Pinch analysis focused on secondary heat - How to include multi phase flows by using the advanced composite curves

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-09-02
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2015

Department

Energiatekniikan laitos
Department of Energy Technology

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

126

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 110/2015

Abstract

The problem of how to design heat exchanger networks in an optimal way, or heat exchanger networks synthesis, was first studied in the 1960s. The development was fast and the spreading of the methods has caused significant changes in operation of many industrial fields. Traditionally, the work has been divided in pinch based methods and optimisation. This dissertation has focus on the pinch based methods that can be used for heat exchanger network retrofit. Special attention is given for industrial processes with significant possibilities to utilize secondary heat. The literature review shows that the latest developments in the field are the advanced composite curves. Therefore this method is chosen for closer consideration. A logical choice for comparison is the traditional pinch analysis. The objective of this dissertation is to find what advantages do the advanced composite curves have over traditional pinch analysis and identify improvement possibilities in the both methodologies. The study has been carried out by conducting industrial case studies and developing simplified examples when it comes to use of new methods developed in this study. It is shown in the studies that the advanced composite curves give a lot more information on the studied system than traditional pinch-based methods. The whole mill can be shown in two diagrams, one above and the other below the pinch, that show at a glance how the existing heat exchanger network is designed compared to theoretical possibilities. The real temperature levels of the utilities used at the mill and the theoretical upper and lower level for those temperatures, shown together in the curves, give guidance to the engineer as to where to look for improvement potential. Based on the experience from the case studies, the method should be widely implemented in the industry. A novel approach is presented that shows how to use the advanced composite curves to show the upper and lower limits for heat recovery in cases where some of the soft streams have phase changes at the temperature interval in question. The study shows that this can be done with a satisfactory precision. Technical limitations can be taken into the analysis and described graphically. This gives new ideas for saving possibilities not seen by the traditional analysis.

Kysymys siitä kuinka lämmönvaihdinverkkoja tulisi suunnitella optimaalisella tavalla tuli akateemisen tutkimuksen piiriin ensimmäistä kertaa 1960-luvulla. Kehitys oli nopeaa ja menetelmien leviäminen käyttöön johti merkittäviin muutoksiin monilla teollisuuden aloilla. Perinteisesti lämmönvaihdinverkkojen parantamiseen tähtäävät menetelmät on jaettu pinch-pohjaisiin menetelmiin ja optimointiin. Tämä väitöskirja keskittyy pinch-pohjaisiin menetelmiin joita voidaan käyttää jo olemassa olevien lämmönvaihdinverkkojen parantamiseen. Erityistä huomiota kiinnitetään teollisiin prosesseihin, joissa on tarjolla merkittäviä määriä sekundäärilämpöä. Tehty kirjallisuuskatsaus osoittaa, että tuorein uusi menetelmä alalla ovat kehittyneemmät yhdistelmäkäyrät (advanced composite curves). Tästä syystä kyseinen menetelmä on valittu tarkempaan tarkasteluun. Työ on toteutettu soveltamalla menetelmää teollisuudesta peräisin oleviin esimerkkeihin ja tässä työssä kehitettyjen menetelmien osalta on käytetty yksinkertaistettuja esimerkkitapauksia. Tarkastelujen tulokset osoittavat, että kehittyneemmät yhdistelmäkäyrät antavat selkeästi enemmän tietoja tutkitusta systeemistä kuin perinteiset pinch-pohjaiset menetelmät. Koko laitoksen lämmönkulutus voidaan kuvata kahdessa käyrästössä, toinen pinch-pisteen ylä- ja toinen alapuolella. Käyrästöt näyttävät yhdellä vilkaisulla kuinka nykyinen lämmönvaihdinverkko on rakennettu suhteessa teoreettisiin mahdollisuuksiin. Todelliset lämpötilat, joissa käyttöhyödykkeitä tällä hetkellä tarvitaan, sekä teoreettiset ylä- ja alarajat noille lämpötilatasoille antavat arvokkaita vihjeitä siitä, mistä osasta laitosta parantamispotentiaalia kannattaa lähteä hakemaan. Tehtyjen tarkastelujen pohjalta menetelmän käyttöä teollisuudessa voi suositella laajalti. Työssä esitellään uusi sovellus kuinka kehittyneempiä yhdistelmäkäyriä voi käyttää osoittamaan lämmöntalteenoton ylä- ja alarajat tapauksissa, jossa jossakin kyseessä olevista virroista tapahtuu faasimuutos tarkasteltavalla lämpötila-alueella. Tekniset rajoitukset pystytään ottamaan mukaan analyysiin ja kuvaamaan graafisesti. Tämä antaa ideoita uusiksi parantamismahdollisuuksiksi, joita perinteisempiä menetelmiä käyttämällä ei tavoita.

Description

Julkaistu vain painettuna, saatavuus katso Bibid. Published only in printed form, availability see Bibid

Supervising professor

Ahtila, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Energy Technology, Finland

Thesis advisor

Sivill, Leena, Dr.

Keywords

pinch analysis, energy efficiency, pinch-analyysi, energiatehokkuus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Ruohonen P., Hippinen I., Tuomaala M. and Ahtila P., Analysis of alternative secondary heat uses to improve energy efficiency - Case: a Finnish mechanical pulp and paper mill. Resources, Conservation & Recycling, Vol. 54, Issue 5, pp. 326-335, 2010.
    DOI: 10.1016/j.resconrec.2009.07.002 View at publisher
  • [Publication 2]: Ruohonen P. and Ahtila P., Analysis of a mechanical pulp and paper mill using advanced composite curves. Applied Thermal Engineering Vol. 30, Issues 6-7, pp. 649-657, 2010.
    DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2009.11.012 View at publisher
  • [Publication 3]: Ruohonen P. and Ahtila P., Qualitative analysis of a thermo mechanical pulp and paper mill using advanced composite curves, Energy, Vol. 36, pp. 3871-3877, 2011.
    DOI: 10.1016/j.energy.2010.09.043 View at publisher
  • [Publication 4]: Jönsson J., Ruohonen P., Michel G. and Berntsson T. The potential for steam savings and implementation of different biorefinery concepts in Scandinavian integrated TMP and paper mills. Applied Thermal Engineering, Vol. 31, pp. 2107-2114, 2011.
    DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.03.001 View at publisher
  • [Publication 5]: Ruohonen P. and Sivill L. A Novel Approach for Including Multi Phase Flows into Pinch Analysis – The Heat Exchange Limits Estimated by the Advanced Composite Curves. PRES11, the 14th International Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, 8.5 -11.5.2011, Florence.
    DOI: 10.3303/CET1125093 View at publisher
  • [Publication 6]: Ruohonen P. New examples for a novel approach for including multi phase flows into pinch analysis. PRES12, the 15th International Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, 25. -29.8.2012, Prague.
    DOI: 10.3303/CET1229007 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6323-2

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG