Operabilidad de redes de recuperación de calor
Introducción
¡Hola, qué gusto poder saludarte!
Espero que tu buen ánimo continúe en este día y empieces esta clase con buenas vibras, por lo pronto te doy la bienvenida a la décima clase del curso Integración de Procesos.
El tema que nos ocupa en esta ocasión es el de la operabilidad de redes de recuperación de calor. Este concepto nos lleva a considerar una situación que se presenta al poner estos sistemas en operación. Cuando esto ocurre, es común encontrar que las condiciones de operación de las corrientes sean diferentes a las que se utilizaron para el diseño; esto incluye principalmente al flujo másico y la temperatura.
Existen diferentes razones por las cuales las condiciones de operación cambian durante la operación, por ejemplo: cambios en el nivel de producción, el ensuciamiento en intercambiadores de calor, la desactivación de catalizadores, cambios en las condiciones del ambiente, entre otros. Estos cambios traen consigo la generación de disturbios que se manifiestan en alteraciones a las temperaturas de salida de los equipos. Estos disturbios se propagan corriente abajo a través de canales térmicos hasta alcanzar las temperaturas terminales de las corrientes, algunas de las cuales pueden ser críticas y deben mantenerse dentro de ciertos rangos de operación.
Hacer un análisis de operabilidad nos lleva a identificar opciones para mejorar el diseño de una red de recuperación de calor. En este capítulo se desarrollará un modelo matemático para representar el desempeño de redes de recuperación de calor basado en la solución de ecuaciones lineales como el balance de energía aplicado a cada equipo y a cada punto de mezcla, así como ecuación de la efectividad térmica de cada intercambiador.
Un tema que complementa el concepto de operabilidad es el de diseño flexible. Este concepto aplica tanto a equipo de intercambio de calor como a redes completas. El diseño flexible implica la consideración de un sistema de control y un cierto nivel de sobre dimensionamiento en los intercambiadores de calor.
El objetivo de esta clase es que seas capaz de incorporar, en la etapa de diseño de una red de recuperación de calor, las consideraciones de operabilidad que incluyen el diseño de redes flexibles y de intercambiadores de calor de operación flexible.
De acuerdo con lo anterior, damos inicio a la sesión.
Desarrollo del tema
Para analizar la operabilidad de una red de recuperación de calor, es necesario primero definir qué es operabilidad. Este concepto se refiere a la condición de que un sistema pueda seguir operando a pesar del ingreso de disturbios al sistema. Para ello se deben definir objetivos de control que básicamente están centrados en las temperaturas finales de las corrientes.
La Figura 1 muestra una red de recuperación de calor donde se han identificado las diferentes variables de temperaturas que la componen. Cuando se analiza un sistema para operabilidad se debe definir el rango aceptable de variación de las temperaturas objetivo que son las temperaturas finales de cada corriente. Por ejemplo, en la Figura 1, la temperatura de las corrientes H1, H2, y C2 podrían no ser muy críticas y es posible que sean aceptables dentro de un rango de operación. Sin embargo, en el caso de la corriente C1, se ve que esta corriente es la alimentación a un reactor donde el control de temperatura es crítico y tal vez aquí cualquier variación en la temperatura objetivo es inaceptable. Este tipo de situaciones las denominaremos variables de control críticas.
Analicemos la manera en que se propaga un disturbio que entra al sistema a través de la corriente H1 (Figura 1). El disturbio llega al intercambiador E2, y ahí se afectan las dos temperaturas de salida T2 y T11 de las cuales, T11 llega directamente a la variable de control. Por su parte, T2 continua hasta la E3, afectando las dos temperaturas de salida T3 y T13. T13 llega a E1 afectando a T16 y T6. El disturbio se desplaza a través de T6 alcanzando a E4 alterando a T7 y T14. T7 alcanza a E5 y afecta T10, que, a través de E2, vuelve a afectar la variable de control T11.
Cuando se conocen los disturbios probables y se pueden establecer cualitativamente cómo afectan a la variable de control, el siguiente paso consiste en la cuantificación de la magnitud del disturbio. Este tema se desarrollará más adelante.
Una estrategia de control es contar con calentadores o enfriadores dependiendo dónde se encuentren las variables de control. Cuando esto no es posible, otra estrategia es buscar una estructura diferente para romper los canales térmicos y evitar el impacto en dichas variables. Un ejemplo de posibles modificaciones se presenta en la Figura 2. Como se puede apreciar, ahora todos los posibles canales térmicos que llegaban a la variable de control se han eliminado con el cambio de estructura.
Modelo de propagación de disturbios.
Una manera de cuantificar la propagación de disturbios es a través del modelo de efectividad térmica (ε)-Número de Unidades de Transferencia de Calor (Ntu). Para el desarrollo del modelo, consulta el video: Modelo matemático para la simulación de redes de recuperación de calor.
Diseño Flexible
Para fines de esta clase, se dice que el intercambiador de calor tiene un diseño flexible si incorpora en su diseño estrategias que le permitan adaptarse a las condiciones cambiantes de operación y entregar la temperatura objetivo. Las estrategias a que se hace referencia son el uso de bypasses para control de flujo y el sobredimensionamiento del equipo. Una representación esquemática del concepto se presenta en la Figura 3.
Las características de un diseño flexible son:
- El equipo se sobrediseña para contrarrestar el efecto de disturbios que originen una reducción en la carga térmica.
- Se utiliza un bypass para regular el paso del fluido a través del equipo, aumentándolo cuando se desea incrementar la carga térmica o reduciéndolo cuando se desee reducirla.
- En condiciones normales de operación, el bypass opera abierto, mandando una fracción del fluido externamente al intercambiador, compensado la reducción de velocidad dentro del equipo -y reducción en el coeficiente de transferencia de calor- con el área adicional.
- Cuando un disturbio origina un aumento de carga térmica, el bypass se abre más hasta el punto en que la reducción de flujo origine una reducción en la carga térmica.
- Cuando el efecto de un disturbio es la reducción de la carga térmica, el bypass se cierra permitiendo incrementar el flujo por el equipo aumentando el coeficiente de transferencia de calor para aumentar la carga térmica.
- El sobre dimensionamiento de un intercambiador de calor debe de seguir ciertas pautas de diseño. La más importante de ellas es que se debe mantener la velocidad del fluido. Esto se logra manteniendo la misma área seccional de flujo, pero incrementando la longitud. Cuando un intercambiador ya existe, la opción es incorporar un intercambiador nuevo en serie (ver Figura 3).
El concepto de intercambiador flexible se puede extender al de red flexible. Para ello, el modelo matemático que se analizó anteriormente es de gran utilidad. La Figura 4 muestra una representación general de la forma en que se analizaría una red para darle flexibilidad. El sobredimensionamiento y el uso de bypasses es estratégico, es decir, no se aplica en todos los equipos. La decisión de cuáles equipos deben incluirlo se realiza de manera estratégica.
En la práctica, existen diferentes maneras de incrementar el área de un intercambiador de calor (Figura 5). Éstas se presentan a continuación:
- Reemplazo del equipo por uno de mayor capacidad. Esta opción es la menos recomendada pues si se quita un equipo existente, es una inversión que en principio se pierde.
- Se puede agregar área adicional en serie. Esto si la caída de presión no excede la carga del sistema de bombeo.
- Se puede agregar área adicional en paralelo. Esto si la caída de presión excede la carga del sistema de bombeo.
- Se pueden emplear promotores de turbulencia para mejorar la transferencia de calor y cerciorarse que no se exceda la caída de presión.
Análisis de caso de estudio
Para profundizar en este tema y estudiar la aplicación del modelo matemático de redes aplicado a un caso de estudio, debes revisar el video: Diseño de redes flexibles.
Conclusión
Para concluir, hasta aquí hemos cubierto el tema de operabilidad y diseño flexible de redes de recuperación de calor. Este tipo de consideraciones es muy importante sobre todo cuando tomamos en cuenta que la realidad de la operación de una planta industrial es que las condiciones de operación rara vez se mantienen sin variar. Por otro lado, una situación común, es el cambio de niveles de producción debido a las necesidades de mercado. En la experiencia de un servidor, una planta petroquímica con una producción de 1,000 toneladas diarias se somete a los siguientes cambios de producción: aumento de producción del 20% sobre el nominal durante 3 meses del año; reducción de producción del 40% por seis meses y producción normal al 100% los tres meses restantes. Estos cambios introducen disturbios que se manifiestan en cambios de temperatura de las corrientes. Si el diseño de la red no toma estos aspectos en consideración, es probable que, ante ciertas condiciones, el proceso deje de ser operable.
Las ideas principales de esta clase son:
- La operabilidad es la característica de un proceso de seguir manteniendo la operación a pesar de los cambios en las condiciones de operación.
- Para que una red sea operable, debe tener un diseño que le dé flexibilidad. La flexibilidad es la propiedad de la red para ajustarse y contrarrestar los efectos adversos ocasionados por disturbios y seguir entregando las temperaturas objetivo dentro del rango de temperatura aceptable.
- Un intercambiador de calor tiene un diseño flexible si incorpora los siguientes elementos: sobre dimensionamiento del área de transferencia de calor y un bypass.
- El sobre dimensionamiento de un intercambiador de calor debe realizarse manteniendo la velocidad del fluido en el valor adecuado. Se pueden usar instalaciones de equipo en serie o en paralelo dependiendo de la disponibilidad de caída de presión.
Hemos llegado al final de la clase, ¡Muchas felicidades, vas muy bien! No olvides realizar la tarea y mandarla como corresponde, te espero en tu próxima sesión. Hasta entonces.
Fuentes de información
- Video: Modelo matemático para la simulación de redes de recuperación de calor.
- Video: Diseño de redes flexibles.
- Archivo PDF: Modelo matemático para la simulación de redes de recuperación de calor.
- Archivo PDF: Diseño de redes flexibles.