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Ingeniería de Procesos y Plantas Químicas Tema: Intercambio de energía 1/27 INTERCAMBIO TÉRMICO

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Tema: Intercambio de energía

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INTERCAMBIO TÉRMICO

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Tema: Intercambio de energía

2/48 Intercambio térmico Contacto directo

Grados de libertad:

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Tema: Intercambio de energía

3/48 Caudal de mezcla NO es manipulable

(a)

(b)

Figura 7. 1 a y b Alternativas de control sin manipulación del caudal de salida

¿Puede interferir el lazo de temperatura con el de caudal?

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Tema: Intercambio de energía

4/48 Relación variable controlada-manipulada

c f out

c c f f out out

m m m

m h m h m h

+ =

+ =

B. Materia

B. Entalpía

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Tema: Intercambio de energía

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Tcaliente

T fría

0 20% 40% 60% 80% 100%Relación mc / (mc+mf)

T m

ezc

la

Relación caudales constante

( )cout f c f

c f

mh h h h

m m= + −

+( )c

out f c fc f

mT T T T

m m= + −

+

c f outCp Cp Cp≈ ≈

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Tema: Intercambio de energía

6/48 Sensibilidad de la temperatura frente a variaciones de caudal

¿Cómo sería empleando válvulas de dos vías?

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Control por mezcla directa mediante válvulas de dos vías.

¿Puede interferir el lazo de temperatura con el de caudal? ¿Cómo deben de ser las válvulas?

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Tema: Intercambio de energía

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Contacto indirecto

• Intercambiador • Enfriador

o Condensador • Calentador

o Reboiler o Evaporador (vaporizador)

proceso autorregulado

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Tema: Intercambio de energía

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líquido

vapor

líquido

termopar

vaina

TC

tiempo muerto tiempo muerto

retraso en la medida

proceso de control lento: retardo + tiempo muerto

Medidas con poco ruido

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(sin cambio de fase) Intercambiador ambas corrientes de proceso

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(sin cambio de fase) Intercambiador ambas corrientes de proceso

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Tema: Intercambio de energía

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Lista CVs-MVs

Variables controladas Variables manipuladas Temperatura salida caliente(Tc2) Caudal de proceso caliente (entrada o

salida) Temperatura salida fría (Tf2) Caudal de proceso frío (entrada o salida) Caudal de proceso caliente (entrada ó salida)

Caudal de proceso f río (entrada ó salida)

Tabla 7. 1

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(sin cambio de fase) Calentador/enfriador una corriente de proceso y una auxiliar

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(sin cambio de fase) Calentador/enfriador una corriente de proceso y una auxiliar

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Lista CVs-MVs

Variables controladas Variables manipuladas Temperatura (T) Caudal de proceso (entrada o salida) Caudal de proceso (entrada ó salida) Carga térmica Tabla 7. 1

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Ecuaciones

mQ UA T= Δ

c c c1 c2 f f f2 f1Q = m * C * (T - T ) = m * C * (T - T )

f1 c2 c2 f1m

f1 c2 c2 f1

(T - T ) - (T - T )Tln[(T - T ) / (T - T )]

Δ = 4 ecuaciones y 6 incógnitas:

c2 f2 m f cQ ,T ,T , T , m ,mΔ

Una corriente de proceso y una auxiliar

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Los dos grados de libertad son de las variables:

f c m , m Una fijará la producción (carga) y la otra la temperatura.

Se considera el fluido de proceso el fluido caliente

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 10 6

35

40

45

50

55

60

65

70

CAUDAL DE REFRIGERANTE (kg/h)

TEMPERATURA SALIDA DE PROCESO (C)

CAUDAL PROCESO 30000kg/hCAUDAL PROCESO 32000kg/hCAUDAL PROCESO 34000kg/hCAUDAL PROCESO 36000kg/hCAUDAL PROCESO 38000kg/h

Ganancias

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Respuesta ante perturbaciones

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18x 106

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

CAUDAL DE REFRIGERANTE (kg/h)

TEMP ENTRADA PROCESO (C)

CAUDAL-TEMPERATURA ENTRADA PROCESO

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18x 106

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

CAUDAL DE REFRIGERANTE (kg/h)

TEMP SALIDA DE REFRIGERANTE (C)

CAUDAL-TEMPERATURA DE REFRIGERANTE

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By-pass fluido caliente

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By-pass fluido frío

¿Es igual de efectivo que el by-pass caliente?

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Con cambio de fase Con vapor condensante

f f f2 f1 c

f2 f1 c f f

Q = m * C * (T - T ) = mT T ( m / m ) / C

λ

λ= +Teniendo en cuenta: Proponer otro esquema de control

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Con cambio de fase Con vapor condensante

Para atender a perturbaciones en el caudal

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Purgador de boya o flotador

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Control mediante inundación del cambiador

Actúa sobre el área de intercambio.

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Para evitar perturbaciones debidas a una presión en el colector de condensado que pueda ser excesivamente alta

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Condensación de vapores mediante refrigerante