پایان نامه با واژه های کلیدی سلسله مراتب، دینامیکی

محدودیت‌هایی می‌باشد که به اختصار در زیر ذکر شده است:
عدم عبور انرژی از خط پینچ، عدم استفاده از جریان سرد خارجی در بالای خط پینچ و جریان گرم خارجی در پایین پینچ.
منحنی ترکیبی جامع (G.C.C)
منحنی ترکیبی جامع21 یکی دیگر از نمودار‌هایی که در فناوری پینچ به‌کار می‌رود، با استفاده از این نمودار می‌توان منبع حرارتی مناسب را انتخاب نمود. منحنی ترکیبی مقدار انرژی لازم از منابع حرارتی خارجی را نشان می‌دهد و منحنی ترکیبی جامع تنوع بهینه آنها را مشخص می‌کند. همان طور که در منحنی ترکیبی کل فرایند به دو قسمت بالا و پایین پینچ تقسیم می‌شود در منحنی ترکیبی جامع نیز این موضوع دیده می‌شود. برای رسم این منحنی داده‌هایی که از نمودار آبشاری استخراج می‌شود استفاده می‌شود. مقدار انرژی که در هر فاصله دمایی تبادل می‌شود برای رسم به کار می‌رود در نقطه پینچ این مقدار انرژی صفر است. در این نمودار متوسط دماهای گرم و سرد به عنوان دما( محور عمودی نمودار) و مقدار انرژی تبادل شده در هر فاصله دمایی به عنوان آنتالپی در نظر گرفته می‌شود[23].
با استفاده از G.C.C میتوان برای تأمین منابع حرارتی خارجی مورد نیاز بهترین گزینه را انتخاب کرد، در واقع هدف اصلی در نظر گرفتن بهترین منابع حرارتی خارجی برای سطوح دمایی مختلف، بیشینه کردن استفاده از ارزان‌ترین منبع حرارتی خارجی و کمینه کردن استفاده از پرهزینه‌ترین منبع حرارتی خارجی است.این نمودار در شکل ‏23 نشان داده شده است.

شکل ‏23 نمودار ترکیبی جامع ( Grand Composite curve)[ 23]
نمودار پیازی
در صورتی که یک فرایند نیاز به راکتور داشته باشد این نقطه شروع طراحی خواهد شد. در خروجی از راکتورها به دلیل انتخاب نوع طراحی آنها علاوه بر محصول دلخواه محصول جانبی و خوراک واکنش نداده نیز می باشیم پس به سیستم جدا سازی و بازگشت جریان نیاز خواهیم داشت. در ضمن در طراحی راکتور، سیستم‌های جداسازی و بازگشت جریان به سیستم‌های گرمایش و سرمایش احتیاج داشته بنابراین در مرحله سوم به طراحی شبکه تبادل‌گرهای حرارتی می‌پردازیم.
به دلیل اینکه انتقال حرارت فرایند بار حرارتی مورد نیاز را تامین نمی‌کند پس به واحدهای پشتیبانی خارجی نیاز خواهیم داشت به این ترتیب در مرحله چهارم به انتخاب و طراحی واحدهای پشتیبانی می‌پردازیم.
این سلسله مراتب به عنوان یک نماد بر روی نمودار پیازی شکل ‏24 نشان داده شده است[24].
البته بعضی از فرایندها مثل تصفیه نفت به راکتوری نیاز ندارد بدین ترتیب از لایه سیستم‌های جدا‌سازی طراحی را شروع می‌نماییم. سلسله مراتب دیگری نیز با شیوه‌های مختلف برای طراحی فرایند‌ها پیشنهاد شده است که از جمله روش داگلاس22 را می‌توان نام برد.

شکل ‏24 نمودار پیازی[24]
ΔTmin بهینه
معیار مهم اقتصادی هر طرح اصلاحی، آن است که طرح در یک محدوده سرمایه‌گذاری مشخص ما را به سمت زمان بازگشت سرمایه قابل قبولی هدایت کند.فناوری پینچ، طراحی بهینه را بایک مقدار فرضی ΔTminشروع می‌کند. که بعضی از طراحان مقدار ΔTmin را بر اساس تجربه‌های قبلی مشخص می‌کنند. به عنوان مثال (بین C˚5 تا C˚10 برای فرایندهای با دمای پایین و بین C˚10 تا C˚50 برای فرایندهای با دمای بالا) استفاده می‌کنند. با توجه به مطالب ذکر شده مشخص می‌باشد که مقادیر مختلف ΔTmin ، نتایج اقتصادی متفاوتی را در پی خواهد داشت. پس این روش مطمئنی برای طرح‌های اقتصادی نیست. جدول ‏21 که توسط لینهوف مارچ23 ارائه گردید[15]. بعضی ز مقادیر تجربی ΔTmin را برای فرایندهای مختلف نشان می‌دهد.
جدول ‏21 مقادیر شاخص ΔTmin برای فرایندهای مختلف[5]

بعد از مشخص شدن ΔTmin حال در این بازه دمایی بهترین ـ بهینه‌ترین انرژی خارجی مورد نیاز واحد طبق جدول ‏22 مشخص گردید.
جدول ‏22 مقادیر شاخص ΔTmin برای واحد پشتیبانی[5].

یک روش دیگر برای انتخاب ΔTmin، استفاده از کمترین ΔT مشاهده شده در یکی از مبدل‌های شبکه می‌باشد. این روش اگرچه در طرح‌های معمولی می‌تواند راهنمای خوبی باشد ولی در کل دارای اشکالاتی است زیرا شبکه را به سمت طرح های متفاوت هدایت می‌کند. انتخاب مناسب از حدس و خطای زیاد طراحی جلوگیری می‌کند.
اصول پینج
پس از اینکه با بررسی اثر متقابل بین هزینه های اصلی و انرژی بهترین و اقتصادی ترین 〖∆T〗_min را بدست آوردیم، دیگر اختلاف دمایی هر اتصالی بین جریان های گرم و سرد نباید از این مقدار کمتر گردد. در ضمن 〖∆T〗_min طبیعتا تنها در یک نقطه بین منحنی‌های ترکیبی گرم و سرد مشاهده می‌گردد که این مکان را بازیافت حرارتی پینچ می‌نامند که در شکل ‏25 نشان داده شده است[22].

شکل ‏25 نقطه پینچ[22]
با توجه به قانون فوق، طبق شکل (2-6) منحنی ترکیبی را نشان می‌دهد که در بالای پینچ فرآیند با حداقل واحد پشتیبانی گرم Q_Hmin در موازنه حرارتی می‌باشد. حرارت را از واحد پشتیبانی گرم دریافت کرده و هیچ حرارتی را به بیرون انتقال نمی‌دهد. بدین ترتیب عملکرد فرایند همانند یک (Heat Sink) است. در پایین پینچ فرآیند با حداقل یوتیلیتی سرد Q_Cmin در موازنه حرارتی (Heat Source) عمل می‌نماید. اکنون امکان انتقال حرارت بین دو سیستم را در نظر می‌گیریم. جریان گرم بالای پینچ به انتقال حرارت با جریان سرد زیر پینچ می پردازد که از ترمودینامیکی عملی محتمل بوده ولی سبب افزایش بار واحدهای پشتیبانی گرم و سرد می‌شود بنابراین عبور حرارت از نقطه پینچ سبب فرصت حرارتی می‌گردد. جریان گرم زیر پینچ نمی‌تواند به انتقال حرارت با جریان سرد بالای پینچ بپردازد زیرا از نظر ترمودینامیکی عملی غیر محتمل می باشد.
پس بنابراین طراح با استفاده نامناسب از واحدهای پشتیبانی یا انتقال حرارت فرآیند به فرآیند نباید از نقطه پینچ حرارتی را عبور دهد. همچنین اختلاف درجه حرارتی بین جریان های گرم و سرد در مبدل حرارتی نباید کمتر از 〖∆T〗_min اقتصادی شبکه باشد[22].

شکل ‏26 حداقل یوتیلیتی گرم وسرد[22]
مسائل آستانه24
تمام مسائل از نقطه پینچ به دو قسمت تقسیم نمی گردند. منحنی ترکیبی شکل 2-7 ، به هر دو واحدهای پشتیبانی بخار و آب سرد نیاز دارند. هر چه منحنی‌های ترکیبی به همدیگر نزدیک می‌شوند (دقت کنیم که تنها منحنی ترکیبی سرد می تواند به طور افقی حرکت نماید) میزان واحدهای پشتیبانی گرم یا سرد نیاز نخواهند داشت که این نتایج در شکل‌های 2-8 (الف و ب) مشخص گردیده است. اکنون شکل 2-8 (ج) را مورد توجه قرار می دهیم. با نزدیکتر شدن دو منحنی به همدیگر قاعده میزان واحد پشتیبانی سرد درخواستی کاهش خواهد یافت اما با کنار رفتن منحنی ترکیبی سرد از زیر منحنی ترکیبی گرم این قسمت منحنی ترکیبی گرم نیز برای تبادل حرارتی به واحد پشتیبانی سرد نیاز خواهد داشت که در مجموع کل واحد پشتیبانی سرد مورد نیاز در این جالت برابر حالت قبلی می‌باشد[22].

شکل ‏27 منحنی ترکیبی[22]

(الف) (ب) (ج)
شکل ‏28 نمودار مسائل آستانه[22]
بدین ترتیب حالت نشان داده شده در شکل ‏28 (الف و ب) را که به یکی از واحدهای پشتیبانی گرم یا سرد نیاز ندارند مسائل آستانه می گویند. پس پایین تر از 〖∆T〗_Threshold میزان مصرفی واحدهای پشتیبانی درخواستی همواره ثابت است . در 〖∆T〗_min بالاتر از حد آستانه میزان مصرفی واحدهای پشتیبانی درخواستی روند صعودی خواهد داشت که در شکل ‏29 این موضوع نشان داده شده است.

شکل ‏29 نمودار روند تغییرات انرژی در مسائل آستانه[22]
شکل ‏28 (الف) بیانگر حالتی است که پس از بررسی اثر متقابل محل بهینه در 〖∆T〗_Threshold اتفاق می‌افتد و شکل ‏28 (ب) حالتی را نشان می‌دهد که محل بهینه بالاتر از 〖∆T〗_Threshold روی خواهد داد. باید توجه کنیم که حالت بهینه هیچ‌گاه پایین‌تر از 〖∆T〗_Threshold ایجاد نمی‌شود[22].

شکل ‏210 بررسی اثر متقابل هزینه‌های اصلی و متغیر برای مسائل آستانه[22]
انتخاب واحد پشتیبانی
بعد از یافتن اقتصادی‌ترین 〖∆T〗_min و تعیین نقطه پینچ به حداکثر بازیافت حرارتی دست یافته و از میزان بار واحدهای پشتیبانی گرم و سرد مورد نیازمان مطلع می‌شویم. واحدهای پشتیبانی انواع گونانی دارند. متداول‌ترین واحد پشتیبانی گرم بخار می‌باشد که معمولا در چندین سطح حرارتی موجود می‌باشد (بخار با فشار بالا (HP) ، بخار با فشار متوسط (MP) و بخار با فشار پایین (LP). هنگامی که بار حرارتی با دمای بسیار بالا مورد نیاز باشد از گاز خروجی کوره یا روغن داغ در گردش استفاده می‌نمایند.
واحدهای پشتیبانی سرد نیز می توانند سیستم سردساز، آب سرد، پیش گرم کن هوای کوره، پیش گرم کن آب ورودی به بویلر یا حتی تولید کننده بخار در دمای بالا باشند.
اگرچه منحنی‌های ترکیبی برای هدف‌گذاری انرژی استفاده می‌شوند اما ابزار مناسبی برای انتخاب واحد های پشتیبانی نمی‌باشند.
منحنی‌های ترکیبی جامع بهترین و اختصاصی‌ترین ابزار برای توزیع مناسب واحدهای پشتیبانی و میزان انتقال حرارت بین فرآینی بوده و بطوری که این منحنی ابزاری مفید برای بهینه‌سازی حرارتی راکتورها و سیستم های جداسازی می‌باشد.
با توجه به شکل ‏210 تقاطع منحنی با محور عمودی بیانگر نقطه پینچ بوده که آنتالپی آن صفر می‌باشد. دره‌های باز در بالا و پایین منحنی بترتیب حداقل واحد پشتیبانی گرم و سرد درخواستی را نشان می‌دهند.
ناحیههای هاشور خورده بیان کننده میزان انتقال حرارت بین فرآیندی می باشند. همانگونه که در شکل نشان داده شده خطوطی که دارای شیب منفی هستند ارائه دهنده حرارت و خطوط با شیب مثبت متقلضی حرارت می‌باشند و بدین ترتیب در ناحیه‌ای که انتقال حرارت فرایند به فرآیند صورت می گیرد خطوط با شیب منفی حرارت مورد نیاز خطوط با شیب مثبت را تامین می نمایند. سایر خطوط در بالای نقطه پینچ از نوع متقاضی حرارت بوده که نیازشان با واحدهای پشتیبانی گرم برطرف می‌گردد و خطوط زیر نقطه پینچ از نوع ارائه دهنده حرارت بوده که با واحد پشتیبانی سرد تبادل حرارتی خواهند نمود.

شکل ‏211 منحنی ترکیبی جامع (G.C.C)[22]
اگر نیروی محرکه بالایی بین دو قسمت منحنی ایجاد گردد نمی‌توانیم انتقال حرارات بین فرآیند در آن ناحیه داشته باشیم.
اسنفاده از سطوح مختلف واحد پشتیبانی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است. مثلا شکل ‏211 بجای استفاده از بخار با فشار بالا، از بخار با فشار پایین بهره می‌بریم. بدین ترتیب هم نیاز فرایند تامین شده و هم وضعیه اقتصادی فرایند مطلوب‌تر گردیده است[22].
کوره‌ها
در صورت نیاز به واحد پشتیبانی گرم با دما و شار حرارتی بالا از انتقال حرارت تشعشعی حاصله از احتراق سوخت در کوره استفاده می‌نمائیم.
طراحی کوره ها عمدتا به بار حرارتی، نوع سوخت، نوع مشعل و روش های احتراق بستگی دارد. در اطاقی که احتراق صورت می گیرد حرارت بیشتر بصورت تشعشعی به لوله های اطراف دیواره منتقل می گردد. پس از اینکه گاز خروجی کوره اطاق احتراق را ترک نمود وارد منطقه انتقال حرارت همرفتی می گردد و طراحی اکثر کوره بگونه ای است که بتوانن حرارت گاز خروجی کوره را قبل از ورود به اتمسفر استخراج نمایند.
شکل ‏212 منحنی ترکیبی کلی فرآینی را نشان می دهد که از گاز خروجی کوره بجای واحد پشتیبانی گرم استفاده می شود[25]. نقطه اولیه گاز خروجی کوره در نمودار، دمای تئوری شعله می باشد (برای قرار دادن این دما در منحنی ترکیبی کلی باید به اندازه 〖∆T〗_min/2 از آن کسر گردد تا بصورت دمای بازه در آید). روش های دیگری نیز برای محاسبه وجود دارد هنگامی که سوخت بدون اتلاف حرارتی بسوزد دمای تئوری شعله تامین می گردد اما باید تاکید کنیم که دمای تئوری و واقعی شعله با هم متفاوت می‌باشند. دمای واقعی شعله همواره کمتر از دمای تئوری شعله می باشد زیرا مقداری از حرارت شعله برای انجام واکنش‌های تجزیه گرماگیر زیر تلف میگردد.
(2-1) CO_2⟺ CO_2+1⁄2 O_2
(2-2)HO_2⟺ H_2+1⁄2 O_2