خواص فيزيكي جريان و مبدلهاي حرارتي صورت مي‌گيرد [36].
دو نوع دماي خروجي براي جريان‌هاي فرايندي وجود دارد: دماي خروجي محاسبه شده85 و دماي هدف86.
دماي خروجي محاسبه شده، براساس شرايط مشخص شده مبدل حرارتي و دماي جريان ورودي بدست می‌آيد.
دماي خروجي هدف، مقدار مشخص شده و يا مطلوب در طراحي مي‌باشد.
بعنوان مثال، در يك واحد پالايشگاهي هدف رسيدن دماي خروجي يك مبدل حرارتي به مقدار Cº330 مي‌باشد؛ ولي بدليل مسائلي مثل رسوب در مبدل معمولا به اين دما نمي‌توانيم برسيم.
عملكرد بهينه و نگهداري از شبكه مبدل هاي حرارتي
در اين قسمت به مطالعه رفتار شبكه مبدلهاي حرارتي موجود، در كاركرد با شرايط عملياتي متفاوت پرداخته می‌شود. هدف از اين مطالعه كه منجر به ارائه يك روش سيستماتيك مي‌گردد، تسهيل در عمليات روزانه، بهبود نگهداري شبكه و پيش بيني عملكرد مطلوب شبكه مي‌باشد. هدف نهايي اين روش، فراهم كردن يك ابزار كاربردي جهت مشاهده كارايي يك تبادلگر حرارتي بصورت مجزا مي‌باشد. اولين قدم در اين روش مشخص كردن فاكتور رسوب در تبادلگرها می‌باشد[7].
ضریب انتقال حرارت کلی تمیز
هنگامي كه پديده رسوب را در سطح مبدل حرارتي در نظر نگيريم ضريب انتقال حرارت محاسبه شده را ضريب انتقال حرارت كلي تميز مي‌ناميم. اين ضريب از تركيب ضريب انتقال حرارت در دو قسمت پوسته ولوله تشكيل شده است .براي قسمت پوسته با فرض عبور جريان گرم داريم:
(3-1) (U×D)/k=0.36Re_s^0.55×Pr^(1/3) 〖(μ/μ_w )〗^0.14
طبق تعريف عدد رينولدز87 داريم:
(3-2) Re_s=(D×G_s)/μ
شار جرمی در قسمت پوسته برابر است با:
(3-3) G_s=D×ρ=M_s/(L_bc×(L_tp-D_t)×(D_s⁄(L_tp)))
عدد پرانتل88 عبارت است از:
(3-4) Pr=(C_P×μ)/k
همچنین فرض می کنیم:
(3-5) 〖(μ/μ_w )〗^0.14=1
این معادلات را برای قسمت لوله نیز می توانیم بنویسیم:
(3-6) (U×D)/k=0.023Re_s^0.8×Pr^(1/3) 〖(μ/μ_w )〗^0.14
عدد رینولدز برای قسمت لوله عبارت است از:
(3-7) Re_t=(D×G_t)/μ
شار جرمی در قسمت لوله بابر است با:
(3-8) G_t=D×ρ=M_t/((π×D^2⁄4)×(N_t⁄(N_tpass)))
که در معادلات بالا U ضریب انتقال حرارت، D قطر سطح ورودی جریان، k ضریب انتقال هدایتی، ρ چگالی، ν سرعت جریان، M_s دبی جرمی جریان سمت پوسته، L_bc فاصله بین بافل‌ها89، L_tp گام لوله90، D_t قطرخارجی لوله، D_s قطر پوسته، μ ویسکوزیته، C_P ظرفیت گرمایی ویژه موثر، N_t تعداد لوله‌ها و N_tpass تعداد گذر لوله91 می‌باشند.
ایجاد رسوب در مبدل حرارتی
میزان رسوب موجود در یک مبدل حرارتی از تفاضل مقاومت در برابر انتقال حرارت تمیز از مقاومت مشاهده شده بدست می‌آید. این مقدار را مقاومت کثیف92 می‌گویند و با r_d نشان می دهیم.
(3-9) r_d=1/U_obs -1/U_clean
که در این رابطه U_obs ضریب انتقال حرارت براساس شرایط مشاهده شده و U_clean ضریب انتقال حرارت براساس شرایط تمیز می‌باشند.
چه مقدار / اگر93
این آنالیز جهت بررسی اثرات ناشی از ایجاد یک رخداد در شبکه مبدل‌های حرارتی و نتایج آن می‌باشد. یک رخداد می‌تواند شامل یک یا بیشتر عمل باشد.
رخداد94
يك رخداد در واقع پيشامدي است كه در يك زمان محدود مثل يك روز تا يك هفته در نظر گرفته می‌شود. بعنوان مثال تميز كردن يك مبدل حرارتي در واحد بعنوان يك رخداد در نظر گرفته می‌شود. بطور كلي رخدادهاي رايج بكار گرفته شده در يك شبكه مبدلهاي حرارتي را به چهار حالت زير مي‌توان تقسيم كرد.
تعمير و نگهداري95 ؛ اين نوع رخداد شامل كارهايي است كه هنگام تعمير مبدل حرارتي در واحد صورت مي‌گيرد.
عمليات96 ؛ اين نوع رخداد هم شامل وظايف شبكه هنگام كاركرد مبدلها و همچنين تاثير شرايط عملياتي بر شبكه در يك واحد مي‌باشد.
رسوب97 ؛ اين رخداد نيز شامل وظايف شبكه هنگام ايجاد رسوب در مبدل هاي حرارتي واحد می‌باشد.
توان عملياتي98 ؛ اين رخداد شامل وظايفي است كه هنگام تغيير در دبي جريان‌هاي فرايندي در واحد بوجود مي‌آيد[7].
بعنوان مثال اگر چند مبدل حرارتي واحد هر شش ماه يكبار تميزكاري شوند، اين پيشامد تميزكاري اين مبدلها يك رخداد می‌باشد .
وظايف99
وظيفه، در واقع يك تغيير واقعي يا فيزيكي مي‌باشد كه در طي يك رخداد روي مي‌دهد. بعنوان مثال تميزكردن يك مبدل، يك وظيفه مي‌باشد. يك رخداد مي‌تواند شامل چندين وظيفه باشد .
رخداد تعمير و نگهداري
انواع وظايف موجود در رخداد تعمير و نگهداري كه در شکل 3 12 نشان داده شده عبارتند از:
شکل 3 12 وظايف موجود در رخداد تعمير و نگهداري
تميز كردن يك مبدل؛ اين وظيفه امكان مشخص كردن يك مبدل جهت تميزكاري طي يك رخداد را می‌دهد.
اضافه كردن سطح در يك مبدل، اين وظيفه امكان تغيير سطح انتقال حرارت طي يك رخداد را مهيا مي‌كند.
اضافه كردن پوسته بصورت سري و تغيير چيدمان لوله‌ها؛ در اين حالت تعداد پوسته ها در آرايش سري تغيير می‌كند.
رخداد عملياتي
وظايف موجود در رخداد عملياتي مطابق شکل 3 13 عبارتند از:
شکل 3 13 وظايف موجود در رخداد عملياتي
اصلاح دبي در يك تقسيم كننده؛ اين وظيفه اين امكان را مي دهد كه درصد تقسيم جريان را در يك تقسيم كننده100 تغيير و اصلاح نمود.
خارج كردن يك مبدل حرارتي از سرويس؛ امكان حذف يك مبدل در شبكه را طي يك رخداد فراهم مي‌كند.
تغيير در دماي ورودي يك جريان
اصلاح دبي يك جريان
رخداد رسوب
وظايف موجود در رخداد رسوب كه درشکل 3 14 نشان داده شده عبارتند از:
شکل 3 14 وظايف موجود در رخداد رسوب
بررسي ميزان رسوب در مبدل
تغيير دماي ورودي يك جريان
اصلاح دبي يك جريان
رخداد توان عملیاتی
در اين رخداد تنها يك وظيفه وجود دارد و آن اصلاح درصد دبي براي كل جريان‌هاي فرايندي در شبكه مبدلهاي حرارتي می‌باشد. در نرم افزار HX-NET امكان اعمال اين رخدادها و نتايج آن بر شبكه وجود دارد. همچنين مي توان مقايسه اي با حالت اوليه شبكه نيز آنجام داد و اثر رخداد را بر شبكه نهايي تحليل نمود[7] .
طراحی شبکه
جهت طراحي شبكه شتنها101 و همكارانش در سال 2000 الگوريتمي را جهت طراحي بهينه شبكه ارائه نمودند كه در نرم افزار HX-NET از اين الگوريتم جهت طراحي بهينه‌ي شبكه استفاده مي‌شود [37].
جهت استفاده از اين الگوريتم اطلاعات زير از واحد موردنظر بايستي مشخص باشند:
دماي اوليه و نهايي جريان‌هاي فرايندي و جريان‌هاي خارجي
بار حرارتي جريان‌هاي فرايندي
مقادير ظرفيت گرمايي ويژه جريان‌هاي فرايندي و ضريب انتقال حرارت براي هر جريان
هزينه عملياتي براي هر واحد بار گرمايي جريان‌هاي خارجي
هزينه سرمايه‌گذاري براي قرار دادن يك مبدل حرارتي در هر اتصال ممكن
با داشتن اين اطلاعات اوليه از واحد مي‌توان از روش سه مرحله اي ارائه شده توسط ییه102 و گروسمن103 در سال 1990 استفاده نمود[38]. الگوريتم ارائه شده جهت طراحي بهينه شبكه حرارتي در نرم افزار HX-NETدرواقع همان الگوريتم سه مرحله اي ییه با كمي اصلاح می‌باشد شکل (3-15). فلوچارت كلي اين روش نيز شکل 3 16 نشان داده شده است.
شکل 3 15 مراحل طراحی بهینه شبکه حرارتی توسط روش Yee[3]
شکل 3 16 الگوریتم طراحی بهینه شبکه حرارتی به روش Yee [3]
اصلاح و بازبيني شبكه104
بازبيني شبكه مبدلهاي حرارتي جهت ايجاد اصلاحاتي براي بهبود بازدهي شبكه موجود مي‌باشد. دو روش طراحي پينچ و روش برنامه نويسي رياضي پركاربردترين روش‌ها جهت اصلاح شبكه موجود مي‌باشد. روش پينچ نسبت به روش رياضي وقت گيرتر و نتايج آن براساس تجربه و تصميمات طراح مي‌باشد، هرچند رويكرد آن به حل مسئله بيشتر دستي مي‌باشد. در حالي كه روش برنامه نويسي رياضي سريعتر بوده و داراي روشي دقيق براي پيدا كردن جواب مي‌باشد. درگيري كمتر كاربر نيز جزو مزاياي اين روش مي‌باشد. روش پينچ شامل دو مرحله هدف‌گذاري و طراحي مي باشد. در هدف‌گذاري مقدار بهينه بازيافت حرارتي و سطح انتقال حرارت مشخص مي‌شود. در طراحي نيز با استفاده از يك سري قوانين و ابزارها به بهبود و اصلاح دستي شبكه براي رسيدن به هدف گذاری‌هاي آنجام شده پرداخته مي شود. در مقابل، روش برنامه نويسي رياضي، طراحي مسئله را براساس يك مدل رياضي با استفاده از يك سري فرمول ها و قيدها در قالب يك تابع هدف بيان مي كند. اين تابع هدف عموما تخميني از هزينه اصلاح شبكه مي باشد و بعنوان مقياسي جهت ارزيابي ميزان نزديكي اصلاح صورت گرفته به حالت بهينه عمل مي‌كند. در نرم افزار HX-NET از روشي كه در واقع تلفيق دو روش فوق براي اصلاح شبكه مي‌باشد، استفاده مي‌شود. اين روش براي اصلاح شبكه مشتمل بر دو مرحله مي‌باشد. در مرحله اول گلوگاه‌هاي (Bottleneck) موجود در سيستم شناسايي مي‌شوند و در مرحله دوم حذف گلوگاه ها با اعمال اصلاحاتي در شبكه صورت مي‌گيرد. تقابل هزينه سرمايه گذاري و انرژي نيز در مرحله دوم صورت مي‌گيرد و در نهايت در مرحله سوم بهينه سازي شبكه اصلاح شده صورت مي‌پذيرد[39]. اين الگوريتم اصلاح شبكه در شکل 3 17، نشان داده شده است.
شکل 3 17 الگوریتم اصلاح شبکه مبدل های حرارتی به روش ریاضی[39].
تشخيص گلوگاهها در شبكه مبدلهاي حرارتي
از چرخه‌ها و مسيرهاي موجود در شبكه مبدلهاي حرارتي موجود جهت كاهش مصرف انرژي استفاده مي‌شود. در نهايت ممكن است به نقطه‌اي برسيم كه كاهش بيشتر مصرف انرژي براساس شبكه اصلي امكان پذير نمي‌باشد. اين محدوديت باعث بوجود آمدن گلوگاه ها در شبكه مي‌شوند [3].
مرحله دوم از فرايند اصلاح شبكه، حذف اين گلوگاهها و بهينه كردن مصرف انرژي مي‌باشد. يك مدل رياضي خطي جهت حذف گلوگاهها بكار مي‌رود. اين كار توسط يكي از چهار اصلاح بيان شده در زير صورت مي‌گيرد:
افزايش سطح انتقال حرارت مبدل حرارتي موجود؛
جابجايي يك سر انتهايي مبدل حرارتي موجود به مكان هاي مختلف روي همان جريان موجود و يا به جريان ديگر؛
جابجايي هر دو انتهاي مبدل حرارتي موجود به مكان هاي مختلف روي همان جريان ها و يا جريان هاي ديگر؛
اضافه كردن يك مبدل حرارتي جديد به شبكه؛
بعد از حذف گلوگاهها، فرايند اصلاح و بازبيني فرايند به بهينه كردن انرژي و سطح شبكه مي‌پردازد. اين بهينه‌سازي مي‌تواند شامل اضافه كردن و يا تغيير خط لوله105 كولرها و گرمكن‌ها جهت استفاده از جريان‌هاي خارجي ارزانترِ استفاده نشده مي‌باشد. در نرم افزار HX-NET پنج نوع اصلاح در شبكه را مي توان در نظر گرفت:
اصلاح توزيع جريان خارجي به گونه‌اي كه از جريان خارجي ارزان‌تر بيشترين استفاده صورت گيرد و هزينه عملياتي كاهش يابد،
تغيير توالي مبدلهاي حرارتي106 شامل تغيير مكان مبدل موجود بر روي جريان هاي گرم و سرد جهت انتقال حرارت بهتر كه اين عمل مي‌تواند باعث كاهش سطح انتقال حرارت و يا افزايش انتقال حرارت بين فرايندي و كاهش مصرف انرژي خارجي گردد.
تغيير خط لوله يك مبدل حرارتي كه جريان متصل به يك يا هر دو انتهاي يك مبدل حرارتي را تغيير مي‌دهد. اين عمل نيز مانند گزينه قبل باعث كاهش سطح حرارتي و يا كاهش مصرف جريان خارجي مي‌گردد؛ كه باعث كاهش در هزينه سرمايه گذاري و عملياتي شبكه مي‌گردد.
