TAREA 2 Desafo de la matriz energtica Chilena

Claudio Ramrez;Roco Riquelme

1. Breve descripcin de lo que es el mtodo PINCH definiendo al menos 3 mtodos de

obtencin del punto PINCH. El mtodo Pinch corresponde a una metodologa usada en configuraciones de plantas de procesos

existentes o establecidas, en donde se busca mejorar la configuracin de la red de intercambiadores de

calor, aprovechando y distribuyendo mejor las cargas y recuperacin calrica de los flujos que involucran el

sistema presente. La idea es obtener beneficios econmicos y tcnicos por medio de la mejora. Lo particular

de este mtodo es que es muy simple y da la oportunidad a una planta de hacer mejoras sin adaptar

tecnologas muy avanzadas y costosas, de modo que se convierte en una herramienta que proporciona

significativos ahorros a costa de una reducida inversin capital.

El anlisis cuantifica los servicios presentes en la planta de procesos comparando, relacionando y estudiando

sus necesidades de intercambio de calor, buscando diseos factibles de intercambiadores donde se

aprovechen calores residuales de las corrientes calientes que sean aprovechables por las corrientes fras,

reduciendo costo de operacin en servicios o de inversin en equipos de intercambio.

Algunos mtodos de la obtencin del punto pinch son:

Curvas Compuestas: Se identifican todas las corrientes en el sistema estudiado que se requieran energa

para calentar y que cedan energa para enfriarse, integrando ambas categoras en dos curvas nicas que

relaciones las temperaturas v/s entalpias. Moviendo alguna de las curvas compuestas con respecto a las

entalpas se puede encontrar el punto pinch, juntndolas hasta que en algn punto se intersecten la

curvas. Se suele asumir el punto pinch en la curva compuesta caliente, dando la holgura de mover la

curva compuesta fra para el anlisis de integracin energtica.

Tabla Problema (Cascada): Corresponde a un mtodo de clculo que ayuda a identificar el punto pinch

en funcin de las temperaturas de las corrientes. Se deben enlistar todas las corrientes junto a sus

temperaturas de salida, temperaturas de entrada y producto flujo msico-calor especfico. Las

temperaturas del proceso se deben transformar a temperaturas de intervalo para creacin de la

cascada. Para la obtencin de las temperaturas de intervalo a todas la corrientes que se enfran se le

debe restar Tmin/2 a cada a las temperaturas de entrada y salida, mientras que a todas la corrientes

que se calientan se les debe sumar Tmin/2 a cada temperatura de entrada y salida, estos valores

obtenidos se agrupan (eliminando valores que se repitan, conservando uno de ambos) y se ordenan de

manera decreciente una tabla para obtener la diferencia de temperatura. El intervalo tiene asociado un

valor de producto flujo msico-calor especfico de la corriente caliente y corriente fra a la que

corresponde la temperatura obtenida, una vez identificados sus valores se resta este valor del fluido

que se calienta menos el que se enfra para cada temperatura de intervalo. Se multiplica la diferencia de

temperatura por la diferencia del producto flujo msico-calor especfico obtenindose una diferencia de

entalpa asociada a cada intervalo, luego la columna cascada se obtiene de la sumatoria acumulativa de

las dif. de entalpia (desde arriba hacia abajo) usando como nodo base entalpa 0. Se debe buscar el

nodo en la cascada en que tenga el menor valor (negativo) de entalpa, una vez encontrado se debe

forzar que se anule cambiando el nodo de entalpa base. La temperatura asociada a este nodo nulo de

entalpa de la cascada corresponder al punto pinch.

Gran Curva Compuesta: Una vez hecha la cascada (mtodo descrito previamente), se grafican los

valores de la tabla problema en una grfica de temperatura de intervalos v/s entalpas de intervalos. La

curva que se obtiene muestra claramente el o los puntos pinch, el cual corresponde a la temperatura

que tenga asociada la menor entalpa.

Enunciado: La Figura 1 en conjunto con la Tabla 1 presentan la lnea base de una planta, a la cual se le aplica anlisis para la obtencin del punto pinch como herramienta para una posterior disminucin de costos asociados a los servicios de calor y frio (agua/vapor).

Figura 1: Diagrama del proceso.

Tabla 1: Datos de temperatura del problema.

T1,in [C]

T1,out [C]

T2,in [C]

T2,out [C]

T3,in [C]

T3,out [C]

T4,in [C]

T4,out [C]

T5,in [C]

T5,out [C]

T min

70 211 106 216 292 136 140 96 109 80 30

2. Identificar las corrientes calientes y las fras.

De acuerdo a los datos del problema las corrientes que se calientan, o corrientes fras son:

Corriente 1

Corriente 2

Y las corrientes que se enfran o corrientes calientes son:

Corriente 3

Corriente 4

Corriente 5

3. Determinar el Punto Pinch por el mtodo de las curvas compuesta fras y calientes.

La metodologa que se aplica corresponde al de curvas compuestas. Primero se hacen las cascadas de calor de las corrientes fras y calientes, en donde se representa los cambios de temperatura de cada una de las corrientes, las cuales se resumen en las Figuras 2 y 3.

En la Figura 2 se puede ver la lnea naranja, el calentamiento de la corriente 1 y la lnea azul, el

calentamiento de la corriente 2. Para el anlisis de las curvas compuestas fras, se puede separar en 3

secciones. La primera desde los 70 a 106 [C] en donde solo est la corriente 1, luego desde los 106 hasta los

211 [C] en donde estn las dos corrientes, y luego desde los 211 a los 216 [C]. De acuerdo a esto se obtiene

la Tabla 2.

En la Figura 3 se puede ver la lnea naranja, el enfriamiento de la corriente 3 y la lnea amarilla, el

enfriamiento de la corriente 4, y la lnea azul, el enfriamiento de la corriente 5. Para el anlisis de las curvas

compuestas calientes, se puede separar en 5 secciones. La primera desde los 80C a 96 C en donde solo

est la corriente 5, luego desde los 96C hasta los 109C en donde estn las corrientes 4 y 5, y luego desde

los 109C a los 136C donde solo est la corriente 4, despus desde los 136 hasta los 140C donde estn las

corrientes 3 y 4, y por ultimo desde 140C hasta los 292C donde solo est la corriente 3. De acuerdo a esto

se obtiene la Tabla 3.

Figura 2: Esquema de las corrientes fras de la planta.

Figura 3: Esquema de las corrientes calientes de la planta.

El clculo de las entalpias se usa la siguiente ecuacin:

=

Tabla 2: Resumen de obtencin de entalpas para las corrientes fras.

Corrientes T [C]

T [C]

H [kW]

sum H [kW]

- 70 - - 0

1 106 36 54 54

1 y 2 211 105 263 317

2 216 5 5 322

Tabla 3: Resumen de obtencin de entalpas para las corrientes calientes.

Corrientes T [C]

T [C]

H [kW]

sum H [kW]

- 80 - - 0

5 96 16 32 32

4 y 5 109 13 46 78

4 136 27 41 118

3 y 4 140 4 9 127

3 292 152 114 241

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

0 1 2 3

Cascada de calor de corrientes frias

708090

100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300

2 3 4 5 6

Cascada de calor de corrientes caliente

Luego se grafica la temperatura vs las entalpias (con valor 0 como referencia), y se obtienen las curvas compuestas fras y calientes, las cuales vistas en un mismo grafico se representan por la siguiente figura.

Figura 4: Grafico de curvas compuestas fras y calientes.

Para identificar el punto pinch se tienen 2 opciones, la primera es hacer un acercamiento al rea entre las

intersecciones y observar el punto ms alejado, en la Figura 5 se muestra el punto pinch.

Figura 5: Grfico que expone la identificacin del punto pinch por el primer mtodo.

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300 350

Tem

per

atu

ra [

C]

Diferencia de entalpia [kW]

Curvas Compuestas

caliente fria

95

100

105

110

115

120

125

40 50 60 70 80 90 100 110

Tem

per

atu

ra [

C]

Diferencia de entalpia [kW]

Curva compuesta (Zoom)

caliente fria

La otra opcin es comenzar a mover la curva compuesta fra hacia la derecha hasta identificar el ltimo

punto en donde se tocan las curvas, este ser en punto pinch, se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Grfico que expone la identificacin del punto pinch por el segundo mtodo.

En ambos mtodos el punto pinch resulta ser el mismo.

4. Representar en el grfico la zona de integracin energtica, calor mnimo de

enfriamiento y calor mnimo de calentamiento e indicar que significa cada uno de stos. Para esta representacin se debe mover an ms la curva compuesta fra hacia la derecha de tal forma que

la diferencia mnima de temperatura sea 30 C. A continuacin se presenta el grafico con las respectivas

zonas.

Figura 7: Diferencia de temperatura mnima entre las curvas compuestas.

Las lneas verdes corresponden al punto pinch, en donde se tiene la diferencia de temperatura mnima de

30C, las lneas verdes corresponden a una comprobacin del que el delta mnimo se mantuviese a lo largo

de la curva, cumpliendo se el requisito de ser la zona con la diferencia trmica mnima.

95

100

105

110

115

120

125

40 50 60 70 80 90 100 110

Tem

per

atu

ra [

C]

Diferencia de entalpia [kW]

Curva compuesta (Zoom)

caliente fria

Luego de esto se obtuvieron el siguiente grafico que representa las diferentes zonas:

Figura 8: Zona de integracin energtica, calor mnimo de enfriamiento y calor mnimo de calentamiento.

El calor mnimo de enfriamiento corresponde a 64 kW y representa el calor que se debe retirar con agua de enfriamiento, el calor mnimo de calentamiento corresponde a 145 kW y representa el calor que debe ser entregado con vapor, mientras que la zona de integracin energtica (rea rosa en la Figura 8) representa el calor que puede ser utilizado y realizado por el intercambio de calor entre de las diferentes corrientes lneas implicadas para optimizar el proceso y reducir el uso de vapor o agua de enfriamiento respecto a la lnea base.