پایان نامه با واژه های کلیدی هدف گذاری، محیط زیست

دانلود پایان نامه ارشد

(2-3) HO_2⟺ 1⁄2 H_2+OH
به هر حال با توجه به اینکه دمای تئوری شعله دمای واقعی آنرا نشان نمی‌دهد ولی معیار مناسبی برای بیان میزان حرارت گاز خروجی کوره می‌باشد.

شکل ‏212 استفاده از گاز خروجی کوره بجای واحد پشتیبانی گرم[25]
کوره ها معمولا با هوای اضافی بین 5 تا 20 درصد می کنند که میزان این هوای اضافی به طراحی کوره و مشعل ارتباط دارد. اگر مقدار هوای اضافی کوره را کاهش داده یا به پیش گرم کردن هوای اطاق احتراق بپردازیم سبب بالا رفتن دمای تئوری شعله می‌گردیم که این عمل باعث کاهش مقدار اتلاف حرارتی گاز خروجی کوره می‌شود. البته دمای بالای شعله واکنش های تبدیل و تشکیل اکسیدهای نیتروژن را افزایش می‌دهد که برای محیط زیست و سلامتی مضر است.
همانطور که گفته شد از گاز خروجی کوره می‌توان بجای واحد پشتیبانی گرم استفاده نمود که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است[26].
هدفگذاری
تا کنون به بررسی هزینه‌های انرژی (متغییر) در شبکه مبدل های حرارتی و واحدهای پشتیبانی پرداختیم و در اینجا توجه خود را بر روی هزینه‌های اصلی و کلی متمرکز خواهیم نمود.
موارد عمده ای که در محاسبه هزینه‌های اصلی سهیم می‌باشند عبارتند از:
تعداد مبدل های حرارتی ،سطح تبادل حرارتی، تعداد پوسته‌ها،جنس مواد، نوع دستگاه‌ها، نرخ فشار.
هر کدام از این موارد فوق را بطور مفصل از دیدگاه فنی و اقتصادی مورد بررسی قرار خواهیم داد.
تعداد مبدل های حرارتی [27]
برای اطلاع از حداقل تعداد مبدل‌های حرارتی در شبکه، از تئوری گرافیکی استفاده می‌نماییم با توجه به شکل ‏213 نقاط یا گلوله‌ها ها بیانگر جریان ها و خطوط یا اتصالات بیانگر مبدل‌ها می‌باشند. ضمنا برای جلوگیری از این تصور که خطوط همدیگر را قطع نموده‌اند بهتر است شکلی سه بعدی داشته باشیم. یک مسیر25 از یکسری خطوط پشت سر هم تشکیل شده است.
در شکل ‏213(الف)، AECGB یک مسیر است. هنگامی دارای یک عنصر مستقل می‌باشیم که هر دو نقطه‌ای از آن را بتوان با یک مسیر به همدیگر متصل نمود. بنابراین در شکل ‏213 (ب) دو جزء مستقل و در شکل ‏213(الف) یک جزء مستقل را شاهد هستیم. یک حلقه26، مسیری است که از یک نقطه شروع شده و به همان نقطه ختم می‌گردد همانند CGDHC در شکل ‏213(الف). حال اگر دو نقطه دارای یک خط مشترک باشند با در نظر نگرفتن آن خط حلقه سوم نیز ایجاد می‌گردد بطور مثال در شکل ‏213(الف) با اتصال حلقه های BGCEB و CGDHC حلقه سوم BGDHCEB بوجود می‌آید که این حلقه آخر به حلقه‌های قبلی وابسته می باشد.

شکل ‏213 دو ساختار مرتبط با ارتباط جریان‌ها [27]
بنابراین با توجه به تئوری گرافیکی تعداد حلقه های مستقل را می توان از رابطه زیر بدست آورد.
(2-4) N_UNITS=S+L-C
〖 N〗_UNITS: تعداد مبدل های حرارتی یا اتصالات ( خطوط موجود در تئوری گرافیکی)
S: تعداد جریان ها همراه واحد های پشتیبانی( نقاط موجود در تئوری گرافیکی)
L: تعداد حلقه های مستقل
C: تعداد اجزاء
اگر در رابطه ( 2-4) مقدار Lرا برابر صفر و بیشترین مقدار ممکن را برای C در نظر بگیریم به حداقل تعداد مبدل ها دست خواهیم یافت.
در طراحی های نهایی قرار دادن L برابر صفر فرضی معقول می‌باشد اما برای C جه مقداری را در نظر بگیریم؟
شبکه موجود در شکل (2-13- ب) دو جزئی است و در این دو جزء جریان های A و B موظف به تامین بار حرارتی مورد نیاز جریان های E و F بوده و جریان های C و D در جزء دیگر بار حرارتی مورئ نیاز H و G را تامین می کنند.چنین عملیاتی غیر معمول بوده و براحتی قابل پیش بینی نیست. بنابراین راحترین فرض برای C این است که شبکه را تک جزئی و بعبارتی C برابر یک در نظر بگیریم. بدین ترتیب شبکه ای یک جزئی و بدون حلقه خواهیم داشت:
(2-5) N_UNITS=S-1
فرمول(2-5) که در آن تعداد حلقه ها صفر بوده و یک شبکه تک جزئی است مربوط به طراحی نهایی می باشد. بدین ترتیب با داشتن تعداد جریان ها همراه با واحد پشتیبانی می توان حداقل تعداد مبدل ها را بدست آورد.
در صورتی که مسئله نقطه پینچ داشته باشد آنگاه شبکه ای دو جزئی خواهیم داشت که رابطه (2-5) برای هرکدام از اجزاء بالا و پایین بکار می رود.
(2-6) N_UNITS=(S پینچ بالای -1) +(S پینچ پایین -1)
سپس برای آگاهی از تعداد حلقه های موجود در کل شبکه نتیجه حاصل از رابطه (2-6) را از (2-5) کم می نماییم.
(2-7) N_UNITS=[(S پینچ بالای -1) +(S پینچ پایین -1) ] -(S -1)

هدفگذاری سطح
منحنی‌های ترکیبی علاوه بر اطلاعات ضروری که برای پیش بینی هدفگ‌ذاری انرژی ارائه می‌نمایند. حاوی اطلاعات ضروری دیگری برای پیش بینی سطح شبکه مبدل‌های حرارتی می‌باشند. برای محاسبه سطح شبکه با استفاده از منحنی‌های ترکیبی باید جریان‌های واحد پشتیبانی را نیز بهمراه جریان‌های فرآیندی برای رسم منحنی‌ها در نظر بگیریم. بدین ترتیب به منحنی‌های حاصل، منحنی های ترکیبی تراز شده27 گویند [28،11].
طریقه رسم منحنی ترکیبی تراز شده همانند منحنی های ترکیبی می‌باشد با این تفاوت که جریان‌های واحد پشتیبانی نیز بر آن اضافه شده است.
با فرض ثابت بودن ضریب انتقال حرارت (U)در تمام فرآیند می‌توان با استفاده از معادله (2-8) سطح موجود در هر بازه آنتالپی را بدست آورد.
(2-8) A_(network,k)=(∆H_K)/(U∆T_LMK )
A_k: سطح تبادل حرارتی برای انتقال حرارت عمومی در بازه K
∆H_K: تغییر آنتالپی بازه K
∆T_LMK: میانگین اختلاف دمای لگاریتمی بازه K
U: ضریب اتنقال حرارتی کلی
برای بدست اوردن سطح کل شبکه طبق معادله(2-9 ) سطوح بازه‌های آنتالپی را با هم جمع می‌نماییم.
(2-9) A_Netwrk=1/U ∑_K^K▒(∆H_K)/(U∆T_LMK )
K: کل تعداد بازه های آنتالپی
در صورت ثابت نبودن ضریب انتقال حرارت کلی از چه مدلی برای محاسبه سطح تبادل باید استفاده نمود؟
در یک بازه معین مقدار ∆T_LMTD همواره عدد ثابتی بوده و بین جریان های گرم و سرد موجود در آن اتصالاتی به جهت تبادل حرارتی وجود دارد. حال با توجه به ثابت نبودن ضریب انتقال حرارت کلی در بین جریان ها از معادله (2-10) برای محاسبه سطح بازه K استفاده می‌نمائیم.
(2-10) A_K=1/(∆T_LMTD ) ∑_ij▒Q_ij/U_ij
A_K: سطح تبادل حرارتی برای انتقال حرارت عمودی در بازه K
∆T_LMTD: میانگین اختلاف دمای لگاریتمی برای بازه آنتالپی K
Q_ij: بار حرارتی اتصال بین جریان گرم i و جریان سرد j
با معرفی ضرائب انتقال حرارت جابجایی خواهیم داشت:
(2-11) A_K=1/(∆T_LMTD ) ∑▒Q_ij (1/h_i +1/h_j )
که h_i و h_j ضرایب انتقال حرارت جابجایی برای جریان گرم i و جریان سرد j می باشند.
از معادله (2-11) رابطه زیر حاصل می گردد.
(2-12) A_K=1/(∆T_LMTD )(∑▒Q_ij/h_i +Q_ij/h_j )
هر جریان گرم می تواند چند اتصال با جریان های سرد داشته باشد که از مجموع بار حرارتی این اتصالت سرد با جریان گرم i ، بار حرارتی جریان گرم بدست خواهد آمد.
(2-13) ∑_j^J▒Q_ij = q_i
q_i: بار حرارتی جریان گرم i ، در بازه آنتالپی K
J: کل تعداد جریان های سرد در بازه آنتالپی K
به طور مشابه از مجموع بار حرارتی اتصالات گرم با جریان سرد j ، بار حرارتی موجود بر روی جریان سرد بدست می آید:
(2-14) ∑_i^I▒Q_ij = q_i
q_i: بار حرارتی جریان سرد j در بازه آنتالپی K
I: تعداد کل جریان های گرم
بدین ترتیب با استفده از روابط(2-13) و (2-14) خواهیم داشت.
(2-15) ∑_ij▒Q_ij/h_i =∑_i^I▒q_i/h_i
(2-16) ∑_ij▒Q_ij/h_i =∑_j^J▒q_j/h_j
با جانشینی روابط (2-15) و (2-16) در (2-12) ، رابطه زیر جهت محاسبه سطح تبادل حرارتی در هر بازه آنتالپی بدست می آید.
(2-17) A_K=1/(∆T_LMTD )(∑_i^I▒q_i/h_i +∑_j^J▒q_j/h_j )
سپس برای محاسبه سطح تبادل حرارتی در کل شبکه رابطه نهایی زیر را ارائه میگردد.
(2-18) A_K=∑_k^K▒〖1/(∆T_LMTD )(∑_i^I▒q_i/h_i +∑_j^J▒q_j/h_j )〗
معادله(2-18) برای محاسبه سطح شبکه به مدل عمودی تبادل حرارتی وابسته می‌باشداما در صورت زیاد بودن تغییرات ضریب انتقال حرارت فیلمی پیش بینی حداقل سطح شبکه با استفاده از معادله (2-18) میسر نمی‌باشد که در این موارد برای پیش بینی صحیح حداقل سطح شبکه از برنامه های خطی28 و مدل ضربدری29 استفاده می‌شود [30،29]. بنابراین زمانی که با تغییر زیادی در ضرایب انتقال حرارت هدایتی مواجه باشیم نمی‌توانیم از معادله (2-18) برای پیش‌بینی صحیح حداقل سطح انتقال حرارت استفاده نماییم.
تعیین صحیح حداقل سطح شبکه خیلی پیچیده بوده و با پذیرفت مقدار کمی فرصت از معادله (2-18) برای تعیین حداقل سطح شبکه استفاده نماییم. ضمنا هزینه‌های اصلی پیش‌بینی با استفاده از معادله (2-18) از هزینه‌های اصلی بسیاری از دستگاه های بزرگ همانند راکتورها و برج‌های تقطیر قابل اعتمادتر است.
هدف گذاری تعداد پوسته ها [31]
مبدل های حرارتی پوسته و لوله30 بیش از انواع دیگر مبدل ها در صنایع شیمیایی و فرآیندی بکار برده می شوند. ساده ترین نوع آن ها مبدل های 1-1 (یک پاس پوسته و یک پاس لوله) می‌باشد که در شکل 2-14 (الف) نشان داده شده است.
جریان موجود در اکثر مبدل های پوسته و لوله بیشتر از نوع متقابل31بوده و طراحی آنها نیز توسط معادله متقابل (2-19) انجام می پذیرد.
(2-19) Q=UA∆T_LMTD
در مبدل 1-1 که جریانی کاملا متقابل بین پوسته و لوله آن برقرار است با داشتن بار حرارتی و ضریب انتقال حرارت کلی می توان حداقل سطح مورد نیاز را بدست آورد. بغیر از مبدل 1-1 مدل های دیگری نیز برای عبور جریان‌ها وجود دارد که از جمله متداول‌ترین آن ها مبدل 1-2 ( یک گذر پوسته و دو گذر لوله ) می باشد.

همانطور که در (شکل ‏214-ب) مشخص است در مبدل 1-2 بخشی از جریان ها بصورت متقابل و بخشی دیگر همسو32 میباشند.

شکل ‏214 مبدل حرارتی پوسته و لوله 1-1 با جریانی کاملا متقابل و مبدل حرارتی پوسته ولوله 1-2 همراه با جریان جزئی متقابل و جزئ همسو[31]
به همین دلیل اثرات اختلاف دما در تبادل حرارتی نسبت به حالت کاملا متقابل کاهش می‌یابد.برای در نظر گرفتن این موضوع در طراحی‌مان از ضریب تصحیح F_Tدر معادله (2-19)استفاده می‌کنیم.
بنابراین با داشتن بار حرارتی و ضریب انتقال حرارت کلی، مبدل 1-2 سطح بزرگتری را نسبت به مبدل 1-1 نیاز خواهد داشت. با این وجود مبدل 1-2 دارای مزایایی همچون سهولت تمیز کردن مکانیکی و ضریب حرارت خوب و مناسب در

پایان نامه
Previous Entries تحقیق رایگان درباره توالي، Sec.Cons.، سيستم Next Entries پایان نامه با واژه های کلیدی هدف گذاری، انرژی مصرفی، نرخ بهره