كاربرد مبدل های حرارتی در صنایع1

دانشمندان به فكر اصلاح (Retrofit) شبكه مبدل‌های حرارتی افتادند بطوری كه هدفشان كاهش مصرف انرژی و طبعاً كاهش هزینه‌های عملیاتی بوده است بنابراین متدهای گوناگونی را ارائه داده‌اند كه از جمله این متدها می‌توان به متد‌های ریاضی و تحلیلی اشاره نمود ما در این سمینار روش تحلیلی را انتخاب نموده و به بیان متد Pinch برای Retrofitشبكه‌های مبدل حرارتی كه توسط Linnhoff پایه‌گذاری شده است پرداخته‌ایم در ابتدای امر هدف در اصلاح شبكه‌های مبدل حرارتی را توضیح داده گفته شده كه چگونه بایستی امر هدف یابی را انجام داده سپس این سئوال مطرح گردید كه چگونه بایستی از عهدة پروژه‌های بهبود (Retrofit) برآمد. كه سه روش 1- اصلاح شبكه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن. 2- اصلاح شبكه به صورت یك طرح جدید (جستجوی كامپیوتری). 3- اصلاح با استفاده از تكنولوژی Pinchمطرح و به توضیح آنها پرداخته ولی از میان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تكنولوژی Pinch بحث اصلی این سمینار را تشكیل می‌دهد. در توضیح متد Pinch ابتدا هدف‌یابی در فن‌آوری Pinch مورد بررسی قرار گرفته بطوری كه پروژه را در یك محدود سرمایه‌گذاری مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید. سپس فلسفه هدف‌یابی شرح داده شده است و در فلسفه  هدف‌یابی گفته شده كه در اولین گام می‌بایستی وضعیت شبكه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم كه بهترین ابزار برای این كار استفاده از منحنی سطح حرارتی برحسب انرژی می‌باشد سپس به تفضیل به بیان روش هدف‌یابی پرداخته‌ایم و بعد از بیان مسئله هدف‌یابی در فصل سوم ابزار طراحی را معرفی نموده و گفته شد كه طراحی شبكه در پروژه‌های Retrofit بسیار مشكل‌تر از طراحی ابتدائی است زیرا یكسری مبدل قبلاً نصب شده‌اند و در كل، طرح توسط ساختمان شبكه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدل‌ها مستلزم صرف هزینه می‌باشد.

لذا جهت كاهش هزینه طراحی لازم است تا جایی كه امكان دارد از وسایل موجود حداكثر استفاده را نمود بنابراین احتیاج می‌باشد كه به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تأثیر آن در عملكرد كلی شبكه پرداخته شود به این ترتیب می‌توان دریافت كه كدام مبدل اثر مثبت در شبكه دارند و باید به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و كدام مبدل به طور نامناسب جایگذاری شده‌اند و بایستی تصحیح گردد از این رو به روش‌هایی كه برای این بررسی وجود دارد پرداخته كه عبارتند از : 1- مبدل‌های عبوری از Pinch. 2- منحنی نیروی محركه. 3- تحلیل مسئله باقی مانده. 4- تغییر موقعیت مبدل‌ها.

و مفصلاً روش‌های فوق را مورد بحث قرار داده و به نتیجه‌گیری در مورد روش‌های فوق پرداخته و بعد از آن طراحی را آغاز نموده. در ابتدا مراحل طراحی را بیان نموده كه عبارتند از:

1- تحلیل مبدل‌های موجود. 2- تصحیح مبدل‌های نامناسب. 3- جایگذاری مبدل‌های جدید. 4- اعمال تغییرات ممكن در طرح.

و سپس به توضیح مراحل فوق پرداخته و در نهایت به اعمال محدودیت‌های فرآیند در روش طراحی اشاره شده است با توجه به اینكه در فصل دوم یك روش هدف‌یابی برای متد Pinch بیان شده بود در فصل چهارم یك روش هدف‌یابی جدیدی برای بهبود (Retrofit) شبكه مبدل‌های حرارتی ارائه شده است كه این روش به نام تحلیل مسیری عنوان شده و به ارزیابی زیر ساختار‌ها (یعنی اجزا مستقل شبكه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت برای ذخیره انرژی را ارائه كرده است و همانطور كه در پیشینه اشاره شد اصلاح شبكه از طریق روش و سنتز ریاضی روش‌های متعددی دارد كه ما در فصل پنجم این سمینار فقط بطور گذرا و خیلی مختصر روش مركب برای اصلاح شبكه مبدل‌های حرارتی و مدل Synheat را معرفی نموده.

پیشینة اصلاح مبدل‌های حرارتی:

امروزه طراحی بهبود یافته شبكه‌های مبدل‌های حرارتی (HERL) نقش مهمی در سامانه‌های ذخیره انرژی ایفا می‌نماید.

شبكه‌های موجود بیش از فرآیندهای جدید بایستی برای بهبود در بازگشت انرژی مورد توجه قرار گیرند.

اصلاح شبكه‌های حرارتی (HEN) موجود را می‌توان با استفاده از دو رویة عمده به انجام رسانید بطوریكه افراد متعددی در این زمینه فعالیت نموده‌اند.

1- روش تحلیل Pinch :

این روش بر‌پایه ترمودینامیك (و مفاهیم فیزیكی) و فرآیندهای كاوشی است.

از جمله افرادی كه پایه‌گذار این روش بوده‌اند می‌توان به T.N. Tjoe and B.linnhoff در سال 1986 اشاره نمود علاوه بر اینها افرادی همچون Van Reisen, Graham T.Polley در سال 1997 یك روش اساسی به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا بعبارتی زیر شبكه‌ها (یعنی اجزاء مستقل شبكه‌ها) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت‌ها برای ذخیره انرژی را ارائه داده‌اند.

2- روش برنامه‌ریزی ریاضی:

در این روش شبكه‌های مبدل حرارتی به صورت مدل‌های ریاضی نشان داده می‌شوند.

از جمله افرادی كه در زمینه مدل‌های خطی كار كرده‌اند می‌توان به

S.A. Papoulias, I.E. Grossmann  در سال 1983 اشاره نمود كه از مدل خطی برای تعیین حداقل هزینه تأسیسات وسایل و حداقل تعداد واحدها استفاده نموده‌اند.

اما در زمینه مدل‌های غیر خطی C.A. Floudas, A.R. Ciric 1983 و 1991 و T.F. Yee, E.I. Grossmann در سال 1990 تعدادی از مدل‌های غیرخطی را كه از لحاظ محاسباتی گرانتر هستند هم برای به حداقل رساندن هزینه‌های سطحی و هم برای به حداقل رساندن همزمان تأسیساتی (تعداد واحدها و سطوح مبدل‌های حرارتی) ارائه نموده‌اند.

افرادی مانند E.N. Pistikopoulos و  K.P. Popalexandri در سال 1994 مدل‌های بهینه‌سازی MINLP را نه ‌تنها برای تعیین طراحی بلكه برای شرایط عملیاتی مطلوب، تحت فرض قابل كنترل دینامیك بسط داده‌اند ولی این مدل برای مسائل با مقیاس بزرگ قابل استفاده نمی‌باشد.  چون روش‌هایی كه بر مبنای الگوریتم برنامه‌ریزی غیر خطی صحیح مركبMINLP)) هستند برای دسترسی به شكل بهبود یافته مشكلات محاسباتی زیادی دارند بویژه در حالتی كه مسئله مقیاس آن بسیار بزرگ باشد Ca. Athier & P. Floquet در سال 1996 روش‌های بهینه‌سازی تصادفی همراه روش‌های جبری را برای حل مسائل طراحی فرآیند مطرح نمودند بعنوان مثال از روش‌های NLP و شبیه‌سازی بازپخت برای حل طراحی  شبكه مبدل‌های حرارتی استفاده نموده‌اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقیق و كاملی نداشته‌اند.