دانلود مقاله اصلاح شبکه مبدل های حرارتی

چکیده: با توجه به اینکه در صنعت از جمله صنایع پالایش و پتروشیمی مبدل حرارتی وجود دارند که از لحاظ مصرف انرژی بهینه نمی‌باشند و از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند و از طرفی ممکن است بعد از مدتی مشکلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند.

دانشمندان به فکر اصلاح (Retrofit) شبکه مبدل‌های حرارتی افتادند بطوری که هدفشان کاهش مصرف انرژی و طبعاً کاهش هزینه‌های عملیاتی بوده است بنابراین متدهای گوناگونی را ارائه داده‌اند که 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 Retrofit شبکه‌های مبدل حرارتی که توسط Linnhoff پایه‌گذاری شده است پرداخته‌ایم در ابتدای امر هدف در اصلاح شبکه‌های مبدل حرارتی را توضیح داده گفته شده که چگونه بایستی امر هدف یابی را انجام داده سپس این سئوال مطرح گردید که چگونه بایستی از عهده پروژه‌های بهبود (Retrofit) برآمد.

که سه روش 1- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن.

2- اصلاح شبکه به صورت یک طرح جدید (جستجوی کامپیوتری).

3- اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch مطرح و به توضیح آنها پرداخته ولی از میان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch بحث اصلی این سمینار را تشکیل می‌دهد.

در توضیح متد Pinch ابتدا هدف‌یابی در فن‌آوری Pinch مورد بررسی قرار گرفته بطوری که پروژه را در یک محدود سرمایه‌گذاری مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید.

سپس فلسفه هدف‌یابی شرح داده شده است و در فلسفه هدف‌یابی گفته شده که در اولین گام می‌بایستی وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم که بهترین ابزار برای این کار 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 که طراحی شبکه در پروژه‌های Retrofit بسیار مشکل‌تر از طراحی ابتدائی است زیرا یکسری مبدل قبلاً نصب شده‌اند و در کل، طرح توسط ساختمان شبکه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدل‌ها مستلزم صرف هزینه می‌باشد.

لذا جهت کاهش هزینه طراحی لازم است تا جایی که امکان دارد از وسایل موجود حداکثر استفاده را نمود بنابراین احتیاج می‌باشد که به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تأثیر آن در عملکرد کلی شبکه پرداخته شود به این ترتیب می‌توان دریافت که کدام مبدل اثر مثبت در شبکه دارند و باید به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و کدام مبدل به طور نامناسب جایگذاری شده‌اند و بایستی تصحیح گردد از این رو به روش‌هایی که برای این بررسی وجود دارد پرداخته که عبارتند از : 1- مبدل‌های عبوری از Pinch.

2- منحنی نیروی محرکه.

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 که عبارتند از: 1- تحلیل مبدل‌ های موجود.

2- تصحیح مبدل‌های نامناسب.

3- جایگذاری مبدل‌های جدید.

4- اعمال تغییرات ممکن 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 اینکه در فصل دوم یک روش هدف‌یابی برای متد Pinch بیان شده بود در فصل چهارم یک روش هدف‌یابی جدیدی برای بهبود (Retrofit) شبکه مبدل‌های حرارتی ارائه شده است که این روش به نام تحلیل مسیری عنوان شده و به ارزیابی زیر ساختار‌ها (یعنی اجزا مستقل شبکه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت برای ذخیره انرژی را ارائه کرده است و همانطور که در پیشینه اشاره شد اصلاح شبکه از طریق روش و سنتز ریاضی روش‌های متعددی دارد که ما در فصل پنجم این سمینار فقط بطور گذرا و خیلی مختصر روش مرکب برای اصلاح شبکه مبدل‌ های حرارتی و مدل Synheat را معرفی نموده.

پیشینه اصلاح مبدل‌های حرارتی: امروزه طراحی بهبود یافته شبکه‌های مبدل‌های حرارتی (HERL) نقش مهمی در سامانه‌های ذخیره انرژی ایفا می‌نماید.

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

اصلاح شبکه‌ های حرارتی (HEN) موجود را می‌توان با استفاده از دو رویه عمده به انجام رسانید بطوریکه افراد متعددی در این زمینه فعالیت نموده‌اند.

1- روش تحلیل Pinch : این روش بر‌پایه ترمودینامیک (و مفاهیم فیزیکی) و فرآیندهای کاوشی است.

از جمله افرادی که 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 یک روش اساسی به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا بعبارتی زیر شبکه‌ها (یعنی اجزاء مستقل شبکه‌ها) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت‌ها برای ذخیره انرژی را ارائه داده‌اند.

2- روش برنامه‌ریزی ریاضی: در این روش شبکه‌های مبدل حرارتی به صورت مدل‌های ریاضی نشان داده می‌شوند.

از جمله افرادی که در زمینه مدل‌های خطی کار کرده‌اند می‌توان به S.A.

Papoulias, I.E.

Grossmann در سال 1983 اشاره نمود که 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 که 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 بلکه برای شرایط عملیاتی مطلوب، تحت فرض قابل کنترل دینامیک بسط داده‌اند ولی این مدل برای مسائل با مقیاس بزرگ قابل استفاده نمی‌باشد.

چون روش‌هایی که بر مبنای الگوریتم برنامه‌ریزی غیر خطی صحیح مرکب MINLP)) هستند برای دسترسی به شکل بهبود یافته مشکلات محاسباتی زیادی دارند بویژه در حالتی که 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 شبکه مبدل‌های حرارتی استفاده نموده‌اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقیق و کاملی نداشته‌اند.

علاوه بر روش‌های فوق یک روش گرافیکی برای انتگراسیون حرارتی یک سایت کامل ابتدا توسط Linnhoff و Dhole در سال 1992 ارائه گردید و سپس توسط Raissi در سال 1994 موشکافی شد.

X.X.

Zhu and N.D.K.

Asante در سال 1996 یک روش تحلیل ریاضی که بدنبال ساده‌ترین تغییرات می‌باشد و بیشترین صرفه‌جویی در انرژی را داشته باشند هر چند آنها برای رسیدن به این صرفه‌جویی سرمایه‌گذاری مورد نیاز را نادیده می‌گیرند و از طرفی این روش یک روش تکاملی می‌باشد.

و از طرفی همین دو فرد در سال 1999 روش مرکب برنامه‌ریزی ریاضی و تحلیل ترمودینامیکی را بیان داشتند بیشتر تحقیقات اخیر به سمت روش‌های پیشرفته‌تر جهت‌گیری داشته‌اند مثلاً بهبود HEN با در نظر گرفتن افت‌های فشار Nie,X.X.Zhu X.R.

که در سال 1999 ارائه نموده‌اند.

روش دو مرحله‌ای با استفاده از دمای معبر ثابت در قدم اول و MINLP برای نهایی کردن طراحی در مرحله دوم که توسط Ma, k.L, T.F, Yee, … در سال 2000 ارائه گردید و تغییرات همزمان فرایند و بهبود HEN که بوسیله Zhany ,.X.X.

Zhu .

J در سال 2000 ارائه شد.

با این وجود انتخاب همزمان انواع مختلف HE بطور همزمان با بهبود HEN توسط A.

Sorsak & Z.Karavanj a در سال‌های 1999 تا 2002 ارائه گردید علاوه بر این K-M.

Bjork & T,Westerlund در سال 2002 مدل Synheat که توسط T.F, Yee & E.I, Grossmann در سال 1991 بیان شده بود را بدون ساده‌سازی فرض‌هایی از قبیل توابع هزینه سطحی خطی، فرض عدم شکاف جریانی و فرض‌های مشابه به حالت کلی مطلوب حل کرده‌اند ولی چون مدل Yee و K-M.

Bjork که در سال 2002 بیان شده بود فقط طراحی شبکه مبدل حرارتی Grassroot را مورد توجه قرار می‌داد لازم بود که مدل‌های دیگری پیدا شود بطوری که چندین مقاله این موضوع را مورد توجه قرار دادند مثلاً Yee & Grossmann در سال 1991 و یا مقاله اخیری که در سال 2005 توسط K-m.

Bjork & T, Westerlund بیان شد و آمدند مدل Synheat را برای رسیدن به هدف بهبود خود تغییر دادند مدل Synheat تغییر یافته بر اساس آنچه که در سال 2002 مطرح شده بود فرمول نویسی شده است و برای شبکه‌های شامل مسائل مقیاس بزرگ می‌باشد و برای حل مدل Synheat تغییر یافته از مدل هیبرید استفاده نموده‌اند.

T.F, Yee & E.I, Grossmann در سال 1991 بیان شده بود را بدون ساده‌سازی فرض‌هایی از قبیل توابع هزینه سطحی خطی، فرض عدم شکاف جریانی و فرض‌های مشابه به حالت کلی مطلوب حل کرده‌اند ولی چون مدل Yee و K-M.

مقدمه: با توجه به اینکه طراحی‌های غیر بهینه شبکه‌های مبدل‌های حرارتی پروژه هایی هستند که سالها پیش طراحی شده اند باعث گردیده اند که، غالباً از سطح حرارتی بیشتری نسبت به مقدار لازم استفاده کنند و یا مصرف انرژی را بیشتر از حد داشته باشند چنین پروژه‌هایی نه تنها از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند بلکه ممکن است بعد از مدتی مشکلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند بنابراین بعد از بحران انرژی در اوایل دهه 1970 ، توجه بیشتری به طراحی بهینه فرایند گردید.

در هر حال چه هدف رفع مشکل عملیاتی باشد و چه کاهش مصرف انرژی و طبعاً کاهش هزینه‌های عملیاتی، لازم است که اصلاحاتی در پروژه صورت گیرد.

بنابراین در برخورد با چنین پروژه هایی ابتدا بایستی شبکه موجود بررسی شده و تخلف های صورت گرفته مشخص گردد و سپس با در نظر گرفتن اهداف انرژی و سرمایه‌گذاری و از همه مهمتر محدودیت‌های ساختمان شبکه بایستی آنرا به سمت یک شبکه بهینه هدایت نمائیم.

فصل اول : 1-1) هدف : عملاً در پروژه های اصلاحی (retrofit) یکسری مبدلهای اضافی نصب می‌شوند انجام این عمل دو اثر مهم بر شبکه میگذارد یکی اینکه مبدلهای جدید به کمک یکدیگر در جهت بازیافت بیشتر انرژی شبکه اقدام می‌کنند و دیگر اینکه این مبدلها بواسطه تأثیرگذاری روی شرایط عملیاتی راندمان مبدلهای موجود را نیز افزایش می‌دهند.

یک فرض معقول در چنین پروژه‌هایی این است که شبکه را به سمت شبکه بهینه خودش هدایت نمائیم ولی این امر همیشه امکان‌پذیر نمی‌باشد یک طرح اصلاحی خوب از فرصتها بهره‌برداری می‌کند و ممکن است شبکه را کاملاً متفاوت‌ از طراحی ابتدایی اصلاح نماید در هر حال بایستی تا حد امکان از تغییرات گسترده و عمده در ساختار شبکه خودداری نمود بنابراین می‌توان گفت که همانند طراحی‌های ابتدایی (grass root) در پروژه‌های اصلاحی هدف‌یابی (Targeting) قبل از اصلاح بسیار مهم است بنابراین در هدف‌یابی برای طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی بایستی همه مفاهیمی که بطور اساسی در هزینه‌ انرژی و سرمایه سهیم هستند را بحساب آورد همچنین روش هدف‌یابی بایستی ساده باشد تا سریع بوده و به اندازه کافی شفاف بوده تا عکس‌العمل کاربر را ممکن سازد.

هدف در اصلاح (retrofit) شبکه‌های مبدل‌های حرارتی چیست؟

هدف بهبود شبکه‌های مبدل‌های حرارتی انجام انطباق‌های موثر بر روی شبکه موجود برای کاهش هزینه انرژی می‌باشند بطوری که این مسأله نیازمند سرمایه‌گذاری برای اضافه کردن سطح و نیز تغییر ساختار موجود است که شامل نصب واحدهایی با اتصالات جدید و تغییر مسیر لوله‌هاست.

مقدار سطح اضافه شده در هر تغییری، هزینه های تغییرات بنیادی را به سختی تحت تأثیر قرارداده و عموماً بطور مستقل برآورده می‌شود.

واضح است که اضافه کردن سطح به جفت‌های موجود عموماً انطباق ساختاری کمتری احتیاج دارند و بنابراین این مسأله به نصب جفت‌های جدید ترجیح داده می‌شود بنابراین یک retrofit اقتصادی و عملی باید هزینه‌های انرژی را با یک توازن مناسب در مقدار مساحت جدید ، تعداد تغییرات ساختاری و امکان این تغییرات، کاهش دهد.

یک نکته‌ای که بایستی در این پروژه ها به آن توجه شود استخراج صحیح اطلاعات از طرح موجود است، یک خطای کوچک در این کار ممکن است اختلاف فاحشی در نتیجه ارائه شده ایجاد نماید.

عامل دیگر، انتخاب حداقل نیروی محرکه دمایی در این گونه پروژه هاست.

مناسب معمولاً با در نظر گرفتن اهداف قبل از اصلاح و شبکه موجود انتخاب می‌گردد.

1-2) روش‌های موجود در اصلاح شبکه: 1-2-1- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن: در این روش لازم برای اصلاح شبکه همان موجود در شبکه انتخاب می‌گردد و اهداف تعیین شده قبلی هیچ نقشی در تعیین ندارند و طراح غیر از تجربه به ابزار دیگری جهت اصلاح شبکه با توجه به محدودیت‌های مورد نظر در اختیار ندارد و فقط با تکیه بر تجربه و اصول اساسی طراحی اقدام به اصلاح شبکه می کند و در‌ آخر نتایج اصلاح را با محدودیت‌های اعمال شده چک می‌کند که ممکن است مورد قبول باشد یا نباشد حتی در صورت حصول یک نتیجه خوب هیچ تضمینی نیست که طرح بهتری وجود نداشته باشد.

این روش را “cherry picking” گویند لذا بهینه بودن نتیجه حاصله بهیچ وجه قابل اطمینان نمی‌باشد.

1-2-2- اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید (اصلاح کامپیوتری): یکی دیگر از روشهای معمول جهت اصلاح شبکه این است که آنرا به صورت یک طرح جدید در نظر گرفته و به کمک برنامه‌های کامپیوتری پیچیده کلیه طرحهای ممکن را ایجاد می‌کنند و سپس طرحی را که از نظر ساختمان به شبکه موجود نزدیکتر است و تا حدودی نیز محدودیت‌های اعمال شده را رعایت می کند را به عنوان شبکه اصلاح شده در نظر می گیرند فلوچارت این روش بصورت زیر است.

شکل (1-1) شکل 1-1 روش موجود برای اصلاح شبکه بصورت طرح جدید فصل دوم : 2-1) اصلاح شبکه با استفاده از تکنولوژی Pinch: در این روش اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی همچنانکه قبلاً توضیح داده شد بر اساس مفاهیم فیزیکی و تحلیل‌های ترمودینامیکی فرایند استوار است و به طراح اجازه می‌دهد که بتواند تغییرات اعمال شده در شبکه را کنترل و آنرا به سمت طرحهای عملی هدایت نماید.

بویژه فناوری pinch نشان داده که انتگراسیون خوب فرایند بواسطه سادگی طراحی تأسیسات و استفاده درست از انرژی و سرمایه، مفید و نافع است.

بکارگیری این روش در مسائل و پروژه‌های صنعتی منحصر به پروژه های بهبودی می‌شود و دوره های بازگشت سرمایه بطور قابل توجهی از نتایج بدست آمده توسط روش‌های مرسوم کوتاهتر است و حتی زمانیکه انرژی در درجه اول اهمیت قرار داشته به صرفه‌جویی قابل توجهی منجر شده است.

یک درس حیاتی که فناوری pinch می‌دهد لزوم تنظیم اهداف است قاعده‌کلی پیش‌بینی آن چیزی است که بایستی بدست آید (هدف‌یابی) و سپس تلاش برای رسیدن به آن هدف (طراحی) بنابراین این فناوری بدلیل توانایی در تعیین اهداف قبل از طراحی و بکارگیری آنها در تعیین بهینه برای اصلاح و ارائه یک متدولوژی مشخص برای اصلاح شبکه، در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است و فلوچارت این روش در شکل (2-1) نشان داد ه شده است.

شکل 2-1 اصلاح شبکه با استفاده از تکنولوژی Pinch 2-2 ) هدف‌یابی در متد pinch برای بهبود شبکه مبدل‌ حرارتی: معیار مهم اقتصادی هر پروژه retrofit، آن است که پروژه در یک محدوده سرمایه‌گذاری مشخص ما را به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید.

روش اصلاح تکنولوژی pinch طراحی را با یک مقدار مشخص، شروع میکند و با تعیین موقعیت نسبی منحنی ترکیبی (composite curve) و در نظرگیری اهداف، هزینه‌های اصلاح را قبل از طراحی مشخص می‌کند بعضی از طراحان مقدار را بر اساس تجربه مشخص می‌کند.

بین (5 تا 10) برای پروسسهایی با دمایی پایین و نیز (10 تا 50) برای پروسسهایی با دمای بالا، که این گونه تغییر بدلیل اینکه اولاً طراحان مختلف ممکن است های مختلف و متفاوتی برای پروژه انتخاب نمایند و ثانیاً به دلیل اینکه انتخاب بر اساس تجربه و دمای پروسس، یک روش مطمئنی برای پروژه‌های اقتصادی نیست نمی‌تواند روش‌ مناسبی باشد یک روش دیگر برای انتخاب استفاده از کمترین مشاهده شده در یکی از مبدلهای شبکه می‌باشد.

2-3) فلسفه هدف‌یابی: آنچه در مطالعات اصلاح شبکه لازم به نظر می‌رسد آنست که در اولین گام بتوانیم وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم که بهترین ابزار برای اینکار استفاده از منحنی سطح حرارتی بر حسب انرژی (Area- Energy pilot) است.

شکل (2-2) این منحنی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 منحنی سطح حرارتی (A) بر حسب انرژی (E) نقطه A نشان دهنده‌ حالتی است که نمودارهای ترکیب، نزدیک به هم هستند و کوچک به همراه بازیابی انرژی زیاد ولی از طرفی بایستی سرمایه‌گذاری زیادی در سطح و ناحیه مبدل داشته باشیم و نقطه c به منحنی های ترکیبی مربوط است که از هم فاصله بیشتری دارند که محصول بازیابی انرژی کمتر و نیز سرمایه‌گذاری کمتر است و نقطه B نشان دهنده تبادل بهینه با کمترین هزینه کل می‌باشد و ناحیه زیر منحنی پررنگ شده که با غیرممکن مشخص شده است.

می‌دانیم که اگر مقدار را برای جریانهای یک شبکه مشخص نمائیم می‌توانیم مقادیر حداقل سطح حرارتی و حداقل انرژی مورد نیاز را قبل از طراحی مشخص کنیم.

بنابراین اگر این عمل را برای جریانهای شبکه مورد نظر در های مختلف تکرار نمائیم و مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی را بدست آوریم می‌توان یک منحنی مشابه به آنچه در شکل (2-2) است رسم نمود در این منحنی مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی در های مختلف برای شبکه‌های بهینه ارائه شده است و با نظر به اینکه مقدار سطح حرارتی و مقدار مصرف انرژی شبکه موجود مشخص است براحتی می‌توان موقعیت این شبکه را در منحنی فوق مشخص ساخت اگر موقعیت شبکه موجود که با نقطه X مشخص گردیده، روی منحنی یا به فاصله تقریبی %10 از منحنی قرار بگیرد شبکه موجود مناسب و احتیاج به اصلاح ندارد ولی غالباً شبکه‌های طراحی شده چنین نیست و در موقعیتی دور از منحنی قرار می‌گیرند و بایستی اصلاح شوند.

اگر فرض نمائیم که نقطه بهینه شبکه موجود B باشد لذا بهترین طرح اصلاح آنست که شبکه x را به سمت شبکه B هدایت نمائیم زیرا هم مصرف انرژی نسبت به شبکه موجود کاهش می‌یابد و هم سطح حرارتی مورد نیاز شبکه کمتر می‌شود ولی می‌بینیم که این مسئله صحیح نیست زیرا چه کسی حاضر است که یک طرح بهینه جدیدی را که به ناحیه و مساحت کمتری منجر شود بیاید جایگزین ناحیه‌ای که قبلاً برای آن پول پرداخت شده است بنماید و ناحیه‌ای که قبلاً پول داده بابت، آن را بلا مصرف و یا کنار گذارد.

پس بایستی یکی از هدف‌های ما استفاده مؤثر از ناحیه موجود باشد.

بنابراین در طرحهایی که هدف اساسی کاهش انرژی مصرفی است ایده آل‌ترین مسیر حرکت از x به سمت نقطه A است در اینجا با استفاده از ناحیه موجود تا آنجا که ممکن است در انرژی صرفه‌جویی خواهیم کرد.

ولی از آنجا که کاهش مصرف انرژی بدون تغییرات در ساختمان شبکه و تغییرات در ساختمان شبکه بدون سرمایه‌گذاری امکان‌پذیر نمی‌باشد لذا چنین مسیری عملی نمی‌باشد و از طرفی حرکت از x به سمت نقاط پایین‌تر منحنی بدلیل افزایش مصرف انرژی چندان مورد توجه نمی‌باشد.

زیرا عمدتاً هدف اساسی کاهش مصرف انرژی‌ است.

بنابراین همانطور که در شکل(2-3) نشان داده شده است تنها مسیر امکانپذیر و عملی و سودمند مسیری است که از x به سمت نقاط بالاتر از A روی منحنی میل کند ولی چنین مسیری منحصر به فرد نیست.

شکل 2-3 مسیر عملی برای پروژه‌های retrofit و همانطور که در شکل (2-4) دیده می‌شود مسیرهای متعددی برای اصلاح شبکه می‌توان در نظر گرفت.

2-4 مسیرهای متعدد برای اصلاح شبکه و بهترین مسیر اصلاح و آشکار است که کارایی هر کدام از این منحنی‌ها متفاوت خواهد بود هر چه منحنی پایین‌تر باشد برای رسیدن به یک صرفه‌جویی معین، سرمایه‌گذاری کمتری احتیاج خواهد بود.

فرض کنید که بهترین مسیر همان باشد که در شکل (2-5) نشان داده شده است شکل منحنی بیانگر آن است که شیب آن با افزایش سرمایه‌گذاری افزایش می‌یابد و این به مفهوم افزایش زمان برگشت سرمایه با افزایش سرمایه‌گذاری است.

برای بهتر نشان دادن موضوع می‌توان منحنی A-E را به منحنی ذخیره‌سازی انرژی بر حسب سرمایه‌گذاری (Saving – Investment plot) تبدیل کرد.

مانند شکل (2-6) این منحنی رابطه صرفه‌جویی سالانه انرژی با سرمایه‌گذاری و بازگشت سرمایه را نشان می‌دهد بعنوان مثال در شکل فوق به ازاء سرمایه گذاری به صرفه‌جویی معادل دست پیدا کرد.

2-6 منحنی ذخیره‌سازی (S) بر حسب سرمایه‌گذاری (I) بدست‌آمده از بهترین مسیر اصلاح بدین ترتیب اگر در موقعیت شبکه موجود، میزان ذخیره‌سازی انرژی، برای سطح حرارتی اضافه شده تعیین گردد و این عمل را در حالات مختلف تکرار نمائیم می‌توان با توجه به معادله قیمت مبدلها و قیمت انرژی، هزینه سرمایه‌گذاری اضافی و میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی را مشخص نمود و منحنی ذخیره‌سازی را بر حسب سرمایه‌گذاری رسم نمود.

2-4) روش هدف‌یابی: تعیین بهترین منحنی برای اصلاح شبکه مشکل است اما می‌توان منحنی را طوری انتخاب نمود که حداقل انتظارات ما را از شبکه بعد از اصلاح فراهم آورد.

این منحنی به موقعیت شبکه موجود و دور بودن آن از منحنی هدف بستگی دارد و توسط فاکتورهای راندمان سطح حرارتی و راندمان انرژی مشخص می‌گردد.

راندمان سطح حرارتی به صورت نسبت حداقل سطح حرارتی مورد نیاز (هدف) به سطح حرارتی واقعی شبکه موجود برای بازیابی مقدار انرژی معین را تعریف می‌نمائیم.

که در شکل (2-7) نشان داده شده است.

معادله (2-1) 2-7 راندمان سطح حرارتی و راندمان انرژی‌ به صورت نسبت حداقل انرژی مورد نیاز به مصرف انرژی واقعی شبکه موجود در سطح حرارتی یکسال شبکه موجود تعریف می‌شود.

که در شکل (2-8) نشان داده شده است.

معادله‌(2-2) مقادیر عددی نشان دهنده میزان حرارت عبوری از نقطه pinch نسبت به یک شبکه ایده‌آل می‌باشد.

مقادیر کم نشان می‌دهد که شبکه انرژی بیشتری نسبت به حالت ایده‌آل استفاده می‌کند.

شکل 2-8 راندمان انرژی مقداری عددی میزان criss- crossing را در شبکه موجود نسبت به شبکه ایده‌آل مشخص می‌کند.

می‌توان انتظار داشت که مقدار در طراحی‌های عملی کمتر از مقدار واحد باشد.

هر قدر مقدار کمتر باشد تقاطع شدید و شبکه از حالت ایده‌آل دورتر است.

و مقدار واحد برای بر عدم تقاطع دلالت دارد.

اشاره شده که طبق شکل (2-4) مسیرهای متعددی برای اصلاح شبکه وجود دارد که هر چه شیب مسیر کم باشد با افزایش سطح حرارتی کمتر، می‌توان ذخیره‌سازی بیشتری انجام داد و این به مفهوم زمان برگشت کوتاهتر می باشد و هر قدر این شیب بزرگتر باشد از سودمندی طرح کاسته می‌شود (افزایش سطح حرارتی بیشتر و در مقابل زمان برگشت طولانی‌تر است) یک فرض این است که شیب منحنی اصلاح (retrofit) تا جایی که مقدار یا راندمان سطح حرارتی ثابت می‌ماند افزایش داده شود و این حداکثر شیب منحنی اصلاح برای طرحهای اقتصادی می‌باشد.

نکته: گر چه - ثابت یک فرض خام است می‌تواند در تخمین سطح حرارتی موردنیاز و میزان کاهش منصرف انرژی قبل از طراحی در برخی از حالات بکارگرفته شود.

1- شرایطی که شبکه در وضعیت خوبی قرار دارد راندمان سطح حرارتی بالاست یعنی در چنین حالتی ( - ثابت) بهترین مسیر جهت اصلاح شبکه می‌باشد و می‌تواند نتایج خوبی ارائه نماید.

2- شرایطی که شبکه موجود در وضعیت مناسبی نیست و راندمان سطح حرارتی در چنین – حالاتی مسیر بهتر از مسیر می‌باشد.

شکل 2-9 منحنی بنابراین طبق شکل (2-10) چهار منطقه می‌توان مشخص ساخت دو منطقه محدوده طرحهایی هستند که از نظر اقتصادی دارای وضعیت مشکوک می‌باشند.

(doubtful economics) ، یک منطقه محدوده طرحهای غیرعملی و منطقه چهارم محدوده طرحهای مناسب و اقتصادی است بنابراین با استفاده از منحنی ثابت می‌توانیم مقدار صرفه‌جویی به ازاء سطوح مختلف سرمایه‌گذاری را تعیین کنیم سپس می‌توانیم منحنی صرفه‌جویی/ سرمایه‌گذاری را مطابق شکل (2-6) رسم نمائیم.

شکل 2-10 چهار منطقه مشخص شده در منحنی A-E همانطور که در شکل (2-11) دیده می‌شود برای کاهش مصرف انرژی به اندازه مقدار سطح حرارتی به اندازه افزایش می‌یابد.

بنابراین لازم است تخمینی از سطح حرارتی مورد نیاز و میزان ذخیره‌سازی انرژی به عمل آید.

شکل 2-11 تخمین و توسط منحنی معمولاً یک شبکه مبدلهای حرارتی شامل چندین واحد انتقال حرارت می‌باشد و هر واحد دارای تعدادی پوسته (shell) جداگانه است که ممکن است بصورت سری یا موازی قرار گرفته باشد محاسبه هزینه‌ ثابت شبکه با توجه به تعداد پوسته ها صورت می‌گیرد و هزینه هر مبدل توسط معادله کلی زیر بیان می‌شود.

معادله (2-3) برای طراحیهای ابتدایی چون تعداد پوسته‌ها قبل از طراحی مشخص می‌شود لذا با فرض توزیع یکنواخت سطح حرارتی بین کلیه پوسته‌ها هزینه کلی شبکه برابر زیر است.

معادله (2-4) بهمین شکل در طرحهای اصلاحی اگر تعداد پوسته‌های اضافه شده به شبکه را در نظر بگیریم.

معادله (2-5) که در آن بایستی توجه نمود که در این محاسبات از اثر اندازه، نوع افت فشار و جنس مبدلهای روی قیمت صرفنظر شده است.

برای تخمین میزان صرفه‌جویی در هزینه انرژی با توجه به میزان کاهش مصرف انرژی و در اختیار داشتن هزینه سالانه utility مورد نیاز از معادله زیر می‌توان استفاده کرد.

معادله‌(2-6) بدین ترتیب می‌توان قبل از طراحی، هزینه سطح حرارتی جدید و میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی را مشخص کرد.

2-5) منحنی سرمایه‌گذاری بر حسب ذخیره‌سازی انرژی: (Saving- investment plot) در بخش قبل ملاحظه گردید که به کمک معادلات می‌توان هزینه سرمایه‌گذاری و میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی را برای هر مقدار و مشخص نمود لذا هر گاه این عمل را در و های مختلف تکرار نمائیم یک منحنی مطابق شکل (2-12) می‌آید که این منحنی ذخیره‌سازی بر حسب سرمایه‌گذاری میباشد بنابراین می‌توان میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی را برای هر میزان سطح حرارتی اضافه شده محاسبه نمائیم.

و از آنجایی که هر نقطه آن معرف یک می‌باشد می‌توان در تعیین لازم برای اصلاح مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 2-12 منحنی سرمایه‌گذاری (I) بر حسب ذخیره‌سازی (S) تا این مرحله یک روش هدف‌یابی برای اصلاح شبکه مشخص گردید که می‌تواند تخمین مناسبی از اقتصاد پروژه، شامل هزینه‌های سرمایه‌گذاری و زمان برگشت ارائه نماید این روش برای تعیین آنچه که بایستی انجام بگیرد، از عملکرد شبکه موجود استفاده می‌کند و از طرفی اینکه نقطه صحیح شروع طراحی را نیز تعیین می‌نماید.

این روش بسیار مناسب بوده و بسادگی از اطلاعات جریانها، اطلاعات قیمتها و اطلاعات شبکه موجود استفاده کرده و نتیجه نهایی را ارائه می‌نماید.

فلوچارت این روش هدف‌یابی در شکل (2-13) نشان داده شده است.

لازم به ذکر است که در فصل چهارم یک روش دیگری برای هدف‌یابی ذکر گردیده که بعداً توضیح داده خواهد شد.

شکل 2-13 خلاصه روش هدف‌یابی فصل سوم : 3-1) ابزار طراحی: روش هدف‌یابی که در بخش قبلی معرفی گردید، اهداف پروژه را طوری طراحی میکند که بتواند محدودیت‌های مورد نظر را رعایت نماید.

این روش بهترین مسیر اصلاح شبکه را منحنی - constant معرفی میکند ولی این تقریبی است و شبکه پس از اصلاح لزوماً در نقطه معین شده واقع نمی‌گردد.

فرض کنید نقطه اصلاح پروژه روی منحنی - constant ، همانطوری که در شکل (3-1) نشان داده شده است، نقطه Y باشد.

در این نقطه پروژه برای کاهش مصرف انرژی به اندازه ، به سطح حرارتی اضافی معادل نیاز دارد.

بنابراین با توجه به ثابت بودن یا و تقریبی بودن نقطه اصلاح شبکه، نقطه Y نمی‌تواند روی منحنی اصلاح حرکت نماید و فقط دو حالت برای تغییر موقعیت نقطه Y وجود دارد.

لذا طرح نهائی یا می‌تواند درست در نقطه Y و روی منحنی باشد (که معمولاً چنین نیست) و یا دو حالت برای موقعیت طرح نهایی ممکن است وجود داشته باشد که عبارتند از: شکل 3-1 دو روش طراحی ثابت و ثابت I) هدف کاهش مصرف انرژی به اندازه باشد.

در این حالت بدلیل ثابت بودن موقعیت نقطه Y روی خط عمودی می‌تواند تغییر نماید و بدین ترتیب کاهش مصرف انرژی به میزان با افزایش سطح حرارتی کمتر و یا بیشتر از نیز امکانپذیر میباشد.

II) هدف افزایش سطح حرارتی به اندازه باشد.

در این حالت بدلیل ثابت بودن موقعیت نقطه Y روی خط افقی می‌تواند تغییر نماید و بدین ترتیب افزایش سطح حرارتی به اندازه با کاهش مصرف انرژی به مقدار کمتر و یا بیشتر از نیز امکانپذیر میباشد.

هر یک از این دو طرح می‌تواند در پروژه های اصلاح، مورد استفاده واقع گردد.

در هر حالت یک موقعیت ابتدائی نسبی از منحنی‌های ترکیبی سرد و گرم می‌تواند رسم شود و بدین ترتیب دمای pinch و مقدار که نقطه شروع طراحی در پروژه‌های اصلاح می‌باشد، مشخص میگردد.

اشاره شد که طراحی مجدد شبکه موجود در پروژه های اصلاح بسیار مشکلتر از طراحی ابتدایی است؛ زیرا مبدلها قبلاً نصب شده‌اند و در کل، طرح توسط ساختمان شبکه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدلها مستلزم صرف هزینه میباشد.

لذا جهت کاهش هزینه طراحی لازم است تا جائی که امکانپذیر باشد، از وسایل موجود، حداکثر استفاده مجدد بعمل آید.

با این حال برای گسترش چنین روشی احتیاج به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تأثیر آن در عملکرد کلی شبکه میباشد.

به این ترتیب می‌توان دریافت که کدام مبدلها اثر مثبت در شبکه دارند و باید به عنوان مبدلهای مناسب حفظ گردند و کدام مبدلها به طور نامناسب جایگذاری شده‌اند و باید تصحیح گردند.

روشهای متعددی برای اینکار وجود دارد که در بخش‌های بعدی بترتیب به شرح آنها پرداخته خواهد شد.

3-2) بررسی مبدلهای عبوری از PINCH : می دانیم طرحهائی که برای حداقل میزان مصرف انرژی (Minimum Energy Requirement.

(MER) (Linnhoff, 1983,b) طراحی می‌شوند، هیچ حرارتی را از Pinch عبور نمی‌دهد.

اما در طرحهای غیراقتصادی با عبور انرژی از نقطه pinch بهمان اندازه بر میزان مصرف سرویسهای جانبی اضافه می‌گردد و مقدار کاهش مصرف انرژی معمولاً همان مقدار حرارتی است که در شبکه موجود از نقطه pinch عبور می‌کند.

شکل (3-2) .

بدین ترتیب دمای pinch برای پروژه اصلاح معین میگردد.

شکل 3-2 عبور حرارت به میزان از نقطه pinch پس از تعیین دمای pinch با توجه به اطلاعات جریانها و رسم نمایش پنجره‌ای شبکه مبدلها (grid representation) میتوان مبدلهای عبوری از pinch را مشخص ساخت.

در بعضی مسائل ممکن است علاوه بر نقطه pinch، نقاط دیگری نیز در شبکه وجود داشته باشند که نزدیک pinch باشند شکل (3-3).

در چنین حالتی با هر یک از آنها به صورت یک نقطه pinch مجرا عمل می‌کنیم و مبدلهای عبوری از آن نقطه را نیز مشخص می‌کنیم.

3-3) منحنی‌ نیروی محرکه (DRIVING FORCE PLOT): در بخش‌های قبلی اهمیت استفاده از منحنی ترکیبی در ذخیره‌سازی انرژی ملاحظه شد.

در این بخش اهمیت استفاده از این منحنی، در سطح حرارتی شبکه مشخص خواهد شد.

موقعی که جریانها به صورت عمودی با یکدیگر جفت (Match) شوند، میزان سطح حرارتی مورد نیاز شبکه حداقل خواهد بود (Ahmad, 1984).

بنابراین با تصحیح هر match جداگانه در شبکه می‌توان سطح حرارتی کلی را بهبود بخشید.

برای بدست آوردن match‌های موازی از جریانها، احتیاج به روشهائی میباشد که ایده‌آلترین match را مشخص نماید.

مستقیم‌ترین روش برای انجام چنین کاری بدست آوردن رابطه‌ای بین دمای هم تراز سرد و گرم جریانها میباشد.

ابزار اصلی در کاربرد چنین روشی، منحنی نیروی محرکه (driving force plot) می‌باشد.

این منحنی که حاصل ترسیم بر حسب دمای سرد همان جریان میباشد، Match‌های ایده‌آل را بدقت مشخص میکند.

لذا این منحنی ابزاری است که می‌تواند به طور کیفی عملکرد مبدلها را به صورت جداگانه بررسی نماید.

شکل 3-3 نقاط نزدیک pinch در منحنی ترکیبی در طرحهای اصلاح، منحنی نیروی محرکه برای مقایسه عملکرد مبدلهای موجود با مبدلهای ایده‌آل بکار میرود.

مبدلهائی که کاملاً بر منحنی منطبق هستند موقعیت مناسبی دارند و احتیاجی به تغییر آنها نیست.

اما مبدلهائی که از منحنی دور هستند، مبدلهائی هستند که در آنها criss crossing اتفاق می‌افتد و دارای موقعیت نامناسبی هستند.

این مبدلها اولین کاندیدها برای تغییر و اصلاح خواهند بود.

این منحنی‌ها همچنین توانائی مشخص ساختن مبدلهای عبوری از pinch را نیز دارند .

چنین مبدلهای آنهائی هستند که از دمای سرد pinch عبور می کنند و حرارت را از بالا به پایین pinch منتقل می‌کنند.

شکلهای (3-4) و (3-5) چنین منحنی‌هائی را نشان می دهند.

این منحنی‌ها نشان می‌دهند که چگونه می‌توان مبدلهای نامناسب را با استفاده از نیروی محرکه آنها تصحیح نمود.