Mecanica
Páginas: 6 (1277 palabras)
Publicado: 26 de junio de 2011
DIVISION DE INGENIERIAS CAMPUS IRAPUATO – SALAMANCA
DISEÑO DE UNA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR PARA UN PROCESO INDUSTRIAL
González Hernández José Luis
Diagnóstico y Optimización Energética Salamanca, Gto. 11/04/2011 Prof.: Dr. Víctor Hugo Rangel Hernández
Definición delproblema
En el presente proyecto se trata de seleccionar intercambiadores para calentar distintos flujos de una planta industrial que dispone de una red de vapor ya instalada o diseñada. Un esquema del proceso se muestra en las figuras 1,2 y 3.
El vapor producido por las calderas puede turbinarse produciendo trabajo o mandarse directamente a la planta para su consumo. Las necesidades depotencia mecánica por parte de la industria es de 30MW. Como esta potencia no puede producirse íntegramente con las turbinas también hay instalados motores eléctricos que consumen energía eléctrica de la red. En la figura se indican los límites de producción y rendimientos de los equipos y los costos unitarios de los recursos consumidos. También se anotan la presión y la temperatura de saturaciónaproximada de los distintos niveles.
Para satisfacer las demandas térmicas del proceso se dispone de varias opciones. Existen tres cargas a temperaturas diferentes: 175°C, 140°C y 100°C. Considérese como ejemplo el caso de la primera. Podemos utilizar vapor de alta y/o de media, pero no vapor de baja, instalando los intercambiadores apropiados. Una estimación previa nos ha permitido calcular que sisolo utilizáramos vapor de alta consumiríamos 30kg/s. En caso de utilizar solo vapor de media se requerirían 40kg/s. También podemos utilizar los dos tipos de vapor simultáneamente siempre que satisfagan la condición:
[pic]
Utilizando argumentos similares y los datos de la figura se formulan las restricciones:
[pic]
[pic]
Para las cargas de 140°C y 100°C, respectivamente.
Loscostos de amortización de los intercambiadores a instalar se estiman proporcionales a su superficie de intercambio. A partir de la ecuación cinética simplificada:
[pic]
Donde [pic] es la temperatura de saturación del vapor procedente de la red y T la temperatura de consumo, se obtiene:
[pic]
[pic]
Donde [pic], es el costo de amortizacion del intercambiador, m (kg/s) la masa de vaporque condensa en el mismo y [pic]una constante cuyo valor se ha estimado en 100. Así el costo para los intercambiadores potenciales que atenderán la carga térmica a 175°C puede expresarse como:
[pic]
Y para las otras dos cargas térmicas:
[pic]
[pic]
El resto de las restricciones y la función objetivo se comprenderán fácilmente revisando los datos de las figuras 1,2 y 3.
[pic]Figura 1. Esquema del proceso para el análisis del problema.
[pic]
Figura 2. Condiciones de los drenados para las corrientes de baja, media y alta, respectivamente.
[pic]
Figura 3. Esquema para la red de intercambio de calor para los drenados de alta, media y baja.
Análisis del proceso
De la figura 1. Se puede observar que el proceso opera con dos calderas, una que opera a alta presión, yla segunda que opera a una presión media, cada una de estas dos calderas alimenta una turbina y una fracción del vapor es extraída para obtener por medio de una red de intercambio de calor tres corrientes a diferentes temperaturas requeridas para el proceso.
El costo por producción de vapor en la primer caldera esta dado en $/TON, como el flujo a la salida de la caldera esta en unidades dekg/s, se obtiene el costo de producción de vapor en unidades de $/kg.
[pic]
El flujo a la salida de la primer caldera está limitado a máximo 70 kg/s. Del cual una parte de este flujo se va a la turbina de alta presión y la otra parte es extraída para las corrientes de 175°C, 140°C y 100°C, respectivamente
[pic] (11) [pic] (12)
El...
DISEÑO DE UNA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR PARA UN PROCESO INDUSTRIAL
González Hernández José Luis
Diagnóstico y Optimización Energética Salamanca, Gto. 11/04/2011 Prof.: Dr. Víctor Hugo Rangel Hernández
Definición delproblema
En el presente proyecto se trata de seleccionar intercambiadores para calentar distintos flujos de una planta industrial que dispone de una red de vapor ya instalada o diseñada. Un esquema del proceso se muestra en las figuras 1,2 y 3.
El vapor producido por las calderas puede turbinarse produciendo trabajo o mandarse directamente a la planta para su consumo. Las necesidades depotencia mecánica por parte de la industria es de 30MW. Como esta potencia no puede producirse íntegramente con las turbinas también hay instalados motores eléctricos que consumen energía eléctrica de la red. En la figura se indican los límites de producción y rendimientos de los equipos y los costos unitarios de los recursos consumidos. También se anotan la presión y la temperatura de saturaciónaproximada de los distintos niveles.
Para satisfacer las demandas térmicas del proceso se dispone de varias opciones. Existen tres cargas a temperaturas diferentes: 175°C, 140°C y 100°C. Considérese como ejemplo el caso de la primera. Podemos utilizar vapor de alta y/o de media, pero no vapor de baja, instalando los intercambiadores apropiados. Una estimación previa nos ha permitido calcular que sisolo utilizáramos vapor de alta consumiríamos 30kg/s. En caso de utilizar solo vapor de media se requerirían 40kg/s. También podemos utilizar los dos tipos de vapor simultáneamente siempre que satisfagan la condición:
[pic]
Utilizando argumentos similares y los datos de la figura se formulan las restricciones:
[pic]
[pic]
Para las cargas de 140°C y 100°C, respectivamente.
Loscostos de amortización de los intercambiadores a instalar se estiman proporcionales a su superficie de intercambio. A partir de la ecuación cinética simplificada:
[pic]
Donde [pic] es la temperatura de saturación del vapor procedente de la red y T la temperatura de consumo, se obtiene:
[pic]
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Donde [pic], es el costo de amortizacion del intercambiador, m (kg/s) la masa de vaporque condensa en el mismo y [pic]una constante cuyo valor se ha estimado en 100. Así el costo para los intercambiadores potenciales que atenderán la carga térmica a 175°C puede expresarse como:
[pic]
Y para las otras dos cargas térmicas:
[pic]
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El resto de las restricciones y la función objetivo se comprenderán fácilmente revisando los datos de las figuras 1,2 y 3.
[pic]Figura 1. Esquema del proceso para el análisis del problema.
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Figura 2. Condiciones de los drenados para las corrientes de baja, media y alta, respectivamente.
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Figura 3. Esquema para la red de intercambio de calor para los drenados de alta, media y baja.
Análisis del proceso
De la figura 1. Se puede observar que el proceso opera con dos calderas, una que opera a alta presión, yla segunda que opera a una presión media, cada una de estas dos calderas alimenta una turbina y una fracción del vapor es extraída para obtener por medio de una red de intercambio de calor tres corrientes a diferentes temperaturas requeridas para el proceso.
El costo por producción de vapor en la primer caldera esta dado en $/TON, como el flujo a la salida de la caldera esta en unidades dekg/s, se obtiene el costo de producción de vapor en unidades de $/kg.
[pic]
El flujo a la salida de la primer caldera está limitado a máximo 70 kg/s. Del cual una parte de este flujo se va a la turbina de alta presión y la otra parte es extraída para las corrientes de 175°C, 140°C y 100°C, respectivamente
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El...
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