پایان نامه با واژه های کلیدی هدف گذاری، چند متغیره، مصرف انرژی

دانلود پایان نامه ارشد

ترکیبی گرم و سرد پی بردند[17].

در اواسط دهه هشتاد افرادی نظیر گاندسن6 و نائس7 با مورد توجه قرار دادن فناوری پینچ به عنوان ابزاری مناسب در طراحی شبکه تبادل‌گرهای حرارتی و تشخیص ساختار تبادل‌گرهای حرارتی سبب باز تاب مناسب این فناوری در آن زمان گردیده و این دیدگاه به این ترتیب مورد پذیرش قرار گرفت[18].
دمای پینج به عنوان یک معیار طراحی، به منظور رسیدن به بیشینه بازیافت انرژی در سال 1983 توسط لینهوف و هیند مارش معرفی گردید. آنها قوانین پینچ را که به عنوان قوانین طلایی پینچ نامیده شد در قالب سه قاعده بیان نمودند. این قوانین شامل عدم عبور انرژی از خط پینچ، عدم استفاده از جریان سرد خارجی در بالای خط پینچ و جریان گرم خارجی در پایین پینچ می‌باشند[19].
اما مبحث هدف‌گذاری مساحت را به طور جدی نخستین بار در سال 1984، لینهوف و تاون سند با ارائه فرمول یکنواخت بث8 بیان نمودند. این فرمول توانایی ارائه مقدار مطلقی برای حداقل مساحت واقعی شبکه نداشت و همچنین دارای فرضیاتی بود که می‌توانست نتایج آن را از آنچه در واقعیت وجود داشت دور سازد. یکی از مهمترین فرض‌های آن، یکسان بودن ضرایب انتقال حرارت تمامی واحدهای حرارتی و یکسان بودن جنس مبدل‌های حرارتی است[20].
مباحث متفاوت بودن ضریب انتقال حرارت در منحنی ترکیبی یا عدم انتقال حرارت عمودی در سال 1985، توسط احمد بیان گردیده و در سال 1990، از سوی کلبرگ و مراری تکمیل گردید. نتیجه این تحقیق آن بود که فرض یکسان بودن ضریب انتقال حرارت با آنچه در عمل وجود داشت تا 10% از واقعیت دور می‌باشد[21].
در سال 1990، لینهوف9 و احمد10 دیدگاه جدیدی را نسبت به فواصل آنتالپی بیان کردند. آنها چنین فرض کردند که در هر فاصله آنتالپی، جریان‌های گرم به تعدادی جریان‌های سرد و جریان‌های سرد به تعدادی جریان‌های گرم جفت می‌شوند، به نحوی که برای هر یک از جریان‌های جفت شده در فاصله آنتالپی، یک واحد حرارتی می‌تواند بر روی آنها قرار گیرد که این خود از دیدگاه انتقال حرارت عمودی نشأت می‌گیرد[21].
تا به حال آنچه در باره هدف گذاری مساحت گفته شد، بر این اساس استوار بود که تمامی مبدل‌های حرارتی از یک نوع و یک جنس باشند. اما در سال 1990، هال11 و همکاران موفق به ارائه الگوریتمی شدند که قابلیت هدف گذاری با مبدل‌های متفاوت را دارا می‌باشد. اما این هدف گذاری نیز دارای نقاط ضعفی از جمله ثابت بودن ضریب انتقال حرارت بود که این نیز به نوبه خود در طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی ‌می‌تواند حائز اهمیت باشد[21].
در سال 1995 قاسم‌زاده به بررسی نقش تاثیر خواص فیزیکی در طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی پرداخت. وی با به کارگیری معادلات لازم جهت تخمین خواص فیزیکی مورد نیاز (دانسیته،ظرفیت حرارتی،ویسکوزیته و ضریب هدایت حرارتی) و پیشنهاد الگوریتم تعیین سطح بر اساس تغییرات خواص فیزیکی به نقش متغیر بودن این پارامترها در ایجاد هماهنگی بین مرحله طراحی تفضیلی و هدف‌گذاری اشاره و میزان بهبودی در حدود 10% را گزارش داد[21].
در روش‌های برنامه‌ریزی ریاضی و از نقطه نظر مفهومی، مسئله سنتز شبکه مبدل‌های حرارتی، یک مسئله غیر خطی آمیخته چند متغیره 12با روابط غیرخطی می‌باشد. به همین علت، برای طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی و برای ساده‌سازی حل مسئله، به روش‌های ساده‌تری شکسته می‌شود و به صورت مرحله به مرحله به چند زیر مسئله شکسته می‌شود. در چنین روش‌هایی هدف کمینه کردن هزینه انرژی بوده که بصورت مسئله خطی حل گردیده و سپس تعداد واحد‌های کمینه به مسئله‌ای خطی آمیخته چند متغیره13 تبدیل و در نهایت توزیع بار حرارتی و طراحی شبکه بوسیله فرمول بندی یک مدل غیر خطی 14بدست می آید[2].
هدف ما از انجام این پروژه کاهش مصرف انرژی های گرم وسرد می‌باشد که از فناوری پینچ جهت اصلاح شبکه مبدل‌ها و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شود.
روش‌های اصلاح شبکه‌مبدل‌های حرارتی
به طور خلاصه روش‌های متعدد برای اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی عبارتند از:
1-اصلاح شبکه بوسیله باز‌بینی مستقیم ساختمان آن.
2-اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید15.
3-اصلاح شبکه با استفاده از فناوری پینچ.
4-اصلاح شبکه با استفاده از مدل برنامه‌نویسی ریاضی.
اصلاح شبکه بوسیله باز‌بینی مستقیم ساختمان آن
در این روش ΔTmin لازم برای اصلاح شبکه همان ΔTmin موجود در شبکه انتخاب می‌گردد و اهداف تعیین شده قبلی هیچ نقشی در تعیین ΔTmin ندارند. در واقع این روش غیر از تجربه ابزار دیگری جهت اصلاح شبکه در اختیار ندارند و فقط با تکیه بر تجربه و استفاده از اصول اساسی طراحی اقدام به اصلاح شبکه می‌کند. در نهایت نتایج طرح اصلاحی را با محدودیت‌های اعمال شده چک کرده و قابل قبول بودن طرح را مشخص می‌کند. در این روش حتی در صورت حصول یک نتیجه خوب، هیچ تضمینی جهت عدم وجود طرح بهتر ارائه نمی‌دهد. لذا بهینه بودن نتایج حاصل شده به هیج وجه قابل اطمینان نمی‌باشد. با این وجود، این روش رایج‌ترین روش اصلاح در طراحی‌های گذشته بوده است[22].
اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید
یکی دیگر از روش‌های معمول جهت اصلاح شبکه این است که ان را به صورت یک طرح جدید در نظر گرفته و به کمک برنامه‌های کامپیوتری پیچیده همه طراحی‌های ممکن را ایجاد می‌کنند و سپس طرحی را که از نظر ساختمان به شبکه موجود نزدیک‌تر است را به عنوان شبکه اصلاح‌شده در نظر می‌گیرند[22].
اصلاح شبکه با استفاده از فناوری پینچ
این روش اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی، بر اساس مفاهیم فیزیکی و تحلیل‌های ترمودینامیکی فرایند استوار است و به طراح اجازه می‌دهد که بتواند تغییرات اعمال‌شده در شبکه را کنترل و آن را به سمت طرح‌های عملی هدایت نماید. همچنین به دلیل توانایی در تعیین اهداف قبل از طراحی‌های لازم و به کار‌گیری آن‌ها در تعیینΔTmin بهینه برای اصلاح و ارائه‌ی یک روش کار مشخص برای اصلاح شبکه، اکنون در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است[22].
اصلاح شبکه با استفاده از مدل برنامه‌نویسی ریاضی
در گذشته از روش برنامه‌نویسی ریاضی جهت طراحی اولیه یک واحد استفاده می‌گردید و از این روش برای بازبینی شبکه موجود و بهبود شرایط کارکرد ان استفاده نمی‌شد. در سال 1989،کریس16 و فلوداس17 یک روش دو مرحله‌ای شامل انتخاب اتصال بین جریان‌ها و بهینه‌سازی را ارائه نمودند. در مرحله انتخاب اتصال از یک مدل برنامه‌نویسی خطی آمیخته چند‌متغیره برای بررسی همزمان انتخاب جریان‌ها و همچنین اختصاص مبدل اصلاحی به آن‌ها استفاده می‌شود. در مرحله بهینه‌سازی از یک مدل برنامه‌نویسی غیرخطی جهت بهینه کردن ترتیب اتصال‌ها و قرارگیری مبدل‌ها استفاده می‌گردد. این دو مرحله ارائه شده بعدها با یکدیگر ادغام شده و تشکیل یک مرحله شامل یک مدل برنامه‌نویسی غیر‌خطی آمیخته چندمتغیره داده که به صورت هم‌زمان کلیه نیازهای اصلاحی شبکه را برطرف می‌کند. در سال 1991 ییه18 و گروس‌من19، روش مشهور خود را که آن نیز شامل دو مرحله هدف‌گذاری و بهینه‌سازی می‌باشد را ارائه نمودند. مزیت روش آن‌ها نسبت به روش قبلی قراردادن مرحله هدف‌گذاری و بررسی دوباره شبکه جهت بدست اوردن سطح بهینه بازیافت حرارتی و همچنین بررسی امکان‌پذیری اقتصادی آن در طرح اصلاحی می‌باشد. بنابراین تعداد کمی از مبدل‌های جدید از لحاظ اقتصادی اجازه ورود به مرحله بعد، یعنی بهینه‌سازی، را می‌یابند[3].
با توجه به مطالب بیان‌شده و در نظر‌گیری قابلیت‌های فناوری پینچ و همچنین دقت و سرعت روش ریاضی در طراحی و اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی، در پایان‌نامه حاضر از تلفیق دو روش ریاضی و پینچ جهت اصلاح شبکه استفاده گردیده است. به دلیل اهمیت روش پینچ ، کلیات این روش ارائه می‌گردد[3].
فناوری پینچ
یکی از مهمترین فناوری‌هایی که در اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، فناوری پینچ می‌باشد. این فناوری از مفاهیم ترمودینامیکی، جهت اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی و بهینه‌سازی استفاده می‌نماید. در این روش تعداد تبادل‌گرهای حرارتی، سطح تبادل حرارتی، تعداد پوسته‌ها، نرخ فشار جهت بهینه‌سازی در زمینه اصلی شبکه مبدل حرارتی نقش مهمی را ایفا می‌کند. اهداف مورد نظر از لحاظ مصرف انرژی را می‌توان با کمک اطلاعات حرارتی فرایند بدست آورد[3].
نمودار آبشاری
بر مبنای قانون دوم ترمودینامیک، انتقال گرما و انرژی از دمای بالا به دمای پایین، به صورت خود به خودی و بدون اعمال نیرو امکان پذیر است. برای رسم این نمودار دو محور جداگانه برای جریان‌های گرم و سرد در نظر گرفته می‌شود. در این نمودار دما از بالا به پایین کاهش می‌یابد، بنابراین گرما از نواحی بالای منحنی به سمت پایین منتقل می‌شود. چون انرژی از بالا به پایین ریزش می‌کند، این نمودار را نمودار آبشاری می‌گویند. جریان‌های گرم را در سمت چپ و جریان‌های سرد در سمت راست آن رسم نموده و جریان‌هایی که در یک محدوده دمایی قرار می‌گیرند، ناحیه‌های مختلفی را در این نمودار تشکیل می‌دهند. جریان‌هایی که در یک فاصله دمایی قرار بگیرند می‌توانند باهم تبادل حرارت داشته باشند.
این نمودار هیچ اطلاعاتی در مورد مبدل‌ها و طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی، تنوع منابع حرارتی خارجی و سطح مبدل‌ها ارائه نمی‌کند. با استفاده از نمودار آبشاری دمای نقطه پینچ برای جریان‌های گرم وسرد مشخص می‌شود به این ترتیب نقطه‌ای که در آن هیچ ریزش وجود نداشته باشد نقطه پینچ است که کل فرایند را به دو قسمت بالای پینچ (درجه حرارت‌هایی که از دمای پینچ بیشتر باشند) و پایین پینچ (درجه حرارت‌هایی که از دمای پینچ کمتر باشند) تقسیم می‌کند. همچنین از مقدار انرژی که در هر فاصله دمایی تبادل می‌شود در مراحل بعد برای رسم منحنی ترکیبی جامع استفاده می‌شود.
یکی دیگر از کاربرد‌های مهم نمودار آبشاری تعیین کمترین مقدار انرژی منبع گرم خارجی(QH,min) و کمترین مقدار انرژی منبع سرد خارجی (QC,min) است که اگر انرژی حرارتی منابع خارجی از این مقادیر کمتر باشد این فرایند انجام نمی‌شود. اگر بار حرارتی گرم کننده‌ها به ترتیب از QH,mi و QC,min بیشتر باشد نشان دهنده‌ی اتلاف انرژی حرارتی در واحد است[4].
منحنی ترکیبی
منحنی ترکیبی20 برای یک شبکه که می‌تواند به عنوان یک نقطه شروعی برای فناوری پینچ که نشان دهنده همان نقطه پینچ یا همان گلوگاه می‌باشد، به‌کار رود. که در شکل ‏21 نشان داده شده است.

شکل ‏21 منحنی ترکیبی یک فرایند(Coposite curve) [23]
این منحنی‌ نیاز واحد عملیاتی را به انرژی‌های خارجی اعم از سرد و گرم را مشخص می‌کند. قسمتی از نمودار ترکیبی که دارای همپوشانی می‌باشد نشان‌دهنده انرژی مورد استفاده که از فرایند بدست می‌آید. در نمودار قسمت بالایی و پایینی که دارای همپوشانی نمی‌باشد به ترتیب کمترین میزان انرژی گرم و سرد مورد‌نیاز فرایند را مشخص می‌کنند. نمودار ترکیبی با توجه به جریان‌ها و دما‌های ورودی و خروجی و اطلاعات فیزیکی جریان مانند آنتالپی آن ترسیم می‌گردد. فاصله بین دو منحنی گرم و سرد نشان دهنده نیروی رانش دمایی می‌باشد که با توجه به منحنی در هر دما یک نیروی رانش خواهیم داشت در قسمتی که دو منحنی به هم نزدیک‌تر هستند یا به عبارتی کمترین نیروی رانش را دارند نقطه پینچ یا همان گلوگاه گفته می شود و به دمایی که کمترین نیروی رانش را داشته باشد ΔTmin گفته می‌شود. هر چه ΔTmin کاهش یابد نیاز سیستم به انرژی‌های خارجی کاهش اما هزینه ثابت که شامل هزینه دستگاه‌ها می‌باشد، افزایش می یابد. با افزایش ΔTmin میزان انرژی موردنیاز سیستم افزایش می‌یابد ولی هزینه ثابت کاهش می‌یابد. بنابراین میزان اثر متقابل هزینه ثابت را در یک نمودار همانند شکل ‏22 بررسی کردند.

شکل ‏22 اثر متقابل هزینه‌های انرژی و اصلی[23]
با توجه به مشخص شدن نقطه پینچ نمودار به دو قسمت تقسیم می‌گردد، قسمت اول مربوط به بالای نقطه پینچ می‌باشد که اصطلاحا به آن بالای پینچ گفته می‌شود و دیگری قسمت پایین نقطه پینچ می‌باشد که به آن پایین پینچ گفته می‌شود. با توجه به نقطه پینچ برای رسیدن به نقطه بهینه از لحاظ هزینه و انرژی دارای

پایان نامه
Previous Entries تحقیق رایگان درباره پلاسميد، نوترکيب، خارجي Next Entries تحقیق رایگان درباره پروتئين، باکتري، موتيف