تعريف مي‌شوند. اين قوانين به طراح كمك ميكند تا هدف‌گذاري جهت كمترين مصرف جريان خارجي را داشته باشد. در شبكه مبدل‌های حرارتي دو نوع پينچ تعريف مي گردد :
پينچ فرايندي68 كه جريان‌هاي فرايندي را به دو قسمت تقسيم مي كند. ناحيه دما بالا كه در بالاي پينچ قرار مي‌گيرد و جريان‌هاي خارجي گرم مي‌توانند در اين ناحيه مورد استفاده قرار گيرند. ناحيه دوم، ناحيه دما پايين مي‌باشد كه در پايين نقطه پينچ قرار مي گيرد و بكار بردن جريان‌هاي خارجي سرد فقط در اين ناحيه مجاز مي باشد.
پينچ خارجي69 كه از برخورد منحني جريان خارجي با منحني تركيبي جامع شكل مي‌گيرد. نقاط پينچ خارجي را مي توان در نمودار تركيبي تراز شده انتقال يافته70مشاهده کرد.
در هدف‌گذاري انرژي شبكه معمولا خواص فيزيكي را در طول يك جريان ثابت در نظر مي گيرند؛ در حالي كه اين مقادير تابع دما بوده و در طول جريان تغيير مي كنند. شکل 3 5 تفکیک جریان های گرم و سرد فرایندی[34].نحوه تغيير آنتالپي، كه خود تابع ظرفيت گرمايي ويژه مي‌باشد، را با دما براي يك جريان گرم و سرد نشان مي‌دهد. بنابراين در هدف‌گذاري انجام شده مي‌بايست تغييرات خواص فيزيكي جريان‌ها با دما را نيز در نظر گرفت كه باعث اصلاح در بار حرارتي جريان‌هاي خارجي سرد و گرم و همچنين تغيير نقطه پينچ ميگردد.
شکل 3 5 تفکیک جریان های گرم و سرد فرایندی[34].
روش تخصیص بار حرارتی جریان خارجی71
هنگامي كه بيش از يك جريان خارجي سرد و يا گرم داريم، مسئله اختصاص آنها به جريان‌هاي فرايندي مورد توجه قرار مي‌گيرد [34]. در اين حالت بايستي بهينه‌ترين سطح قابل استفاده از جريان‌هاي خارجي را جهت كمينه كردن هزينه‌هاي عملياتي، و تامين كليه نيازهاي حرارتي شبكه مورد استفاده قرار گيرد. دو روش موجود براي اختصاص جريان‌هاي خارجي به فرايند در ادامه معرفي مي‌گردند.
روش مبتني بر منحني تركيبي جامع72
در اين روش از منحني تركيبي جامع جهت اختصاص جريان خارجي استفاده ميگردد. ايده كلي اين روش استفاده بيشتر از ارزان ترين جريان خارجي می‌باشد. مبناي اين روش انتخاب گرم‌ترين جريان سرد خارجي و سردترين جريان گرم خارجي بعنوان ارزان ترين گزينه مي‌باشد. در واقع در اين حالت اساس انتخاب جريان خارجي ارزان تر، دماي پايين‌تر آن مي‌باشد نه هزينه كمتر آن و يك جريان خارجي گرم با دماي كمتر ارزان‌تر از يك جريان گرم با دماي بالاتر در نظر گرفته مي‌شود [3].
در ابتدا نمودار تركيبي جامع مربوط به جريان هاي فرايندي گرم و سرد شبكه را ترسيم مي‌كنيم (شکل 3 6).
شکل 3 6 سطوح مختلف جریان خارجی در منحنی ترکیبی جامع [3]
كليه پاكتهاي نشان داده شده در شكل مي‌توانند انرژي مورد نياز خود را تامين كنند. با توجه به شكل نشان داده شده انرژي مورد نياز سيستم در بازه‌هاي مختلف دمايي با هم متفاوت مي‌باشد. و در هر سطحي از يك انرژي خارجي خاصي استفاده ميگردد. و اين كمك ميكند تا كمترين انرژي و بهينه‌ترين انرژي مورد استفاده قرار گيرد.
فرض براين است كه جريان‌هاي خارجي هر چه به نقطه پينچ نزديك تر باشند داراي هزينه كمتري هستند. براي جريان‌هاي گرم خارجي، در ابتدا جريان خارجي با كمترين دما و براي جريان هاي سرد خارجي نيز، جريان با بيشترين دما را استفاده مي‌كنيم.
براساس دماي خروجي جريان خارجي، دماي پينچ و منحني تركيبي جامع شبكه، امكان ايجاد سه حالت زير وجود دارد:
اگر دماي خروجي جريان خارجي زير دماي پينچ باشد، يك خط از دماي ورودي جريان خارجي به نقطه پينچ مي كشيم. اين خط را تا دماي خروجي جريان خارجي امتداد مي‌دهيم. ميزان بار حرارتي مفيد و اتلاف انرژي به صورت ترسيمي در شکل 3 7، نشان داده مي‌شود.
شکل 3 7 جريان خارجي غيرنقطه اي با دماي خروجي كمتر از نقطه پينچ [3]
اگر دماي خروجي جريان خارجي از دماي پينچ بزرگتر باشد، يك خط از دماي ورودي جريان خارجي به سمت دماي خروجي آن روي محور دما مي‌كشيم. در اين حالت مطابق شکل 3 8، اتلاف انرژي در شبكه وجود نخواهد داشت.
شکل 3 8 جريان خارجي غيرنقطه اي با دماي خروجي بيشتر از نقطه پينچ [3]
اگر بين دماي ورودي و خروجي جريان خارجي يك پاكت بزرگ در نمودار تركيبي جامع وجود داشته باشد، يك خط از دماي ورودي جريان خارجي به سمت دماي جريان خارجي بگونه‌اي ترسيم مي كنيم كه منحني تركيبي جامع را تنها در يك نقطه قطع كند. بار حرارتي مفيد، سوخت و اتلاف انرژي بصورت ترسيمي که در شکل 3 9، نشان داده شده است.
شکل 3 9 جريان خارجي غيرنقطه اي با محدوديت پاكت بزرگ [3].
قاعده ارزان ترين جريان خارجي73
روش CUP توسط شنوی74 در سال 1998 ميلادي جهت تصميمگيري براي انتخاب اقتصادي‌ترين جريان خارجي در طراحي شبكه مبدل‌هاي حرارتي معرفي گرديد. اين روش علاوه بر هزينه‌هاي انرژي، هزينه‌هاي مربوط به سرمايه گذاري ثابت را نيز جهت هدف‌گذاري بار حرارتي خارجي در نظر مي‌گيرد [35].
اهميت اين روش هدف‌گذاري در طراحي شبكه تبادلگرهاي حرارتي عبارتست از :
شبكه حرارتي ترسيم شده براساس اين روش نزديك به حالت بهينه75 عمل ميكند.
شبكه حرارتي را براساس روش پينچ ترسيم كرده و باعث صرفه جويي در وقت و هزينه طراح ميگردد.
روش CUP براساس افزايش بار حرارتي جريان خارجي ارزان‌تر مي‌باشد كه اين خود باعث افزايش كلي مصرف جريان خارجي و كاهش بار حرارتي جريان خارجي گرانتر ميگردد. بهترين زمان براي استفاده از اين روش زماني است كه بين سطح كل انتقال حرارت و هزينه سرمايه گذاري كل رابطه خطي برقرار باشد.
هدف‌گذاري سطح76
هدف‌گذاري سطح جهت كمينه كردن سطح انتقال حرارت موردنياز براي تبادل حرارت بين جريان‌هاي سرد و گرم موجود در شبكه به كار مي‌رود. معادله اوليه جهت محاسبه سطح هدف‌گذاري شده از رابطه زير كه به رابطه بس (BATH Formula) معروف است به دست مي‌آيد[21]:
(3-8) A=∑_i▒〖1/(F_t×〖∆T〗_LMTD )×∑_j▒[(〖dT〗_h )_i×∑_jh▒〖(〖mc〗_p/h)_jh+(〖dT〗_c )_i×∑_jc▒(〖MC〗_p/h)_jc 〗] 〗
که در آن A سطح هدف‌گذاری شده، Ft ضریب تصحیح، 〖∆T〗_LMTD تفاضل دمایی متوسط لگاریتمی در هر بازه، i زیر نویس بازه آنتالپی iام، j نشان دهنده جریان jام، dTh تغییر دما برای جریان گرم در هر بازه آنتالپی، M دبی جریان، Cp ظرفیت گرمایی ویژه جریان، h ضریب انتقال حرارت جابجایی و dTc تغییر دما برای جریان سرد در هر بازه دمایی می‌باشند.
نکته 1: مقدار ضریب تصحیح برای جریان متقابل برابر 1 و مابقی آرایش‌های جریان کمتر از یک می‌باشد.
نکته 2: مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی، h، ممکن است بسته به نوع مبدل حرارتی و هندسه آن متغییر باشد.
از هدف‌گذاری سطح جهت محاسبه هزینه سرمایه‌گذاری شبکه حرارتی استفاده می‌شود. دو روش مختلف جهت محاسبه سطح هدف‌گذاری وجود دارد: فرمول بس77 و فرمول بندی به روش برتامه‌نویسی خطی78.
هدف‌گذاری سطح با استفاده از فرمول بس با این فرض صورت می‌گیرد که تنها مبدل حرارتی با جریان متقابل بین جریان‌های فرایندی سرد و گرم در شبکه وجود دارد.
تنها انتقال حرارت عمودی بین جریان‌های گرم وسرد در نمودار ترکیبی جامع در نظر گرفته می‌شود.
یک روش پیچیده‌تر برای انجام محاسبات هدف‌گذاری سطح، روش برنامه ریزی خطی79 می‌باشد. این روش بر خلاف روش قبل محدود به انتقال حرارت عمودی نمی‌باشد. اتصال‌های انتقال گرما بین جریان‌های سرد و گرم در نمودار ترکیبی، بر خلاف روش قبل، می‌توانند از محدوده بازه آنتالپی عبور کنند که باعث پیش‌بینی سطح انتقال حرارت کمتری می‌گردد. با این حال حداقل سطح پیش‌بینی شده توسط روش LP بیش از 10% اختلاف با پیش‌بینی به روش بس ندارد[3].
پارامتر بهینه‌سازی80
بهينه‌سازي شبكه مبدل‌هاي حرارتي را در دو حالت مي توان مورد بررسي قرار داد :
در طراحي اوليه شبكه جهت كمينه كردن سطح انتقال حرارت يا هزينه ساليانه كلي.
در بازبيني شبكه موجود جهت كمينه كردن دوره بازگشت سرمايه بعد از تغيير وضعيت شبکه.
قبل از بيان الگوريتم موجود در بهينه‌سازي به معرفي زيرشبكه مي‌پردازيم. در واقع زيرشبكه‌ها در طراحي شبكه مبدل‌هاي حرارتي فاكتور تاثير گذاري بر روي وضعيت كنترل پذيري طراحي مي‌باشند. يك زيرشبكه در نمودار پنجره‌اي مجموعه‌اي از جريان‌ها مي‌باشد كه با يكديگر تبادل گرما مي كنند و با جرياني خارج از زيرشبكه تبادل گرما ندارند.در الگوريتم بهينه‌سازي ابتدا زير شبكه‌هاي موجود مشخص شده و سپس براي هر زير شبكه بطور مستقل بهينه‌سازي انجام می‌گيرد .اين الگوريتم براي هر زيرشبكه بار مبدل‌هاي حرارتي و درصد تقسيم جريان را جهت كمينه كردن تابع هدف، بهينه ميكند. در حالت طراحي شبكه اين انتخاب وجود دارد كه بار حرارتي و يا درصد تقسيم و يا هر دو را بهينه كند. در حالت اصلاح شبكه (بازبینی)، هر دو پارامتر همزمان بهينه مي‌شوند. مابقي مشخصات شبكه مثل دماهاي مياني و دماي خروجي طي بهينه‌سازي تغيير نمي‌كنند .
طراحي يك شبكه مبدل‌هاي حرارتي به منظور رسيدن به هدف خاصي صورت مي‌گيرد، كه در آن جريان‌هاي فرايندي جهت رسيدن به دماي مشخص شده خروجي با يكديگر تبادل گرما می‌نمايند. در مسائل مربوط به بهينه‌سازي دماي خروجي هر جريان بايستي مشخص باشند. اگر اين دما بعنوان يكي از مشخصات شبكه تعريف نگردد آنگاه طي بهينه‌سازي شبكه، دماي جريان خروجي ممكن است غير از دماي موردنظر بدست آید.
در بهینه‌سازی تعیین مقدار برای دماهای میانی جریان های موجود در شبکه، یک قید81 مهم تلقی شده و این دماها طی بهینه کردن شبکه تغییر نکرده و ثابت می‌مانند. همواره در مسائل بهینه‌سازی باید توجه داشت که این دماهای میانی بعنوان قید تعریف نشوند زیرا این عمل باعث محدودیت در بهینه کردن شبکه می‌گردد[3].
نکات و ترفندهای بهینه‌سازی
قبل از اقدام به بهینه‌سازی، مشخصه‌های شبکه را به دقت مورد بررسی قرار دهیم. در بهینه‌سازی بار گرمایی و سطح انتقال حرارت به یک شکل مورد بررسی قرار می‌گیرد (در واقع مقدار موجود با مقدار بهینه شده اصلاح می شود) در حالت باز بینی شبکه82 این امکان وجود دارد که مبدلی را که نمی‌خواهیم سطح آن تغییر کند را قفل83 نمود [3].
کلیه مبدل‌های حرارتی که بار آنها توسط دماهای تعیین‌شده محاسبه می‌گردد و همچنین گره‌هایی که دمای انتهایی آنها مشخص شده باشد، در بهینه‌سازی شرکت ننموده و مقدار آنها تغییر نمی‌کند.
دماهای خروجی از مخلوط‌کننده‌ها را می‌توان تعیین نمود. این کار هنگامی که مخلوط‌کننده در انتهای جریان قرار‌دارد مفید می‌باشد و مانع از تغییر دمای خروجی طی بهینه‌سازی می‌گردد. در شکل 3 10 این مسئله آورده شده است.
شکل 3 10 نحوه تعیین دمای انتهایی جریان در مخلوط‌کننده.
در بهینه‌سازی می‌توان بهترین استفاده را از جریان‌های خارجی متفاوت که به یک جریان فرایندی متصل هستند نمود و میزان بار بهینه هر کدام را تعیین کرد که یک نمونه از آن در شکل 3 11 نشان داده شده است.
شکل 3 11 توزیع بار بهینه جریان‌های خارجی به روی یک جریان فرایندی
تا به اینجا به بررسی کلیه مواردی که در طراحی شبکه و بهینه‌سازی آن می‌بایست در نظر گرفت ارائه گردید. مهمترین قسمت در بهینه‌سازی شناخت خوب شبکه و تعیین قید‌ها و محدودیت های موجود در شبکه است. با در نظر گرفتن این عوامب محدود کننده و استفاده از نرم افزار HX-NET می‌توان به بهینه نمودن شبکه پرداخت. معادلات و الگوریتمهای بهینه‌سازی را می‌توان در این نرم‌افزار تعیین نمود و هدف گذاری مطلوب را انجام داد[3].
بهینه‌سازی و بررسی حالت عملیاتی شبکه
بررسی حالت عملیاتی شبکه موجود، ابزاری جهت تجزیه و تحلیل بازدهی شبکه تبادلگر حرارتی می‌باشد. کاهش میزان انتقال حرارت مبدل‌های حرارتی در اثر ایجاد رسوب84، خارج شدن یک مبدل از سرویس، تغییر در دماهای ورودی یا دبی جرمی جریان های فرایندی از جمله پارامترهای عملیاتی هستند که می توان جهت اصلاح در نظر گرفت. برای بررسی تاثیر تغییرات شرایط عملیاتی بر روی شبکه از حالت عملیاتی نرم افزار HX-NET استفاده شده است. در حالت عملیاتی حل همزمان معادلات شبکه جهت همگرا شدن دماها بوسیله تغيير در
