پایان نامه با واژه های کلیدی هدف گذاری، انرژی مصرفی، نرخ بهره

اطراف لوله ها می‌باشد.
ضریب تصحیحF_T به دو ترم R و P وابسته بوده که ترم R نسبت ظرفیت های حرارتی جریان های سرد و گرم را عنوان نموده و ترم P بیانگر اثر حرارتی می‌باشد.
(2-20) F_T=F(R,P)
(2-21) : R=C_PC/C_Ph =(T_h1-T_h2)/(T_c2-T_c1 )
(2-22) P=(T_c2-T_c1)/(T_h1-T_h2 )
بنابراین F_T تنها به دماهای ورودی وخروجی جریان‌ها وابسته می‌باشد، با توجه به منبع ذکر شده برای بدست آوردن R و F_T و P معادلات مختلفی در حالات مختلفی ارائه گردیده.
تعداد پوسته‌ها در یک مبدل از رابطه زیر بدست می‌آید
(2-23) R≠1 N_shells=((1-RP)/(1-P))/LnW
(2-24) 0X_P1 W=(R+1+√(R^2+1)-2RX_P)/(R+1+√(R^2+1)-2X_P )
(2-25) R=1 N_Shells=((P/(1-P))(1+√2/2)-X_P)/X_P
مقدار X_P برای حداقل مقدار قابل قبول F_T انتخاب می‌گردد، بعبارتی برای F_Tmin=0.75 و X_P=0.9 استفاده می‌شود. در صورتیکه تبادل‌گرها دارای جریان متقابل خالص باشند تعداد پوسته‌ها با تعداد تبادل گره برابر خواهد بود.
همانند الگوریتم هدف‌گذاری سطح، منحنی‌های را به بازه‌های آنتالپی تقسیم می‌نماییم. در نتیجه تعداد پوسته‌ها عبارتند از:
(2-26) N_Shells=∑_k^K▒〖N_k (S_k-1) 〗
N_Shells: کل تعداد پوسته‌ها
Nk : تعداد پوسته‌ها در بازه آنتالپی k
Sk : تعداد جریان‌ها در بازه آنتالی k
مقدار Nk از رابطه‌های بالا بدست می‌آید. با وارد کردن FT در رابطه هدف‌گذاری سطح به بهینه سازی سطح کل شبکه می‌پردازیم[31].
(2-27) N_network= ∑_K^K▒〖1/(〖∆T〗_min F_Tk ) [∑_i^I▒q_i/h_i +∑_j^J▒q_j/h_j ] 〗

هدف گذاری هزینه اصلی33
برای پیش‌بینی هینه اصلی یک شبکه فرض می‌کنیم که رابطه زیر برای مبدل حرارتی A صادق باشد.
(2-28) شده نصب مبدل اصلی هزینه=a+bA^c
a و b و cثابت های قانون هزینه هستندکه تغییراتشان به جنس مواد، میزان فشار و نوع مبدل وابسته می باشد. سپس با استفاده از معادله (2-26) هزینه اصلی شبکه را بدست می آوریم. فرض بر این است که مبدل هایی با سطوح برابر در این معادله بکار رفته اند.
(2-29) شبکه اصلی هزینه=N[a+b〖(A_network⁄N)〗^c]
اگر مسئله از مبدل هایی با یک ویژگی(یک ساختار مواد، نوع دستگاه و میزان فشار ) تشکیل شده باشد براس محاسبه هزینه اصلی شبکه از معادله (2-29) با ضرایب ثابت اختصاصی می توان استفاده نمود. اما اگر مبدل ایی با ویژگی های متفاوت داشته باشیم برای محاسبه هزینه اصلی شبکه باید تغییراتی در معادله (2-29) ایجاد نماییم[31].
معادله (2-29) بعنوان یک تابع هزینه با هدف گذاری تعداد پوسته‌ها و هدفگذاری سطح در پیوند می‌باشد. اختلاف در هزینه یا بوسیله معرفی یک تابع هزینه جدید و یا توسط سازگار نماندن سطح تبادل حرارت محاسبه می‌گردد[31]. این عمل مقایسه و سنجیدن ضرایب انتقال حرارت موجود در محاسبه شبکه با عامل ϕ ، برای محاسبه اختلاف هزینه ها انجام می پذیرد. بطور مثال برای یک جریان خورنده به مبدلی با جنس گران قیمت نیاز داشته که نسبت به مبدل جریان غیر خورنده سهم بیشتری در هزینه اصلی خواهد داشت. برای محاسبه این اختلاف هزینه با کاهش ضرایب انتقال حرارت جریان خورنده سهم سطح این جریان را در شبکه افزایش خواهیم داد. این سطح مجازی با قرار گرفتن در تابع هزینه بر اساس جنس های غیر خورنده، به هزینه اصلی بالاتری از سطوح دیگر دست می یابد و این افزایش هزینه منعکس کننده هزینه زیاد مبدل با جنس گران می‌باشد. بنابراین معادله (2-18) بصورت زیر تغییر می کند:
(2-30) A_Network=∑_k^K▒〖1/(∆T_LMTD F_Tk )(∑_i^I▒q_i/h_i +∑_j^J▒q_j/h_j )〗
(2-31) ϕ=〖(b_1/b_2 )〗^(1⁄c_i ) 〖(A_Network/N)〗^(1-c_2/c_1 )
ϕ_i: عامل سنجش هزینه برای جریان گرم i
ϕ_j: عامل سنجش هزینه برای جریان سرد j
ضریب قانون هزینه C اغلب برای ویژگی مختلف ٍثابت می باشد بعبارتی C_1=C_2=C بدین ترتیب معادله (2-31) به شکل زیر ساده می‌گردد:
(2-31) ϕ=〖(b_1/b_2 )〗^(1⁄c)
بنابراین ، جهت محاسبه هدف‌گذاری هزینه اصلی در شبکه‌ای از مبدل‌ها با ویژگی های مختلف روش عمل بدین صورت است که :
یک قانون هزینه مرجع را برای مبدل‌های حرارتی انتخاب می‌نماییم. جریان‌هایی که بیشترین سهم را در هزینه اصلی دارا می‌باشند بعنوان مرجع انتخاب می‌گردند[31].
با استفاده از معادلات (2-30) یا (2-31) عامل ϕ را برای جریان هایی که ویژگی مختلفی با مرجع دارند بدست می‌آوریم.
با استفاده از معادله (2-29) سطح شبکه ارزیابی شده را بدست می‌آوریم و برای رسیدن به تخمینی بهتر، ارزیابی سطح شبکه را با برنامه خطی انجام می‌دهیم[29].
با استفاده از معادله (2-28) هزینه اصلی را بدست می‌آوریم.
که به طور مختصر طبق شکل ‏215 عمل می‌کنیم:

شکل ‏215 روند محاسبه هزینه اصلی شبکه
هدف گذاری هزینه کلی[32]
همانطور که قبلا اشاره شد با افزایش انرژی مصرفی و حداقل اختلاف دما (〖ΔT〗_min) میزان سطح مبدل حرارتی کاهش می یابد. با داشتن سطح شبکه توسط معادله (2-28) هزینه اصلی شبکه را بدست می‌آوریم.
برای بررسی اثر متقابل هزینه های اصلی و متغییر (واحد پشتیبانی) باید هزینه اصلی را بشکل سالیانه تبدیل نمود زیرا هزینه واحد پشتیبانی یا متغییر از جنس سالیانه می‌باشد. برای تبدیل هزینه به هزینه اصلی سالیانه34 باید آنرا در فاکتور سالیانه ضرب کنیم.
(2-32) سالیانه فاکتور=(i〖(i+1)〗^n)/(〖(i+1)〗^n-1)
n: تعداد سال ها
i: نرخ بهره
از مجموع هزینه اصلی و متغییر سالیانه میزان هزینه کلی سالیانه حاصل می گردد. بدین ترتیب به ازای هر (〖ΔT〗_min) یک هزینه کلی سالیانه خواهیم داشت که کمترین هزینه کلی سالیانه، مقدار بهینه (〖ΔT〗_min) را نشان خواهد داد. برای فرآینهای پیچیده منحنی های هزینه کلی و اصلی سالیانه دارای شکستگی‌های می‌باشند، که این شکستگی ها بدلیل تغییرات F_T بوده بطوری که برای جلوگیری از نزول F_T مجبور به افزودن تعداد پوسته ها می باشیم. که این مسئله افزایش ناگهانی F_T و بالطبع هزینه اصلی را در بر خواهد داشت.
قاعدتا برای بدست آوردن بهینه ترین (〖ΔT〗_min) یا هزینه کلی سالیانه به نرم افزار نیاز خواهیم داشت. بعنوان یکی از اولین و مطرحترین نرم افزار های این تکنیک می‌توان سوپر تارگت35 ساخته شرکت لینهوف مارچ 36نام برد.
هدفگذاری بر اساس رابطه هزینه انرژی
يكي از مهمترين مواردي كه در بهينه‌سازي شبكه مبدل‌هاي حرارتي مورد توجه قرار مي‌گيرد آن است كه در اولين قدم كارايي شبكه موجود را در مقايسه شرايط بهينه (شبكه هاي طراحي شده به روش pinch) تعيين نماييم. بهترين روش براي اين منظور استفاده از منحني سطح بر حسب انرژي مي‌باشد شکل ‏216.

شکل ‏216 منحنی سطح بر حسب انرژی[23]
نظر باينكه مقدار سطح حرارتي و مقدار مصرف انرژي شبكه موجود مشخص است به راحتي می‌توان موقعيت اين شبكه را روي منحني فوق مشخص ساخت مانند نقطه اي كه در حدود x قرار دارد اما طراحی در این نقطه نميتواند از كليه سطوح شبكه استفاده نموده و انرژي را به خوبي در نقطه بازيافت نمايد.
اكثر اوقات فرض بر آن است كه پروژه‌های بهينه‌سازي مطلوب، پروژه‌هایی است كه شبكه موجود را همانند طراحي جديد بهينه سازد. يعني آنكه شبكه موجود را به سمت نقطه هدف هدایت نماييم.
به روشني واضح است كه اين وضعيت غير ممكن است زيرا در اين حالت هم ميزان انرژي و هم ميزان سطح مورد نياز نسبت به شبكه موجود كاهش مي يابد و اين بدان مفهوم است كه مقداري از سطوح تبادلگرهاي موجود در شبكه بدون استفاده مي مانند و بايستي از شبكه خارج شوند. بايد در نظر داشت كه هدف ما استفاده از سطح موجود به منظور ذخيره سازي بيشتر انرژي است لذا ميتوان با فشرده كردن منحنيهاي تركيبي (یا کاهشΔTmin) از سطح موجود استفاده بيشتري كرده و ميزان بيشتري از انرژي را ذخيره كرد.
مناسب ترين مسير براي رسيدن به نقطه مطلوب حركت از نقطه X به سمت نقطه A است، اصلاح شبکه از نقطه X به نقطه A ممکن می‌باشد. هر چند كه اين كار چندان معمول نيست زيرا ساختمان شبكه موجود با ساختمان شبکه اصلاح شده در نقطه A متفاوت خواهد بود. لذا در نقطه A ما به تبادلگرهای متفاوتی از نظر اندازه و نوع نيازمند خواهيم بود كه اين امر نيز به نوبه خود سرمايه گذاري‌هاي جديدي را مي طلبد. اما اگر بتوانيم استفاده از تبادل‌گرهاي قبلي را بهبود بخشيم احتياج به سرمايه گذاري كمتري خواهيم داشت.
با توجه به مواردي كه برشمرديم مي توان مسيري مشابه آنچه شکل ‏217 نشان داده شده است ترسیم کرد. ولي چنين مسيري منحصر بفرد نبوده و مي توان مسيرهایی،همانطور که در شکل 2-18 نشان داده شده است ترسیم نمود. از اين رو طراحان مي توانند مسيرهاي متفاوتي در نظر بگيرند اما پايين‌ترين منحنی که به منحنی هدف37 نزدیک‌تر است هزينه سرمايه گذاري كمتري براي ذخيره سازي انرژي خواهد داشت كه بايد در تعيين مسيرها به آن توجه وافر شود.

شکل ‏217 مسیر عملی برای پروژه‌های بهینه‌سازی[23] شکل ‏218 مسیر‌های متفاوت بهینه‌سازی.بهترین مسیر اصلاح [23]
حال در نظر بگيريد كه بهترين منحني (كمترين سرمايه گذاري) منحني است كه درشکل ‏219 نشان داده شده است.شیب اين منحني با افزايش ميزان سرمايه گذاري افزايش مييابد واين خود به مفهوم افزايش بازگشت سرمايه در سرمايه گذاري است.
براي درك بهتر مطلب مي توان منحني انرژي – سطح38 را به منحنی ذخیره‌سازی انرژی بر حسب سرمایه‌گذاری39 تبدیل نمود. بدین مفهوم که اگر برای شبکه موجود میزان ذخیره‌سازی انرژی و میزان افزایش سطح تعیین گردد، می‌توانیم به راحتي با استفاده از معادله‌هاي لازم براي تعيين قيمت تبادلگرها و همچنين قيمت انرژي، هزينه هاي سرمايه گذاري و ميزان صرفه‌جويي در مقدار انرژي را تعيين نماييم و بدين ترتيب منحني صرفه‌جويي انرژي بر حسب هزينه سرمايه گذاري را مطابق شکل ‏220 ترسیم نماییم.این نمودار رابطه بین هزینه‌سرمایه‌گذاری-صرفه‌جویی انرژی و زمتن بازگشت سرمایه را تعیین می‌کند.

شکل ‏219 افزایش زمان بازگشت سرمایه با افزایش میزان سرمایه[23]

شکل ‏220 منحنی ذخیره سازی انرژی بر حسب سرمایه‌گذاری[23]
برای مثال به ازای میزان سرمایه گذاری a1 می توان به مقدار b1 صرفه جویی کرد بگونه‌ای که سرمایه اولیه پس از یک سال برگشت داده شود. یا می تئان برای آنکه سرمایه پس از دو سال بازگشت کند میزان b2 ذخیره سازی انرژی انجام دهیم که برای این کار به مقدار a2 سرمایه گذاری برای خرید سطح تبادل‌گرهای اضافی نیازمندیم. از این رو محدودیت‌های پروژه همانطوریکه در بالا توضیح دادیم یکی از موارد زیرند:
زمان بازگشت سرمایه40
میزان ذخیره سازی41
میزان سرمایه گذاری42
روش‌های هدف گذاری
هدف‌گذاری به روش α ثابت
نخستین روش هدف‌گذاری در سال 1986 توسط لینهوف43 و تیجو 44ارائه گردید که روش بازده ثابت نامیده می‌شود. آن ها بر اين باور بودند كه اگرچه دسترسي به بهترين منحني