PINCH TECHNOLOGY. Il target può essere: minima area degli scambiatori minimo consumo di energia minimo costo annuo totale

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Franco Graziani
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1 PINCH TECHNOLOGY Obiettivo => ottimizzare i flussi energetici nel sistema i.e. trovare la migliore disposizione degli scambiatori di calore (energia) necessari per ottenere le temperature finali richieste. Il target può essere: minima area degli scambiatori minimo consumo di energia minimo costo annuo totale La rete comprenderà Scambiatori calore-calore Senza cambiamento di fase Con cambiamento di fase Altre unità Forni => energia chimica - calore Pompe di calore => lavoro - entalpia Turbine => entalpia => lavoro - 1 -

2 Concetti base Corrente => cambia il contenuto entalpico a parità di composizione e portata Es. 2 correnti: Ingresso e uscita da un reattore Testa e fondo di una colonna Corrente calda o Vapore di testa di una colonna o Fumi o Fluido di un ciclo termico Corrente fredda o Liquido di fondo colonna o Alimentazione ad un reattore o Fluido di un ciclo termico Forza motrice Costi d acquisto e di esercizio Legame tra forza motrice e costi - 2 -

una colonna o Fumi o Fluido di un ciclo termico Corrente fredda o Liquido di fondo colonna o Alimentazione ad

3 Capacità termica => W * c P (Mc p ) Corrente => Portata costante Calore specifico: L assunzione di C p costante può essere o meno pesante Per liquidi è di solito corretta Per gas meglio linearizzare a tratti Cambiamento di fase: Capacità termica uguale nel solo valore numerico al calore latente => salto termico unitario - 3 -

di solito corretta Per gas meglio linearizzare a tratti Cambiamento di fase:

4 Caso semplice: (Due correnti) M 1 C p1 = 400 W K -1 T 1 = 200 C T 2 = 40 C M 2 C p2 = 300 W K -1 t 1 = 60 C t 2 = 250 C Q 1 = 64 kw Q 2 = 57 kw E possibile ridurre la richiesta trasferendo calore tra due correnti? Inserisco un terzo scambiatore La quantità massima si ha per t 2 = T 1 In questo caso da M 1 C p1 (200 -T 2 ) = M 2 C p2 (200-60) => T 2 = 95 C => Q 1 = 25 kw =>Q 2 = 15 kw Terzo scambiatore => A 0 infinita (FM =0) - 4 -

Inserisco un terzo scambiatore La quantità massima si ha per t 2 = T 1 In questo caso da M 1 C p1 (200 -T 2

5 L area del terzo scambiatore dipende dalla differenza minima di Temperatura tra le due correnti T min = (T 1 t 2 ) Quale è il T min ottimale? => indicatore di costo Se T min = 10 C => T 2 = C => Q 1 = 25 kw => Q 2 = 18 kw - 5 -

6 COSTRUZIONE DELLE CURVE TEMPERATURA - ENTALPIA H = Mc p (T T 0 ) => La scelta di T 0 è arbitraria (es = 0) In un diagramma Temperatura - Entalpia ciascuna corrente può essere rappresentata facendo riferimento alle due temperature estreme senza riferimento al valore dell'entalpia C kw N.B. La curva calda è più fredda della fredda - 6 -

riferimento alle due temperature estreme senza riferimento al valore dell'entalpia.

7 Il valore rilevante è la variazione di entalpia => Le curve possono essere traslate T min 150 C kw La distanza verticale minima tra le curve è il valore di T min - 7 -

150 C 100 100 50 50 0 0 20 40 60 80 100 0 kw La

8 Il diagramma consente di visualizzare le quantità di calore da fornire dall esterno e quelle recuperate. Al variare di T variano tutte e tre le grandezze L unica variabile indipendente è T - 8 -

9 DIVERSE CORRENTI Se è presente in uno stesso intervallo di temperatura più di una corrente le capacità termiche possono essere sommate. La curva risultante rappresenta la quantità di calore da fornire (rimuovere) dall intero sistema

10 Esempio: 4 correnti: Corrente T i T O MC p C C kw/k C C H H Intervalli e valori Hot Cold Temperature T MC phot H Hot MCp Duty Cold HCold Duty C kw/k kw kw kw/k kw kw

0 25 3.0 75.0 0.0 0.0 155 435.0 5 4.5 22.5 0.0 0.0 150 412.5 542.5 10 4.5 45.0 4.0 40.0 140 367.5 502.5 60 4.5 270.

11 Le distanze tra le curve alle due estremità indicano i valori minimi di carico termico, da fornire con i fluidi ausiliari caldi e freddi. Questi valori costituiscono la richiesta energetica minima del sistema. Nella maggior parte delle reti di scambio termico la minima differenza di temperatura si verifica in un solo punto che prende il nome di "PINCH"

Questi valori costituiscono la richiesta energetica minima del sistema.

12 SIGNIFICATO DEL "PINCH" T Q Consideriamo i flussi termici nelle varie zone: Zona 1: Sistema (caldi) => Esterno - calore = Q C Zona 2: Sistema (caldi) => Sistema (freddi) - calore = 0 Zona 3:? Zona 4: Sistema (caldi) => Sistema (freddi) - calore = 0 Zona 5: Esterno => Sistema (freddi) - calore = -Q H

=> Sistema (freddi) - calore = 0 Zona 3:?

13 Rispetto all esterno il "pinch' divide il sistema in due distinte regioni termodinamiche: al di sopra (pozzo caldo): calore -Q H dalla sorgente calda ai fluidi freddi al di sotto (pozzo freddo): calore Q C dai fluidi caldi alla sorgente fredda. Q H T Q C Q I due sottosistemi sono termicamente isolati

ai fluidi freddi al di sotto (pozzo freddo): calore Q C dai fluidi caldi

14 Regole auree del pinch: Non fornire calore alla zona fredda (al di sotto del pinch) q Q C +q Non sottrarre calore dalla zona calda (al di sopra del pinch) Q H +q q Non trasferire calore tra le due zone (attraverso il pinch) Q H +q q Q C +q

zona calda (al di sopra del pinch) Q H +q q Non trasferire

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