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energtico y, por tanto, una mni-ma emisin de contaminantes.

As, por ejemplo, en el procesorepresentado en la figura 1 se tieneuna parte excedentaria de calor quese elimina en una refrigeracin,mientras existe otra deficitaria, quese suministra en un horno, por loque se puede encontrar un inter-cambiador de calor que recupereenerga entre la parte excedentariade calor y la deficitaria.

En las figuras 2 y 3 se represen-tan dos soluciones para el caso dela figura 1, con dos intercambiado-res de calor; se observa que es me-jor energticamente la solucin dela figura 2, ya que al tener un in-tercambiador mayor recupera mscalor, con lo que el consumo ener-gtico que se debe realizar en losservicios de calentamiento y refri-geracin del proceso es menor.

Estas mejoras energticas en losprocesos industriales tambin sonmejoras medioambientales, ya queal reducir el consumo de energatambin se reducen las emisionesgaseosas que sta lleva asociada.

Desde el punto de vista econ-mico, cuanto mayor sea el inter-cambiador instalado, mayor ser larecuperacin de calor conseguida ycon ello el ahorro en costes de ener-ga en los equipos auxiliares de ca-lentamiento y refrigeracin, perotambin es mayor su precio, altiempo que se incrementa la energade bombeo de los fluidos, con loque la solucin ptima econmicase logra con un compromiso entreel ahorro econmico producido enenerga y los costes en los que se in-curren para lograrlo, lo que tiene

En una instalacin industrialpueden existir corrientes fluidasque, formando parte de un procesonecesitan ser enfriadas, lneas ca-lientes, y son excedentarias de ca-lor; asimismo existen corrientesfluidas que necesitan ser calenta-das, lneas fras, y son deficitariasde calor.

El ahorro energtico en un pro-ceso trmico se puede conseguirmediante una red de intercambia-dores de calor que, recuperandocalor de las lneas calientes y en-vindolo a las fras, minimice lasnecesidades energticas en los ser-vicios auxiliares donde estas lneasse deben calentar o enfriar, redu-ciendo as los costes de funciona-miento de la instalacin.

La colocacin de un intercam-biador de calor entre un fluido ex-cedentario de calor y otro deficita-rio, desde un punto de vista mera-mente termodinmico, es bastantesencillo, por cuanto slo est limi-tado por el rango de temperaturasde ambos fluidos, ya que para queun fluido ceda calor a otro, el pri-mero ha de estar a mayor tempera-tura que el segundo.

Desde los puntos de vista ener-gtico y medioambiental, la mejorsolucin es colocar un intercam-biador de calor lo ms grande posi-ble que realice el mayor intercam-bio trmico permitido por las tem-peraturas de ambos fluidos, consi-guiendo as el mximo ahorro

1. Redes deintercambiadores de calor

Tecnologa pinch para eldiseo de redes deintercambiadores (I)Principios, reglas bsicas, suministros

C. J. Renedo Estbanez, P. Fernndez DezDpto. de Ingeniera Elctrica y Energtica.

E.T.S.I. Industriales de Santander

Este es el primero de una seriede artculos en los que se

desarrolla la tecnologa pinchpara el diseo de redes de

intercambiadores de calor, paraseguidamente introducir unaserie de modificaciones en la

misma para adaptarla asituaciones singulares, y

finalmente se presenta unaaplicacin prctica en una

instalacin con alguna de estasparticularidades.

Esta tecnologa busca aumentarla energa recuperada, con lo que

disminuye su consumo, a la vezque intenta minimizar el nmerode intercambiadores de calor y el

rea de stos, que son factoresque penalizan el control y laeconoma de la instalacin.

Ahorro Energtico

Ingeniera Qumicawww.alcion.es

INGENIERIA QUIMICA

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Figura 1. Representacin de un proceso industrial con una necesidad de calentamiento y otra de refrigeracin

Figura 2. Proceso de la figura 1 con un intercambiador de 6 MW, reduce el consumo energtico en los servicios auxiliares

Figura 3. Proceso de la figura 1 con un intercambiador de 2 MW; esta solucin es peor energticamente que la representada en la figura 2

Figura 4.Esquema de

una plantacon varias

lneas de produccin

que ser objeto de un amplio y con-cienzudo estudio econmico.

Normalmente, una gran instala-cin trmica no comprende unanica lnea caliente y otra nica l-nea fra, sino que pueden existiruna multitud de corrientes fluidasexcedentarias o deficitarias de ca-lor, por lo que la instalacin estarformada por varias lneas calientesy fras; esto implica unas necesida-des de calentamiento y refrigera-cin para cada uno de los fluidos,las cuales se suministran medianteuna serie de servicios auxiliares decalentamiento y refrigeracin, quea su vez conllevan gastos energti-cos y econmicos.

La colocacin de un intercam-biador entre una lnea caliente yotra fra, dentro de un proceso in-dustrial, es algo relativamente sen-cillo, pero lo que ya no lo es tantoes instalar una red de intercambia-dores de calor ptima dentro delproceso, ya que esto requiere unestudio muy cuidadoso, por cuantouna correcta seleccin de los inter-cambios trmicos elegidos entrelas lneas calientes y fras y la re-cuperacin energtica que se pro-duce en los mismos, implica unmayor o menor ahorro energtico yeconmico.

Al existir varias lneas calientesy fras hay multitud de opcionespara colocar los intercambiadores;encontrar la solucin ptima de laslneas que deben unir y la magni-tud de sus parmetros no es una so-lucin fcil. Esto puede observarseen la figura 4 en la que se ha repre-sentado una planta con tres proce-sos de aspecto similar al de la figu-ra 1, por lo que existen tres partesexcedentarias de calor y otras tresdeficitarias, motivo por el que haymultitud de posibilidades de reali-zar intercambios trmicos y encon-trar la posicin y tamao que losoptimice no es una solucin trivial.

Otros aspectos a considerar enel diseo de redes de intercambia-dores de calor pueden ser los si-guientes:

- La existencia de empareja-mientos de lneas trmicas no per-mitidos debido a:

La tecnologa pinch busca au-mentar la energa recuperada conlo que disminuye el consumo deenerga, a la vez que se intenta mi-nimizar el nmero de intercambia-dores de calor y el rea de stos,que son factores que penalizan elcontrol y, econmicamente, la ins-talacin de la red de intercambia-dores. Esta tecnologa permite f-cilmente establecer restriccionesen el diseo y una comprensin in-tuitiva para el diseador de la redde la transferencia de calor.

Para su mejor comprensin sedesarrolla un caso de un una insta-lacin industrial genrica que pre-senta dos lneas de produccin dis-tintas, cuyo esquema se representaen la figura 5, y cuyos parmetrosse indican en la Tabla I.

La primera lnea de produccin re-cibe como materia prima un fluidoque requiere calentamiento, que essuministrado en una caldera (Ca-lentamiento 1), para seguidamente serintroducido en un reactor (Reactor 1)en el cual se extraen productos de de-secho (Residuos 1) y un primer sub-producto que se refrigera en un servi-cio auxiliar (Refrigeracin 1). De aquse lleva en un segundo reactor(Reactor 2), del cual se extrae un pro-ducto secundario (Producto 2) y otrosegundo subproducto, que es calenta-do en una caldera (Calentamiento 2),para finalmente ser introducido enun tercer reactor (Reactor 3) delcual se extraen el producto princi-pal (Producto 1) y otro segundoproducto auxiliar (Producto 3).

La segunda lnea de produccintiene como materia prima otro flui-do, que inicialmente requiere ele-var su temperatura, lo que se reali-za en una caldera (Calentamiento3), a continuacin se introduce enun reactor (Reactor 4) del que seextraen residuos (Residuos 2) y unsubproducto que se refrigera en unservicio auxiliar (Refrigeracin 2)antes de introducirle en un ltimoreactor (Reactor 5) del que se ex-trae un producto auxiliar (Producto4) y un ltimo subproducto, que

2. Principios de latecnologa pinch

Las caractersticas fsicas dela instalacin.

La seguridad ante posiblesreacciones, si los fluidos se ponenen contacto.

La imposibilidad de encon-trar un material para el intercam-biador, que sea compatible conambos fluidos a la vez,

- La existencia de otros empare-jamientos obligatorios u aconseja-bles, que pueden estar motivados,entre otras causas, por la proximi-dad fsica de ambos fluidos.

- La flexibilidad o factibilidadde la red para funcionar con dife-rentes modos operativos; esto es

importante cuando se quieren inte-grar en una red de intercambiado-res varios procesos industriales.

- El control y puesta en marcha dela red de intercambiadores y de la ins-talacin resultante, requiere del estu-dio previo de cual debe ser la posicinde, al menos, un servicio de calenta-miento y otro de refrigeracin.

Todo esto hace que el proble-ma del diseo de una red de inter-cambiadores adquiera una difi-cultad importante y que el diseode la red ptima sea difcil de ase-gurar; de ah la importancia delmtodo empleado en la seleccinde la red de intercambiadores.

Ahorro Energtico

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mayo 03

Figura 5. Esquema

de la plantade produccincon los datossignificativos

LINEAS CALIENTES

L1 C1 L2 C2 L3 C3TEMP NEC. R C TEMP NEC. R C TEMP NEC. R C

C MW MWC C MW MWC C MW MWC

210 375 2,5 120 280 4 60 90 360 50 30

LINEAS FRAS

L4 F1 L5 F2 L6 F3TEMP NEC. R C TEMP NEC. R C TEMP NEC. R C

C MW MWC C MW MWC C MW MWC

250 630 3 110 160 2 150 400 440 30 50

Tabla I. Representacin en tablas de las lneas calientes y fras del ejemplo de lafigura 5

- En la columna de mximo serellena la primera casilla con el va-lor mximo de los acumulados ylas dems restando a este valor elacumulado de la fila.

Los resultados obtenidos de latabla problema son:

- Los mnimos servicios de ca-lentamiento necesitados en la redvienen dados por el valor de laprimera casilla de la columna demximo.

- Los mnimos servicios de re-frigeracin necesarios en la red secorresponden con el valor de laltima casilla de la columna demximo.

debe ser refrigerado en otro servi-cio auxiliar (Refrigeracin 3), mo-mento en el cual se consigue elproducto principal de esta lnea(Producto 5).

Cada lnea trmica se puede re-presentar en un diagrama tempera-tura-entalpa; en la figura 6 se re-presentan las lneas trmicas, pu-dindose representar el conjuntode las necesidades trmicas en undiagrama de curvas compuestas,una curva para las necesidades derefrigeracin, curva compuesta ca-liente, y otra para las necesidadesde calentamiento, curva compuestafra (Fig. 7).

Dado que el eje de entalpas esrelativo, las curvas compuestas sepueden posicionar en cualquier lu-gar del eje, pero siempre la calien-te por encima de la fra, lo que per-mite elegir al diseador de la red,basndose en su experiencia, la m-nima diferencia de temperatura en-tre ambas curvas, temperatura deaproximacin, T, parmetro degran influencia en la red.

De las curvas compuestas, sepueden deducir (Fig. 8):

- Las temperaturas pinch, quevienen fijadas por la temperaturade aproximacin en cada lneacompuesta.

- El mximo intercambio trmi-co que se puede realizar entre am-bas curvas; solapamiento verticalde las curvas compuestas.

- Los mnimos servicios de ca-lentamiento y de refrigeracin re-queridos en la instalacin; el exce-so al solapamiento vertical de lacurva fra por la derecha y el exce-so de la curva caliente por la dere-cha, respectivamente.

La gran influencia de la tempe-ratura de aproximacin viene dadaporque cuando sta se reduce, seaumenta la posibilidad de inter-cambiar ms calor y realizar mayorahorro energtico, pero se incre-menta el coste de los intercambia-dores, ya que stos deben tenerms rea de intercambio trmico altrabajar con saltos de temperaturamenores.

La tecnologa pinch propone re-

presentar estas curvas compuestasen una tabla problema, en la que sereflejan:

- Las temperaturas significati-vas de las lneas.

- Las capacidades calorficas decada lnea en el tramo correspon-diente de temperatura.

- Se calcula el dficit calricoen cada tramo de temperaturas, co-mo producto de la suma de capaci-dades calorficas fras, CF, menosla suma de las calientes, CC, porla amplitud de temperaturas deltramo.

- El acumulado del dficit, es lasuma de los dficit de todos los tra-mos de temperatura superiores.

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Figura 6. Lneas trmicas

Figura 7. Curvas compuestas

presentacin conjunta de la curvacompuesta fra y la curva com-puesta caliente. Para ello se partede las curvas compuestas (Fig.10.a), desplazando la curva com-puesta caliente hacia abajo T /2 yla curva compuesta fra hacia arri-ba tambin T /2 (Fig. 10.b), deforma que se encuentren en la tem-peratura media entre tCP y tFP. En lagran curva compuesta se represen-ta en la parte por encima del pinch,la diferencia de entalpas entre lacurva compuesta fra y la caliente,mientras que en la parte inferiordel pinch se representa la diferen-cia entre la curva compuesta ca-liente y la fra (Fig. 10.c); de estaforma, la entalpa del punto supe-rior de la curva corresponde a losservicios de calentamiento necesi-tados, y la del punto inferior a lasnecesidades de refrigeracin.

Las reglas bsicas de la tecnolo-ga pinch, para lograr la mximatrasferencia de calor, entre las lneascalientes y fras son:

- No se debe transferir energade la parte superior a la inferior delpinch, ya que esto atenta directa-mente contra la transferencia decalor en modo vertical, y todo in-tercambio trmico en este sentidoaumentar en la misma cuanta losservicios auxiliares de calenta-miento y refrigeracin.

- No se han de instalar servicios

3. Reglas bsicas de la tecnologa pinch

- Las temperaturas pinch son lastemperaturas de la fila en la que lacolumna de mximo se hace cero.

La Tabla II es la tabla problemapara las lneas trmicas de la figu-ra 5 con una temperatura de apro-ximacin de 20C.

Para lograr el mayor intercam-bio trmico entre las curvas com-puestas, el mtodo busca que latransferencia trmica se realice demodo vertical (Fig. 9). El puntoms problemtico para que estose pueda llevar a cabo est en elpinch, que es el punto en el que seda la mnima diferencia de tem-peraturas permitida entre ambaslneas.

Para que se produzca la transfe-rencia de calor en modo vertical, latecnologa divide el estudio de lared en dos partes que han de anali-zarse de modo independiente, unapor encima del pinch y otra por de-bajo.

La resolucin de la red de inter-cambiadores empieza por la partesuperior del pinch, seguidamentese contina con la inferior, paradespus proceder a unir ambas re-des y finalmente evolucionarlaspara buscar un nmero mnimo deintercambiadores con mxima re-cuperacin de energa.

Tambin es posible construir lagran curva compuesta, que es la re-

Ahorro Energtico

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Figura 8. Las curvas compuestas marcan las Temperaturas Pinch, mximo calor que puede intercambiarse y mnimosservicios auxiliares requeridos

L1-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Dficit Acum. Mximo

270 250 570210 190 3 180 180 390

2,5 170 150 3 20 200 370

2,5 130 110 3 4 180 380 190

2,5 120 100 3 2 4 65 445 125

2,5 4 70 50 3 2 4 125 570 02,5 4 60 40 3 2 -15 555 15

4 3 50 30 2 -50 505 65

3 30 10 -60 445 125

Tabla II. Tabla resultante para las lneas de la Figura 5 con una T=20C

Esto se fundamenta en que ca-lentar, por ejemplo, vapor a bajapresin es ms barato que calen-tar vapor a alta presin; y a suvez, el agua de refrigeracin esms barata cuanta mayor sea sutemperatura.

Estos incentivos econmicosson los que desplazan la carga des-de las temperaturas extremas haciatemperaturas intermedias; aunquelos suministros calientes se debencomunicar slo por encima delpinch, y los fros slo por debajodel pinch, ya que de no hacerse as,se penaliza energticamente la red.

El efecto de la realizacin de unsuministro sobre las curvas com-puestas se representa grficamenteen la figura 13.

- En la figura 13.a se observanlas curvas compuestas para un ca-so sin suministros.

- En la figura 13.b se aprecia c-mo al producir un suministro decalentamiento o refrigeracin no seincrementan los valores globalesde los servicios auxiliares, cuandoel suministro se realiza en el ladoadecuado del pinch.

- En la figura 13.c se ve clara-mente cmo al introducir serviciosde refrigeracin por encima delpinch se incrementa la necesidad

de refrigeracin por encima delpinch, ya que de realizarse as sedisminuye la posibilidad de recu-perar calor en las lneas calientes yse requerira incrementar el calorcomunicado a los servicios de ca-lentamiento la cantidad de calorque extrajo esta refrigeracin.

- No se han de colocar serviciosde calentamiento por debajo delpinch, de modo anlogo a lo ante-rior, ya que cualquier servicio decalentamiento bajo el pinch impli-ca un aumento de los servicios derefrigeracin en la cuanta del ca-lentamiento.

Estas reglas bsicas se represen-tan grficamente con ejemplos nu-mricos en la figura 11.

Para evitar transferir energa atravs del pinch, si lneas calientesdel mismo producto que llegan deprocesos diferentes, a distinta tem-peratura cada una de ellas, una atemperatura superior a la del pinchy otra a inferior, han de entrar jun-tas, por ejemplo, en un reactor auna temperatura inferior a la delpinch; en esta situacin, no se de-ben unir las dos lneas directamen-te para obtener una lnea con unatemperatura intermedia, ya que es-to puede significar un trasvase deenerga a travs del pinch (Fig.12.a), por lo que debe extraerse dela lnea ms caliente el calor sufi-ciente para que tenga la temperatu-ra del pinch, y despus proceder aunirlas (Fig. 12.b), evitando tras-vasar energa a travs del pinchcon la mezcla de las lneas.

Realizar un suministro consisteen desplazar parte del calor sumi-nistrado o extrado con los servi-cios auxiliares desde los rangos ex-tremos de temperaturas hacia tem-peraturas intermedias, lo que per-mite conseguir servicios de calen-tamiento a temperaturas inferioresy refrigeraciones a temperaturassuperiores. Esto debe hacerse res-petando la reglas bsicas, de modoque los suministros calientes debenrealizarse slo en el lado superiordel pinch, mientras que los froshan de realizarse nicamente en ellado inferior del mismo.

4. Suministros

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Figura 9. Transferencia de calor vertical

a.- Curvas compuestas

b.- Desplazamiento de las curvas compuestas T/2

c.- Gran curva compuesta

Figura 1O. Construccin de la gran curva compuesta

va justo a la parte inferior delpinch, lo que se consigue es lo in-dicado en la figura 14.c:

- No mejorar la energa recupe-rada por la red.

- No incurrir en excesivos cos-tes por modificar el suministro.

- Disminuir el rea de intercam-bio al aumentar el LMTD debajodel pinch.

El estudio de suministros se rea-liza mejor en la gran curva com-

de calentamiento en los serviciosauxiliares en igual cuanta que larefrigeracin introducida, y cmoal introducir servicios de calenta-miento bajo el pinch se incremen-tan los servicios de refrigeracininiciales en igual cantidad al calen-tamiento introducido.

El anlisis de las curvas com-puestas permite determinar si en elproceso se est introduciendo unsuministro caliente por debajo delpinch, o uno fro por encima; eneste caso habr que estudiar el tras-lado de estos suministros a la partecorrecta del pinch para minimizarlos servicios auxiliares de refrige-racin y calentamiento.

Si, por ejemplo, existe una lnea

caliente de vapor a baja presin de-bajo del pinch (Fig. 14.a), tal vez elproceso admita ciertas modifica-ciones, como, por ejemplo, extraerel vapor a alta presin sobre elpinch; los efectos conseguidos enesta situacin vienen representadasen la figura 14.b y son:

- Mayor energa recuperada porlos intercambiadores al eliminar su-ministros calientes bajo el pinch.

- Aumentar el coste de la instala-cin al cambiar un suministro de ba-ja presin a otro de alta presin.

- Aumentan el coste de los inter-cambiadores al aumentar el rea deintercambio por disminuir la LMTDentre las dos curvas compuestas.

Si este mismo suministro se lle-

Ahorro Energtico

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mayo 03

a) Mximo calor intercambiando y mnimos serviciosauxiliares requeridos

c) Incremento de los servicios de calentamiento al in-troducir una refrigeracin sobre el pinch

Figura 11. Representacin grfica de las reglas bsicas del mtodo pinch

R: Servicio auxiliar de refrigeracin / Ql: Calor intercambiado / QlSP: Calor Intercambiado sobre el pinchQlBP: Calor Intercambiado bajo el pinch / H: Servicio auxiliar de calentamiento

d) Incremento de los servicios de refrigeracin al intro-ducir un calentamiento bajo el pinch

b) Si se transfiere calor a travs del pinch se incremen-tan los servicios auxiliares

Figura 12. Unin de dos lneas calientes

a.- Si las lneas se unen directamente setraspasa energa a travs del pinch

b.- Se debe extraer energa de cada lneahasta la tCP y despus unirlas

a.- Curvas compuestas

b.- Curvas compuestas con un pinch de suministro caliente y otro fro

c.- Curvas compuestas con un pinch de suministro caliente y otro fro

Figura 13. Suministros de refrigeracin y de calenta-miento. Si el suministro se realiza en el lado adecuadodel pich (Fig. b), no se incrementa las necesidades glo-

bales de refrigeracin o calentamiento; pero s, si serealiza en el lado equivocado del pinch (Fig. c)

liente se realiza a la temperaturaextrema superior y la parte restan-te, a una temperatura inferior, ladel suministro. El efecto sobre latabla problema se observa en laTabla III.

Si sobre este mismo caso, se in-troduce un suministro fro por de-bajo de la temperatura del pinch,por ejemplo a la temperatura de30C, se tendran que extraer el ca-lor correspondiente al mximo deesa temperatura, 65 MW, de modo

puesta, ya que sobre sta se observacon facilidad el valor mximo quepuede alcanzar el suministro en fun-cin de la temperatura del mismo(Fig. 15.a), o en caso de que existansolapamientos verticales en la partesuperior o inferior de la curva, comoes el caso de la Figura 15.b), cul es latemperatura ms ventajosa para reali-zar un suministro, el ms cercano alpinch, el sealado en rojo, ya que ex-trae el mismo calor, pero a un niveltrmico menor que los otros posiblessuministros.

Los suministros tambin se pue-den observar en la tabla problema,de modo que si por ejemplo en elcaso de la Tabla II se introdujeraun suministro caliente, slo debehacerse para una temperatura supe-rior a la del pinch, por ejemplo a130C; el calor que se tendra queintroducir a la temperatura extremacaliente, 270C, debera ser el va-lor acumulado a esta segunda tem-peratura de suministro, 380 MW,inferior al calor total necesitado, deforma que parte del suministro ca-

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a.- Suministro de calor bajo el pinch b.- Traslado de un suministro caliente bajo el pinch a sobre el pinch

c.- Traslado de un suministro caliente bajo el pinch a justo bajo el pinch

Figura 14. Efectos al modificar la posicin de un suministro caliente

LC-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Df. Acum. Mx.

270 250 570 380210 190 3 180 180 390 200

2,5 170 150 3 20 200 370 1802,5 130 110 3 4 180 380 190 0 1902,5 120 100 3 2 4 65 445 125 1252,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0 02,5 4 60 40 3 2 -15 555 15 15

4 3 50 30 2 -50 505 65 653 30 10 -60 445 125 125

Tabla III. Tabla problema con un suministro caliente a 130C

LC-C1 L2-C2 L3-C3 tC tF L4-F1 L5-F2 L6-F3 Df. Acum. Mx.

270 250 570 380210 190 3 180 180 390 200

2,5 170 150 3 20 200 370 1802,5 130 110 3 4 180 380 190 0 1902,5 120 100 3 2 4 65 445 125 1252,5 4 70 50 3 2 4 125 570 0 02,5 4 60 40 3 2 -15 555 15 15

4 3 50 30 2 -50 505 65 0 653 30 10 -60 445 125 60

Tabla IV. Tabla problema con un suministro caliente a 130C, y otro fro a 30C

calor de los gases procedentes dela combustin hay que tener encuenta que las superficies que en-cuentren en su salida no tenganuna temperatura inferior a la delpunto de roco hmedo y/o cido,para evitar las condensaciones y laformacin de xidos.

Bombas de calor. Existen tresposibilidades de integrar bombasde calor en el proceso:

- La primera es aplicar trabajopara llevar calor de la parte supe-rior del pinch a esta misma parte,pero a mayor temperatura (Fig.17.a); esto implica que se disminu-yen los servicios auxiliares de ca-lentamiento.

- La segunda es aplicar trabajopara llevar calor de la parte inferiordel pinch a esta misma parte, peroa mayor temperatura (Figura 17.b);esto significa que hay que aumen-tar los servicios auxiliares de refri-geracin.

- La tercera es aplicar trabajopara llevar calor de la parte inferiordel pinch a la parte superior, lgi-camente a mayor temperatura(Figura 17.c), sta es la forma co-

que el resto del calor se extrajera ala temperatura extrema inferior,10C. El efecto sobre la tabla pro-blema aadido al efecto anterior,es el indicado en la Tabla IV.

Los motores trmicos y lasbombas de calor son elementosque suelen estar integrados en losprocesos industriales; en este apar-tado vamos a considerar una formade integrarlos para la aplicacindel mtodo pinch.

Motores trmicos. En los mo-tores trmicos existen tres posibili-dades de integracin en el proceso:

- La primera es tomar calor de laparte superior del pinch, producirtrabajo en el motor y llevar el calora la parte inferior (Fig. 16.a).

- La segunda es tomar calor dela parte superior del pinch, produ-cir trabajo en el motor y llevar elcalor a la parte superior a ms bajatemperatura, (Fig. 16.b).

5. Integracin demotores trmicos ybombas de calor

- La tercera es tomar calor de laparte inferior del pinch, producirtrabajo en el motor, y llevar el ca-lor a la parte inferior a ms bajatemperatura (Fig. 16.c).

Las dos ltimas formas se co-rresponden con una ubicacin co-rrecta del motor trmico, mientrasque la primera no lo es, porque im-plica trasvase de calor a travs delpinch, lo que incrementa los servi-cios auxiliares de calentamiento yrefrigeracin.

Respecto a la recuperacin de

Ahorro Energtico

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mayo 03

Figura 15. Deduccin de los calores a aportar al proceso por los sumi-nistros y por los servicios auxiliares

a) b)

a.- Integracin de un motor trmico atravesando el pinch

b.- Integracin de un motor trmico sobre el pinch

c.- Integracin de un motor trmico bajo el pinch

Figura 16. Posibilidades de integrar un motor trmico

Figura 17. Posibilidades de integrar una bomba de calor

a.- Integracin de una bomba de calor sobre el pinch

b.- Integracin de una bomba de calor bajo el pinch

c.- Integracin de una bomba de calor atravesando el pinch

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[23] Renedo, C.J. Optimizacin de InstalacionesTrmicas Industriales Mediante el Empleo deRedes de Intercambiadores de Calor Diseadaspor el Mtodo Pinch; mayo (2002).

rrecta ya que, aunque se trasvasecalor a travs del pinch, esto sehace de la parte inferior, que es laparte excedentaria del mismo ynecesita refrigeracin a la supe-rior, que es la parte deficitaria ynecesita calentamiento, con loque se consigue disminuir simul-tneamente los servicios auxilia-res de calentamiento y los de re-frigeracin.

Hay que tener en cuenta que elrendimiento de una bomba de calores mayor cuanto ms cercanas es-tn las temperaturas de ambasfuentes, por lo que la integracinde una bomba de calor en un pro-ceso ser tanto ms favorablecuando se tenga una gran diferen-cia de energa entre las regionessuperior e inferior del pinch a tem-peraturas prximas; esto se obser-va con claridad en la gran curvacompuesta (Fig. 18.a), y ser msdesfavorable si no se da esta situa-cin (Fig. 18.b).

Otras instalaciones trmicas.De todas formas no hay que perderde vista que, por ejemplo en plan-tas con cogeneracin con gas pue-de ser rentable trasvasar energa atravs del pinch si esto aumenta la

produccin de electricidad, y si elprecio de la energa elctrica gene-rada es superior al precio del gasconsumido.

En instalaciones con compre-siones y expansiones puede resul-tar interesante refrigerar antes de lacompresin y calentar antes de laexpansin, aunque se produzca enla zona incorrecta del pinch, ya querefrigerar antes de la compresinreduce el trabajo a aplicar al com-presor y calentar antes de la expan-sin aumenta el trabajo til obteni-do, por lo que cuando en una insta-lacin existen elementos que gene-ran o consumen trabajo hay que te-ner en cuenta el valor del mismoen funcin de la temperatura.

[1] Linnhoff, B. y Flower, J.R. "Synthesis of HeatExchanger Networks" AIChEJ, 24 633-653(1978).

[2 Boland, D. y Linnhoff, B. "The PreliminaryDesing of Networks for Heat Exchange bySystematic Methods" The Chemical Engineer,abril (1979).

[3] Linnhoff, B., Towsend, D.W., Boland, D.,Hewitt, G.F., Thomas, B.E.A., Guy, A.R.,Marsland, R.H., Flower, J.R., Hill, J.C., Turner,J.A. y Reay, D.A. A Users Guide on ProcessIntegration for the Efficient Use of EnergyInstitution of Chemical Engineers (1982).

[4] Linnnoff, B. y Hindmarsh, E. The Pinch de-sing Method for Heat exchanges Networks" ChemEng Sci, 38 pp 745-763 (1983).

[5] Linnhoff, B. y Vredeveld, D.R. "PinchTechnology Has Come of Age" ChemicalEngineering Prog; julio (1984).

[6] Ahmad, S. y Linnhoff, B. "Supertargeting:Different Process Structures for DiferentEconomics" World Congress ChemicalEngineeering (1986).

[7] Linnhoff, B. y Polley, G.T. "Stepping Beyondthe Pinch" The Chemical Engineer, febrero(1988).

[8] Ahmand, S., Linnhoff, B. y Smith, R. "CostOptimun Heat Exchanger Networks Comp andChem Eng Vol 14 N 7 (1990).

[9] Suaysompol, K. y Wood, R.M. "The FlexiblePinch Desing Method for Heat ExchangerNetworks" Trans I Chem E Vol 69; noviembre(1991).

[10] Linnhoff, B. Pinch Analysis - A State of theArt Overview, Trans IchemE, Vol 71, septiembre(1993).

[11] Linnhoff, B. Use Pinch Analysis to KnockDown Capital Cost and Emisions, ChemicalEngineering Progress, agosto (1994).

[12] Liebmann, K. y Dhole, V.R. "IntegratedCrude Distillation Design", Computers & ChemEngng, Vol 19, Suppl. (1995).

6. Bibliografa

INGENIERIA QUIMICA

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a.- Situacin favorable para una bomba de calor

b.- Situacin desfavorable para una bomba de calor

Figura 18. Posibles situaciones de la gran curva compuesta para integrar una bomba de calor