energía, se debe de
proponer tomar muy en cuenta las propiedades del agua al tina1 del
proceso de recuiperación, específicamente su presión y temperatura.
L a temperatura del agua de recuperación es uno de los parámetros
iiiás importantes. debido a que es directamente proporcional a la eiitalpiü
d i s po n i b 1 e.
Como se recuperara la energía mediante un flujo de agua y debido al
rango de potencia que se debe generar, el ciclo termodinámico que se
propone es el ciiclo Rankine.
El uso del ciclo antes mencionado implica las siguientes
con s i de rac i on e s téc n i c as :
+ Ciclo Rankine con recalentamiento: este diseño consiste en una tiirbinii
de alta y baja presión, el vapor a la salida de la turbina de alta presión sc
recalienta y se expande en la turbina de baja presión con el tin de
producir una mayor cantidad de trabajo. En eqta etapa es necesario
adicionar mas calor de entrada en forma de combustible, para que la
eficiencia del ciclo aumente aproximadamente en un 30 %I respecto al
ciclo sin recalentamiento.
I11 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES
Para encontrar la mejor propuesta de integración energética c-. en cI
proceso de fabricación de cemento, como primer paso se elaboró 1111
programa c de computo para simular el uso de la tecnología Pinch y para qlie
de una manera sencilla y gráfica se obtengan los primeros parámetros para
la evaluación de cualquier propuesta topologíca o de configuración de la
estructura de in tercainbio de corrientes del proceso.
Como segundo punto, se construyó un simulador que e\aliia l a
factibilidad energética de cada topología propuesta; utilizando los criterios
de factibilidad y optimalidad (mencionados mas adelante).
Por ultimo se programó un simulador gráfico del ciclo de potencia
asociado al proceso, por lo que fue necesario utilizar las tablas de
propiedades termodinámicas del agua desde una hoja de cálculo.
111.1 ALGORITMOS DE TRABAJO Y CRITERIOS DE
FACTIBILIDAD
III.1CRITERIOS DE FACTIBILIDAD
Existen dos criterios básicos de factibilidad y un tercero de
optimalidad, estos varían de acuerdo al lado del Pinch en que se apliquen.
cabe destacar q,ue estos criterios son solo de tipo termodinámico. es decir
no examinan aspectos técnicos(diseño) ni económicos.
a) Lado CALIENTE
1El número de corrientes calientes debe ser MENOR O IGUAL que el
núniero de corrientes frías.
Seg i I PI do Criterio :
Al realizar un intercambio de debe de cumplir que:
CPCd <= CPfr107
Tercer Criterio:
Entonces la propuesta será optima sí:
CPcomp = difCP
28
b)Lado FRIO
Pi-ii7 I et- Cr i ter io1 : N o c a l >= Nofrias3
El niimero de corrientes calientes debe ser MAYOR O IGUAL que el
número de corrientes frías.
Segirnd0 Criterio:
Al realizar un intercambio de debe de cumplir que:
CPcal>= CPfri07
Entonces la propuesta será optima sí:
CpcOinp = difCp
29
111.2 ALGORITMOS DE TRABAJO
A) CRITERIO DE OPTIMALIDAD (TERCERO)
El tercer criterio es siempre relativo; como ya se menciono
anteriormente. ya que es una medida de lo alejada que esta la propuesta de
la optimalidad. el algoritmo de trabajo para él calculo realizado por el
programa (dispersión) se calcula como sigue:
Sí difCp < Cpcomp, Dispersión = (Cpcomp / sumaDifCp) - 1
Sí difCp > Cpcomp, Dispersión = (sumaDifCp / Cpcomp) - 1
b) TEMPERATURA (TB) Y FLUJO(M) DEL AGUA DE
R E C U P E R A C I ~ N
Para calcular el flujo y la temperatura del agua de enfriamiento se
utilizo el siguiente algoritmo:
T4 t T3 Qb
Si T? < T3 Entonces :
ea m = Cpa(T2 - T I )
30
donde Cpa es el Cp del agua de enfriamiento = 4.8 16 kJ / kg. "C y
+ T2 Qb Tb = mCpa
en otro caso ( 1'? > TI )
ea m = Cpa(7'3 - TI)
+ T 3 Qb Tb = mCpa
Para el caso de la temperatura final del agua de enfriamiento se utilizo el
siguiente algoritmo:
Al inicio se tiene una mi y Ti , se calcula Xi como mi / mt, entonces la
temperatura Total (Tt) será de CXi*Ti.
Para i = 2 tenemos X2= m2/ (Mt) donde Mt =ml+m2
Entonces Tt = Xl *Tl + X2 *T2
Para i = 3 tenernos X3= m3/ (Mt) donde Mt =ml+m2+m3
Entonces Tt = Xl*Tl + X2*T2+ X3*T3 y así sucesivamente.
31
111.4 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PROGRAMACIÓN DEL MÉTODO PINCH
Temperatura de entrada Temperatura de salida Capacidad calorífica dtrnin
t Corrientes corregidas
Calores
4 Orden
descenden te de corrientes
1 Eliminar datos repetidos de
temperaturas entre corrientes
4 Columna de diferencias de
Temperaturas entre subredes r-
I
Qc = O
L
t Calores d'e las corrientes
Frias (Qc)
4 Calores de las corrientes
Calientes (Qf)
1 Corriente fría 1 Comente caliente
Qf= 0
32
Esta en el in tervalo Esta en el
interval o
Multiplicar Cp y AT
Entrada de energía ( E )
1 Entrada de energía real ( E' )
I Déficit
1 Salida de energía ( S )
Salida de energía real ( S' )
S' = 0
Punto Pinch
Semcios de Calentamiento Enfiiamento Servicios de
33
IV DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DEL CICLO DE
RECUPERACION EN PLATAFORMA VISUAL BASIC / EXCEL
8.0
VI.1 REQUIERIMIENTOS MÍNIMOS DEL PROGRAMA
Como mínimo r;e requiere :
16 MB en memoria RAM
Procesador Pentium / K5
0 2 MB de espacio disponible.
Microsoft Windows 95
Microsoft Office 97 1 Excel 8.0
NOTA: este ultimo requisito es indispensable, ya que si el programa se
utilizará en una versión anterior habría la posibilidad de causar daños en el
código y los objetos utilizados .
IV.2 SIMULA'CION GLOBAL DEL SISTEMA (LOGISTICA /'AYUDA)
IV.2.1 GENERALIDADES
El programa tiene como jinalidad proporcionar una herramienta
grajica y de cálculo para la toma de decisiones en cuanto a propuestas
topológicas se refiere y para aproximaciones numéricas de potencia
generada y energía consumida: consta de cinco escenarios y 8
subescenarios de trabajo y 3 más de información:
IV.2.2 ESCEN.ARIOS DE TRABAJO
3 Cálculo del Punto Pinch
Siniulador de Ciclo Rankine
3 Topología (Lado Caliente)
J División de Corrientes
Intercambio entre Corrientes
$ Olptimalidad de la Propuesta Topológica
IJ Topología(Lado Frío)
1 Diivisión de Corrientes
1: Intercambio entre Corrientes
-!- -I- Optimalidad de la Propuesta Topológica
a Servicios de Enfriamiento
$ Intercambio Sencillo Entre Corrientes
$ Intercambio Doble Entre Corrientes
IV.2.3 ESCENARIOS DE INFORMACIÓN:
0 Tabla de Resultados (Punto Pinch)
a Gráfica de Curva Compuesta
a Diagrama de Redes
35
A continuacióri detallaremos el uso de los comandos para cada escenario
de trabajo:
Cálculo del Punto Pinch (fig. 12)
Botón P. PINCH (4) Calcula la Temperatura del Punto Pinch y
dependiendo de la posición del botón (3) genera o no los escenarios
grátlcos para las topologías y los servicios de enfriamiento.
Botón de Configuración (3) Este botón tiene dos posiciones:
- SOLO P. PINCH Solo realiza el cálculo de la temperatura
del punto Pinch.
- TODO. Calcula la temperatura del punto Pinch y genera los
escenarios de trabajo para las topologías y los servicios de
en fr i ami en t o.
Botón C. COMPUESTA (5) Pone en primer plano la Curva Compuesta
Botón D. DE REDES (6) Pone en primer plano el diagrama de redes
generado.
Botón TABLA, DE RES. (7) Pone en primer plano la tabla de resultados
del cálculo del punto Pinch.
Botón SALIR (10) Cierra el programa sin salir de Microsoft Excel.
(pregunta antes de guardar cambios)
Botón NUEVA CORR. (11) Prepara la hoja de calculo para ingresar
datos nuevos, si todavía existen datos, genera un mensaje de confirmación.
Botón TOPOL~OGÍAS (12) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para la topología del lado caliente.
36
Botón SER. EIVFRIA (12) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para los servicios de enfriamiento.
Botón CICLO RANKINE (14) Pone en primer plano el escenario de
trabajo para los cálculos en el simulador Rankine.
Celda (1) En este espacio se escribe la diferencia mínima de temperatura
(dtmin) para el intercambio, en grados centígrados únicamente, al realizar
cualquier cambio en esta celda automáticamente se realizan los cálculos y
se actualizan los escenarios de trabajo. Se generará un mensaje de
advertencia í corrección si :
0 No se escribe un numero (es decir si se escribe una letra a un símbolo)
0 Si al momento de correr el programa no existe ningún valor (si la celda
esta en blanco) .
En este ultimo caso el programa utilizará 15 "C o propondrá al usuario
sugerir el dtmiri.
Celda (2) En este espacio el programa genera la Temperatura del Punto
Pinch. (en grados centígrados)
Celda (8) En este espacio se lee la cantidad de SERVICIOS DE
ENFRIAMIENTO [Kw] necesarios para la configuración actual de
numero de corrientes y temperaturas.
Celda (9) En este espacio se lee la cantidad de SERVICIOS DE
CALENTAMIENTO [Kw] necesarios para la configuración actual de
numero de corrientes y temperaturas.
37
Celda (15) En este espacio se escriben los datos de entrada del programa
que son:
Temperatura de entrada, temperatura de salida y capacidad calorí fica
compuesta (mcp) para cada corriente, cabe señalar que NO es
necesario escribir las corrientes en orden , es decir primero las
calientes o primero las frías, se pueden escribir aleatoriamente,
tampoco es necesario numerarlas ya que el programa lo hace
automátic amente.
Celda (16) En este espacio se lee la cantidad de calor proporcionado por
cada corriente (en valor absoluto.
"1 Archivo Edicion Ver lnsertar Eormato &erramientas Datos : A A - le1 XI
I
Fig. 12 Escenario de trabajo para el Calculo del Punto Pinch.
Simulador de Ciclo Rankine (Fig. 13)
Celdas (1) En este espacio se encuentran las unidades de los datos de
entrada al simulador de ciclo Rankine del programa que son:
- Temperatura en O C
- Presión en bar
- Eintalpia en kJ/kg.
- Eintropía en kJ/kg. O C '
- Fllujo másico en kg. / seg.
Celdas (2) En este espacio se encuentran los datos de salida del simulador
de ciclo Rankine que son:
- Wt1 Trabajo realizado por la turbina de alta presión.
- Wt2 Trabajo realizado por la turbina de baja presión.
- Wb Trabajo realizado por la bomba.
- Qe Calor entrada en el generador de vapor
- Qrec
- QS Calor de salida a las torres de enfriamiento.
- Wciclo Trabajo realizado por el ciclo Rankine completo.
Calor recuperado en el proceso de fabricación de cemento
- ?ltenii. Eficiencia térmica del ciclo Rankine.
Botón TOPOL,OGIAS (8) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para la topología del lado caliente.
Botón SER. ENFRIA (9) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para los servicios de enfriamiento.
Botón PANTALLA INICIAL (7) Pone en primer plano el escenario de
trabajo para los cálculos del Punto Pinch.
Celda (3) En este espacio se lee la Temperatura a la que llega el agua de
recuperación.
Celda (4) En este espacio se lee el flujo másico del agua de recuperación
Celdas (5) En este espacio se escriben los datos de entrada del programa
de simulación, es importante señalar que solo las celdas en color azul claro
son modificables, cuando se modifica alguna de estas celdas se actualizan
automáticamente todas las demás, sí algún parámetro se sale del rango de
cálculo/ búsqueda, el programa generara un mensaje de información
1 corrección .
Celdas(6) En este espacio se leen los datos de salida del programa de
simulación, estas celdas (en color azul oscuro) NO son modificables por el
usuario, cuando se modifica alguna de las celdas de entrada se actualizan
automáticamente, sí algún parámetro se sale del rango de cálculo1
búsqueda, el programa generará un mensaje de información /corrección.
30
Figura 13 Escenario de Trabajo para el Simulador de Ciclo Rankine.
TOPOLOGÍA EN EL LADO CALIENTE(FIG. 14)
Botón PROGRAMA (1) Pone en primer plano el escenario de trabajo para
los cálculos del Punto Pinch.
Botón TERMINAR (2) Cada vez que se completa una etapa en la
propuesta topológica se debe de hacer clic en este botón; después de hacer
las divisiones, se proponen .los intercambios y al final el programa arroja
un número que indica la dispersión de la propuesta, entre más grande sea
41
este último número; la propuesta
dispersa más).
Botón DESHACER (3) Deshace la ultima acción gráfica es decir, borra
las divisiones o los intercambios.
Botón LADO FRIO (4) Pone en primer plano el escenario de trabajo para
la Topología en el Lado Frío.
Botón RESET (5) Prepara la hoja de calculo para ingresar datos nuevos.
borra todos los (objetos gráficos y numéricos de la propuesta anterior en ese
lado solamente.
Celdas(7) En este espacio se escriben a la izquierda, la corriente que se
quiere dividir y a la derecha, el porcentaje de división deseado, el programa
L genera un mensaje de error y /o advertencia /información/corrección en los
se aleja mas de la optimalidad (se
s 1 g ui en te s caso 5; :
- Si la corriente que se quiere dividir no existe
- Si la corriente ya fue dividida (solo se puede hacer una división
por corriente)
- Si el porcentaje de división no es valido, es decir si este es
cualquier numero menor clue 1 o mayor a 99.
- Si el porcentaje división no es un número.
Celda (11) En este espacio se lee él numero que identifica a cada corriente
generada: en el caso de existir corrientes divididas estas se nombran con el
numero original mas un tilde, es decir si se divide la corriente I , la
42
corriente dividida se identificara como 1’. (a la izquierda y ligeramente
abajo del numero original)
Celdas (12) Ern estas celdas se leen la Temperatura a la que salen las
corrientes frías y a la que entran las corrientes calientes.
Celdas (13) Eri estas celdas se lee la Temperatura del Punto Pinch, a
menos que una corriente no alcance la temperatura Pinch, en este único
caso se leerá la temperatura final o inicial o de la corriente (depende si es
la corriente es fría o caliente).
Celdas (14) En estas celdas se lee el Cp compuesto de cada corriente
(mcp), en el caso de existir corrientes divididas el valor original (izquierda)
será dividido de acuerdo a lo indicado por el porcentaje de división al
momento de dividir la corriente, si por ejemplo se tiene una corriente con
un Cp de 10 y se divide al 25%, el valor original pasara a ser 2.5 y el de la
corriente dividida será de 7.5 (derecha).
OBJETOS (8) :Estas flechas indican con su dirección(izq.- der.) y su color
(azul) que se trata de una corriente fría.
Celdas (15) En estas celdas se escriben las corrientes con las que se
realizará un Intercambio, el programa genera un mensaje de error y / o
advertencia /información/corrección en los siguientes casos:
43
- Si una o ambas corrientes con las que se va a realizar el
intercan2bio no existen
- Si una de las corrientes ya fue utilizada para intercambiar con otra.
solo se puede hacer un intercambio por corriente (a excepción de
los servicios de enfriamiento donde el intercambio puede ser
doble)
- Si se intenta intercambiar entre dos corrientes calientes o dos frías
- Cuando se intenta intercambiar con la misma corriente
Objeto (16) Ejemplo gráfico de la división de una corriente, esta
derivación es estándar es decir no depende del porcentaje de división.
Celdas (17) Ejemplo gráfico de la unión o intercambio entre dos
c orri en tes.
Fig. 14 Escenario de Trabajo para la Topología en el Lado Caliente.
44
Intercambiar
Figura 15
Oisprsián =
k Figura 16
Figura 17
SERVICIOS DE ENFRIAMIENTO(F1G. 18)
Botón PROGRAMA (1) Pone en primer plano el escenario de trabajo para
los cálculos del Punto Pinch.
Botón RESET (2) Prepara la hoja de calculo para ingresar datos nueFos.
borra todos los objetos gráficos y numéricos de la propuesta anterior solo
para ese escenario de trabajo.
Botón C. FUNKINE(3) Pone en primer plano el escenario de trabajo para
los cálculos en el simulador de ciclo Rankine.
Botón ENVIAIR (4) Envía los datos de temperatura y flujo másico del
agua de recuperación al simulador de ciclo Rankine, al pulsar este botón se
pondrá en primer plano el escenario trabajo para el ciclo Rankine, ya que
ese supone que en esta etapa ya se terminaron de proponer las topologías 4'
los servicios de enfriamiento.
Botón TOPOL,OGÍAS (5) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para la Topología del Lado Frío.
Celdas (6) Temperatura ("C) del agua de enfriamiento
Celdas (7) Flujo Másico (Kg. / seg.) del agua de enfriamiento
OBJETOS (8) Aquí se indican las opciones de intercambio para los
servicios de enfriamiento.
Celdas (9) Tipo de intercambiador usado.
Celdas (10) Escenario de trabajo para el intercambio sencillo, en las celdas
en color azul claro se escriben los números de las corrientes que desee unir,
en este caso la corriente de agua (le recuperación se unirá primero con la
corriente de la derecha y posteriormente con la de la izquierda.
Celdas (1 1) Escenario de trabajo para el intercambio doble, en las celdas
en color azul claro se escriben los números de las corrientes que desee unir.
en este caso la corriente de agua de recuperación se unirá primero con la
corriente de la derecha, luego con la de arriba y por ultimo con la de abajo,
el programa genera un mensaje de error y 10 advertencia
'infomación/corrección en los siguientes casos:
- Si alguna de las corrientes con las que se va a realizar el
intercarnbio no existe.
- Si una tie las corrientes ya fue uti
solo se puede hacer un intercamb
pero solo una vez
izada para intercambiar con otra.
o por corriente. (sencillo o doble
Celdas (12) En estas celdas se leen las Temperaturas a las que entran las
corrientes caliente s.
Celdas (13) En estas celdas se lee la Temperatura del Punto Pinch. a
menos que una corriente no alcance la temperatura Pinch, en este único
caso se leerá la temperatura final de la corriente.
Celdas (14) En estas celdas se lee el Calor (Q) de cada corriente (kW). en
el caso de existir corrientes divididas el valor original (izquierda) será
dibidido de acuerdo a lo indicado por el porcentaje de división, al momento
de dividir la corriente, si por ejemplo se tiene una corriente con iin Q de
100 y se divide al 30%, el valor original pasara a ser 30 y el de la corriente
diFidida será 'de 70. (derecha). estos valores solo se generan al ser
propuesta la topología en el lado frío ya que si se intenta hacer alguna
propuesta aquí sin haberla hecho en lado frío el programa emitirá un
mensaje de error y / o información.
Este calor se ve modificado por los intercambios en el lado caliente
(ber el capitulo 1.3 Algoritmos de 'Trabajo).
I r
Figura 18 Escenario de Trabajo para los Servicios de Enfriamiento
Figura 19 Figura 20
r
2'
Figura 21
49
TABLA DE RESULTADOS (FIG. 22)
Celdas (1) En estas celdas se lee la Temperatura superior de cada subred
formada.
Celdas (2) En estas celdas se leen las diferencias de Temperatura entre
cada subred.
Celdas (3) En estas celdas se lee la suma de los calores de cada una de los
segmentos de corrientes frías que cruzan en la subred.
Celdas (4) En estas celdas se lee la suma de los calores de cada una de los
segmentos de clorrientes calientes que cruzan en la subred.
Celdas (5) En estas celdas se lee la diferencia Qf- Qc de cada subred.
Celdas (6) En estas celdas se lee la entrada de energía a cada subred; la
entrada de cada subred será la salida de la inmediata superior, excepto en ia
subred numero 1 donde la entrad es cero, debido a que se supone que no
existe suministro de calor por servicios externos (es decir no hay servicios
de calentamiento).
Celdas (7) En estas celdas se leen la salida de energía a cada subred y se
calcula restando la entrada menos el déficit. Una vez completa esta
columna se debe localizar la salida más negativa en toda la columna.
Celdas (8) En estas celdas se lee el valor real de entrada, que se obtiene
sumando cada valor de la columna de entrada mas el valor absoluto de la
salida mas negtativa
50
Celdas (9) En estas celdas se lee el valor real de salida, que se obtiene
sumando cada valor de la columna de salida mas e1 valor absoluto de la
salida mas negativa.
Botón PROGR.AMA (10) Pone en primer plano el escenario de trabajo
para los cálculos del Punto Pinch.
Donde el flujo de calor es cero, es decir donde se encuentre el primer cero
en la columna 8 o 9 será la temperatura del punto Pinch ( valor de la
columna 1 en l a misma fila)
&chivo Edición 'ier lnsertar Eormato Herramientas Da-s 2 L -J R. A
Figura 22 Escenario de información Tabla de Resultados.
n
@A &chivo Edición yer insertar Herramientas DaLos 2 L -I A
Figura 23
GRÁFICA DE: CURVA COMPIJESTA(FIG. 24)
OBJETOS (1) Indica el valor de la suma de las entalpias de las corrientes.
OBJETOS (2) Indica la Temperatura del Punto Pinch, generalmente es en
la parte mas estrecha entre las dos curvas, aunque no siempre es asi.
OBJETOS (3) Indica la Temperatura de la suma de corrientes.
OBJETOS (4) Muestran las curvas generadas por las corrientes calientes y
por las corrientes frías.
Botón PROGRAMA (5) Pone en primer plano el escenario de trabajo para
los cálculos del Punto Pinch.
5 2
DIAGRAMA DE REDES(F1G. 26)
OBJETOS (1) Indica la Temperatura de cada subred.
OBJETOS (2) Subred generada.
OBJETOS (3) Muestra el número de subred generada.
Botón Regresar (5) Pone en primer plano el escenario de trabajo para lo\
cálculos del Punto Pinch.
SJ Archivo Edición yer insertar Eorrnato yerrarnientas Datos 2 L -I A aZJ
Figura 24 Escenario de Información Curva Compuesta.
IV.2.4 USO EFICIENTE DEL PROGRAMA
Para utilizar eficientemente el programa se deben seguir los
s i g u i entes pa so s :
1 .-Llenar con los datos de Temperatura de entrada, Temperatura de salida,
Cp y dtmin las (celdas correspondientes (en este orden).
2.-Configurar el sistema con el botón correspondiente (ver diagramas para
cada escenario de trabajo) en Solo Punto Pinch o Punto Pinch y
Topologías. en el caso de elegir lla primera opción (Solo Punto Pinch), el
programa solo realizara el calculo de la temperatura Pinch correspondiente,
el Diagrama de Redes y la gráfica de la Curva Compuesta.
3.-En el segundo caso(Punto Pinch y Topologías), el programa realizara
todo lo anterior y además actualizara los objetos gráficos de los escenarios
de trabajo para las topologías y los servicios de enfriamiento.
3.-Una vez obtenido el Punto Pinch y actualizados los escenarios de trabajo
se pueden verificar los resultados del cálculo en la tabla de resultados,
evaluarlos gráficamente con la Curva Compuesta o revisar el diagrama de
redes generado,
En el caso de que no haya corrientes suficientes para realizar por lo menos
un intercambio el programa generara un mensaje de información, también
si no se encuentra un Punto Pinch se genera un mensaje de corrección
/información
(En estos casos no se realizaran los cálculos ni los objetos gráficos hasta
corregir el problema)
54
L-Despues de lo anterior esto se puede empezar a proponer una topología
en el lado caliente haciendo clic en el botón “TOPOLOGíAS”, una vez
ubicados en estí: escenario de trabajo primero se proponen las divisiones; al
terminar de diviidir hacer clic en “TERMINAR”, si la propuesta no cumple
con el primer criterio de factibilidad que depende del lado en que se este
haciendo (Ver anexo “Criterios de Factibilidad”), el programa generará un
mensaje de advertencia de acuerda con el número de corrientes necesarias
para cumplir con este ultimo criterio; si se elige “Cancelar” se reiniciara la
propuesta autoináticamente en otro caso se puede continuar siempre y
cuando se acate la recomendacih de dividir el número sugerido de
c orri ente s.
6.-Una vez que se termino de dividir y se cumplió el primer criterio de
factibilidad, se puede empezar a realizar los intercambios, es importante
señalar que al momento de sugerir unir dos corrientes se debe de cumplir
un segundo criterio de factibilidad, que depende del lado en que se este
haciendo la propuesta, si no se cumple este criterio no se realizara el
intercambio, una vez realizados los intercambios propuestos se hace clic en
clic en “TERMINAR’, si la propuesta no cumple con un tercer criterio, el
programa generará un mensaje de información en el sentido de que NO se
podrá calcular la dispersión, este mensaje también se puede generar si no
se realiza ningún intercambio, para obtener un valor de dispersión es
necesario al menos un intercambio en cada lado.
7 . - A final lo que obtenemos es el valor de la dispersión en cada lado, lo
que nos da una aproximación de la factibilidad energética de la propuesta,
este valor se puede mejorar hasta obtener cero, que seria una propuesta
energéticamente optima pero los criterios de factibilidad solo son de tipo
termodinámicos y no toman en cuenta aspectos económicos.
AI obtener el valor de la dispersión en el lado caliente, el programa
seguirá una secuencia lógica preestablecida, es decir nos guiara
directamente a la propuesta para el lado frío y de ahí a los servicios de
enfriamiento
En los servicios de enfriamiento podemos sugerir intercambios sencillos
(que el agua de recuperación pase por una corriente y luego por otra ) o
dobles (que el agua de recuperación pase por una corriente y luego por dos
mas) .
El tipo de intercambio lo elegimos haciendo clic en la lista de la hoja de
calculo( ver escenarios de trabajo) al momento de hacer cualquier unión
valida, el programa calcula en las celdas correspondientes el flujo másico
y la temperatura del agua de recuperación.
Cuando se teminen de hacer los intercambios en los servicios de
en fr i am i en t o
hacer clic en “ENVIAR” esto hará que los datos de flujo y temperatura
lleguen al simulador de ciclo Rankine y automáticamente se pondrá este
en primer plano.
56
En el simulador se pueden obtener distintos datos como eficiencia y
potencia requeridas cambiando los parámetros de entrada en los punto
adecuados del ciclo. cada ves que cambie algún \valor se ejecutara la
act u a 1 i z ac i ó n c o we s po ndi ente en todo s 1 o s paráme tro s in v o 1 uc rado s.
también existe iun control de cambios, cuando sea realice alguno las celdas
cambiantes moldificaran su color de azul claro a amarillo intenso por un
nioniento. la posición actual se señala con triángulo rojo intermitente, es
importante recalcar que si un valor no esta en un intervalo valido, el
programa generara un mensaje de informaciÓn/corrección para cada
parámetro directamente relacionado.
IV.2.5 SUGERENCIAS
LADO CALIElNTE
Recuerde que en este punto se trata de “calentar” a las corrientes
frías con las calientes para aprovechar al máximo la energía de estas. de
manera que se deben de intercambiar las corrientes calientes con niayor Cp
y temperatura mas alta, ahora, como en este lado es necesario que el Cp de
las corrientes calientes sea MENOR que de las corrientes frías se debe de
diiidir a las corrientes calientes al mínimo para cumplir con este requisito.
de esta manera es posible obtener una o varias propuestas optinias (que
tengan dispersión cero).
LADO FRIO En este punto tratamos de “enfriar” a las corrientes calientes con las
frías para quitarles energía(calor), de manera que se deben de intercambiar
las corrientes frías con mayor Cp y menor temperatura, como en este lado
es necesario que el Cp de las corrientes calientes sea MAYOR que de las
corrientes frías no recomienda diyvidir a las corrientes calientes a menos
que no cumpla con el primer criterio de factibilidad;
De esta manera es posible obtener una o varias propuestas optimas.
cabe recordar que la topología en este lado se vera reflejada en los
servicios de enfriamiento, una topología optima en el lado frío requerirá
men o s sew i c io ci aux i 1 i are s.
SER\‘ICIOS DE ENFRIAMIENTO Para los servicios de enfriamiento. se sugiere unir las corrientes con
imenor Cp y mayor Q, ya que aquí se trata de obtener el mínimo flujo a la
niáxinia temperatura.
Como solo se presentan las corrientes calientes, el programa eniitiri
un mensaje de advertencia si se trata de unir dos corrientes que terminen a
la misma temperatura ya que en el algoritmo de trabajo tendría que realiza
una división entre cero
58
I\' .3 DISEÑO DE LOS CODIGOS INDIVIDUALES.
13
IV.3.1 ~~ - _ _ _ _ ~ ~ LISTA DE MÓDULOS Y ACCIONES -~ -~ __
MDIV
Módulo # Nombre Acción Número de líneas
93 ~ Direcciona la secuencia de cálculo del 1 programa !VI1
~
1
3 - MAIN Funciones de actualización para el simulador de ciclo Rankine 114
MAINPP Macros de calculo del Punto Pinch - ?8 , I 53
~ Funciones gráficas y de cálculo para MAINSF 1 los servicios de enfriamiento 4
r
1 O0 I Macros de gráficos y cálculo para la
topología del lado caliente i Macros de gráficos y cálculo para la
-- 3 ' M A I N TO P
6 MAINTOPLF _ _ . A- ____________~___
~~~
!WCC Calcula y grafica los parámetros de la curva comtxiesta 1 O5
I i Parámetros para los criterios de ' MCRITFAC 1 123 ~ factibilidad en el lado caliente
_& ~-
8 __ .
l MCRITFACL ' Parámetros necesarios para los 125 F criterios de factibilidad en el lado frío - -
9 ~ __
69 Elimina los objetos grátlcos generados en el laclo frío Elimina los objetos gráficos generados en el lacio caliente 63
41 Elimina los objetos gráficos generados
Genera la derivación gráfica de las Corrientes del lado caliente
en los servicios ~ _ _ de enfriamiento - _ _
1 120
Genera la derivación gráfica de las corrientes del lado frío 120
Genera el diagrama de redes 155 Realiza las uniones gráficas en los servicios de en friami en to
131 16 MEKFRI
~
172 ' Genera una señal(triángu1o rojo)en cada celda modificable en el simulador de ciclo Rankine
MGRAF 17
Dibuja las flechas indicadoras de corrientes calientes y frías en los lados caliente y frío y servicios de en fr i ami en t o
MLAD
-
Genera el marco para las corrientes en el lado caliente y ubica las temperaturas de cada clorriente
19 1 MLC 61 1 ~ _ _ _ _ _ _
Genera el marco para las corrientes en el lado frío y ubica las temperaturas de V L F 62 cada corriente Realiza el cálculo De la dispersión generada por las propuestas topológicas Realiza los cálculos numéricos Necesarios para el encontrar el
21 MPOR 38
MPP ___. -
, Punto Pirich Genera parte de los objetos gráficos de
~ _ _
48 1 los servicios de enfriamiento ( 1 ) -- -
MíSE _ _ _ _ ~ _ _ _
23 -- --
~ Genera parte de los objetos gráficos de, I
los servicios de enfriamiento( 2) 27
~ _ ~ _ _ -
NíSF ~~
Realiza las uniones gráficas en el
i Realiza las uniones gráficas en el Lado frío
23 1
731
~ Lado caliente - __ MUNI
- __--
-- 26 MUNILF 1
.
90 Realiza las uniones gráficas en el Los servicios de enfriamiento 37 MUNISF
31 Lista de variables utilizadas en el programa 28 &/IVARJABLES
60
1v.3.2 MÓDULOS DE B ~ S Q U E D A E INTERPOLACI~N
ic1 ód u lo # Nombre Acción Número
de líneas
1
3
3
~ - ~ -
Realiza una búsqueda en la tabla de 1 Vapor Sobrecalentado recibiendo como
Temperatura (T); genera como salida la I entalpia(h) y la entropía (s) Realiza una búsqueda en la tabla de Agua Saturada recibiendo como
M P 1 Parámetros de entrada PresiÓn(P) y 472
MP2
M P3
3 M[P4
5 NtP5
303 I
Parámetros de entrada Presión(P) y Entropía (S) generando como
Realiza una búsqueda en la tabla de V a por S o b r e c: a 1 en tad o re c i b i en do c on7 o
I
I - Salida la entalpia(h) y la calidad(x) i
Parámetros de entrada Presión( P) y Temperatura (T) generando como Salida la entalpia( h) y la entropía (s) Realiza una búsqueda en la tabla de Agua Saturada recibiendo como Parámetro de entrada Presión(P) y la entropía (s)generando como salida (para g,as)la entalpia (hg), la calidad ( X ) y la Temperatura(T) de saturación
~
Realiza una búsqueda en la tabla de Agua Saturada recibiendo como Parámetro de entrada Presión(P) y Generando como salida (para gas) la entalpia (hg), la entropía (Sg)
474
308
225
y la Temperatura(T) de saturación I
61
8
M P6
M[P7
8 MlP7A
9
10
Realiza una búsqueda en la tabla de Líquido subenfriado recibiendo como ~
~
Entropía (S) generando como salida la entaipia(h) y la
' Realiza una búsqueda en la tabla de I Líquido subenfriado recibiendo como 1 parámetros de entrada Presión( P) y Temperatura( T) generando como salida la entalpia(h) y la Entropía (S)
parámetros de entrada Presión( P) y
Temperatura( T) de saturación -~ -__
~ Realiza una búsqueda en la tabla de ~ Líquido subenfriado recibiendo como ~ parámetros de entrada Presión( P) y 1 entalpia (h) generando como salida la entropía(h),la calidad (x)
1 y la Temperatura(T) de saturación Realiza una búsqueda en la tabla de Agua saturada recibiendo como parámetro de entrada Presión(P) y generando como salida
MPS
_.___ ' la entalpia(h) I Realiza una búsqueda en la tabla de
hl P9 Agua saturada recibiendo como parámetro de: entrada Presión( P) y generando como salida
__-L ~ la entalpia(h)
514
504
338
290
I
295
62
v I N T E G R A C ' I ~ N DEL CICLO DE POTENCIA AL SISTEMA DE
R E C U P E R A C I ~ N
Después de la integración térmica mediante la Tecnología Pinch. se
obtiene una propuesta topologíca cuyo resultado es el valor numérico del
flujo másico del agua de recuperación y su Temperatura.
El flujo de agua caliente presurizada que sale del proceso, pasa por
una válvula de expansión y un tanque Flash, en este último se separa el
vapor del líquido saturado a una presión inferior que la de entrada. el vapor
saturado es conducido al domo superior del generador de vapor para
sobrecalentamiento y el liquido saturado pasa al domo inferior para ser
eLraporado y posteriormente sobrecalentado también( ver fig. 1 O ) .
1 Proceso de I:abricaciÓn de Cemento Bomba 4-
W
I 1 L
j 4
Figura 10 Diagrama del Ciclo de Potencia.
63
El vapor sobrecalentado se expande en la turbi la de alta presión hasta
vapor saturado con una calidad superior al 88%, a continuación este lapoi-
se recalienta para producir trabajo en la turbina de baja presión, luego se
condeiw y se bombea al proceso para usarse como agua de enfriamiento
en los servicios auxiliares.
V.1 BALANCES DE MASA Y ENERGIA
Para el ciclo propuesto, se hizo el balance de energía en cada
equipo involucrado, (ver fig. 1 O ) tomando en cuenta el análisis
termodinámico del diagrama T-S (ver fig. 1 1 ) y de acuerdo con los
si gu i en te s pun tos :
1-2. ......... 2-3 .......... 3-4 .......... 4-5 .......... 5-6 .......... 6-7 .......... 7-7* ........ 7*-8 ........ 7*-9 ........ 8- 1 .. m........
9- 1 .., ........
Expansión isoentr-cipica Sobre c al en t am i en t o is0 bá rico E x p an s i Ó n is: o en t r cjp ica Condensación isotérmica Compresión isoentrúpica Calentamiento isohár-ico Expansión isoen tálpicu Separación isotér-mica Separación isotérmica Sob re c a 1 en t am i en t o is o bá r ico Evaporación y sobrecalentamiento isoháricw
64
Figura 1 1 Diagrama T vs S.
Así, tenemos que el trabajo clue hace la turbina de alta presibn t.iene
dado por: -
Wturbi i ia 1 - m Vtiirbiiia (hl - h7)-
Al pasar el vapor por la turbina de baja presión, esta hace un traba-jo
igual a:
Wturbina 7 = rn qturbii ia (h3 - h-!).
Una vez condensado el vapor, el liquido es bombeado hacia el
proceso. El trabajo de la bomba se calcula como sigue: -
Wbomba - b o m b (h6 - h5)-
El salto térmico ganado por el agua, una vez que se presuriza 4' que
entra a los equipos de recuperación de calor en el proceso productiw se evpresa de la siguiente manera:
QrecLiperado = nl (h7 - h6).
65
La cantidad de calor que deberá ganar el fluido en la caldera de
re c up er ac i ó n :
Qeiitrada - - m{(X,* (hi - j i g ) . ) + ( ( 1-Xj*)( hi - h,))+(h;-hz)i
El trabajo total teórico que puede ser generado por la turbina en las dos
etapas se determina mediante:
La eficiencia del ciclo de generación eléctrica se calcula con la
ecuación tradicional:
rl ténllica = Wtota i (Qenrrada + Qrecuperado )
60
IV.1 OBTENCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL PROCESO PARA
RECUPERACION D E CALOR L a creación de software especifico para la simulación de una
iiietodoioqía v o proceso se debe a la necesidad de hacer las proyecciones
ticnicas y econ,ómicas en un tiempo muy limitado. por lo que cualquier
herramienta que pudiera llevar a una mejor utilización de los recursos
tkcnicos y materiales será muy útil
Para resolver nuestro problema especifico empezaremos por obtener
una estructura (de recuperación de calor en el proceso de fabricación de
cemento, continuando con la proposición de topologías con el fin de
configurar las divisiones e intercambios de calor de la manera más cercana
a la optima. cabe recordar aquí que l a obtención de una estructura de
intercambio opitima es imposible debido a la infinidad de configuraciones
que se tendría (que proponer y analizar. por lo que la optimalidad de una
topología será siempre relativa a todas las demás que se propusieron.
Después de obtener la mejor topología se proponen los seryicios
auxiliares de enfriamiento tratando de obtener también la mejor
configuración de intercambio, lo que da como resultado un flujo de agua
altamente ener&tico, L, y para obtener una solución en forma de un balance
entre la potencia generable y la energía consumida en la transformación.
que es finalmente lo que deseamos saber para estimar cuanta energía se
puede ahorrar con un sistema como el propuesto.
En la figura 12 podemos notar que de la bomba sale un flujo que se
divide en cinco corrientes, este es el flujo que se calentará para la
generación de energía eléctrica, la primera corriente (esquina inferior
i/quierda) recupera calor a la salida del enfriador y en la coraza del horno,
La siguiente corriente (hacia arriba) recupera en el enfriador y en l a
coraza del hornio y así sucesivamente para las otras corrientes, lo anterior
es solo un ejemplo, ya que la estructura final de intercambio depende de la
topo 1 o g í a propuesta. PREC.41.CIV ADO TORRE DE
GEN. .ECTRICO
Figura 25 Sistema Recuperador Propuesto.
68
sistema, tratando de proponer los valores de las variables de tal manera
que sea mínimo el calor admitido y máxima la potencia generada.
Con el simulador del ciclo de potencia antes descrito se realizaron
varias corridas .y se obtuvieron los siguientes resultados .
V.5 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
1 -!:, I 107.4 I -17.6 1 0.303 I 103.4 -18.5 0.30:
Tabla I
wcicio "S p1
40 50 60 70 80 90
Pl[barI
Gráfica 1.2
- 108 I
40 50 60 70 80 90
Plíbarl
Gráfica 1.1
'1 vs Pq 0.32
0.315
0.31
0.305
40 50 60 70 80 90
P1 [bar1
Gráfica 1.3
Qe vs Tf
300 320 340 360 380 400 420 440
T 1 [bar]
Gráfica 2.1
71
51 I
45 ' 300 320 340 360 380 400 420 440
Ti[tiar]
Gráfica 2.2
Tabla 3
P 51 I i
11 vs Ti
rl :io;; 0.295 0.29
300 320 340 360 380 400 420 440
TI [bar]
Gráfica 2.3
104
1 O0 6 102
Gráfica 3.1 '1 vs p3
I
12
0.31 2
0.308
0.304
rl
2 4 6 8 10 12
PJ [bar] .
G ráfica3.2 Gráfica 3.3
- 130
h 8' 120 E. 110
6 100 90
150 200 250 300 350 400 450 500
T3 [bar1
Tabla 4 Gráfica 4.1
vs T 3 60 1 0.325 I 1
I
150 200 250 3013 350 400 450 500
Gráfica 4.2
0.305 I 1 150 200 250 300 350 400 450 500
Gráfica 4.3
0 . 0 5 0.35 o I 57 3 56.8 0.33 0.2 54.2 5 ’ 5 0.3 1
Tabla 5 0.3 I 1
O 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
P4 [bar]
Wciclo vs p4 Gráfica 5.1 65 - i
QREC vs P4 2 55
50
8 54 O O 05 0.1 0.15 0.2 0.25
1
O 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 P4 [bar]
P4 [bar] Gráfica 5.2
Gráfica 5.3
La relaci6n entre las anteriores y los datos mas importantes de salida
(trabajo del ciclo -W CICLO-, calor de entrada - Qe- y la eficiencia del ciclo .
ii-) es la siguiente:
En la grafica 1 . 1 notamos que el calor de entrada aumenta
considerablemente con respecto a la presión en el punto uno (P i ) hasta 60
bares, a partir de este valor observamos una disminución en su
73
dependencia, ahora con respecto del trabajo del ciclo, el comportamiento es
muy parecido al antes mencionado (graf. 1.2).
En la grafica 1.3 notamos que el comportamiento anterior se da hasta
los 45 bares aproximadamente, observándose de aquí en adelante, un
c o nip o rt am i en t o prácticamente 1 in e a 1.
Para el caso de las temperatura en el punto uno (T , ) el
comportamiento del calor de entrada (Q,) es totalmente lineal (Graf. 2.1 ),
con respecto al trabajo del ciclo(Graf. 2.2) observamos que se presenta un
comportamiento aproximadamente lineal a partir de los 370 "C y la
eficiencia del ciclo se comporta de manera exponencial(Graf. 2.3), donde
este comportamiento esta limitado por las propiedades mecánicas de la
turbina.
El comportamiento del calor de entrada con respecto a la presión en
el punto tres, es inversamente proporcional en todo el rango observado es
decir.
Cuanto menor es esta presión se requiere mayor calor de entrada, para el
caso del trabajo del ciclo , observamos que con un valor menor a 6 bares el
comportamiento anterior es independiente, después de este valor disminuye
en forma aproximadamente lineal(Graf. 3.2),la eficiencia aumenta de
manera lineal hiasta los 6 bares(Graf . 3.3 ) y se mantiene constante hasta 9,
lo c ~ a l nos indica que en el rango anterior ( 6-9 bares 9). la eficiencia es
prácticamente independiente de esta variable (PJ, después de este talor se
vueh e a presentar la linealidad.
El comportamiento de Q, y el W,,,,, con respecto a la Temperatura en
el punto tres (T;) es directamente proporcional , es decir , cuanto mayor es
esta temperatura se requeriría en l a misma proporción mas calor de entrada
y se producirá rnas trabajo.
Para este caso la eficiencia se mantiene constante hasta los 280
"C y a partir de esta temperatura observamos un comportamiento
exponen c 1 a I
Para la presión en el punto cuatro(P,) observamos que el calor
recuperado . el trabajo del ciclo y la eficiencia son aproximadamente
in\ ersamente proporcionales, cable destacar que el calor de entrada con
respecto del palrámetro observado (P4) se mantiene constante ( ver Tabla
5 ).
Es importante destacar que en los cuatro casos anteriores el calor
recuperado se mantiene constante y solo en este ultimo caso(con respecto
de P,) se observa una variaciOn , esto se debe a que el parámetro
observado es La presión a la salida de la turbina de baja presión que no
tiene ninguna influencia en la cantidad de combustible utilizado (Q,).
EJEMPLO NUMÉRICO CON EL SOFTWARE CREADO
Como ya se menciono antes, existen 12 corrientes ittiles para la
recuperación de calor en el proceso de fabricación del cemento. En la
sigiiicnte figiirai ,(Fig. 26) se muestran los valores de teniperatiiras de
entrada y salidal para un proceso real, así también los resultados parciales
obtenidos. (Temperatura Pinch, Servicios de Calentamiento 4
Enfriamiento)
“3 &rchivo Edicitin yer &ismtar formato Muamtentas Datos 1 fl s;k A & _ielA
Figura 26 Calculo del Punto Pinch.
ObtuLIiinos que la temperatura del punto Pinch es de 350 "C. que los
servicios auxiliares de Enfriamiento son de 6,885.7 kW, los servicios
auxiliares de Calentamiento son de 1,130.1 16.0 kW. Para los datos
anteriores se considero una diferencia mínima de temperatura (dtniiri) de
10 "C.
A continuación se muestra el diagrama de redes, (fig. 27) en el que
podemos observar las corrientes involucradas y las subredes generadas. así
como el intervalo de temperaturas en que se encuentran
Figura 27 Diagrama de Redes Generado.
En la figura 28 se observa la curva compuesta para el sistema de
corrientes propuesto.
_- . ,CU.I
f i:li:I - di30 o
L
:< IC1 13 L
21:11:1
11:io
Ciirva Coinpiiesta
Figura 28 Curva Compuesta.
La tabla siguiente(fig. 29) nos permite ver paso a paso los cálculos realizados para encontrar el valor dile la temperatura del punto Pinch , que coni0 se observa en la ultima columna(S') y en la segunda fila, es decir en 350 "C (columna 1 Tsubred).
La topología propuesta para el lado caliente consistió en la división
de las dos únicas corrientes presentes en este lado, con el fin de cumplir los
criterios de factibilidad. Se realizo un solo intercambio entre las corrientes
1-2 , obteniéntiose como resultado final una dispersión de 1.26 que
consideramos aceptable, dado que O es la mejor obtenible.
También :se puede observar uno de los mensajes generados por ei
proqrama. c que nos confirma la secuencia lógica y discriminatoria , es decir
nos da la opciori de continuar hacia el lado frío o proponer otra topología.
Figura 30 Topología Propuesta Para el Lado Caliente.
79
En el lado frío se propuso la siguiente topología, no se dividió
ninguna corriente y se realizaron las siguientes uniones: corrientes 11-8 y
3- 1 o. Se obtuvo una dispersión de 4.57, misma que puede ser minimizada
con otra combinación de corrientes.
Figura 31 Topología Propuesta Para el Lado Frío.
En esta parte de la evaluación obtenemos el flujo de agua caliente
recuperado y su temperatura final, cabe notar que las unidades de este
flujo son Kg. hr . El sistema planteado en este ejemplo es muy sencillo ya
que existen muchas mas formas de combinar las corrientes para obtener
mejores resultados.
La combiriación utilizada fue intercambiar primero con la corriente c)
4 después con la 4 en un intercambio sencillo. posteriormente se hizo un
intercambio entre las corrientes 1 y 3 .
Para la propuesta anterior se obtuvieron 120.20 kg./ hr. a una
temperatura de 268.92 O C.
Figura 32 Servicios de Enfriamiento
Los datos anteriores de flujo y temperatura se enviaron al simulador del ciclo Rankine. donde se obtuvieron los siguientes datos:
Wciclo = 36.2 M W
rlterm = 30.8 % Qe = 84.3 MW
1 Figura 33 Simulador de Ciclo Rankine.
.kYALISIS DE RESULTADOS
Cabe destacar que en el siinulador es posible encontrar mejores
resultados modificando los parámetros de entrada del ciclo,
Con-io sabemos la eficiencia ideal de este ciclo es de alrededor de
35"o. la obtenida(30.8%) es un muy buen resultado, teniendo en cuenta l a
baja temperatur,a de entrada del agua recuperada ya que este valor puede
llegar c a ser mayor a 300 "C , con respecto del trabajo del ciclo este es muy
pequeño debido a que solo se hicieron dos intercambios en los serkicios
auxiliares de enfriamiento, de haberse realizado mas intercambios se
hubiera obtenido un flujo mayor y el trabajo del ciclo fuera mas grande.
El calor recuperado representa el 39% del calor de entrada, esta
cantidad es directamente proporcional a la temperatura del flujo
recuperado. lo cual significa que una mayor del agua de recuperación
niauimizar el calor recuperado es decir se requeriría menos calor de entrada
para recalentar y vaporizar.
En los eqluipos se utilizaron, para la obtención de los resultados
anteriores eficiencias reales del orden de 90%. Considerando que el trabajo
del ciclo es muy sensible a estos parámetros.
CONCLUSIONES
La industria mexicana emplea 78% de la energía como combustibles.
La era de los combustibles baratos propició una cultura de desperdicio.
La globalización de mercados se enfrenta con baja productividad 4
competitividad.
E n la actualidad se enfrentan a un continuo incremento en los costos de
e 11 erg é t i c o s.
En la industria del cemento los costos energéticos impactan entre 40 y 60°0
e n los costos de producción.
El calor desperdiciado puede alcanzar hasta un 50%.
La tecnología para el uso de esa energía es escasa u obsoleta.
Cualquier accitjn de aprovechamiento del calor de desperdicio impactará
en:
la productividad, la seguridad, ecología
( iiiipacto ambiental) y la economna.
Particularidades
Arriba del punto Pinch SOLO se admitirá un mínimo de servicios externos
de CALENTAMIENTO.
Abajo del Pinch SOLO se admitirá un mínimo de servicios externos de
ENFRIAMIENTO
NO se debe realizar ningún intercambio a través del punto Pinch
Cualquier intercambio realizado a través del punto Pinch aumentaría el
mínimo necesario en una cantidad igual a la que cruce el Pinch.
La optiniización energética para la red de intercambio térmico de
recuperación de las corrientes de calor deshecho mediante la tecnología
Pinch demostró la viabilidad para encontrar el arreglo de intercambiadores
mejor adaptada a las condiciones de proceso.
Este método permite una rriaximización del calor recuperado y
enviarlo a un sistema de generación eléctrica de ciclo Rankine.
Para el caso de estudio, es posible generar a una potencia de 36 MW, con
aportación extra de energía.
El método empleado ha resultado muy atractivo y con la posibilidad
de aplicarlo a cualquier planta cementera y así evaluar los potenciales d ~ '
cogeneración de energía.