Diseño de redes de recuperación de calor
Introducción
¡Hola, qué gusto poder saludarte!
Es un placer encontrarte nuevamente en este curso de Integración de Procesos. ¡Gracias por continuar! Esto habla de tu gran compromiso e interés. Por lo tanto, te doy la bienvenida a la clase siete en la cual aprenderás mucho acerca del tema Diseño de redes de recuperación de calor.
Hemos llegado al punto del curso en que veremos cómo se lleva a cabo el diseño de una red de recuperación de calor. Una pregunta que puede surgir en este momento es ¿qué es una red de recuperación de calor? Para responder recordemos un principio fundamental: en la medida en que dentro de un proceso se recupere más energía, el requerimiento de calentamiento externo se reduce. Para que esto se pueda dar, se debe partir de la identificación de las corrientes que pueden ceder calor (caliente) y las que requieren calor (frías) para posteriormente implementar una metodología para determinar entre qué corrientes es más recomendable establecer enlaces para recuperar ese calor. Lo que se busca es recuperar el calor máximo permitido con el menor número de equipos y con la menor inversión.
El objetivo de esta clase es que conozcas la técnica Pinch de diseño de redes de recuperación de calor y diseñes sistemas que sean factibles térmica y termodinámicamente, tomando en cuenta los principios fundamentales de balances de energía y transferencia de calor. Un sistema es factible térmicamente cuando se satisface a cabalidad el balance de energía, mientras que es termodinámicamente factible si se respetan los gradientes de temperatura.
La metodología Pinch para el diseño de redes de recuperación de calor fue la primera metodología formal que se desarrolló. En la actualidad, existen otras metodologías de diseño basadas en métodos determinísticos y estocásticos para implementar metodologías de optimización. Estos métodos no sólo determinan la red de menor costo, sino que también generan una estructura que cumple con los requisitos establecidos en el diseño. La metodología Pinch, sin embargo, es una técnica de diseño que permite estar paso a paso en control de lo que se hace y, además, permite tomar en cuenta aspectos operativos de gran importancia. Este último tema se desarrollará con más detalle unas clases más adelante.
Estos antecedentes te servirán para darte una idea más clara de lo que vas a aprender en esta clase. Por lo tanto, demos inicio a la sesión. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Una red de recuperación de calor es única para cada proceso. En principio no debería de haber redes de recuperación de calor idénticas entre procesos diferentes. La Figura 1, muestra una representación típica de este tipo de sistemas utilizando la nomenclatura y simbología que usaremos en este curso.
El diagrama de la Figura 1 se conoce como diagrama de rejilla (Grid Diagram). Es importante comentar que la manera de representar las corrientes que usaremos en esta clase es diferente de la que se usa comúnmente por otros autores. En este diagrama las corrientes calientes se representan como líneas horizontales en la parte superior de derecha a izquierda y las frías en la parte inferior de izquierda a derecha. La línea punteada vertical que corta las corrientes en la parte central representa las temperaturas del punto Pinch y define las zonas arriba y debajo del Pinch. Los círculos unidos con una línea vertical y con una letra E, son recuperadores de calor, los círculos en la parte inferior derecha con una letra H representa a los calentadores y los círculos en la parte superior izquierda con una letra C, representa enfriadores. Las temperaturas de suministro y las finales de cada corriente se indican al inicio y final de cada corriente, mientras que las cargas térmicas de cada intercambiador se indican en la parte superior de cada círculo. En esta red de recuperación de calor también pueden identificarse tres zonas: la de recuperación de calor entre corrientes de proceso; las de calentamiento y de enfriamiento externo, como se ejemplifica en la Figura 2.
Antes de proceder a explicar la metodología de diseño, expliquemos algunos conceptos:
Red de Recuperación de Calor: Es un sistema integrado por intercambiadores de calor cuya función es recuperar energía térmica dentro del proceso, entregar energía térmica al proceso a partir de servicios externos de calentamiento y remover energía térmica residual a través de servicios de enfriamiento.
¿Qué se busca al diseñar una red de recuperación de calor?
Para un proceso nuevo, se deben encontrar los enlaces entre corrientes calientes y corrientes frías de tal forma que se minimice el número de unidades o equipos, se maximice la recuperación de calor y todo esto con el costo total mínimo.
¿Cómo se genera una red de recuperación de calor?
A partir de los datos de operación. Cuando estos datos se extraen a partir de un diagrama de flujo del proceso, es decir cuando el proceso ya existe, no se habla de diseño sino de representación de la red existente. En estos casos, la red se usaría para buscar la manera de reducir el consumo de energía.
Si bien es importante hacer énfasis que para diseñar una red es deseable conocer el punto (ΔTmin, óptimo ) en cual los costos totales de operación son los mínimos, en esta sesión empezaremos a analizar el diseño mismo y dejaremos el proceso de optimización para una etapa posterior. Por lo tanto, para los fines de esta clase será suficiente con especificar el ΔTmin al cual se desea diseñar la red.
El primer paso en el diseño consiste en generar el diagrama de rejilla para el caso de estudio en consideración. La forma de generarlo se muestra en la Figura 3.
Se conocen como Intercambiadores de calor de Pinch, aquellos que están posicionados en esta zona. Esto significa que una de sus corrientes de entrada y una de salida lo hacen a la temperatura Pinch que le corresponde. Para ejemplificar este concepto, analicemos la Figura 4. Los equipos E1, E2 y E3, son intercambiadores de Pinch. Por arriba del Pinch las corrientes calientes de los equipos E1 y E2 salen a la temperatura de 172°C y sus corrientes frías entran a 160°C, que son las temperaturas que definen el Pinch en este proceso. Por otro lado, por debajo del Pinch, E3 es un intercambiador Pinch, pues su corriente caliente entra a 172°C y la su corriente fría sale a 160°C.
Los intercambiadores Pinch son importantes porque:
- Son los más críticos en diseño porque en ellos se encuentra el menor gradiente de temperatura para transferencia de calor (ΔTmin).
- Son los intercambiadores que deben ser posicionados primero en el proceso de diseño.
Regla de los CP para la selección de corrientes en diseño.
El punto Pinch divide al proceso en dos zonas que se encuentran en balance una vez que se incorporan los servicios externos de calentamiento y enfriamiento. Esto tiene dos implicaciones importantes en diseño, 1.- el servicio de calentamiento sólo debe usarse en la zona arriba del Pinch y el servicio de enfriamiento sólo en la zona por debajo del Pinch; 2.- El diseño de la red de recuperación de calor se realiza de manera independiente en cada zona. Esto significa que se puede diseñar una zona primero, completar su balance y después proseguir con la otra. Para fines de diseño, una regla importante que se tiene que seguir es:
CPsalida ≥ CP entrada
La Figura 5 muestra gráficamente las implicaciones de esta regla de los CP.
El diseño de una red de recuperación de calor procede a partir de las siguientes guías:
- Ubicarse en un lado del Pinch.
- Para establecer enlaces factibles, las corrientes seleccionadas deben cumplir con la regla de los CP.
- De las corrientes que cruzan o inician en el Pinch, empezar con aquéllas que “entran” al Pinch.
- De aquéllas que entran al Pinch, empezar con aquéllas que tienen el mayor CP.
- Maximizar la carga (esto significa agotar la demanda o el requerimiento de energía de cualquiera de las dos corrientes del enlace).
- Los enlaces o intercambiadores críticos son aquellos cuyas corrientes entran o salen del Pinch.
- Alejado del Pinch, donde existen mayores gradientes de temperatura, ya no es crítico respetar la regla de los CP.
- Ramificar corrientes cuando: no haya suficientes corrientes para lograr enlazar corrientes de Pinch, o cuando sea necesario para cumplir la regla de los CP, como se indica en la Figura 6.
Nota: Se utiliza cuando: no hay suficientes corrientes de Pinch para enlazar (ejemplo lado arriba del Pinch), o cuando no se puede cumplir con la regla de los CP (ejemplo, lado abajo del Pinch).
Revisa el video: Diseño de redes de recuperación de calor, donde se presenta paso a paso cómo aplicar las guías para el diseño de varios casos de estudio.
El método Pinch de diseño de redes de recuperación de calor nos confronta con situaciones en las cuales hay más de una opción factible de enlace para elegir. En estos casos es necesario contar con algún tipo de herramienta que sirva de guía en la toma de decisiones. Existe una herramienta cualitativa llamada el Diagrama de la Fuerza Motriz y una herramienta cuantitativa, llamada Análisis del Problema Remanente. Para conocer en qué se basa cada herramienta, deberás consultar el video: Herramientas auxiliares de diseño de redes de recuperación de calor.
Conclusión
En resumen, en esta sesión hemos estudiado los aspectos y las consideraciones importantes en el diseño de redes de recuperación de calor. Existen diferentes métodos de diseño, como por ejemplo los que se basan en métodos matemáticos de optimización. En esta clase hemos visto el método de diseño Pinch. Éste es un método práctico que permite al diseñador estar en control en todo momento de las decisiones que se tomen con respeto a la red. Como veremos más adelante, esto es importante cuando se analizan aspectos de operación. Las ideas principales de esta sesión son las siguientes:
- Una red de recuperación de calor representa al grupo de equipos en que se lleva a cabo un proceso de recuperación de energía entre corrientes. Estos intercambios se pueden dar entre corrientes de proceso, o entre corrientes de proceso y corrientes de servicios externos.
- Como el Pinch divide al proceso en dos zonas independientes térmicamente, el diseño de cada zona se realiza de manera independiente.
- El diseño de una red de recuperación de calor inicia del Pinch y avanza hacia los extremos, ya sea en la zona arriba o debajo del Pinch.
- La regla de los CPs es el principio fundamental para la selección de corriente de enlace en el Pinch. Este principio establece que un enlace adecuado es aquel que cumple el criterio: CPsalida ≥ CP entrada.
- La maximización de la carga térmica consiste en asignar al intercambiador la máxima carga térmica posible en función del balance de cada corriente.
- Existen dos herramientas que ayudan en el proceso de diseño, especialmente cuando se tienen diferentes opciones de enlace factibles. Se trata de una herramienta cualitativa, el Diagrama de la Fuerza Motriz, y una herramienta cuantitativa, el Análisis del Problema Remanente.
Con esto llegamos al final de la clase ¡Te felicito por tu gran esfuerzo y dedicación! No olvides realizar la tarea y mandarla como corresponde. Sigue perseverando en tu educación, Te espero en tu próxima sesión, hasta entonces.
Fuentes de información
- Video: Diseño de redes de recuperación de calor
- Video: Herramientas auxiliares de diseño de redes de recuperación de calor
- Archivo PDF: Introduction to Pinch Technology (Páginas 30 a la 37)