Continuando el Previo del Mes (PDM) de Enero 2008, este previo presenta dos métodos para optimizar el rendimiento de un sistema de refrigeración empleando una unidad economizadora mas dos etapas de compresión. Específicamente, se intentara minimizar la potencia total de compresión y la carga térmica del condensador mediante esta optimización de la etapa intermedia.

 

Los detalles de un Sistema sencillo de refrigeración mas uno empleando un tanque de equilibrio instantáneo economizador y dos etapas de compresión se presentan en el Capitulo 15 del volumen Gas Conditioning and Processing , Volumen 2 [2]. El diagrama de flujo de proceso para un sistema de refrigeración con tanque de vaporización economizador y dos etapas de compresión se presentan en la Figura 1. Nótese que se han tomado previsiones para considerar la caída de presión en la línea de succión de la primera etapa de compression.

 

 

Figura 1. Diagrama de Flujo de Procesos para un Sistema de Refrigeracion con Unidad Economizadora y Dos Etapas de Compresión

 

Consideremos la remoción de 10.391×106 kJ/h (2886 kW) de un gas de proceso a -35°C con su rechazo al ambiente mediante un condensador a 35 ° C. El propano puro es aplicado como fluido operativo. En este estudio, todas las simulaciones fueron logradas por el Software UniSim Design [3]. Asumiendo una caída de presión de 5 kPa en el Enfriador (Chiller) , la presión del vapor saturado despojado del chiller a -35 ° C es 137.4 kPa. Igual asumiendo 30 kPa de caída de presión en la línea de succión, la presión de succión de la primera etapa de compresión es de 107.4 kPa. La presión de condensación del propano a 35 ° C es de 122º kPa. El diferencial de presión en el condensador más el de la línea proveniente del compresor a su descarga es de 50 kPa. De manera la descarga de compresión es de 1270 kPa. En adición una eficiencia adiabática fue asumida en 75 % para las dos etapas.

Asumiendo despreciable caída de presión en las etapas, la Figura 2 presenta la variación de las etapas de compresión 1,2 y la potencia total como función de la presión entre etapas.

 

Método 1:

La opción “Databook” del menú de los “Tools” del Sistema UniSim fue empleado para generar potencias (variables dependientes) como función de la presión entre etapa (Variable Independiente). Esta fue variada entre 200 kPa hasta 1000 kPa mediante incrementos de 10 kPa.

Como se observa en esta Figura, la presión entre etapa optima es de unos 470 kPa. Esta presión corresponde a la potencia mínima y también la igualdad de las etapas 1 y 2 en potencia.

 

Figura 2. Impacto de la presión entre etapa sobre la potencia de compresión

 

Similarmente, la Figura 3 presenta la potencia total, más la relación de presión de las etapas 1 y 2. Esta Figura muestra en forma clara que la potencia mínima de compresión no ocurre a iguales relaciones de presión de 3.44. Sin embargo el Capitula 14 de compresión (Compressors) del Volumen 2 Gas Conditioning and Processing 2[2] cita : “ La potencia total es tipicmanete minimizada cuando las relación de comprensión son iguales en cada etapa.” ¿Porque no es el caso acá?

La presión óptima ideal entre etapas basada en relaciones iguales se puede definir por la siguiente ecuación:

 

 

La igualdad de relación de presión para cada etapa es R1=369.3/107.4=3.44 y R2=1270/369.3=3.44. La ecuación indicada es válida si los flujos másicos a través de ambas etapas son los mismos y las temperaturas de succión de las mismas también igual. En un sistema de refrigeración con tanques de equilibrio economizadores más múltiples etapas de compresión, no se cumplen ningunas de estas condiciones. En este caso, el flujo de masa de las etapas 1 y 2 son R1=369.3/107.4=3.44 and R2=1270/369.3=3.44 respectivamente. Así mismo, las temperaturas de succión son -35.8°C and 21.1°C.

 

Figura 3. Impacto de la presión entre etapa sobre la potencia de compresión y relación de presiones de compresión

 

Método 2:

Un proceso alterno y de mayor facilidad es el de determinar la presión óptima entre etapas mediante la herramienta “Adjust” en el complejo de simulación. Como se observa en la Figura 1, ADJ-2 fue empleada para variar la presión entre etapa (corrienteR-12) de manera que la potencia de la etapa inicial “R-Comp-LP Power” se igual a la segunda etapa “R-Comp-HP Power”. El manejo del ADJ-2 se observa en la Figura 4 y los detalles de la iteración más resultados finales se ven en la Figura 5. Como se observa en la Figura 5, la presión optima entre etapa es de 472.3 kPa. Y la potencia de cada etapa es de 793 kW lo cual suma un total de 1586 kW.

 

Resumen:

Por cuanto los flujos másicos y las temperaturas de succión fueron distintas en cada etapa de compresión, la potencia total mínima no ocurre a relaciones de compresión iguales en cada etapa.

Dos métodos de “Databook” y “Adjust” fueron aplicados para minimizar la potencia total de compresión más la carga térmica de condensación mediante la selección de la presión óptima entre etapas. Este procedimiento es solo aplicable para un proceso de refrigeración sencillo, de dos etapas de compresión sin cargas laterales al nivel del refrigerante en el sistema economizador.

En el primer método “Databook”, la presión óptima entre etapas fue determinada minimizando la carga mínima de compresión. En el segundo método “Adjust”, ésta fue determinada igualando las potencias de las etapas 1, y 2. Ambos métodos resultaron en la misma presión entre etapa y potencia total.

 

Figure 4. Detalle del inicio “Adjust”

 

 

Figura 5. Iteración y resultados finales del “Adjust”

 

 

Para la misma carga térmica del chiller, temperaturas de éste y el condensador, más pérdidas de presión, los resultados del sistema con unidad economizadora son comparados con los de un sistema sencillo en la Tabla 1. Ésta indica que los ahorros de compresión y carga térmica de condensación son de 17.4% , y 6.97 % respetivamente. La ciada de presión entre etapas es única al sistema economizador y su efecto es la reducción en el ahorro de potencia cuando comparado con un sistema sencillo, mas aumenta la carga del condensador.

 

Tabla 1. Especificaciones de refrigeración y resultados calculados

 

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References:

  1. Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2008/01/refrigeration-with-flash-economizer-vs-simple-refrigeration-system/,  Tip of the Month, January 2008.
  2. Printing, Editors Hubbard, nd Edition, 2thCampbell, J.M., “Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment Modules,” 9R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2014.
  3. UniSim Design R443, Build 19153, Honeywell International Inc., 2017.