Modificaciones a redes de recuperación de calor para reducir del número de equipos
Introducción
¡Hola!
Espero que este día se complemente con muchas satisfacciones para ti y goces de una salud envidiable. Te doy una calurosa bienvenida a la décimo primera clase del curso Integración de Procesos.
El tema que abordaremos en esta sesión consiste en cómo analizar, en la etapa de diseño, las opciones para reducir el número de equipos de intercambio de calor en una red. Este tipo de análisis encuentra aplicaciones en casos en los cuales el costo de los intercambiadores de calor es muy alto, como en el caso de titanio, lo que justificaría buscar reducir su número.
Existen dos tipos fundamentales de subestructuras dentro de una red que se pueden explorar para llevar a cabo un proceso de reducción de unidades, se trata de los ciclos y de las rutas térmicas. Un ciclo es un subsistema, dentro de una red de recuperación de calor integrado por enlaces térmicos (intercambiadores de calor) y corrientes de proceso. Su característica principal es que permite transferir cargas térmicas entre sus intercambiadores. A través de la eliminación de ciclos se puede reducir el número de intercambiadores de calor de un sistema.
Una ruta térmica es un subsistema dentro de una red de recuperación de calor, que vincula un calentador y un enfriador a través de enlaces térmicos (intercambiadores de calor) y corrientes de proceso. Una ruta térmica se puede utilizar de dos maneras:
- Para restablecer el ΔTmin cuando se eliminan intercambiadores de calor a través del incremento del consumo de energía.
- Para reducir el consumo de energía del proceso en casos de readecuación (retrofit).
El objetivo de esta clase es que desarrolles la habilidad para identificar ciclos y rutas térmicas dentro de una red de recuperación de calor y las puedas emplear como un recurso para que, en situaciones donde sea factible económicamente reducir el número de unidades, cuentes con los elementos para la toma de decisiones.
Sin otro en particular, damos inicio a la clase.
Desarrollo del tema
Cuando se diseña una red de recuperación de calor de acuerdo con los principios del método Pinch, las zonas arriba y abajo del Pinch se diseñan de manera independiente. Con frecuencia, cuando los diseños se unen, se crean ciclos. Como se vio en clases anteriores, la expresión para determinar el número mínimo de equipos de transferencia de calor tiene un término que está relacionado con el número de ciclos. De acuerdo con la ecuación (1), el número de ciclos incrementa el número de equipos de transferencia de calor.
Las rutas térmicas, por otro lado, son subsistemas que unen un servicio de calentamiento con uno de enfriamiento a través de corrientes de proceso e intercambiadores de calor. Tanto los ciclos como las rutas térmicas pueden transferir carga térmica. La diferencia es que un ciclo transfiere carga térmica de la que se tiene dentro del proceso a otro intercambiador, mientras que una ruta térmica transmite carga térmica externa. Esta característica la convierte en una subred que puede explotarse en proyectos de reducción del consumo de energía como se verá en otra clase. Por lo pronto, en el contexto de eliminación de equipos, la ruta se utiliza para restablecer el ΔTmin del proceso.
En la Figura 1, se observa una red de recuperación de calor donde se resalta un ciclo (línea en rojo) y una ruta térmica (línea en verde). Como se puede observar, el ciclo ocurre entre los intercambiadores E4 y E1. Se dice que estos intercambiadores son activos porque pueden transferir carga térmica. El intercambiador de calor E3 no es un equipo activo pues no cambia su carga térmica, sin embargo, participa de manera pasiva pues los cambios de carga térmica afectan las temperaturas a su alrededor y por lo tanto su desempeño.
Eliminación de ciclos
El proceso para la eliminación de ciclos inicia identificando preferentemente la transferencia de la menor de las cargas dentro del ciclo. En el caso de la Figura 1, se trata del intercambiador E4. En principio para poder eliminar este intercambiador, se debe transferir toda su carga térmica al equipo E1. Este movimiento se ilustra en la Figura 2.
El movimiento de carga térmica tiene dos consecuencias:
- Altera los balances de energía de las corrientes involucradas.
- Altera las temperaturas a la entrada y salida de los equipos modificando sus cargas térmicas.
Ambos tipos de efecto se deben analizar. En esta clase nos concentraremos en la modificación a los balances de energía y cómo restablecerlos. El segundo efecto se puede analizar utilizando los conceptos de propagación de disturbios que se revisaron en clases anteriores.
Al desplazar la carga de 30 unidades al intercambiador E1, la temperatura de salida de la corriente 2H del intercambiador E1 pasa de ser 90°C a 70°C (Figura 3). Esto significa que el intercambiador E1 ahora tendrá una diferencia de temperatura fría en su lado de 5°C (70°- 65°C). Esta temperatura es muy pequeña y de no corregirse, crearía un efecto adverso en el equipo pues, al diseñarlo, se requerirá un área de transferencia de calor mayor debido al pequeño gradiente de temperatura. La forma de restablecer esta temperatura es a través del movimiento de carga térmica utilizando la ruta térmica. El objetivo es restablecer el ΔTmin del lado frío de E1 a 10°C. Para ello se plantea el balance para encontrar cuál debe ser la carga térmica de E1 para que la temperatura de salida de la corriente caliente sea 75°C. El cálculo es el siguiente:
120-X = (1.5) (150°C-75°C)
X = 7.5
Este resultado indica que es necesario incrementar la carga térmica del calentador H en 7.5 unidades (Figura 4). Al hacerlo, se debe reducir la carga de E1 en esa misma cantidad para mantener el balance de energía en la corriente 1C. Por otro lado, al reducir la carga de la corriente 2H, la forma de mantener su balance de energía es aumentando la carga del enfriador C en las mismas 7.5 unidades. La Figura 5 muestra el resultado final.
Con esta estrategia se logra reducir una unidad, pero a cambio se tiene que incrementar el consumo de energía. La carga térmica del calentador es 27.5 unidades y la del enfriador 67.5. Se debe notar que ambos equipos (H y C) incrementaron su carga térmica en la misma cantidad que se eliminó del intercambiador E4. Alternativamente se puede establecer un análisis para determinar hasta qué punto es factible económicamente sólo incrementar el área de los equipos cuyos gradientes se redujeron en lugar de incrementar el consumo de energía.
Los ciclos pueden ser más complicados que el de la Figura 1. En ocasiones no sólo incluyen más intercambiadores activos, sino que también incluyen calentadores y enfriadores. La Figura 6 muestra un ejemplo donde se destacan tres tipos diferentes de ciclos.
- Ciclo 1 (línea roja), integrado por: corriente 1H y 2C, e intercambiadores E1 y E4.
- Ciclo 2 (línea verde), integrado por: corrientes 2H, 1C y 2C e intercambiadoras E3, E5, y calentadores H1 y H2
- Ciclo 3 (línea azul), integrado por: corrientes 1H, 2H y 2C e intercambiadoras E1, E5, y calentadores C1 y C2
Para afianzar tu entendimiento del tema, analiza el caso de la Figura 7 y revisa el video: Ciclos y rutas térmicas para estudiar cómo se resuelve.
Conclusión
En conclusión, cuando se diseña una red de recuperación de calor utilizando el método Pinch, es frecuente que el número total de intercambiadores de calor final sea mayor al número mínimo de equipos requeridos. La razón de esto tiene su origen en la naturaleza del método de diseño que separa al proceso en dos zonas que son independientes térmicamente. Al realizar el diseño de la red de manera independiente y finalmente unirlas, el resultado puede ser que se generan ciclos. Un ciclo incrementa el número de equipos de transferencia de calor y cuando el costo de cada unidad es alto, podría resultar recomendable, desde el punto de vista del costo, reducir el número de unidades.
En esta clase hemos analizado una metodología que se utiliza para romper ciclos a través de la eliminación de intercambiadores de calor. En la mayoría de los casos, la eliminación de un equipo trae consigo un cambio en las temperaturas de la red como resultado del cambio en las cargas térmicas de los equipos. El resultado normalmente es que en algunos equipos la diferencia de temperatura se reduce por debajo del ΔTmin del proceso. Se puede estudiar la posibilidad de analizar cómo sería el efecto en el tamaño del intercambiador antes de pensar en restablecer la diferencia mínima de temperatura. Cuando el impacto es muy grande, se puede optar por restablecer el gradiente de temperatura a costa del incremento en el consumo de energía. Para ello se hace uso de las rutas térmicas. Su principal característica es que unen servicios auxiliares lo que les permite transferir carga térmica entre ellos.
Las ideas principales de esta clase son:
- La existencia de ciclos en una red de intercambio de calor incrementa el número de equipos.
- Un ciclo permite transferir carga térmica entre intercambiadores de calor.
- Un ciclo puede incluir servicios auxiliares del mismo tipo.
- Una ruta térmica une servicios auxiliares de calentamiento y enfriamiento.
- La ruta térmica es el medio para restablecer el gradiente de temperatura.
- En esta metodología, el restablecimiento de la carga térmica se realiza basado en el balance de energía de las corrientes.
- Un análisis detallado implica la evaluación de los requerimientos de área de los equipos afectados al variar las temperaturas internas de la red.
Has llegado al final de esta clase ¡Mis felicitaciones por tu gran logro! Para concluir la sesión te invito a realizar la tarea y mandarla como corresponde. Te encuentro en tu próxima clase, hasta entonces.
Fuentes de información
- Video: Ciclos y rutas térmicas
- Archivo PDF: Ciclos y rutas térmicas