Industrial Heat Pumps

 

Pinch analyse

De pinch analyse is een tool om voor complexe fabrieken met veel verschillende warmtestromen te analyseren of het mogelijk is om tussen stromen onderling warmte uit te wisselen. Indien wordt overwogen om een warmtepomp in te zetten, is het zinvol om eerst een pinch analyse uit te voeren. Doel van deze analyse is om alle warmte stromen in kaart te brengen. Vervolgens worden warme en koude stromen voor onderlinge warmte uitwisseling aan elkaar gekoppeld. Tot slot volgt uit de analyse hoeveel koel- en verwarmingscapaciteit er minimaal benodigd is. Dit koel- en verwarmingsvermogen kan met een warmtepomp aan elkaar gekoppeld worden.

Werkwijze

De pinch analyse is een gestructureerde werkwijze bestaand uit de volgende stappen:

  1. Breng alle processtromen binnen en in de nabije omgeving van de fabriek in kaart. Stel een massa en energiebalans op.
  2. Zet de stromen overzichtelijk in een tabel met aanvoer temperatuur, doeltemperatuur en warmtecapaciteit.
  3. Bepaal het vermogen van warmtestromen tussen verschillende temperatuurstappen en zet deze uit in een gecombineerde grafiek.
  4. Bekijk of het mogelijk is om warmte en koude zoveel mogelijk onderling uit te wisselen met behulp van warmtewisselaars zonder bijval van installaties.
  5. Bepaal het pinch-point en bekijk wat er na onderlinge warmte uitwisseling nog aan installaties nodig is.
  6. Bepaal aan de hand van temperatuurniveaus en vermogens welke installatie het meest geschikt is.

Voorbeeld

Bovenstaande stappen zijn nader uitgewerkt met een simpel voorbeeld.

  1. Maak een massa en energiebalans met alle warmtestromen binnen (en in de nabije omgeving van) de fabriek.
    Het voorbeeld is gebaseerd op 4 stromen. Twee stromen die afgekoeld worden en twee stromen die opgewarmd worden.
  2. Het doel van de massa en energiebalans is een overzicht van temperatuurniveau en verwarm- of koel vermogen. Verwerk de energiestromen en het temperatuur niveau in een tabel:
    Tabel
  3. Verwerk deze gegevens in een grafiek met op de x-as het vermogen (verwarm- of koelvermogen) en op de y-as de temperatuur. Voeg de 2 grafieken (1 voor de koude stroom en 1 voor de warme stroom) samen zodat 2 lijnen ontstaan.
    Pinch grafiek
  4. Door energie uit koude en warme stromen met elkaar uit te wisselen via warmtewisselaars, kan 241 kW worden teruggewonnen. Bij de ideale situatie is boven het pinch point 186 kW verwarming nodig en onder het pinch point 238 kW koeling.
  5. Het punt waar het temperatuurverschil het kleinst is, wordt pinch-point genoemd. Op dit punt moeten warmtewisselaars in staat zijn met een minimale delta T te functioneren. Wanneer het temperatuur verschil op het pinch-point groter gemaakt wordt door het aanpassen van proces temperaturen, wordt ook de hoeveelheid installaties groter. Door de lijnen in de bovenstaande grafiek samen te voegen ontstaat er een samenstellingscurve die het temperatuurverloop en warmtestromen duidelijk maakt.
    Op de pinch is een temperatuurverschil van 0°C aangehouden. In de praktijk is dit niet mogelijk aangezien er een temperatuurverschil moet zijn voor de warmteoverdracht.
  6. Inzet van installaties: Bij gering temperatuurverschil en vergelijkbare capaciteiten tussen de warmtebehoefte en koude behoefte kan een warmtepomp zinvol zijn om in te zetten. Met een warmtepomp is het mogelijk om de koude stromen aan de warme stromen te koppelen. In dit geval kan met een verdampertemperatuur van 25°C en een condensor temperatuur van 82°C in alle warmte worden voorzien. Wat resteert, is extra koelcapaciteit van circa 50 kW. Indien het temperatuurverschil te groot is, zal de efficiëntie van de warmtepomp te laag zijn waardoor het niet rendabel is om een warmtepomp toe te passen. In dit geval moet gekozen worden voor een gescheiden koude- en warmtevoorziening. Zoals een koeltoren, koelinstallatie of heetwater-/stoomsysteem.

Lees meer