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Energetische und umwelttechnische
Optimierung von Prozessen
Vorgehensweisen zur Realisierung optimierter Prozesse
Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke
SS 2015
PINCH-Analyse
• Methode zur Optimierung von bestehenden und neuen Produktionsanlagen
- Energetische Optimierung
- Optimierung von Stoffströmen
• Erlaubt absolute Angaben über das Optimierungspotenzial
(Benchmarking und Zeitreihenmethode geben nur relative Vergleichswerte)
- Formulierung von Zielwerten
Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke
SS 2015
T in °C
Schritt für Schritt durch
den Flaschenhals (pinch)
Q (kW)
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SS 2015
Kondensator
Aufgabenstellung:
70 C
Ist diese Anlage
energetisch
optimiert?
K1
90 C
5 kW/C
W1
450 kW
120 C
180 C
H2
R2
24 kW/C
Erhitzer
130 C
20 kW/C
Erhitzer
W2
500 kW
H3
Kühler
500 kW
Kü1
30 C
80 C
10 kW/C
120 C
R1
100 C
95 C
Erhitzer E2
100 kW
K4
Erhitzer
E1
360 kW
120 C
80 C
K1
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9 kW/C
SS 2015
Lösung der Aufgabenstellung mit Hilfe der PINCH-Methode.
Die PINCH-Methode besteht aus folgenden 3 Hauptschritten:
1. Datenextraktion (Prozessanforderungen)
2. Targeting (Zielwertfindung)
3. Entwurf / Modifikation
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SS 2015
1. Datenextraktion
Die Datenextraktion besteht aus folgenden 2. Teilschritten
1. Kritische Prüfung der Prozessdaten wie Temperatur, Massenströme etc.
2. Reduzierung der Anlage auf die Prozessanforderungen
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SS 2015
Kondensator
70 C
90 C
K1
5 kW/C
W1
450 kW
120 C
180 C
H2
R2
24 kW/C
Erhitzer
130 C
20 kW/C
Erhitzer
W2
500 kW
H3
Kühler
500 kW
80 C
10 kW/C
Kü1
30 C
120 C
R1
100 C
95 C
Erhitzer E2
100 kW
K4
Erhitzer
E1
360 kW
120 C
80 C
K1
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9 kW/C
SS 2015
Kondensator
70 C
K1
180 C
5 kW/C
90 C
R2
H2
120 C
24 kW/C
130 C
Erhitzer
20 kW/C
Erhitzer
120 C
R1
H3
10 kW/C
100 C
K4
120 C
K1
30 C
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30 C
9 kW/C
SS 2015
Zusammenstellung der Prozessanforderungen
Tanf [ºC] Tend [ºC] m· [kg/s] cp [kJ/kgK]
K1
30
H2
Q [kW]
Typ
120
9
1
810
kalt
180
90
5
1
450
warm
H3
130
30
10
1
1000
warm
K4
70
100
20
1
600
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kalt
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Pasteurisierungsanlage
Behälter 20 °C
Heizwasser,
extern
Behälter 40 °C
4,5 t/h
cp = 2,7 [kJ/kg K]
Produkttemperatur < 120 °C,
zurück in den Behälter
120 °C
Kühlwasser 25 °C
106 °C
91 °C
55 °C
Kühlwasser 15 °C
Heißwasserkreislauf
Produkt 30 °C
130 °C
69 °C
Kühler
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Dampf
4 bar
115 °C
WRG B WRG A Erhitzer
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Zusammenstellung der Prozessanforderungen
Tanf [ºC] Tend [ºC] m· [kg/s] cp [kJ/kgK]
Q [kW]
Typ
20
120
1,25
2,7
337,5
kalt
120
30
1,25
2,7
303,75
warm
130
115
4
Heißwasser
15
25
4
Kühlwasser
Durch optimalen Wärmetausch zu
minimieren!!!
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2. Targeting (Zielwertfindung)
Wieviel Heizleistung ist erforderlich?
Wieviel Kühlleistung ist erforderlich?
Beantwortung dieser Fragen mit Hilfe der Verbundkurven
(composite curves)
Grundlage der Verbundkurven ist die Darstellung der Wärememengen
in T, H-Diagrammen
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Darstellung eines Wärmestroms im T,H-Diagramm
(aufzuheizender Strom (kalter Strom))
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Darstellung eines Wärmestroms im T,H-Diagramm
(abzukühlender Strom (warmer Strom))
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Darstellung der Verdampfung und Kondensation im
T,H-Diagramm (T= const.)
Kondensation
Verdampfung
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Konstruktion der Verbundkurven:
1.
Alle in der Datenextraktion enthaltenen Prozessanforderungen
werden in das T,H-Diagramm eingetragen.
2.
Innerhalb der gleichen Temperaturintervalle dürfen die Beträge von
ÄQ von verschiedenen aufzuheizenden Prozessen addiert werden.
Die erhaltene, zusammengesetzte Kurve heißt „kalte Kurve“.
3.
Die Addition der Wärmemengen der abzukühlenden Ströme ergibt
die warme Verbundkurve.
4.
Um eine optimale Wärmerückgewinnung zu erreichen, müssen die
erhaltenen Verbundkurven untereinander verschoben werden, damit zu
möglichst jedem abzukühlenden Prozessstrom ein aufzuheizender Strom
gefunden werden kann.
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T
T
120 ºC
100 ºC
70 ºC
30 ºC
270 KW
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600 KW
270 + 600 = 870 KW
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PINCH bedeutet Einschnürung
T
PINCH
ÄTmin
erforderliches treibendes
Temperaturgefälle
H
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T
PINCH
ÄTmin
erforderliches treibendes
Temperaturgefälle
H
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SS 2015
erforderliche
Heizleistung
T
PINCH
ÄTmin
erforderliche
Kühlleistung
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optimale
Wärmerückgewinnung
H
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Untersystem unterhalb des PINCH
Untersystem oberhalb des PINCH
erforderliche
Heizleistung
Kühlbedarf
Wärmebedarf
T
PINCH
ÄTmin
erforderliche
Kühlleistung
Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke
optimale
Wärmerückgewinnung
H
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System befindet sich im Gleichgewicht
PINCH
T
erforderliche
Heizleistung
erforderliche
Kühlleistung
H
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Was passiert, wenn das Gleichgewicht verändert wird?
Änderung des Gleichgewichtes durch Wärmetransport
über den PINCH (Wärmemenge á)
Wenn Wärme vom oberen auf das untere System übertragen
wird, dann fehlt im oberen System Wärme und es muss mehr
geheizt werden. Im unteren System muss mehr gekühlt werden.
Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke
SS 2015
System befindet sich im Gleichgewicht
PINCH
T
erforderliche
Heizleistung
+á
á
erforderliche
Kühlleistung
+á
H
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SS 2015
Damit ergeben sich 3 Hauptregeln
1. Kein Wärmetransport durch den PINCH
2. Keine externe Heizung unterhalb des PINCH
3. Keine externe Kühlung oberhalb des PINCH
Prof. Dr. rer. nat. K.-E. Köppke
SS 2015
Übung:
1.
Stellen Sie die Prozessanforderungen des Prozesses, der in der
folgenden Abbildung dargestellt ist, in einer Tabelle zusammen.
2.
Konstruieren Sie die Verbundkurven (composite curves) für eine
minimale Temperaturdifferenz von ÄT = 10°C.
3.
Ermitteln Sie die Wärmemengen, die bei den gegebenen Bedingungen
im optimalen Fall zu- bzw. abgeführt werden muss.
4.
Wie verändern sich die Wärmemengen, wenn eine treibende
Temperaturdifferenz von ÄT = 5°C.
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Produkt A
30 ºC
1 kg/s
cp= 4 kJ/kgK
665 kW
Produkt C
50 ºC
140 ºC
7,5 kg/s
cp= 1,4 kJ/kgK
100 ºC
Produkt B
70 ºC
120 ºC
3 kg/s
cp= 4 kJ/kgK
600 kW
Prof. Dr.
Dr. rer.
rer. nat.
nat. K.-E.
K.-E. Köppke
Köppke
Prof.
SS 2015
2015
SS
Tanf [ºC] Tend [ºC] m· [kg/s] cp [kJ/kgK]
Q [kW]
Typ
Produkt A
30
100
1,0
4,0
280
kalt
Produkt B
70
120
3,0
4,0
600
kalt
Produkt C
140
50
7,5
1,4
945
warm
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Produkt C
Produkt B
Produkt A
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SS 2015
Produkt C
Produkt B
Produkt A
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PINCH
Qzu = 55 KW
10 ºC
Qab = 150 KW
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SS 2015
PINCH
Qzu = 25 KW
5 ºC
Qab = 110 KW
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