Operaciones Unitarias 𝑰𝑰
6
Caso de estudio:
Indicaciones:

El trabajo debe entregarse impreso y quemado en un DVD (simulación, diapositivas y
documento en Word o pdf) y defenderse mediante una exposición en un plazo de 2 semanas
desde el día que se lo asigno.
Diseño de recuperadores de calor de un sistema de refrigeración – calor y potencia:
La figura 1 se describe el proceso de la planta propuesta. El biogás producido en un biodigestor va a
la cámara de combustión del EFMT. El EFMT produce electricidad y energía térmica en sus gases de
combustión. La energía térmica se utiliza para producir refrigeración en el ARS. El sistema de absorción
requiere un flujo de agua caliente a 95 ° C que se obtiene en un intercambiador de calor de agua
caliente (HWHE, por sus siglas en inglés) donde el gas de combustión proviene del EFMT. El calor
restante se utiliza para producir agua caliente a 55 ° C utilizando otro intercambiador de calor de agua
(WHE). La primera configuración propuesta (caso base) requiere el EFMT, el ARS, un HWHE y un
WHE. La segunda configuración agrega un precalentador (PH) en el circuito de agua caliente del ARS,
que aumenta la potencia térmica para impulsar el sistema de absorción. La temperatura final del gas
de combustión liberado a la atmósfera es de 60 ° C, que está por encima de su temperatura de punto
de rocío. De este modo se evita el condensado en las piezas de escape. Además de los servicios de
energía del proceso de AD, los servicios finales de este sistema son electricidad, refrigeración y agua
caliente, formando una planta de CCHP que también puede considerarse como una planta de
microturbinas multiservicio (MMP).
Figura N°1. Diagrama de bloques del sistema de CCHP propuesto.
La microturbina ET10 es el elemento principal del sistema propuesto. De acuerdo con los datos de
diseño de Compower, las salidas nominales del EFMT deben ser de 5 kWel y 17 kWth, pero a partir de
las mediciones en un prototipo, se encontró que la potencia eléctrica es de un máximo de 2 kW. El
motivo fue un ajuste incorrecto de la turbina y el compresor [11]. Los componentes de la microturbina
encendida externamente se muestran en el diagrama de EFMT que se muestra en la Figura 2. Son un
compresor (C), una turbina (T), un intercambiador de calor de alta temperatura (HTHE) y un quemador
de gas natural con la opción de operar biogás (COM). El generador eléctrico (G) está acoplado al mismo
eje que el compresor y la turbina. El ciclo térmico comienza en el compresor donde se comprime el aire
de la atmósfera. El aire comprimido va al lado de aire (frío) del HTHE, donde recibe calor del lado
caliente del intercambiador de calor. El aire caliente comprimido sale del HTHE y entra en la turbina
donde se expande, produciendo un par que gira el eje. La corriente de aire de salida de la turbina aún
está caliente, pero la presión se reduce para estar cerca de la presión atmosférica. El aire de salida se
mezcla con el gas de combustión a alta temperatura de la cámara de combustión. Este gas es el
producto de la combustión que tiene lugar a la presión atmosférica. La mezcla va al lado de gas
(caliente) del intercambiador de calor de alta temperatura para transferir calor al aire comprimido.
Finalmente, el gas de combustión puede ir a un intercambiador de calor de agua o
a otro sistema
que requiera calor. La velocidad de rotación del eje de la turbina puede variar en el rango de 110,000
a 160,000 rpm [34], [35]. El elemento clave en el ciclo de la microturbina es el HTHE. Si su capacidad
de transferencia de calor es alta, la temperatura de entrada de la turbina (TIT) se puede aumentar (dado
que el material HTHE puede soportar esa temperatura) y, por lo tanto, se puede mejorar la eficiencia
del ciclo [12]. La especificación del ET10 EFMT establece un límite de temperatura de 650 C (923.15
K) para la temperatura de entrada del lado caliente en el HTHE debido a las limitaciones de temperatura
del material [35]. El HTHE es un intercambiador de calor de contraflujo con cabezales transversales
con placas corrugadas optimizado para una baja caída de presión [12].
Figura N°2. Diagrama de microturbina de combustión externa (EFMT)
2.3 Sistema de refrigeración por absorción - ARS
La figura 3 muestra un diagrama y los componentes principales del ARS. El sistema de refrigeración
de accionamiento térmico seleccionado requiere un flujo de agua caliente (a unos 95 ° C) que va al
generador (GT) del ciclo de absorción donde se calienta un fluido de trabajo (mezcla de absorbente y
refrigerante). Provoca la evaporación del fluido con un alto nivel de concentración de refrigerante,
mientras que dentro del generador permanece una "solución débil", que consiste principalmente en
absorbente. El refrigerante evaporado en caliente pasa a través de un condensador (CON), una válvula
de expansión (EV2) y un evaporador (EVA) de la misma manera que en un sistema de refrigeración de
compresor de vapor convencional. Tiene un absorbente (AB), donde el refrigerante expandido se
mezcla con la "solución débil" que produce la absorción del refrigerante (por el absorbente) en el fluido
de trabajo. La corriente que sale del absorbedor lleva el fluido de trabajo a la bomba pequeña (P) donde
se aumenta la presión del fluido. Luego, el fluido se precalienta en el intercambiador de calor
regenerativo (RHE) mediante la corriente de "solución débil" caliente que se deposita en el generador.
Finalmente, la "solución débil" caliente que sale del RHE pasa a través de la válvula de expansión (EV1)
para reducir su presión y mezclarse en el absorbente para el siguiente ciclo. El ARS PC19 también
necesita un circuito de rechazo de calor (agua a 24 ° C o menos) para la disipación de calor en el
condensador, mientras que otro circuito (agua fría) es necesario para el flujo de frío. El sistema puede
producir enfriamiento a diferentes temperaturas, mientras que su COP calculado a partir de la
información de la hoja de datos es de alrededor de 0,65.
Figura N°3. Diagrama del sistema de absorción de refrigeración (ARS)
El EFMT puede trabajar con biogás en bruto. Debido a esta ventaja, este combustible es considerado
en el presente trabajo. Un análisis detallado de la producción de biogás está fuera del alcance de este
trabajo, por lo que la composición supuesta del biogás es una mezcla de 35% de CO2 y 65% de
volumen de CH4 / volumen (v / v). Las huellas de otras sustancias quedan desatendidas.
Figura N°4. Diagrama de flujo construido en sistema CCHP
Para este sistema convencional CCHP se realizara una calibración del sistema en su totalidad para
lograr una recuperación de calor óptima en todo el proceso, para lo cual se determinara:
a. Los cálculos para hallar los coeficientes corregidos, coeficientes globales de transferencia de
calor limpio y de diseño, como también el factor de obstrucción y caídas de presión de las
unidades HWHE y WHE.
b. Realizar un análisis térmico de todo el sistema mediante el cálculo de las potencias térmicas
requeridas en todo el ciclo.
c. Realice una Optimización térmica – económica – productiva de los intercambiadores de calor
empleando la herramienta EDR (𝐴𝑠𝑝𝑒𝑛 𝐸𝑥𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑒𝑟 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑎𝑛𝑑 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔)
d. Genere manuales de diseño y construcción de las unidades óptimas.
e. Calcular la potencia eléctrica del ciclo.
f.
El CTA – UMSS se cuenta con un sistema de calor y potencia y para la puesta en marcha previo
a su instalación se requiere hacer un relevamiento de cargas de los laboratorios, para lo cual
haga un estudio total de las cargas de todos los sistemas eléctricos de los laboratorios para
determinar a cuanto podrá abastecer de energía la microturbina de combustión interna si la
potencia nominal es de 33KW.
Unidad HWHE:
INTERCAMBIADOR HWHE
Lado de la coraza
Lado de los tubos
𝐷𝐼 = 8,071[𝑖𝑛]
𝑁𝑡 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 = 31
𝐵 = 𝐸𝑝𝑎𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 3,5433 [𝑖𝑛]
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 53,15 [𝑖𝑛]
𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 1
𝐷𝐸 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 0,75 [𝑖𝑛]
𝑇𝑖𝑝𝑜 𝑇𝐸𝑀𝐴 = 𝐵𝐸𝑀
𝐵𝑊𝐺 = 18
𝐴𝑅𝑅𝐸𝐺𝐿𝑂 = 𝑃𝑇
= 0,9375 𝑑𝑒 [𝑖𝑛] 𝑒𝑛 𝑇𝑟𝑖𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜
𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 4
Unidad WHE:
INTERCAMBIADOR WHE
Lado de la coraza
Lado de los tubos
𝐷𝐼 = 8,071[𝑖𝑛]
𝑁𝑡 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 = 30
𝐵 = 𝐸𝑝𝑎𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 47,24 [𝑖𝑛]
= 16,1417 [𝑖𝑛]
𝐷𝐸 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 0,75 [𝑖𝑛]
𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 1
𝐵𝑊𝐺 = 18
𝑇𝑖𝑝𝑜 𝑇𝐸𝑀𝐴 = 𝐵𝐸𝑀
𝐴𝑅𝑅𝐸𝐺𝐿𝑂 = 𝑃𝑇
= 0,9375 𝑑𝑒 [𝑖𝑛] 𝑒𝑛 𝑇𝑟𝑖𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜
𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 6