Upload
hana-alihodzic
View
96
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Integracija procesa
Citation preview
1
● Kod projektiranja održivih tehnoloških procesa, uvijek se razmatra više različitih alternativa i odabire optimalna u odnosu na efikasno iskorištavanje prirodnih resursa sirovine/energije i zadovoljavanja kriterija zaštite okoliša. To je vrlo kompleksan i poticajan zadatak, koji zahtjeva multidisciplinaran pristup. U tomu vrlo značajnu ulogu imaju sustavske metode koje se uspješno koriste za sintezu i projektiranje integralnih procesnih sustava.
● Sustavska analiza se općenito definira kao skup metoda i postupaka koji se primjenjuju
za dizajniranje procesa. Pritom se može koristiti hijerarhijski i holistički pristup.
● Suština hijerarhijskog pristupa je fragmentiranje složene strukture procesa u jednostavnije i poboljšavanja procesne strukture na svakoj pojedinačnoj razini. Kod ovog
pristupa poznat je Model lukovice.
● Kod holističkog pristupa sustav se promatra kroz procese funkcioniranja cjeline, a ne
njegovih izdvojenih dijelova, tj. primjenjuje se integracija procesa. To znači da se
razmatra interakcija između pojedinih jediničnih procesa i operacija od samog početka,
prije optimizacije svake jedinice odvojeno. Ovaj pristup je vrlo koristan za određivanje
optimalnog iskorištenja energije/topline i mase u samom procesu i to primjenom Pinch
analize.
● Treći pristup predstavlja kombinaciju hijerarhijskog i holističkog pristupa s metodom
matematičkog programiranja.
8. SINTEZA I INTEGRACIJA PROCESA
2 2
● procesni projekt se razvija slojevito, počevši od centralne procesne jedinice, CPU
(engl. Central Process Unit)
● ovisno o tehnološkom procesu koji se želi razviti, CPU može biti reaktor,
bioreaktor, ekstraktor,...) i predstavlja unutrašnji ili prvi sloj "lukovice"
● sustavi odjeljivanja ili separacije predstavljeni su drugim slojem
● treći sloj modela lukovice sadrži mrežu izmjenjivača topline čije su toplinske
dužnosti određene potrebama centralne procesne jedinice i potrebama separacijskih
jedinica
● topline koje se ne mogu rekuperirati u mreži izmjenjivača, trebaju se dovesti izvana
u obliku vodene pare, rashladne vode i dr. i sadržane su u četvrtom sloju lukovice.
8.1. Hijerarhijski pristup - model lukovice (engl. Onion Model)
3 3
separacija i
recirkulacija
mreža izmjenjivača
topline
energija dovedena
izvana
osnovna procesna
jedinica
Hijerarhijski pristup
dizajn osnovne procesne jedinice, CPU (reaktor, bioreaktor, ekstraktor,...)
dizajn sustava za separaciju
dizajn mreže izmjenjivača
topline
dizajn sustava za dovod energije
izvana
Shematski prikaz modela lukovice
CPU
4 4
8.2. Holistički pristup u integraciji procesa - Pinch analiza
5 5
Integracija procesa predstavlja holistički pristup optimalnom dizajnu održivih i ekonomski
isplativih tehnologija. Ovim pristupom razmatra se interakcija između različitih jediničnih
procesa i operacija od samog početka, prije optimizacije svake jedinice odvojeno, tj. u
proizvodnom sustavu se ne promatraju pojedinačni dijelovi tog sustava, već se promatra kroz
procese funkcioniranja cjeline. Integracija procesa se može podijeliti na integraciju topline i
integraciju mase.
integracija procesa
integracija topline integracija mase
Integracijom topline pronalazi se optimalno iskorištenje topline u samom procesu i
smanjuje potreba vanjskog izvora energije.
Integracijom mase pronalazi se optimalno iskorištenje mase u separacijskim procesima u
kojima dolazi do izmjene tvari.
Integracije topline i mase primjenjuju tzv. pinch tehnologiju ili analizu na temelju koje su
razvijene mnoge metode za sintezu mreže izmjenjivača topline i mreže izmjene mase.
Takav pristup integracije topline pri projektiranju mreže izmjenjivača naziva se HEN
Design (engl. Heat Exchange Network), a za mrežu izmjene mase MEN Design (engl.
Mass Exchange Network).
6
Pinch analiza ili pinch tehnologija - tehnika integracije čijom primjenom se računaju
dostižljivi ciljevi za dani proces i utvrđuje se kako ih postići. Time se već u preliminarnoj
fazi projektiranja novih procesa dobiva uvid u energijske, materijalne i investicijske
troškove. Pinch analiza upućuje na optimalno korištenje i očuvanje prirodnih sirovina i
pridonosi održivom razvoju. Upravo to pinch analizu čini atraktivnijom u odnosu na
tradicionalne metode projektiranja.
Pinch tehnologija se zbog energijske krize sedamdesetih godina prošlog stoljeća, najprije
počela primjenjivati za toplinsku analizu procesa i integraciju energije. Krajem osamdesetih i
početkom devedesetih godina prošlog stoljeća, koncept pinch analize za povrat
(rekuperaciju) topline se počeo primjenjivati i za sintezu optimalne mreže uređaja za
separaciju tvari, u kojima se iz koncentriranih procesnih i/ili otpadnih struja odvajaju
(separiraju) otopljene tvari u druge struje unutar procesa ili u struje dovedene izvana. Isto
tako postaje sve značajnija tehnika za sustavsku analizu i optimizaciju potrošnje vode u
tehnološkim procesima.
Danas se pinch postupak sve više primjenjuje i za analizu i poboljšanje postojećih
postrojenja.
7 7
Pinch analiza u integraciji topline i sintezi mreže izmjenjivača se temelji na proračunu
termodinamički dostižljivih energijskih ciljeva, koji se postižu optimizacijom sustava za
rekuperaciju topline, izborom načina opskrbe energijom i radnih uvjeta procesa.
Princip integracije topline se može ilustrirati jednostavnim primjerom. Na slici je
shematski prikazan proces s jednom hladnom i jednom toplom procesnom strujom i njihov
temperaturno - entalpijski dijagram (T-H dijagram). Struja reaktanta se prije ulaska u reaktor
zagrijava vodenom parom, a struja produkta se hladi vodom u izmjenjivačima topline. Iz
temperaturno - entalpijskog dijagrama za obje struje se vidi kolike su potrebe za dovod i
odvod topline.
8.3. Sinteza mreže izmjenjivača topline pinch analizom
Pinch analiza omogućava da se na samom početku dizajna procijeni:
● maksimalno iskorištenje energije
rekuperacijom, MER (engl. Maximum Energy Recovery)
● minimalna energija koju treba dovesti izvana.
Da se zadovolje ovi ciljevi, dizajnira se mreža izmjenjivača topline, HEN (engl. Heat
Exchanger Network), koja se optimizira minimiziranjem ukupnih godišnjih investicijskih i
energijskih troškova.
8 8
Shematski prikaz procesa s jednom hladnom i jednom toplom procesnom strujom i njihov T-H dijagram.
200
100
90
80
QRV
QVP
H, kW
T, oC
Reaktor
200 oC80 oC 90 oC
ProizvodReaktant
Vodena para
Rashladna voda
QRV = toplina rashladne vode, kW
QVP = toplina vodene pare, kW
QREC200
100
90
80
QRV
QVP
H, kW
T, oC
9 9
Poboljšana shema procesa s T-H dijagramom procesnih struja.
200
100
90
80
QRV
QVP
H, kW
T, oC
Reaktor
200 oC80 oC 90 oC
ProizvodReaktant
Vodena para Rashladna voda
10 10
Broj struja u industrijskim procesima je velik, pa se pinch tehnologijom nastoji procijeniti
optimalna ekonomska isplativost u preliminarnoj fazi dizajniranja mreže izmjenjivača. Pri
tome se u prvom koraku utvrđuju tople i hladne struje u procesu s danim početnim i ciljanim
stanjima (temperatura, protok, tlak, fazno stanje).
P
T1T P
T2T P
T3T P
nTT
P
H1T C
H1T
P
H2T C
H2T
P
H3T C
H3T
P
nHT C
nHT
C
T1T C
T2T C
T3T C
nTT
nepoznata mreža
izmjenjivača topline
Tople procesne struje
Hla
dn
e p
roce
sne
stru
je
gdje su:
nT - broj toplih struja
TPT - početne temperature toplih struja, ºC
TCT - ciljane temperature toplih struja, ºC
nH - broj hladnih struja
TPH - početne temperature hladnih struja, ºC
TCH - ciljane temperature hladnih struja, ºC
Shematski prikaz integracije topline: tople i hladne
procesne struje s početnim i ciljanim temperaturama.
11 11
Shematski prikaz unutrašnje i pomoćne mreže izmjenjivača topline.
Tople procesne strujeTople procesne struje
Hladne Hladne
procesne procesne
strujestruje
PomoPomoćć na mrena mrežž aa
(hl(hlaađđ enje enje
rashladnom vodom)rashladnom vodom)
PomoPomoćć na mrena mrežž aa
(grijanje vodenom parom)(grijanje vodenom parom)
?
Kada se izmjenom topline između toplih i hladnih struja ne mogu postići ciljane temperature,
potrebni su dodatni izmjenjivači topline za grijanje i/ili hlađenje dovodom energije
izvana pomoću pomoćnih medija, kao što su npr. vodena para i rashladna voda.
Izmjenjivači topline u kojima se izmjenjuje toplina između toplih i hladnih procesnih struja
čine unutarnju, a oni između toplih ili hladnih struja i pomoćnih medija dovedenih izvana,
pomoćnu mrežu izmjenjivača topline, kao što je prikazano na slici.
12 12
8.3.1. Koraci pinch analize
a) definiranje broja i karakteristika procesnih struja
- tople
- hladne - pomoćne struje
PcmC
● TP - početna temperatura, oC
● TC - ciljana temperatura, oC
● C - kapacitivna brzina za svaku struju, kW oC-1.
gdje je:
- maseni protok, kg s-1
cp - specifični toplinski kapacitet, kJ kg-1 oC-1
● promjena entalpije ∆H struje koja prolazi kroz izmjenjivač:
P CΔH Q C (T T ) .
m
(1)
(2)
13 13
b) izbor početne ∆Tmin vrijednosti
∆Tmin vrijednosti predstavlja usko grlo u rekuperaciji topline.
U literaturi se mogu naći iskustvene ∆Tmin vrijednosti za izmjenu topline u različitim
industrijskim procesima, a neke od njih su prikazane u tablici za izmjenjivače tipa snop
cijevi u plaštu.
Tablica 1. Iskustvene ∆Tmin vrijednosti
---------------------------------------------------------------
Industrijska grana ∆Tmin,
0C
----------------------------------------------------------------
Rafinerije 20 – 40
Petrokemijska industrija 10 – 20
Kemijska industrija 10 – 20
Nisko temperaturni procesi 3 – 5
-----------------------------------------------------------------
Iskustvene ∆Tmin vrijednosti.
14 14
c) definiranje ciljeva minimalnih energijskih troškova
● grafička metoda
● analitička metoda temperaturnih intervala
d) definiranje ciljeva investicijskih troškova mreže izmjenjivača
e) određivanje optimalne ∆Tmin vrijednosti
f) dizajniranje mreže izmjenjivača topline.
metode koje se temelje na
termodinamičkim principima
metode koje primjenjuju linearno i
nelinerano programiranje
15 15
8.3.2. Grafička metoda
Princip metode: grafički prikazati promjene entalpijskih protoka s temperaturom za svaku
od struja.
konstrukcija tople
kompozitne krivulje
T, oC
H, kW
T1T1
T2T2
T, oC
H, kW
T1T1
T2T2
T1 + T2T1 + T2
C
1
ΔH
)T(Tpravcanagib
PC
T-H dijagram za tople struje.
T-H dijagram za toplu kompozitnu krivulju
(krivulja hlađenja).
Tople struje
Metodu su uveli Umeda et al. 1978.
16 16
T, oC
H, kW
H1H1
H2H2
T, oC
H, kW
H1H1
H2H2
H1 + H2H1 + H2
T-H dijagram za hladne struje. T-H dijagram hladne kompozitne krivulje
(krivulja grijanja).
Hladne struje
konstrukcija hladne
kompozitne krivulje
17 17
Pinch → temperatura pri kojoj se dvije
kompozitne krivulje najviše približavaju
QHmin → minimum izvana dovedene energije
za hlađenje
QTmin → minimum izvana dovedene energije
za grijanje
QREC → maksimalna toplina koja
se može rekuperirati
T, oC
H, kW
QREC QTminQHmin
T, oC
H, kW
QREC QTminQHmin
T, oC
H, kW
QREC QTminQHmin
Pinch
∆Tmin → raste
DTmin → 0
Crtanje zajedničkog T-H dijagrama za hladnu i toplu kompozitnu krivulju
18
Na temelju podataka o procesnim strujama danih u Tablici odrediti pinch grafičkom
metodom uz ΔTmin = 10 oC na primjeru mreže izmjenjivača topline.
Podaci o procesnim strujama.
br. vrsta struje TP, oC TC, oC
kapacitivna
brzina
C, kW oC-1
toplinski tok
ΔH, kW
1 topla, T1 260 160 3,0 300
2 topla, T2 250 130 1,5 180
3 hladna, H1 120 235 2,0 -230
4 hladna, H2 180 240 4,0 -240
TP-TC,
oC
100
120
-115
-60
DC
P
T
T
CP )T(TCdTCHQ
Primjer 1: Određivanje pincha grafičkom metodom
19
a-1) Grafički prikaz promjene entalpijskih
protoka s temperaturom za tople struje
a-2) Crtanje tople
kompozitne krivulje
100
150
200
250
300
0 200 400 600DH, kW
T,
oC
T1T2
ΔH,
kW
T, oC
0 130
45 160
450 250
480 260
100
150
200
250
300
0 200 400 600DH, kW
T,
oC
T2
T1T1+T2
40545 30
Krivulja hlađenja
20
0
100
200
300
0 200 400 600DH, kW
T,
oC
H1H2
a-4) Crtanje hladne
kompozitne krivulje
ΔH,
kW
T,
oC
0 120
120 180
450 235
470 240
0
100
200
300
0 200 400 600DH, kW
T,
oC
H2H1+H2
H1
120 20330
Krivulja grijanja
a-3) Grafički prikaz promjene entalpijskih
protoka s temperaturom za hladne struje
21
100
150
200
250
0 200 400 600
DH, kW
T, o
C T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
50 kW
T2
100
150
200
250
0 200 400 600
DH, kW
T,
oC
T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
T2
PINCH - temperatura pri kojoj se dvije kompozitne
krivulje najviše približavaju
QHmin - min
izvana dovedena
energija
za hlađenje
QREC - max toplina koja se
može rekuperirati
ΔTmin =10 oC
QTmin - min izvana
dovedena energija za
grijanje
QTmin = 50 kW
QHmin = 60 kW
PINCH = 180 oC
a-5) Crtanje tople i hladne kompozitne krivulje uz DTmin = 10oC
22
Podaci o procesnim strujama.
br. vrsta struje TP, oC
TC,
oC
toplinski tok
ΔH, kW
kapacitivna
brzina
C, kW oC-1
1 topla, T1 250 40 31,5 0,15
2 topla T2 200 80 30,0 0,25
3 hladna, H1 20 180 32,0 0,20
4 hladna H2 140 230 27,0 0,30
TP-TC
oC
210
120
-160
-90
Na temelju podataka o procesnim strujama datih u Tablici odrediti pinch grafičkom metodom
uz ΔTmin = 10 oC na primjeru mreže izmjenjivača topline.
Primjer 2: Određivanje pincha grafičkom metodom
23
0
100
200
300
0 20 40 60 80DH, kW
T,
oC
T1
T2
a-1) Grafički prikaz promjene entalpijskih
protoka s temperaturom za tople struje
a-2) Crtanje tople
kompozitne krivulje
ΔH,
kW
T, oC
0 40
6 80
54 200
61,5 250
0
100
200
300
0 20 40 60 80
DH, kW
T,
oC
T2
T2
T1+T2
6 48 7,5
7.5 kW
24
0
100
200
300
0 20 40 60 80DH, kW
T,
oC
H1
H2
a-4) Crtanje hladne
kompozitne krivulje
ΔH,
kW
T,
oC
0 20
24 140
44 180
59 230
a-3) Grafički prikaz promjene entalpijskih
protoka s temperaturom za hladne struje
0
100
200
300
0 20 40 60 80DH, kW
T,
oC
H2
H1+H2
H1
24 20 15
25
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
DH, kW
T,
oC
T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
DH, kW
T,
oC
T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
PINCH - temperatura pri kojoj se dvije kompozitne
krivulje najviše približavaju
QHmin - min
izvana
dovedene
energije za
hlađenje
QREC - max toplina koja se može
rekuperirati
ΔTmin =10 oC
QTmin - min izvana
dovedene energije za
grijanje
QTmin = 7,5 kW
QHmin = 10 kW
PINCH = 145 oC
a-5) Crtanje tople i hladne kompozitne krivulju uz DTmin = 10oC
26
8.3.3. Analitička metoda temperaturnih intervala
Numerička metoda za određivanje "pinch" temperatura i MER ciljeva ● Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne
Tint = Tstv – (DTmin /2) za toplu struju
Tint = Tstv + (D Tmin /2) za hladnu struju
Tint = Tstv - DTmin
Tint = Tstv ili
● Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki temperaturni interval
"i" izračuna entalpijski protok ΔHi (tablični dijagram temperaturnih intervala i entalpijskih protoka).
.kW90145)(1753)T(T)C(CΔH 101HTi
(Razvili su je Linnhoff i Flower 1978. na temelju pionirskog rada Hofmanna 1971.)
175
145
140
85
55
25
1 2 3 4
C=3C=1 C=2 C=4.5
redoslijed
temperatura
ΔTi
oC
struje u intervalu
(CT - CH)
W oC-1
ΔHi
kW
suvišak (s),
manjak (m)
175 - - - - -
145 30 (1) 3 90 s
140 5 (1+2) - (4) (3+1) - (4,5) = 0,5 -2,5 m
85 55 (1+2) - (3+4) (3+1) - (2 + 4,5) = -2,5 -137,5 m
55 30 (1+2) - (3) (3+1) - (2) = 2 60 s
25 30 (2) - (3) (1) - (2) = -1 -30 m
C=4,5
(3)
(4)
27 27
Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temperaturni interval. To znači da se suvišak od
prvog intervala od 30 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.
Najveći manjak jest - 50 kW, te se upravo 50 kW topline treba dovesti na vrh kaskade.
Pinch temp.
QHmin minimum izvana
dovedene energije za
hlađenje
QTmin minimum izvana
dovedene energije za
grijanje
● Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca.
Toplinski tok u kaskadi = 0 = PINCH, tj. nema prijenosa topline preko pincha, ako se želi ostvariti max.
iskorištenje energije i min. dovod energije izvana.
Kaskadni dijagram temperaturnih intervala
90
-137,5
60
-30
-2,5
90
-2,5
-137,5
60
-30
90
87,5
-50
10
-20
90
-2,5
-137,5
60
-30
140
137,5
0,0
60
30
50
145 oC
175 oC
140 oC
85 oC
55 oC
25 oC
28
b-1) Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne
Tint = Tstv - DTmin
Tint = Tstv
Zadani ΔTmin = 10 oC.
br. vrsta struje stvarne temperature
T,stv, oC
intervalne temperature
Tint, oC
1 topla, T1 260 160 250 150
2 topla, T2 250 130 240 120
3 hladna, H1 120 235 120 235
4 hladna H2 180 240 180 240
Za toplu struju:
Za hladnu struju:
Primjer 3: Određivanje pincha analitičkom metodom temperaturnih intervala
Na temelju podataka zadanih u Tablici odrediti pinch analitičkom metodom temperaturnih
intervala uz izračunavanje Tint za toplu struju Tint = Tstv – DTmin, a za hladnu Tint = Tstv.
Podaci o procesnim strujama.
29
b-2) Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki
temperaturni interval "i" izračunava entalpijski protok ΔHi (Tablica)
250
240
235
180
150
120
1 2 3 4
C=3
C=1.5
C=2C=4
250
240
235
180
150
120
redoslijed
temperatura
ΔTi, oC
struje u intervalu (CT - CH),
kW oC-1
ΔHi , kW
suvišak ili
manjak
250 - - - - -
240 10 (1) 3 30 s
235 5 (1+2) - (4) (3+1,5) - (4) = 0,5 2,5 s
180 55 (1+2) - (3+4) (3+1,5) - (2 + 4) = -1,5 -82,5 m
150 30 (1+2) - (3) (3+1,5) - (2) = 2,5 75 s
120 30 (2) - (3) (1,5)-(2) = -0,5 -15 m
gdje je:
ΔTi - razlika temperature u intervalu i, oC
CH - kapacitivna brzina hladnih struja, kW oC-1
CT - kapacitivna brzina toplih struja, kW oC-1
ΔHi - prenesena toplina u intervalu i, kW.
DHi = (CT-CH) ΔTi C=1,5
(5)
30
-82,5
75
-15
2,5
30
2,5
-82,5
75
-15
30
32,5
-50
25
10
30
2,5
-82,5
75
-15
80
82,5
0,0
75
60
Pinch točka
minimum topline
hladnog pomoćnog
medija
minimum topline
toplog pomoćnog
medija
250 oC
240 oC
235 oC
180 oC
150 oC
120 oC
50
Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temp. interval. To znači da se suvišak od
prvog intervala od 30 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.
b-3) Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca
30
Najveći manjak jest - 50 kW, te se upravo 50 kW energije treba dovesti na vrh kaskade.
Toplinski tok u kaskadi = 0 = PINCH, tj. nema prijenosa topline preko pincha, ako se želi ostvariti max. iskorištenje
energije rekuperacijom i min. dovoda energije izvana.
31
Zadani ΔTmin = 10 oC.
br. vrsta struje stvarne temperature
Tstv , oC
intervalne temperature
Tint, oC
1 topla, T1 250 40 245 35
2 topla, T2 200 80 195 75
3 hladna, H1 20 180 25 185
4 hladna, H2 140 230 145 235
b-1) Postojeće početne i ciljane temperature se prevode u intervalne
Tint = Tstv – (DTmin /2)
Tint = Tstv + (D Tmin /2)
za toplu struju:
za hladnu struju:
Primjer 4: Određivanja pincha analitičkom metodom temperaturnih intervala
Na temelju podataka zadanih u Tablici odrediti pinch analitičkom metodom
temperaturnih intervala uz izračunavanje Tint za toplu struju Tint = Tstv – (DTmin/2), a za
hladnu Tint = Tstv + (DTmin/2.)
Podaci o procesnim strujama.
32
b-2) Intervalne temp. se poredaju po veličini od najveće prema najmanjoj, te se za svaki
temperaturni interval "i" izračunava entalpijski protok Hi (Tablica)
gdje je:
ΔTi - razlika temperatura u intervalu i, oC
CH - kapacitivna brzina hladnih struja, kW oC-1
CT - kapacitivna brzina toplih struja, kW oC-1
ΔHi - prenesena toplina u intervalu i, kW
DHi = (CT-CH) ΔTi 245
235
195
185
145
75
35
25
1 2 3 4
C=0.15
C=0.25
C=0.2C=0.3
redoslijed
temperatura
DTi oC
struje u intervalu
(CT - CH)
kW oC-1
DHi
kW
suvišak
ili
manjak
245 - - - - -
235 10 (1) 0,15 1,5 s
195 40 (1) - (4) (0,15) - (0,3) = -0,15 -6 m
185 10 (1+2) - (4) (0,15+0,25) - (0,3) = 0,1 1 s
145 40 (1+2) - (3+4) (0,15+0,25) - (0,2+0,3) = -0,1 -4 m
75 70 (1+2) - (3) (0,15+0,25) - (0,2) = 0,2 14 s
35 40 (1) - (3) (0,15) - (0,2) = -0,05 -2 m
25 10 -(3) -0,2 -2 m
C=0,15 C=0,2
C=0,25 C=0,3
33
Kaskade pokazuju prijenos topline s višeg na niži temp. interval. To znači da se suvišak od prvog
intervala od 1,5 kW prenosi na drugi interval, i tako redom.
Najveći manjak jest - 7,5 kW, te se upravo 7,5 kW energije treba dovesti na vrh kaskade.
Pinch
QHmin
minimum izvana
dovedene energije
za hlađenje
QTmin
minimum izvana
dovedene energije za
grijanje
b-3) Formiranje kaskada temperaturnih intervala unutar kojih se provodi toplinska bilanca
1,5
1
-4
14
-2
-2
-6
1,5
-6
1
-4
14
-2
-2
1,5
-4,5
-3,5
-7,5
6,5
4,5
2,5
1,5
-6
1
-4
14
-2
-2
9,0
3,0
4,0
0,0
14
12
10
7,5 245 oC
235 oC
195 oC
185 oC
145 oC
75 oC
35 oC
25 oC
34
Prikladan način povezivanja izmjenjivača je REŠETKA.
KRITERIJI za sintezu mreže izmjenjivača:
- nema prijenosa topline kroz pinch
- nema izvana dovođenja hlađenja iznad pincha
- nema izvana dovođenja grijanja ispod pincha
- jedna na toploj strani pincha (ili iznad pincha)
- druga na hladnoj strani pincha (ili ispod pincha).
Pinch T1 TP
T2 TP
TP H1
TP H2
TC
TC
TC
TC
iznad pincha ispod pincha - okomite linije- područje pincha
- vodoravne linije - procesne struje s
početnim i ciljanim temp.:
- tople su na vrhu, smjer
- hladne su ispod, smjer
- izmjenjivač
- nedopušteni prijenos topline ili
grijanje/hlađenje pomoćnim medijem
Da se podrži min. dovođenja topline izvana, dizajniraju se dvije odvojene mreže:
8.3.4. Izvedba mreže izmjenjivača ispod i iznad pincha
34
35 35
Sinteza mreže izmjenjivača
● prvo se dizajnira mreža iznad pincha, a zatim ispod pincha
● definiraju se struje koje će se spajati ili križati
HT
TH12
CC
)C(CQΔTΔT
H1T21 TTΔT
H2T12 TTΔT
a) iznad pincha - spajanje započinje s temperaturnom razlikom ∆T1= ∆Tmin
HT
THmin2
CC
)C(CQΔTΔT
min2 TΔT D
min1 TΔT DCT CH
razlika temperature na hladnom kraju izmjenjivača topline
razlika temperature na toplom kraju izmjenjivača topline
TT2 ∆T1
TT1
TH2 TH1 ∆T2
Q
T, oC
H, kW
PinchPinch
DTmin
H1H1
T1T1
CCTT CCHH
NeizvedivoNeizvedivo
DT1 < DTmin
T, oC
H, kW
PinchPinch
DTmin H2H2
T1T1
CCTT CCHH
IzvedivoIzvedivo
DT1 > DTmin
36 36
HT
THmin1
CC
)C(CQΔTΔT
min1 TΔT D
min2 TΔT DCT CH
b) ispod pincha - spajanje započinje s temperaturnom razlikom ∆T2= ∆Tmin
T, oC
H, kW
PinchPinch
DTminH1H1
T2T2
NeizvedivoNeizvedivo
DT2< DTmin
CCTT CCHHT, oC
H, kW
PinchPinch
DTmin
H1H1
T1T1
CCTT CCHH
IzvedivoIzvedivo
DT2 > DTmin
Na temelju rezultata prethodnog zadatka u kojem je određeno da je minimum prijenosa
topline 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na hladnoj strani, a pinch se javlja pri 180 oC, dizjanira se mreža izmjenjivača topline ispod i iznad pincha prema podacima
prikazanim na slici.
Primjer 5: Izvedba mreže izmjenjivača topline ispod i iznad pincha
250
240
235
180
150
120
T1 T2 H1 H2
C=3
C=1.5
C=2C=4
250
240
235
180
150
120
Podaci o procesnim strujama.
C=3 C=2
C=1,5 C=4
37
38
Pinch T1
T2
235 oC
240 oC
180 oC
180 oC
190 oC
190 oC
Tp = 250 oC
Tp = 240 oC
250
240
235
180
150
120
T1 T2 H1 H2
C=3
C=1.5
C=2C=4
250
240
235
180
150
120
(CT CH)
Struja T1 → Struja H2 (ali ne i Struji H1)
Struja T2 → Struji H1 i Struji H2
Struja T1
DH = 3 (250 -180) = 210 kW
Struja T2
DH = 1,5 (240 -180) = 90 kW
Struja H1
DH = 2 (180 - 235) = - 110 kW
Struja H2
DH = 4 (180 - 240) = - 240 kW
Pinch
Minimum prijenosa topline je 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na hladnoj strani.
Pinch se javlja pri 180 oC.
c-1) Sinteza mreže izmjenjivača iznad pincha
210 kW
90 kW
20 kW
30 kW
1
1
2
2
232,5 oC
225 oC
C=3 C=2
C=1,5 C=4
39
Pinch
H1
160 oC
130 oC
190 oC
180 oC
190 oC
H2
Tp = 120 oC
Tp = 180 oC
250
240
235
180
150
120
T1 T2 H1 H2
C=3
C=1.5
C=2C=4
250
240
235
180
150
120
(CT CH)
Struja H2 - na temp. pincha
Struja T1 → Struja H1
Struja T2 → Struja H1 (?)
Pinch
Struja T1
DH = 3 (180-150) = 90 kW
Struja T2
DH = 1,5 (180-120) = 90 kW
Struja H1
DH = 2 (120-180) = -120 kW
Struja H2 je na temperaturi pinch-a.
c-2) Sinteza mreže izmjenjivača ispod pincha
90 kW
30 kW 60 kW
3
3
4
4
165 oC
170 oC
C=3 C=2
C=1,5 C=4
C=3 C=2
C=1,5 C=4
Pinch T1
T2
235 oC
240 oC
180 oC
180 oC
190 oC
190 oC
Tp = 250 oC
Tp = 240 oC
210 kW
90 kW
20 kW
30 kW
1
1
2
2
232,5 oC
225 oC
H1
160 oC
130 oC
190 oC
180 oC
190 oC
H2
Tp = 120 oC
Tp = 180 oC
90 kW
30 kW 60 kW
3
3
4
4
165 oC
170 oC
Predložena shema
mreže
izmjenjivača uz
ΔTmin = 10 oC
235 oC
120 oC
1 180 oC 232,5 oC
260 oC
240 oC
190 oC
250 oC
225 oC
190 oC 160 oC
165 oC
170 oC
130 oC
210 kW 30 kW
20 kW 90 kW 90 kW 30 kW
60 kW
2 3 4
H2
T1
H1
T2
40
Na temelju rezultata prethodnog zadatka u kojem je određeno da je minimum prijenosa topline
7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na hladnoj strani, a pinch se javlja pri 145 oC, dizajnira
se mreža izmjenjivača topline ispod i iznad pincha prema podacima prikazanim na slici.
Primjer 6: Izvedba mreže izmjenjivača topline ispod i iznad pincha
Podaci o procesnim strujama.
245
235
195
185
145
75
35
25
1 2 3 4
C=0.15
C=0.25
C=0.2C=0.3
C=0,15 C=0,2
C=0,25 C=0,3
41
42
1
2
Pinch
185 oC
235 oC
(CT CH)
Struja T1 → Struja H1 i Struji H2
Struja T2 → Struja H2
Pinch
Minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na hladnoj
strani. Pinch se javlja pri 145 oC.
c-1) Sinteza mreže izmjenjivača iznad pincha
245
235
195
185
145
75
35
25
1 2 3 4
C=0.15
C=0.25
C=0.2C=0.3
Struja T1
DH = 0,15 (245-145) = 15 kW
Struja T2
DH = 0,25 (195-145) = 12,5 kW
Struja H1
DH = 0,2 (145-185) = - 8 kW
Struja H2
DH = 0,3 (145-235) = - 27 kW
8 kW 7 kW
12,5 kW
7,5 kW
1
2
15 kW
12 kW 0,5 kW
7,5 kW
Pinch
185 oC
235 oC
2
2
3
3
1
1
? 1
1
2
2
3
3
C=0,15 C=0,2
C=0,25 C=0,3
42
43
43
3
4
Pinch
35 oC
75 oC
Pinch
c-2) Sinteza mreže izmjenjivača ispod pincha
245
235
195
185
145
75
35
25
1 2 3 4
C=0.15
C=0.25
C=0.2C=0.3
Struja H2 - na temp. pincha
Struja T2 → Struja H1
Struja T1 → Struja H1 (?)
Struja T1
DH = 0,15 (145-35) =16,5 kW
Struja T2
DH = 0,25 (145-75) =17,5 kW
Struja H1
DH = 0,2 (25-145) = - 24 kW
Struja H2 je na temperaturi pincha-a.
6,5 kW
17,5 kW
10 kW
3
4
16,5 kW
7,5 kW 10 kW
Pinch
35 oC
75 oC
5
5
4
4
57,5 oC
?
Minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani,
odnosno 10 kW na hladnoj strani. Pinch se javlja pri 145 oC.
4
4
5
5
(CT CH)
C=0,15 C=0,2
C=0,25 C=0,3
44
Pinch
3
4
35 oC
75 oC
6,5 kW
17,5 kW
10 kW 5
5
4
4
8 kW 2
7 kW 3
6,5 kW 5 T1
H1
17,5 kW 4
H2
12,5 kW
1
7,5 kW
T2
10 kW
Predložena shema mreže
izmjenjivača uz ΔTmin = 10 oC.
1
2
185 oC
235 oC
8 kW 7 kW
12,5 kW
7,5 kW
2
2
3
3
1
1
45 45
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
H, kW
T,
oC
Projektiranje pomoćnih postrojenja - velika kompozitna krivulja
"džepovi"
"pockets"
QHmin
QTmin
Pinch
Velika kompozitna krivulja omogućuje
ekonomičan odabir pomoćnih sredstava za
odvođenje i dovođenje topline (rashladna voda
RV, visokotlačna para VP, srednjetlačna para
SP, niskotlačna para NP)
RV
SP
QREC
VP "džepovi" - rekuperirana toplina, QREC
8.3.5. Velika kompozitna krivulja
DH, kW
cijena VP > cijena SP > cijena NP > cijena RV
46
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
H, kWT
, oC
Y os X os
Primjer 7: Izvedba velike kompozitne krivulje
Na temelju rezultata metode temperaturnih intervala prikazanih u prethodnom zadatku u kojem
je određeno da je minimum prijenosa topline je 50 kW na toploj strani, odnosno 60 kW na
hladnoj strani, a pinch se javlja pri 180 oC, dizajnira se velika kompozitna krivulja.
DH, kW
47
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
H, kW
T,
oC
100
150
200
250
0 200 400 600
H, kW
T,
oC
T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
50 kW
T2
Pinch
60 kW
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
T,
oC
"džepovi" -
"pockets"
QHmin
QTmin
Pinch
QHmin
QTmin
- "džepovi" - rekuperirana toplina, QREC
QREC
Usporedba tople i hladne kompozitne krivulje s velikom kompozitnom krivuljom
DH, kW DH, kW
48
Y os X os
Primjer 8: Izvedba velike kompozitne krivulje
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15
H, kWT
, oC
Na temelju rezultata metode temperaturnih intervala prikazanih u prethodnom zadatku u kojem
je određeno da je minimum prijenosa topline je 7,5 kW na toploj strani, odnosno 10 kW na
hladnoj strani, a pinch se javlja pri 145 oC, dizajnira se velika kompozitna krivulja.
DH, kW
49
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15
H, kWT
, oC
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
DH, kW
T,
oC
T1+T2
T1
H1
H1+H2
H2
"džepovi" -
"pockets"
QHmin
QTmin
Pinch
QHmin
QTmin
QREC
"džepovi" - rekuperirana toplina, QREC
Usporedba tople i hladne kompozitne krivulje s velikom kompozitnom krivuljom
DH, kW
DH, kW
50 50
8.3.6. Određivanje optimalnog ΔTmin
ΔTK
QA
ΔTmin →0 površina A raste
investicija raste
ΔTmin →raste površina A smanjuje
potreba za energijom dovedenom izvana raste
T, oC
H, kW
QREC QTminQHmin
Optimalna vrijednost ∆Tmin je ona vrijednost koja odgovara minimumu krivulje ukupnih troškova.
ukupni troškovi
energijski troškovi
investicijski troškovi
DTmin
Godišnji troškovi
Optimum DTmin
(6)
51 51
Godišnja investicija za izmjenjivač topline će biti:
itpgit, IiI
gdje je:
Iit,g - godišnja investicija za izmjenjivač topline, n. j.
Iit - ukupna investicija za izmjenjivač, n. j.
ip - prihvatljiva stopa godišnjeg povrata investicije.
Ako se umjesto investicije uzme nabavna cijena svih izmjenjivača sadržanih u
mreži izmjenjivača, tada će godišnji trošak biti:
i j
Pjit,Uiit,git, CCiC
gdje je.
Cit,g - godišnji trošak vezan za nabavnu cijenu izmjenjivača topline, n. j. g-1
Cit,Ui - nabavna cijena i-tog izmjenjivača u unutarnjoj mreži, n. j.
Cit,Pj - nabavna cijena j-tog izmjenjivača u pomoćnoj mreži, n. j.
(7)
(8)
52 52
Ako se za grijanje koristi vodena para, a za hlađenje rashladna voda, godišnji se trošak
može izračunati iz sljedećeg izraza:
rvrvvpvpgE, cmcm C
gdje je:
CE,g - godišnji trošak za utrošenu energiju za grijanje i hlađenje, n. j. g-1
- godišnji maseni protok vodene pare, kg g-1
cvp - jedinična cijena vodene pare, n. j. kg-1
- godišnji maseni protok rashladne vode, kg g-1
crv - jedinična cijena rashladne vode, n. j. kg-1.
Ukupni godišnji troškovi se dobiju zbrajanjem godišnjih investicijskih i pogonskih troškova:
rvrvvpvp
i j
Piit,Uiit,gu, cmcmCCiC
Razvijeni su mnogi postupci da se optimizira gornja jednadžba. Jedan od najšire
korištenih pristupa koristi proceduru u dva stupnja:
● dizajnira se mreža izmjenjivača topline za koju treba minimum izvana
dovedene energije (MER mreža)
● smanjuje se broj izmjenjivača topline prema minimumu.
vpm
rvm
(9)
(10)
53 53
Nabavna cijena izmjenjivača topline veće površine će biti:
z
1
2it,1it,2
A
ACC
gdje je:
Cit,2 - nabavna cijena izmjenjivača topline površine A2, n. j.
Cit,1 - nabavna cijena izmjenjivača topline površine A1, n. j.
z - empirijski eksponent za izračunavanje cijene uređaja različitih kapaciteta (z < 1), -
Ovisnost ukupnih godišnjih troškova o ∆Tthres.
DTmin DTthres
ukupni
godišnji
troškovi
investicijski
troškovi troškovi energije
dovedene izvana
Ako se pri izmjeni topline između toplih i hladnih struja ne pojavljuje pinch točka, to su
tzv. problemi treshold, tada treba izvana dovesti samo grijanje ili samo hlađenje.
Kada je ∆Tmin ≤ ∆Tthres, ne treba
tražiti minimum sume investicijskih
troškova i troškova dovedene energije
izvana.
(11)