Pinch-analyse

Pinch-analyse is veelgebruikte methode voor het optimaliseren van warmtewisselaarnetwerken. De methode is in de jaren '70 bedacht door Bodo Linnhoff^w en wordt wereldwijd toegepast. Het toepassen van Pinch-analyse zorgt ervoor dat er zo goed mogelijk warmte wordt uitgewisseld tussen stromen en dat er daardoor niet meer warmte van buitenaf wordt toegevoerd en weggekoeld dan nodig. Dit leidt tot vermindering van energiegebruik en kosten.

De methode begint met het in kaart brengen van de op te warmen (= koude) en af te koelen (= warme) processtromen inclusief begin- en eindtemperatuur en hun warmtecapaciteit. Vervolgens worden de gegevens over de koude stromen gecombineerd tot een zogenaamde 'cold composite curve', waarbij de totale enthalpieverandering per temperatuurtraject wordt bepaald. De gegevens over de warme processtromen worden gebruikt voor het bepalen van de 'hot composite curve'.

Bijvoorbeeld, stroom A moet opgewarmd worden van 30 naar 80 °C en stroom B van 50 naar 100 °C:
• bij het temperatuurtraject van 30 naar 50 °C gaat het alleen om stroom A: de totale enthalpieverandering in dit traject is gelijk aan C_p,A·(50-30).
• bij het opwarmen van 50 naar 80 °C gaat het om beide stromen: de totale enthalpieverandering gelijk aan (C_p,A + C_p,B)·(80-50).
• bij het laatste deel van het temperatuurtraject gaat het alleen om stroom B: de totale enthalpieverandering gelijk aan C_p,B·(100-80).
• de ligging van de composite curve wordt bepaald door de enthalpiewaarde bij de laagste temperatuur van de stromen, in dit geval 30 °C, gelijk aan nul te stellen en daar per temperatuurinterval de betreffende totale enthalpieverandering bij op te tellen, ofwel bij 50 °C hoort een enthalpiewaarde van C_p,A·(50-30), bij 80 °C is het C_p,A·(50-30) + (C_p,A + C_p,B)·(80-50) en bij het eindpunt van deze composite curve, namelijk 100 °C, is de enthalpiewaarde gelijk aan C_p,A·(50-30) + (C_p,A + C_p,B)·(80-50) + C_p,B·(100-80).
Hetzelfde principe wordt toegepast bij de af te koelen stromen.

Vervolgens worden beide composite curves in een temperatuur-enthalpiediagram uitgezet, waarna de koude composite curve zodanig in horizontale richting wordt verschoven dat de verticale afstand tussen de twee curves gelijk is aan een vastgesteld minimaal temperatuurverschil voor warmteoverdracht. Een veelgebruikt temperatuurverschil is 10 °C. De temperatuur bij dit minimale temperatuurverschil wordt de Pinch-temperatuur of het Pinch-punt genoemd. Onderstaande figuur laat een voorbeeld zien van composite curves. De hoeveelheid lage-temperatuurwarmte die weggekoeld moet worden, wordt in het Engels "cold utility" of "cooling duty" genoemd. De hoeveelheid hoge-temperatuurwarmte die van buitenaf aan het systeem toegevoerd moet worden, wordt in het Engels "hot utility" of "heating duty" genoemd.



Nadat het bovenstaande gedaan is, kunnen de Pinch-regels toegepast worden:
• voer geen warmte toe bij temperaturen onder de Pinch
• voer geen warmte af boven de Pinch
• wissel geen warmte uit over de Pinch

De enige correcte plaats voor een warmtepomp is over de Pinch. Ofwel, het overschot aan lage-temperatuurwarmte onder de Pinch gebruiken om in het tekort aan hoge-temperatuurwarmte boven de Pinch te voorzien. Bij het voorbeeld in bovenstaande figuur betekent dit dat de warmte met een temperatuur van 110 °C (als Q_laag) door de warmtepomp wordt gebruikt om warmte van 140 °C (Q_hoog) te produceren.

Achtergrondinformatie

• Key concepts of Pinch analysis^w (boekhoofdstuk)