ي بسيار مشكل است اما اين امكان وجود دارد كه حداقل قابليت دسترسي را پيش بيني كرد. در اينجا فرض بر اين است كه شبكه پس از اصلاح، از سطوح موجود حداقل با بازده شبكه آغازي استفاده خواهد نمود. چنانچه پروژه به خوبي اجرا گردد، اين امكان وجود ندارد كه سطوح جديد چنان در شبكه قرار گيرند كه بازده كلي شبكه نسبت به وضع موجود کاهش یابد. به این ترتیب بازده سطح (α) به صورت نسبت سطح حداقل به سطح موجود شبکه تعریف می‌گردد[33].
(2-30) α=[A_ideal/A_existing ]_existingenergy= [A_tx/A_x ]_existingenergy
برای محاسبه Aexisting به سادگی از رابطه A_(1-1)=[Q/(U〖∆T〗_LMTD )] استفاده می‌شود. که در آن Q بار گرمایی مبدل،U ضریب انتقال حرارت کلی و ΔTLMTD اختلاف دمای متوسط لگاریتمی می‌باشند. استفاده از A1-1 به جای سطح واقعی مبدل موجود در شبکه به این دلیل است که در حقیقت α باید تنها نشانگر تبادل حرارت غیر عمودی در شبکه باشد. در صورت استفاده از سطح واقعی، یعنی منظور نمودن ضریب تصحیح (FT)، α غیر موثر بودن داخل هر مبدل را نشان می‌دهد که در جهت هدف گذاری مورد نظر نیست. بناباین باید توجه داشت که در محاسبه Aexisting به جای جمع نمودن کل سطح مبدلهای موجود، باید برای هر مبدل نخست از رابطه فوق A1-1 را محاسبه نموده و سپس مجموع سطوح را به عنوان سطح موجود شبکه در رابطه (2-30) برای تعیین بازده شبکه موجود، مورد استفاده قرار داد.
چنانکه می‌توان پیش بینی نمود، مقدار کم α نشان دهنده وجود تبادل حرارت غیر عمودی در شبکه و در نتیجه وجود سطح انتقال حرارت غیر موثر میباشد. یک ناحیه که در آن طراحی (طراحی اصلاحی و طراحی از پایه) امکان پذیر نیست ( زیر منحنی طراحی بهینه) و دو ناحیه که اصلاح شبکه در آنها اقتصادی نیست و یک ناحیه که قابل اصلاح هست (شکل 2 21). اکنون محدوده‌ای که یک اصلاح مناسب باید در آن قرار بگیرد مشخص شده است. بر اساس تجارب بدست آمده از اصلاح شبکه‌های صنعتی، مشخص شده است که منحنی α ثابت بسیار احتیاط آمیز بوده و غالبا نتایج طراحی، بهتر از نتایج پیش بینی شده توسط این منحنی است. هم‌چنین با کمک این منحنی حداکثر سطح مورد نیاز برای صرفه‌جویی در مقدار معینی انرژی مشخص می‌گردد.
شکل 2 21 چهار منطقه مشخص شده در منحنی سطح بر اساس انرژی[6]
هدف‌گذاری به روش α افزایشی
اگرچه منحني بازده ثابت، يك مرز پذيرفتني براي يك اصلاح مناسب ارائه مي دهد اما براي سطح مورد نیاز و صرفه‌جویی انرژی مربوطه، α ثابت بسیار احتیاط آمیز است. اگر بازده شبكه موجود كوچكتر از 0.9 باشد، كه البته اين حالت در اغلب طرح ها روي مي‌دهد، می‌توان براي هدف گذاري اصلاح از يك منحني به موازات منحني آرماني استفاده نمود. از آنجا كه به دليل در اختيار داشتن ابزار مناسب، نحوه به‌كارگيري سطح در شبكه را به خوبي مي‌دانيم، می‌توان انتظار داشت كه بازده شبكه با افزايش سطوح جديد افزايش يابد. در اين روش فرض براين است كه سراسر سطوح تبادل حرارت جديد كه به شبكه اضافه می‌شوند در حالت ايده‌ال خود قرار دارند. در چنين حالتي منحني هدف گذاري و منحني ايده ال با يكديگر موازي بوده و به زبان ديگر فاصله عمودي آن ها همواره ثابت و برابر اختلاف سطح اوليه ميان سطح ايده ال وسطح موجود در نقطه مصرف انرژي اوليه مي باشد[6].
جمعبندی
فناوری پینچ از مناسب‌ترین روش‌های اصلاح شبکه مبدل‌ها میباشد که بر اساس مفاهیم ترمودینامیکی به ذخیره سازی انرژی می‌پردازد که از مهمترین بخش‌های فناوری پینچ مشخص کردن ΔTmin میباشد. بعد از مشخص کردن نقطه پینچ مرحله هدف گذاری مطرح می‌گردد که باید ابتدا شبکه موجود را نسبت به هدف بسنجیم، بعد به اصلاح آن بپردازیم.
فصل سوم
انتگراسیون و بهینهسازی شبکه مبدلهای حرارتی
فصل سوم
مقدمه
در رياضيات، انتگرال‌گيري از تابع به مفهوم محاسبه سطح محصور بين منحني و يكي از محورهاي مختصات مي‌باشد و اين امر با تعيين سطح هر مستطيل يا ذوزنقه و جمع كردن مساحت‌هاي آنها امكان پذير میباشد. انتگراسيون فرآيندها نيز مفهوم مشابهي دارد به عبارت ديگر، منظور از انتگراسيون فرآيندها ( يكپارچه كردن فرآيند) چيدن و قرار دادن اجزا تجهيزات فرآيندي در واحد مي باشد (جمع كردن تجهيزات) به نحوي كه شرايط بهينه حاصل گردد .هدف از انتگراسيون فرآيندها را ميتوان بصورت زير بيان نمود [4]:
طراحي بهتر فرآيند45
كاهش هزينه هاي منابع حرارتي گرم وسرد خارجي46
كاهش اتلاف انرژي47
استفاده بهينه و مناسب از دستگاهها48
نظریه پینچ انتگراسيون فرآيندها را امكان پذير مي‌سازد این روش براي حل بسياري از مسايل فرآيندي از جمله موارد زير كاربرد دارد:
طراحي شبكه مبدلهاي حرارتي49
تعيين صحيح محل قرار گرفتن تجهيزات فرآيندي (كمپرسورها، پمپ‌ها، توربين ها، برج تقطير و…)
انتخاب بهينه منابع حرارتي گرم و سرد خارجي50
تعيين تقريبي سطح تبادل حرارت شبكه مبدلهاي حرارتي، قبل از طراحي شبكه مورد نظر تعيين هزينه دستگاهها51 و هزينه انرژي52 و…
حلقه53
در يك شبكه مبدلهاي حرارتي اگر از يك گره54 شروع كنيم و از مسير ديگري حركت كرده ومجدداً به مبدل اوليه برگرديم [11] (شکل 3 1).
شکل 3 1 نمای یک حلقه
وقوع چرخه در طراحي شبكه مبدل هاي حرارتي به دو علت مي تواند باشد :
شبكه طراحي شده داراي تعداد مبدل هاي حرارتي بيشتري نسبت به حداقل تعداد گفته شده در قضیه اولر55 میباشد.
شبكه داراي قيدهاي بيشتري جهت كنترل پذيري خود مي‌باشد.
در طراحي شبكه مبدلهاي حرارتي بهتر است از بوجود آمدن چرخه در شبكه اجتناب نمود. دو نوع چرخه در شبكه مبدل هاي حرارتي وجود دارد: مستقل و وابسته. تعداد چرخه‌هاي مستقل در شبكه بوسيله معادله زير داده مي شود [3].
(3-1) N_loop=(N_x-N_z)+N_n
که در آن N_loop تعداد چرخه‌هاي مستقل، N_x تعداد كل تبادلگرهاي حرارتي در شبكه، N_z تعداد كل جريا ن‌ها (اعم از جريانهاي فرايندي و خارجي) وN_n تعداد زير شبكه‌هاي موجود در طراحي مي‌باشند .
مسیر56
مسير عبارت است از خط ارتباطي بين دو جريان خارجي گرم و سرد كه از مبدل خطاكار يا از نزديكي آن بگذرد [4]. هميشه براي حذف مبدل خطاكار، مسير را تعريف ميكنيم (شکل 3 2).
شکل 3 2 یک مسیر در نمودار پنجره ایی
نكته مهم درمورد مسير اينست كه بار حرارتي طي آن انتقال مييابد. حذف چرخهها و مسيرها هر دو مي توانند باعث كاهش هزينه و افزايش بازدهي شبكه گردند. دو مرحله زير را ميتوان براي تغيير در چرخهها و مسيرها و كاهش تعداد تبادلگرها در شبكه بكار برد [3]:
شكستن چرخه ها به گونه اي كه تبادلگر با كمترين بار حرارتي حذف گردد.
كم كردن مسيرها با انتقال بار حرارتي، به‌گونه‌اي كه كمترين اختلاف دماي جريانها در تبادلگرها رعايت شود.
درجه آزادی57
در تجزيه و تحليل شبكه مبدلهاي حرارتي، درجه آزادي را علاوه بر هر يك از تبادلگرها براي كل شبكه نيز محاسبه ميكنيم [3]. براساس ساختمان شبكه از6 معادله زير براي تعيين درجه آزادي سيستم استفاده ميشود:
معادلات (3-2) تا (3-4) براي هر تبادلگر در شبكه جداگانه نوشته ميشود.
(3-2) Q=(T_hi-T_ho)×MC_(P_h )
(3-3) Q=(T_ci-T_co)×MC_(P_c )
(3-4) Q=U×A×∆T_LMTD
که در این معادلات Q بار حرارتی، A سطح انتقال حرارت، U ضریب انتقال حرارت کلی و∆T_LMTD اختلاف دمای متوسط میباشد.
براي هر تقسيم كننده جريان در شبكه معادله (3-5) اضافه می‌گردد.
(3-5) j=0,1,2,…,Nبرای T_oj=T_i
کهN تعداد شاخه‌ها58 میباشد.
شکل 3 3 معادلات حاکم بر یک تقسیم کننده
براي هر مخلوط كننده59 در شبكه معادله (3-6) به مجموعه معادلات اضافه ميشود
(3-6) ∑_(j=1)^N▒〖MC_(P j) 〗×T_ij=MC_(P_h ) 〖×T〗_o
که تعداد شاخه‌ها میباشد.
شکل 3 4 معادلات حاکم بر یک مخلوط کننده
درجه آزادي حاصل تفاضل بين تعداد متغيرهاي مجهول و تعداد معادلات مي‌باشد. متغيرهاي مجهول موجود در اين معادلات شامل دما، بار حرارتي و سطح مي‌باشند.
از مفهوم گره براي مشخص كردن متغيرهاي مجهول استفاده ميكنيم. يك گره بيانگر يك نقطه دمايي است كه متصل بودن60 آن جريان از تعداد معادلات بيان شده در بالا می‌کاهد زيرا معادله (3-6) هنگامي كه دو گره متوالي متصل باشند حذف ميشود .
تقسیم جریان61
در بهينه‌سازی، يك جريان جهت اتصالات بهتر و استفاده بهينه از يك جريان، آن جريان شكسته و به دو جريان يا بيشتر شكسته ميشود [4].
در دو حالت كلي بايد جريانها را تقسيم كرد :
بر مبناي قانون سرانگشتي فرآيند بايد در هر دو طرف pinch قاعده Nout≥Nin برقرار باشد و درصورت عدم برقراري اين نامساوی، بايد جريانها را تقسيم كرد.
بر مبناي قانون سرانگشتي فرآيند بايد در هر دو طرف pinchقاعده (FCp)out≥( FCp)in برقرار باشد و در صورت عدم برقراري اين نامساوي، بايد جريانها را تقسيم كرد.
افزايش تقسيم جريان = درجه آزادي در طراحي
پيدا كردن بهترين انتخاب = بهينه سازي
نظریه مثبت، منفی62
كل انرژي مورد نياز هر فرآيند را ميتوان با تغيير شرايط فرآيندي كاهش داد [4]. به عنوان مثال، تغيير موارد زير را ميتوان به عنوان تغييرات فرآيندي در نظر گرفت :
درصد تبديل راكتور
فشار و نسبت جريان برگشتي برج تقطير
فشار خوراك تبخير كننده‌ها
دبي63
البته تعداد شرايط فرآيندي كه ميتوان تغيير داد نامحدود است. با توجه به قوانين طلايي پینچ، ميتوان شرايط فرآيندي را طوري تغيير داد كه از نقطه نظر مصرف انرژي تاثير مثبتي داشته باشند. این مفاهيم به عنوان “نظريه مثبت / منفي” يا “Plus/Minus principle” مطرح می‌باشند [4].
بر مبناي نمودارهاي ترکیبی و ترکیبی جامع، قسمت بالاي پینچ را هیت سینک64 می‌نامند كه در اين قسمت كمبود انرژي فرآيندي است و بايد منابع گرم خارجی65 را بكار برد. اگر بتوان با تغيير شرايط فرآيندي جريانهاي گرم را به سمت بالاي پینچ هدايت كرد، می‌توان از انرژي آنها بهتر استفاده كرد و بار حرارتي منابع حرارتي گرم خارجي كاهش مييابد [4]. بنابراین:
افزايش (+)بار حرارتي جريانهاي گرم در بالاي پینچ
كاهش(-) بار حرارتي جريانهاي سرد در بالاي پینچ
و
كاهش(-) بار حرارتي جريانهاي گرم در پايين پینچ
افزايش (+)بار حرارتي جريانهاي سرد در پايين پینچ
به ترتيب باعث كاهش بار حرارتي گرم و سرد خارجي مي‌شوند. به عبارت ديگر با تغيير شرايط فرآيندي بايد به (+) و (-) هاي گفته شده رسيد. البته تغيير دماي جريانهاي ساده‌تر از تغيير بارحرارتي آنها مي‌باشد .
براي رسيدن به اهداف مطرح شده، ميتوان روي پارامترهاي فرآيندي زير Action گرفت:
فشار/دماي راكتور
دما، فشار، نسبت جريان برگشتي ، شرايط خوراك، Pump around، جريانهاي جانبي وسرد كننده
فشار تبخير كننده
دماي مخازن ذخيره
هدف