کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند – راهنمای کاربران در خصوص جامعیت فرآیند به منظور کاربرد موثر انرژی- فصل 8: کاربرد عملی فن آوری

کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند – راهنمای کاربران در خصوص جامعیت فرآیند به منظور کاربرد موثر انرژی- فصل 8: کاربرد عملی فن آوری – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند – راهنمای کاربران در خصوص جامعیت فرآیند به منظور کاربرد موثر انرژی- فصل 8: کاربرد عملی فن آوری

 ایان سی کمپ

الزویر

2007

  8ـ1. مقدمه

همانگونه که از فصل های قبلی مشاهده شد، تحلیل پینچ یا جامعیت فرآیند با توجه به کاربرد در موضوعات بزرگ و پیچیده در خلال ربع قرن گذشته توسعه یافت. حتی جزئیات ارائه شده صرفا به عنوان خلاصه ای از تعداد مقالات بزرگی به شمار می آیند که در خصوص ارائه راهکارهای اصلی منتشر گردیده اند. برخی از پیشرفت های تئوریکی اخیر عملاً در ارتباط با موقعیت های کاربردی پیچیده و مشکل می باشد. سئوالی که مهندسین رده متوسط می بایست قابلیت پاسخگویی به آن را داشته باشند آن است که، “کدام یک از تکنیک ها را می توان به عنوان مفیدترین موارد در نظر گرفت؟ چگونه قابلیت استفاده از آنها در یک تأسیسات خاص وجود دارد؟”.

ما می بایست قابلیت مشخص سازی اهداف اولیه فناوری پینچ را داشته باشیم:

• حاصل آوردن یک درک سریع عوامل مهم تعدیل کننده میزان مصرف انرژی یک فرآیند.

• تعیین اهداف تقریبی و در عین حال معنی دار انرژی با استفاده از محاسبات میانبر.

• انجام فرآیند پیش بهینه سازی جهت شناسایی بهترین طرح ها قبل از شروع فاز طراحی با توجه به جزئیات پرهزینه و زمانبر.

8ـ2. چگونگی انجام یک مطالعه پینچ

مراحل تحلیل پینچ یک تأسیسات فرآیندی حقیقی در بخش 2ـ5ـ2 خلاصه شده است. مراحل کلیدی این فرآیند به شرح ذیل است:

• ایجاد موازنه حرارتی و جرم از فلوشیپ یا شمای عملیات فرآیند.

• استخراج داده های استریم برای آنالیز یکپارچگی فرآیند.

• انتخاب DTmin با استفاده از سوپرتارگتینگ یا ابر هدف گذاری[1] در صورت مفید بودن.

• محاسبه اهداف انرژی و دمای پینچ برای فرآیند جاری.

• بررسی احتمالات برای تغییر فرآیند.

• نگاه به مجموع ویژگی های سایت شامل سطوح یوتیلیتی، در ترکیب با حرارت و توان ترکیبی (CHP) و پمپاژ حرارت.

• طراحی شبکه مبدل حرارتی، با شروع رویه از طریق بازیابی حداکثری انرژی (MER) با توجه به ویژگی های طراحی و افت تنش.

در اینجا شاهد وجود نوعی همپوشانی معنی دار بین برخی از این مراحل می باشیم. به طور مثال، یک سیستم CHP دارای تأثیر اصلی بر روی هزینه های برق و قیمت تفاضلی بین سطوح مختلف می باشد، و چنین موردی به طور اساسی بر روی ویژگیهای اقتصادی تغییرات فرآیندی و پروژه های بازیابی حرارتی تأثیرگذار می باشد. علاوه بر این توجه شود که مرحله طراحی شبکه غالبا در مراحل بسیار نهایی مد نظر قرار می گیرد. تغییر فرآیند و مجموعه ویژگی های مربوط به سایت را نباید به سادگی به عنوان یک ویژگی متعاقب و آتی مشخص ساخت.

بخش ذیل جزئیات بیشتری را در خصوص ویژگی های عملی برخی از این مراحل، مخصوصاً موازنه حرارت و جرم و استخراج داده ها با توجه به تکنیک های توسعه یافته قبلی ارائه می نماید.

8ـ3. موازنه حرارت و جرم

اولین مرحله الزامی در یک مطالعه یکپارچگی فرآیند شکل دهی یک موازنه پایدار حرارت و جرم می باشد، آن هم با توجه به کلیه مشکلات مربوطه به تلفات حرارتی و نشتی های مرتبط، اما حاصل آوردن یک مورد موازنه به صورت تصادفی نادر می باشد. داده ها الزاماً و به طور دائمی دقیق نمی باشند، اما در عین حال این الزام وجود دارد که آنها به صورت خود سازگار یا قائم به ذات در نظر گرفته می شوند. به طور کلی، اطلاعات موجود از داده های تأسیسات ثبت شده ناکافی تلقی می گردد و یا آنکه دارای تعارض است، یا هر دوی این موارد امکان پذیر می باشد. خواندن اطلاعات دمایی را می توان در برخی از مواقع به عنوان یک ویژگی درست و قابل اعتماد در نظر گرفت، آن هم با توجه به ویژگیهای مرتبط و مولفه های منطقی و کالیبره شده. برآوردهای فلو یا جریان ممکن است به طور جدی با خطا روبرو باشند. بر این مبنا مهندسین می بایست یک زمان کافی را جهت فراهم آوردن موازنه حرارت و جرم در نظر داشته و آمادگی کافی جهت اعمال تغییرات مهم به منظور تطبیق داده ها را داشته باشند.

برای یک تأسیسات جدید در مرحله طراحی، غالباً شاهد ایجاد نوعی تعادل موجود حاصل آمده از فلوشیت ها می باشیم. حتی چنین موردی را نمی توان دائماً به عنوان یک ویژگی خود سازگار در نظر داشت و بنابراین کنترل دقیق الزامی تلقی می گردد. به طور مکرر، میزان تلفات حرارتی به عنوان یک پارامتر نامشخص در نظر گرفته می شود. بر این مبنا ما می بایست در نظر داشته باشیم که در طی فرآیند راه اندازی، شرایط فرآیند ممکن است به طور معنی داری از مقادیر طراحی اصلی به منظور حاصل آوردن عملیات پایا و کارآمد تغییر یابد.

به همین ترتیب، برای یک تأسیسات موجود، هرگز نباید متکی به فلوشیت های طراحی اصلی بود. چنین موردی را می توان به عنوان یک راهنمای اولیه بکار گرفت، اما به ندرت می توان از آن برای بهره گیری درست با توجه به شرایط عملیاتی جاری استفاده کرد. در صورت ممکن، بهترین راه ایجاد یک موازنه حرارتی و جرم مربوطه با توجه به شرایط عملیاتی می باشد. با در نظرگیری این موضوع یک روش مناسب را می توان به شرح ذیل دنبال نمود:

• جمع آوری داده ها در خصوص فلوی جرم و ترکیبات آن

• شکل دهی موازنه جرم برای استریم های معنی دار در فلوشیت فرآیند.

• بررسی متقابل در زمینه نرخ تولید سالیانه و ساعات کاری سالیانه (به صورت اختیاری).

• جمع آوری داده ها در خصوص دما، بخار، سوخت و جریان آب، گرمای خاص و نهفته.

• شکل دهی یک موازنه حرارتی، با قابلیت ویژگی های ضروری برای تلفات حرارتی.

• کنترل متقابل در زمینه میزان مصرف سوخت سالیانه و صورتحساب انرژی (به صورت اختیاری).

• تغییر فلوی جرم و حرارت در هنگام نیاز جهت تطبیق موازنه، با قابلیت تغییر داده هایی که از کمترین پایایی برخوردار می باشند.

تفاوت های تا 50 درصد در موازنه جرم و حتی بیشتر در موازنه حرارت غیرشایع تلقی نمی شوند و این تفاوت مخصوصاً در تأسیسات قدیمی تر با تجهیزات ضعیف تر بیشتر احساس می باشد. جهت حل این تعارض، غالباً فرض بروز خطا در خواندن اطلاعات دستگاه ها یا فلوهای جرمی ارزیابی شده، که به عنوان یک ویژگی پذیرفته شده برای سالیان متمادی در نظر گرفته شده است، ضروری تلقی می شود. مهندسین می بایست این تصمیمات مختلف را در نظر داشته و خود را بر مبنای ویژگی های تأسیساتی و مدیریتی تجهیز نمایند. پایایی اطلاعات خواندنی دستگاه ها به طور کلی با توجه به ویژگی های ذیل تقلیل می یابد:

• دمای سیالات، گازها و جامدات.

• نرخ های جریان جرمی مایعات و جامدات.

• نرخ های تولید سالیانه و مصرف سوخت.

• نرخ های جریان جرمی گازها، شامل بخارسنج ها.

• داده های کمکی (نظیر ساعات کار سالیانه، اتلاف های حرارتی، محتوای رطوبت جامدات).

کاربرد مجموعه ای از داده هایی که تقریباً در یک زمان جمع آوری شده اند مفید تلقی می شود. شرایط تأسیسات ممکن است به طور قابل توجه برای روزها یا شیفت های مختلف متغیر باشد.

[1] supertargeting

8ـ4. حاصل آوردن داده ها و اطلاعات مربوط به بخار

استخراج داده های بخار از فلوشیت تأسیساتی قبلاً در مباحث تحقیقاتی مورد بررسی قرار گرفته است، با این حال این مورد به عنوان یکی از  بزرگترین منبع مشکلات در یک مطالعه مربوط به جامعیت یا یکپارچگی فرآیند می باشد. به هنگامی که موازنه سازگار حرارت و جرم حاصل آمد، ویژگی مربوط به استخراج داده ها و اطلاعات را می توان به عنوان یک مؤلفه منطقی و مناسب در نظر داشت، آن هم در صورتی که کلیه فلوهای فرآیند، به عنوان استریم های سیال مجزا که با یکدیگر ترکیب نشده یا تغییری در ترکیب آنها رخ نداده است، و با در نظرگیری کلیه ویژگی های گرمایشی و سرمایشی اعمال شده به صورت مستقیم، مشخص شده باشند. متأسفانه، چنین فرآیندی به ندرت اعمال می شود، مخصوصاً در صنایع “غیرمتعارف” نظیر فرآوری مواد غذایی. تبادل جرم ممکن است سبب بروز مشکلاتی مخصوصاً در زمینه استخراج داده ها شود. چرا که دانستن و مشخص کردن شرایط مرزی و یا آن که کدام یک از بخش ها را می بایست به عنوان یک “جعبه سیاه” غیرتوزیعی در نظر گرفت مشکل می باشد. ما می بایست غالباً قابلیت بکارگیری معیار کلیدی برای یک استریم، با قابلیت تغییر در بار حرارتی بدون اختلاط، را داشته باشیم. بدین صورت، مراقبت خاصی در ارتباط با ارائه ویژگی های ذیل لازم است:

8ـ4ـ1. ترکیب شدگی و اتصالات شکافتی

اختلاط یا ترکیب جریان ها به طور خلاصه در فصل 3 ذکر شد، که در آن ویژگیهای مرتبط در خصوص آنالیز ارائه شده استریم ها با دمای یکسان و با توجه به ترکیب آنها به صورت ایزوترمال به منظور حاصل آوردن بهترین اهداف انرژی مورد بررسی قرار گرفت. با این وجود، تأثیرات دیگری نیز وجود دارند و اتصالات شکافتی را نیز می بایست مدنظر قرار داد.

بخش فوقانی شکل 8ـ1 (الف) نشان دهنده شماتیک دو استریم سرد می باشد که در حال خروج از واحدهای مجزا در دماهای مختلف هستند و بعلاوه متعاقباً در این زمینه شاهد ترکیب و مخلوط شدگی و متعاقباً حاصل آوردن حرارت تا یک سطح دمای هدف معمولی می باشیم. بر حسب هدف گذاری های سرمایه ای، این سیستم را می توان در حقیقت به عنوان یک استریم، همانگونه که در بخش پایینی شکل 8ـ1 (الف) نشان داده شده است، در نظر گرفت چرا که این مورد صرفاً قابلیت ارضا را برای  مبنای یک واحد حاصل می آورد. با این وجود، شکل 8ـ1 (ب) نشان دهنده این موضوع می باشد که چه چیزی ممکن است رخ دهد آن هم در صورتی که سیستم مربوطه را صرفاً به عنوان یک استریم برای هدف گذاری انرژی در نظر گرفت. در صورتی که دمای ترکیبی در زیر دمای پینچ قرار گیرد، بنابراین قابلیت خنک سازی استریم سرد زیر پینچ با مشکل مواجه خواهد شد. بر این مبنا می بایست حرارت بیشتری را در سیستم خنک کننده یوتیلیتی تخصیص داد و بر مبنای موازنه آنتالپی، حرارت نیز می بایست در امتداد پینچ ارسال و انتقال یافته تا از این طریق قابلیت افزایش کاربرد یوتیلیتی داغ فراهم شود. به منظور اطمینان از بهترین عملکرد انرژی در مرحله هدف گذاری، فرآیند اختلاط را می بایست به صورت ایزوترمال همانگونه که در شکل 8ـ1 (ج) نشان داده شده است در نظر گرفت.

8ـ4ـ2. دماهای کارآمد فرآیند

در منطقه ای که در آن شاهد وجود نوعی از سیستم مبدل حرارتی می باشیم، آیا لازم است داده های استریم را برای آن حاصل آوریم؟ اجازه دهید تا یک فلوشیت خاص را در نظر بگیریم که شامل یک مخزنی می باشد که در آن واکنش شدید گرمازا در حال رخ دادن است. راکتور به وسیله لوپ یا حلقه نمک گداخته سرد می شود که قابلیت مرتفع سازی حرارت از طریق افزایش چهار بار (60 psi) بخار در مبدل حرارتی در دمای 144 درجه سلسیوس را خواهد داشت. حال چگونه می توان نسبت به استخراج داده ها اقدام نمود؟

یکی از احتمالات آشکار نادیده گرفتن این منطقه به طور کامل می باشد ـ چنین موردی از نقطه نظر عملیاتی محدود است، این مورد به صورت خود موازنه تلقی شده و ما بخار تولید شده را به عنوان یک “هدیه مجانی” برای بقیه فرآیند در نظر می گیریم. احتمال دیگر ملاحظه بخار به عنوان یک استریم داغ تولید شده برای این تأسیسات می باشد. با دانستن میزان سرعت جریان و حرارت نهفته در یک دمای مشخص، ما قابلیت تخصیص بار گرم به آن را خواهیم داشت که خود مسئول گرمای انتشار یافته ای می باشد که در کندانس رها می سازد (و در صورتی که خواسته باشیم، قابلیت بازیافت حرارت محسوس از خنک سازی کندانس نیز حاصل خواهد شد).

8ـ4ـ3. بخار و آب فرآیندی

در بسیاری از موقعیت ها، حرارت با استفاده از گرمکن تماسی مستقیم (تزریق بخار) حاصل می شود، که در آن بخار به طور مستقیم با سیال فرآیندی مخلوط گردیده و نهایتا ترکیب خود را تغییر می دهد. به طور مشابه، قابلیت خنک سازی با استفاده از ترکیب مستقیم آب فرآیندی نیز وجود دارد. در صورتی که ما از فرآیند تبادل حرارتی جهت کاهش این حرارت و بار برودتی استفاده نماییم، نرخ جریان و ترکیب کلیه جریان های پایین دست نقطه تزریق تغییر خواهد نمود و بارهای حرارتی در بخش پایین دست فرآیندها و مبدل ها نیز با تغییر روبرو خواهند شد. مورد مشابهی نیز در صورتی رخ خواهد داد که ما اقدام به جابجایی بخار تزریق شده با حرارت غیرمستقیم، چه با استفاده از بخار، روغن داغ یا دیگر ابزارهای مرتبط، نماییم. در برخی از موارد، همانند موقعی که آب را می بایست متعاقباً در یک برج تقطیر، اواپراتور یا خشک کن مجزا ساخت، انجام چنین رویه ای می تواند مفید باشد. در موارد دیگر چنین موردی ممکن است تا اندازه ای مثبت تلقی شود، به طور مثال، در صورتی که آب اضافه سبب فراهم آوری میزان رقیق شدگی ضروری برای فرآوری پساب یا یک واکنش پایین دستی شود. تزریق بخار به صورت متوالی به هنگامی استفاده می شود که کاربرد مبدل حرارتی غیرمستقیم مشکل باشد (همانند بروز مشکلات سنگین یا سیالات ویسکوز) یا دوغاب هایی که حاوی نسبت بالایی از جامدات هستند.

8ـ4ـ4. داده های نرم

بسیاری از جریان ها در یک تأسیسات، به هنگامی که در بین دو واحد عملیاتی در حال کار و با دماهای مشخص از آنها استفاده می شود، دارای میزان ثابت و دمای هدف مشخصی می باشند. با این وجود، برخی از دماها ممکن است متغیر تلقی شوند (همانند دمای ذخیره سازی نهایی)، یا دمایی که با استفاده از آن آب زهکشی یا هوای داغ به محیط پیرامونی رانده می شود. این دماها تحت عنوان داده های “نرم” شناخته شده و قابلیت تغییر آنها به دلایل مختلف وجود خواهد داشت:

• جهت حاصل آوردن بازیابی بیشتر حرارت (همانند ضعیف شدن یک جریان) که فراتر از دمای پینچ می باشد. اصل مثبت ـ منفی نشان دهنده این موضوع خواهد بود که آیا چنین تغییری با توجه به اهداف انرژی مفید می باشد یا خیر.

• کاهش تعداد مبدل های مورد نیاز در یک شبکه، از طریق تطبیق بارهای حرارتی بر روی جریان های گرم و سرد به طور دقیق، یا حتی حذف یک مبدل یا کولر به طور کامل در صورتی که هیچ گونه نیاز واقعی جهت خنک کردن یک استریم در سطح زیر پینچ وجود نداشته باشد.

در برخی از موارد کل استریم ها به صورت “نرم” یا اختیاری می باشند. در مطالعه موردی تأسیسات اواپراتور ـ خشک کن (بخش 9ـ4)، هوای خروجی گرم و مرطوب از خشک کن را می توان بجای تبرید در یک مبدل به اتمسفر تخلیه نمود. در صورتی که استریم کاملاً زیر پینچ باشد، تبرید عامدانه آن سبب افزایش هدف یوتیلیتی سرد بدون صرفه جویی در هر گونه یوتیلیتی گرم خواهد شد. با این وجود، در چندین مورد، کاربرد یک استریم زیر پینچ بدین روش را می توان بعنوان یک ویژگی با ارزش در نظر گرفت آن هم در صورتی که، در این شبکه، یک راهکار مناسبتر برای استریم گرم و سرد در مقایسه با دیگر استریم های موجود گرم زیر پینچ در دسترس باشد. چنین مبحثی در مطالعه موردی جاری کاربرد ندارد. مواد خروجی همچنان در اتمسفر تخلیه شده و در مجموعه داده ای استریم نهایی شامل نمی شوند.

8ـ4ـ5. واحدهای مختلف

در این کتاب، ما یکسری از واحدهای خاص بر مبنای واحدهای (سنجشی) SI را در نظر گرفته ایم که از آنها برای انجام فرآیندهای مقیاسی مهندسی و تطبیق دو سویه استفاده می شود. مبانی عرضه شده در این زمینه شامل زمان بر حسب ثانیه (s)، دما بر مبنای درجه سلسیوس (°C) یا کلوین (K)، جرم در کیلوگرم (kg) و انرژی بر مبنای کیلوژول (kJ) می باشد (ژول ها در حقیقت به عنوان واحدهای کوچک غیرعملی برای محاسبات مهندسی به شمار می آیند). چنین موردی سبب می گردد تا از kg/s به عنوان نرخ جریان جرمی، kW/K به عنوان نرخ جریان ظرفیت حرارتی و kW به عنوان بار حرارتی استفاده شود. با این وجود، غالب داده های تأسیساتی بر مبنای واحدهای مختلفی نظیر تن در ساعت ثبت شده و گزارش داده می شوند.

8ـ4ـ6. مثال کاری

برخی از مشکلات در زمینه استخراج داده های استریم را می توان به خوبی با استفاده از یک خشک کن شعله مستقیم ترسیم نمود. چنین مشکلاتی شامل تبادل جرم، اتلاف های حرارتی و برهمکنش یوتیلیتی ـ فرآیند می باشد. فلوشیت نشان داده شده در شکل 8ـ4 و موازنه حرارت و جرم در جدول 8ـ2 مشخص کننده ویژگی های مرتبط می باشد. سیستم مورد بررسی قابلیت خشک کردن 1 kg/s ماده جامد با 15 درصد رطوبت (مبنای خشک سازی) تا صفر را خواهد داشت. این خشک کن از 1 MW حرارت احتراقی استفاده نموده و به علاوه دارای میزان اتلاف 134/0 MW در رابطه با اتلاف حرارتی جداره می باشد.

8ـ5. هدف گذاری و طراحی شبکه

8ـ5ـ1. هدف گذاری

محاسبه هدف گذاری انرژی همچنان به عنوان یک نکته تمرکز در فناوری پینچ به شمار می آید. روش جدول مسئله به عنوان یک ویژگی اثبات شده مناسب به شمار آمده و بر مبنای مجموعه ای از داده های استریم قابلیت پیاده سازی آسان آن وجود دارد. با وجود آنکه محاسبات دستی به طور کلی بسیار مشکل است، این الگوریتم کاملاً سرراست بوده و به صورت نسبتاً آسانی قابلیت تغییر شکل به یک برنامه کامپیوتری ساده را خواهد داشت. یکی از مشکلات عملی نیاز به یک مقدار برای DT_min می باشد. با این وجود، همانگونه که مشخص شد، الزامی جهت یافتن ویژگی بهینه دقیق تا زمانی که انتخاب مقدار منطقاً محسوس باشد وجود نخواهد داشت و بنابراین چنین موردی قابلیت حاصل آوردن نتایج مکفی و پالایش متعاقب را خواهد داشت.

8ـ5ـ2. طراحی شبکه

روش طراحی شبکه پینچ ـ مبنای کلاسیک از طریق ایجاد طراحی MER و متعاقباً تنش زدایی شبکه کار خود را آغاز می نماید. چنین فرآیندی به طور کلی کارآمد تلقی می شود، اما لازم است تا به یاد داشته باشیم که در برخی از موقعیت ها شبکه MER از نقطه نظر ساختار در مقایسه با غالب شبکه های اقتصادی بسیار متمایز می باشد و چنین مؤلفه ای، یعنی ویژگی اقتصادی را می توان به طور آسانتری از طریق یک طراحی دستی ملموس حاصل آورد. این مورد عمدتاً به هنگامی حاصل می شود که با تعداد زیادی از استریم های پینچ متقاطع روبرو باشیم (بخش 4ـ4ـ2). چنین موردی سبب نقض اعتبار روش های پینچ نخواهد شد، اما این ویژگی به معنای آن است که به هنگام بکارگیری آنها لازم است از مراقبت ها و رویه های کاملاً منطقی بهره گرفت.

8ـ6. نرم افزار هدف گذاری

8ـ6ـ1. گزینه های در دسترس

در ابتدا امید بر آن بود که تکنیک های آنالیز پینچ قابلیت حاصل آوردن اهداف انرژی و یافتن آنها با استفاده از یک ماشین حساب دستی را داشته باشند. متأسفانه، چنین موردی به جز برای تأسیسات بسیار ساده امکان پذیر نمی باشد. محاسبه دستی خسته کننده می باشد و از ریسک بالای خطا نیز برخوردار است. بر این مبنا، نرم افزار کامپیوتری به عنوان یک ضرورت مهم جهت انجام آنالیز پینچ به شمار می آید. با توجه به این موضوع، سه دسته گسترده از این نرم افزارها وجود دارند که تحت عناوین برنامه های سطح بالای انحصاری یا تخصیص یافته، شبیه سازهای فرآیند عمومی و نرم افزار هدف گذاری ساده شده می باشند.

مثال های اولیه نظیر TARGET (نوشته شده در UMIST) و PROTAB (توسعه یافته به وسیله ICI) به طور نسبتاً سریعی با استفاده از برنامه های کاملاً پیچیده نظیر Supertarget (Linnhoff March) و Advent/Aspen Pinch (Aspen Tech) توسعه یافتند. متعاقباً سیستم HX-NET ارائه شده و به عنوان نرم افزار اصلی پینچ تخصصی Aspen شناخته شد. این برنامه ها از پروسه های هدف گذاری پیچیده استفاده نموده و قابلیت استفاده از طراحی شبکه ای اتوماتیک را دارند (همراه با یک گزینه دستی به منظور آنکه کاربران قابلیت طراحی شبکه خاص خود را نیز داشته باشند). در نتیجه، خرید یا کسب مجوز کاربرد آنها نسبتاً پرهزینه می باشد.

8ـ6ـ2. صفحه گسترده همراه این کتاب

به منظور آنکه کاربران قابلیت انجام تا حد ممکن آسان آنالیز پینچ برای تأسیسات خود را داشته باشند، یک صفحه گسترده مجانی همراه با این کتاب عرضه شده است. این برنامه دارای محاسبات کلیدی هدف گذاری و طرح های مرتبط با آن به شرح ذیل می باشد:

• داده های ورودی استریم (چه به صورت CP یا بار حرارتی).

• محاسبه داده های منحنی ترکیبی، جدول مسئله، هدف گذاری انرژی و دمای پینچ

• طرح ریزی منحنی های ترکیبی و GCC

• طرح ریزی مقادیر استریم با توجه به محدوده دمایی و دیاگرام شبکه یا گرید اصلی

• جداول و طرح های گرافیکی مرتبط با گوناگونی های انرژی و دمای پینچ در یک محدوده DT_min

هدف گذاری ناحیه و هزینه در این مبحث شامل نشده است که علت آن را می توان پیچیدگی بیش از حد، عدم وجود داده های مناسب در زمینه ضرایب مبدل حرارتی و طبیعت مسطح غالب طرح های هزینه ای ـ DT_min برشمرد. تله های توپولوژیکی را می توان از کاربرد نمودارهای یوتیلیتی و دمای پینچ در برابر DT_min مشخص ساخت. غالب موارد ترکیبی و DT_min در این کتاب با استفاده از برنامه صفحه گسترده ایجاد شده اند. این صفحه گسترده بر مبنای ماکروسافت اکسل می باشد اما در عین حال قابلیت اجرا در صفحات گسترده سازگار مشابه نیز وجود دارد. با این وجود، قابلیت تضمین یک عملیات کاملاً درست وجود ندارد. یک راهنمای مختصر کاربران نیز در ضمیمه ارائه گردیده است.

8ـ7. تجربه صنعتی

برخی از نتایج اولیه از مطالعات پینچ در بخش 1ـ2 تشریح شده اند. همانگونه که ذکر شد، دستاوردهای قابل توجه حاصله سبب ایجاد مباحث قابل توجه گسترده ای در این زمینه شده و انگیزه لازم را برای کاربرد گسترده این نوع از تکنیک ها در صنعت به وجود آورده اند.

در انگلستان، وزارت انرژی این کشور مسئولیت تأمین مالی یک برنامه سیستماتیک مرتبط با مطالعات پینچ را پذیرفت که در یک محدوده کاملاً دقیق انتخاب شده در مباحث صنعتی اعمال می شود. این برنامه ها به وسیله مشاورین و شرکت ها داخلی و تیم های مربوطه ارائه گردیده و اکثریت آنها در شرکت Linnhoff March اعمال شده است. نتایج حاصله سبب ارائه یک سری از مقالات انتشار یافته در مبحث کارایی انرژی با توجه به گزارشات دفتر تحقیق و توسعه می باشد که به وسیله Brown (1988) خلاصه شده است. جدول 8ـ4 نشان دهنده موارد صرفه جویی حاصله می باشد. به طور کلی، میانگین میزان صرفه جویی مشخص شده 25 درصد صورتحساب ها و هزینه های مربوط به انرژی می باشد. اکثریت این موارد خود حاصله از فرآیندهای بازیابی حرارتی می باشد و متعاقب آن می توان تغییر یوتیلیتی را در نظر گرفت. با این وجود، آنالیز تغییر فرآیندی در آن زمان در حالت طفولیت خود قرار داشت و در مقابل امروزه بخش های بزرگتری از چنین فرآیندی به صورت مطلوبتر ارائه گردیده است. البته برخی از پروژه ها سعی در شامل نمودن بازیابی حرارتی یا یوتیلیتی های مرتبط نموده که امروزه می توان آنها را تحت عنوان تغییر فرآیندی مدنظر قرار داد (به بخش 9ـ4 رجوع شود). به علاوه، برای فرآیندهایی که شامل مواد جامد می باشند (در بردارنده بسیاری از صنایع فرآیندی غیرمتعارف یا غیرسنتی خارج از حوزه پالایش نفت)، بازیابی مستقیم حرارت مشکل تر تلقی شده و یوتیلیتی ها و فرصت های تغییر فرآیندی دارای اهمیت بالسویه ای می باشند.

8ـ7ـ1. پالایش نفت

پالایش نفت به عنوان یک مبحث اصلی متعارف برای مطالعات پینچ به شمار آمده و در این راستا مطالعات پیشرو در زمینه پینچ غالباً بر روی واحدهای نفت خام متمرکز بوده اند، همانگونه که در بخش 9ـ2 تشریح شده است. تأسیسات آروماتیک ICI (بخش 9ـ3) به عنوان یکی دیگر از کاربردهای توأم با موفقیت اولیه به شمار می آید. مزیت های حاصله ناشی از دو مؤلفه بازیابی حرارتی و تغییر فرآیند می باشد. متعاقب آن، تکنیک ها به طور قابل توجهی گسترش یافته و ویژگی های پالایشی در برنامه های مرتبط بکار گرفته شدند. در عین حال محدودیت های عملی بسیاری وجود داشتند که می بایست در ارتباط با خوراک های مخلوط مختلف و متعدد آنها را در نظر گرفت، اما در عین حال بازده بسیار بالا توجیه کننده پروژه بازیابی حرارتی می بود ـ یعنی با درصد صرفه جویی های اندک قابلیت حاصل آوردن مزیت های مطلق زیاد اقتصادی با توجه به نرخ مناسب بازگشت هزینه های سرمایه گذاری شده حاصل می گردید. شبیه سازی شبکه مبدل حرارتی کمپلکس و بهینه سازی نیز از جمله ویژگی های توجیه شده در نظر گرفته شده و نرم افزار طراحی شبکه به طور گسترده ای بکار گرفته شد.

8ـ7ـ2. مواد شیمیایی فله ای ـ ادامه

چنین موردی را می توان به عنوان یکی از نواحی اصلی سنتی در زمینه آنالیز پینچ به حساب آورد. همانند پالایش نفت، تأسیسات مرتبط بزرگ بوده و به صورت پیوسته و بزرگ مقید به سیالات (مایعات و گازها) به شمار می آیند ـ و همگی از یکپارچه سازی یا جامعیت فرآیند کاملاً منفعت می برند. با این وجود، یک سری از فرآیندهای بزرگتر و تأسیسات در مقایسه با پالایش نفت وجود دارند. همانگونه که در بخش 1ـ2 ذکر شد، تکنیک های بکار گرفته شده به وسیله ICI، Union Carbide و BASF در عمل در ارتباط با مقادیر گسترده ای از فرآیندهای شیمیایی خانگی، منجر به ارائه صرفه جویی اساسی با توجه به فرآیندهای بازیابی حرارتی، تغییر فرآیند و بهینه سازی یوتیلیتی ها شده اند. مطالعات انجام شده با تأمین بودجه از سوی EEO در بخش غیرآلی در صنایع شیمیایی Staveley Chemicals و Tioxide، و در بخش آلی در صنایع Coalite و William همگی به طور موفقی نشان دهنده صرفه جویی ناشی از اعمال فرآیندهای بازیافت حرارتی، ارتقای یوتیلیتی ها و تغییر فرآیند می باشند.

8ـ7ـ3. تخصص و مواد شیمیایی فله ای و دارویی

در تضاد با بخش های قبلی، انرژی به طور کلی به عنوان یک هزینه جزئی در این تأسیسات به شمار می آید، مخصوصاً به هنگامی که با ارزش محصولات مقایسه می شود. تکنیک های آنالیز دسته ای (فصل 7) می تواند برای رفع تنگناهای عملیاتی (با استفاده از نمودارهای Gantt) و بهینه سازی پیکربندی های یوتیلیتی (همانند مخازن گرمایشی و سرمایشی) مفید باشد. مطالعات مرتبط، تأمین بودجه شده از طرف EEO در شرکت های Bush Boake Allen و Cray Valley Products به عنوان شرکت های متخصص در بخش مواد شیمیایی و شرکت های Beechams و May & Baker به عنوان شرکت های متخصص در امور دارویی انجام شدند. در چندین مورد، کاربرد مدل میانگین زمانی نشان دهنده پتانسیل صرفه جویی بوده است، اما روش های قدرتمندتر بیشتری نظیر مدل برش زمانی معرف کمتر بودن فرصتهای مرتبط در این زمینه می باشد. در کارخانجات Bush Boake Allen، پروژه های بازیابی حرارتی با قابلیت مرتبط مشخص شدند، اما بازده سرمایه آن در حدود 2 الی 3 سال برآورد شد. با این وجود، در شرکت صنایع Cray Valley Products، صرفه جویی قابل توجهی با استفاده از نمودار رخداد زمانی برای رفع تنگناهای عملیاتی حاصل آمد.

8ـ7ـ4. خمیر و کاغذ

صنعت خمیر و کاغذ یکی از مصرف کنندگان بزرگ انرژی به شمار می آید. تولید یک کیلوگرم کاغذ نوعاً نیازمند دو کیلوگرم آب می باشد که نهایتاً تبخیر می شود. حتی در یک شرکت تولیدکننده نسبتاً متوسط نظیر شرکت های انگلیسی، کاغذ و صنایع خمیر کاغذ به تنهایی مسئول مصرف انرژی بیش از 100 PJ در سال (10¹⁷ J، 10⁸ GJ) می باشد.

احتمالات بازیابی حرارتی محدود تلقی می شود، مخصوصاً با توجه به محدودیت های عملی گسترده در امر بازیابی حرارتی از ورق های پیوسته، در عین حال این صنعت به عنوان یک کاربر اصلی CHP بر مبنای توربین های بخار به شمار می آید (بخش 5ـ2)، که از تاریخچه طولانی در ارتباط با آنالیز پینچ برخوردار می باشد. بارهای بسیار بالای حرارتی بدان معنا می باشد که توربین های بخار دارای تطبیق خوبی با سیستم هستند و به طور کلی تطبیق برق سایت یا تأسیسات خود نیازمند یک ویژگی معتدل تر در ارتباط با نسبت برق به حرارت می باشد. با این وجود، حتی در اینجا توربین های گازی نیز تأثیر قابل توجهی دارند.

8ـ7ـ5. مواد غذایی و آشامیدنی

مطالعات اندکی در ارتباط با صنایع فرآوری مواد غذایی انجام شده اند. فرصت ها بر مبنای ضروریات مربوط به کیفیت محصول و بروز جامدات محدود شده اند (که سبب مشکل سازی در روند بازیابی حرارتی می شوند)، اما در عین حال پروژه های صرفه جویی انرژی به طور موفقیت آمیزی مشخص گردیدند. در برخی از موارد پمپاژ حرارتی (بخش 5ـ3ـ1) به عنوان یک رویه مفید و اقتصادی در نظر گرفته شده است، چرا که فرآوری در خلال یک دوره زمانی طولانی مدت و با دماهای معتدل با توجه به دلایل کیفیت محصول اعمال شده است. به طور مثال، خشک کن های پمپ حرارتی برای صنایع ماهی به طور شایع در اسکاندیناوی وجود دارند، که در آن هزینه های برق به واسطه وجود صنایع برق هیدروالکتریکی یا برق آبی کم می باشند.

8ـ7ـ6. محصولات قابل مصرف و منسوجات

یک فرآیند فله ای در ارتباط با محصولات قابل عرضه تولید مواد شوینده می باشد، که شامل آماده سازی محلول و خشک سازی اسپری است. EEO تولیت مطالعه مرتبط در Procter و Gamble را متقبل شد که در آن اقدام به شناسایی برخی از فرصت های مربوط به بازیابی حرارتی شده است (آن هم با توجه به محدودیت استریم ها یا جریان های شامل شده که به صورت چسبناک و قابل رسوب هستند) و بر این مبنا ویژگی های فرآیندی به گونه ای اصلاح شد تا قابلیت تحصیل سود از این مؤلفه در ارتباط با خشک کن اسپری حاصل شود. این ویژگی عملیاتی گردید، اما مبدل های حرارتی از این قابلیت برخوردار نبودند، که علت آن را می توان به طور نسبی در ارتباط با ویژگی های اقتصادی دانست که بر روی این برنامه تأثیرگذار می باشند که شامل نصب سیستمهای CHP و سیستم زباله سوز و تأمین سوخت آن (WDF) نیز می شود که می بایست قابلیت کاهش هزینه مؤثر بخار کم فشار تا تقریباً صفر را به دست آورد. تأسیسات CHP در نهایت به دلایل متعدد روتینی و اقتصادی، شامل ترس از احتمال بروز آلایندگی ها و مشکل بو، عملیاتی نشد.

8ـ7ـ7. مواد معدنی و فلزات

ذوب کاری به عنوان فرآیندی به شمار می آید که در آن اقدام به تولید فلزات از سنگ های معدنی مرتبط می شود، به طور مثال در این فرآیند قابلیت تولید مس و روی وجود دارد. واکنش ها غالباً به صورت کاملاً حرارت زا تلقی شده و سبب تولید بخارهای خروجی با دمای بسیار بالا (فراتر از 1500 درجه سلسیوس) می شود. چنین موردی را می توان به عنوان منبع کاملاً قابل توجه حرارت به شمار آورد، اما در عین حال بسیار کثیف و مملو از گرد و غبار می باشد، بنابراین انجام فرآیند عملی بازیابی حرارتی غیر ممکن می باشد و در مقابل از فرآیندهای کوئینچینگ[1] یا آبدهی و سردسازی سریع یا اسکرابینگ[2] و شستشو استفاده می شود. با این وجود، مقداری از حرارت را می توان به صورت بالقوه بازیافت نمود، آن هم در صورتی که فرآیندهای مناسب دیگری در آن منطقه در حال جریان باشند (نظیر افزایش بخار در دمای متوسط).

[1] quenching

[2] scrubbing

8ـ7ـ8. یوتیلیتی های حرارتی و قدرت

به طور کلی، آنالیز پینچ مشخص کننده فرصت های اضافه بیشتر در صنایع تولید برق به صورت خود اتکا یا مستقل می باشد. سیستم های توربین بخار در خلال سالیان بسیار با استفاده از رویه های آزمون و خطا، ویژگی های اقتصادی، سطوح میانی بخار، سیستم های حرارتی آب خوراک بویلر و فرآیندهای تقویتی همانگونه که در بخش 5ـ2ـ3ـ1 نشان داده شده اند تقویت گردیدند، به گونه ای که چنین فرآیندی در نهایت به انتهای نقطه “منحنی فراگیری” رسیده است.

8ـ7ـ9. ساختمان ها

در غالب ساختمان ها، تقاضای حرارتی برای گرمایش فضا و آب داغ داخلی غالباً به طور فزاینده ای فراتر از گرمای هدر رفته به شمار می آید. بنابراین پینچ غالباً در دمای محیطی در نظر گرفته می شود و آنالیز پینچ غالباً در این زمینه بکار گرفته نمی شود. در نتیجه، هر گونه منبع حرارتی بالقوه فراتر از ویژگی های محیطی را می توان به عنوان یک ویژگی با ارزش جهت بررسی و بهره گیری در نظر گرفت آن هم در صورتی که بازیابی حرارتی را بتوان به صورت اقتصادی انجام داد. نیروهای رانشی یا محرکه این موارد عمدتاً اندک در نظر گرفته شده اند. از طرف دیگر، زمان های بازگشت سرمایه چندین ساله نیز در نظر گرفته شده است. در تابستان، سیستم های تهویه مطبوع سبب ارائه نیازهای یوتیلیتی سرد اساسی می شوند، اما چنین موردی زیر شرایط محیطی در نظر گرفته شده و بنابراین موقعیت پینچ بدون تغییر باقی می ماند.

تمارین

به جای انجام تمرین های دیگر، چرا سعی در استفاده از این تکنیک ها برای خود در یک تأسیسات واقعی نمی نمایید؟ در صورتی که در یک صنعت مشغول بکار می باشید، این فرآیند را خود انجام داده و اقدام به آنالیز ویژگی های مربوطه با استفاده از روش استفاده شده در این کتاب با در نظرگیری بخش 8ـ2 نمایید. بر این مبنا لازم است تا قابلیت شکل دهی موازنه حرارتی و جرم، حاصل آوردن داده های استریم، تحصیل اهداف مربوطه، منحنی های ترکیبی و پینچ، و همچنین بررسی تغییرات فرایند و طراحی شبکه بازیافت حرارتی را داشته باشید. در صورتی که شما در یک دانشکده یا موقعیت دیگری قرار داشته باشید که به تأسیسات و داده های حقیقی مربوطه دسترسی ندارید، می توانید داده های فرآیندی دیگر، به طور مثال پروژه طراحی IChemE در ارتباط با متیل اتیل کتون، را در نظر بگیرید که قابلیت جستجو و استفاده از  آنها وجود دارد، (Austin و Jeffreys، 1979).