بخشی از مقاله
چکیده
نیاز فزاینده به انرژی و مشکلات استفاده از منابع طبیعی مانند سوختهای فسیلی جهت تولید آن سبب شده که همواره راهکارهایی جهت بهینهسازی مصرف انرژی خصوصا در صنعت ارائه شود. یکی از سیستمهایی که مصرف کننده دائمی حاملهای انرژی هستند، سیکلهای آب خنککننده بوده که متشکل از شبکهای از مبدلهای حرارتی و برج خنککننده به عنوان تامین کننده یوتیلیتی میباشند و وظیفه خنککاری سیالات در واحدهای صنعتی را به عهده دارند.
تکنولوژی پینچ روشی ترمودینامیکی جهت بهینه سازی مصرف انرژی و به عنوان ابزاری جهت طراحی شبکه مبدلهای حرارتی شناخته میشود که اساس آن استفاده انرژی بین جریانهای موجود در یک فرآیند صنعتی جهت تامین سرمایش و گرمایش یکدیگر و کاهش میزان یوتیلیتی مورد استفاده میباشد. به عنوان یک پژوهش موردی طراحی مجدد شبکه مبدلهای حرارتی سیکل خنککننده یک واحد صنعتی لولهسازی که در شبکه مبدل-های خود روغن هیدرولیک تجهیزات خط تولید را تا دمای مورد نظر خنک میکند، با آنالیز پینچ به منظور کاهش مصرف انرژی و به وسیله نرمافزار اسپن انرژی آنالایزر انجام پذیرفت.
با شناسایی پتانسیل جریانهای موجود در این واحد صنعتی جهت تامین انرژی مورد نیاز یکدیگر و استخراج منحنیهای ترکیبی جهت مدلسازی میزان همپوشانی انرژی میان جریانها، نیاز شبکه مبدلهای حرارتی به یوتیلیتی سرد از دیگر جریانها تامین و 100 درصد انرژی مصرفی در برج خنککننده به دلیل بی نیاز بودن سیکل به آن صرفه جویی میشود. همچنین به دلیل متغیر بودن دمای جریانها و ثابت بودن نرخ انتقال حرارت مورد نیاز در مبدلها جهت استفاده از یک شبکه مبدل واحد مطابق معادله انتقال حرارت حداقل و حداکثر دبی آب خنککننده ورودی به شبکه مبدلها محاسبه و شبکه طراحی شد.
-1مقدمه
نیاز روز افزون به انرژی در صنعت و خدمات شهری و تبعات زیست محیطی استفاده از منابع طبیعی نظیر سوختهای فسیلی برای تولید اشکال مختلف انرژی سبب شده است که پژوهشگران همواره به دنبال راهکارهایی جهت بهینه سازی مصرف انرژی و به حداقل رساندن این تبعات از جمله آلودگی آب و هوا و مصرف بیرویه منابع طبیعی باشند. همچنین بحران موجود در تامین برخی حاملهای انرژی نظیر آب صنعتی در کشور بیش از پیش لزوم ارائه راهکارهایی جهت بهینهسازی مصرف را نشان میدهد.
مبدل-های حرارتی یکی از تجهیزات اساسی در تمامی صنایع بوده که وظیفه تبادل حرارت میان سیالات مختلف یک واحد صنعتی را به عهده دارد. در طرحهای معمول صنعتی جهت خنککاری و یا گرم کردن سیالات از شبکهای از مبدلهای حرارتی استفاده میشود که مصرفکننده یوتیلیتی سرد و گرم مثل آب سرد و بخار میباشند. سیکلهای آب خنککننده به عنوان یکی از اجزای اساسی سایتهای تولیدی، یکی از سیستمهایی هستند که متشکل از شبکهای از مبدلهای حرارتی و برج خنککننده به عنوان تامین-کننده یوتیلیتی سرد بوده و وظیفه خنککاری سیالات فرآیندی جهت استمرار تولید و یا حفاظت از تجهیزات خط تولید را به دارند. شکل 1 نمونهای از این سیکلها را نشان میدهد.
در این سیکل سیال فرآیندی مورد نظر از طریق تبادل حرارت در مبدلهای حرارتی با آب خنککاری تامین شده توسط برج خنککننده به عنوان یوتیلیتی سرد، در مبدلها خنک شده و آب خنککاری مجددا به برج خنککننده بازگردانده میشود. طی فرآیند خنککاری آب در برج خنککننده بخشی از آب تبخیر میشود که لازم است از طریق آب جبرانی، به چرخه بازگردانده شود.
لذا شبکه مبدلهای حرارتی این سیکل به دلیل وابستگی به برج خنککننده همواره جهت ادامه فعالیت، نیاز دائمی به انرژی در قالب آب صنعتی و برق جهت فنهای برج دارد. یکی از روشهای بهینهسازی مصرف انرژی استفاده از تکنولوژی پینچ میباشد که در دهههای اخیر به عنوان ابزاری جهت طراحی بهینه شبکه مبدلهای حرارتی صنایع و کاهش مصرف حاملهای انرژی در پژوهشهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.
اساس این تکنولوژی استفاده از انرژی بین جریانهای موجود در یک فرآیند صنعتی جهت تامین سرمایش و گرمایش یکدیگر و کاهش میزان یوتیلیتی مورد استفاده میباشد.[1] با کاهش وابستگی به یوتیلیتی مصرفی، میزان انرژی مصرفی در سیکل کاهش مییابد. پژوهشهای بسیاری در خصوص استفاده از تکنولوژی پینچ جهت بهینه سازی مصرف انرژی انجام شده است که در ادامه به بخشی از آنها اشاره میشود. دونالد اولسن و همکاران [2] در پژوهشی به بررسی نقش آنالیز پینچ در بازیابی انرژی بین جریانها در یک فرآیند تولید مواد معدنی جهت تولید برق از جریانهای با دمای پایینی با طراحی شبکهای از مبدلهای حرارتی پرداخته است.
مارتین مک برین و همکاران [3] به بررسی فرآیندهای مختلف یک کارخانه ساخت فولاد پرداخته و به وسیله آنالیز پینچ شبکهای از احتمالات بازیابی انرژی میان جریانهای مختلف را ارائه کرد. محمود رضا حجتی [4] مبدلهای حرارتی واحد تقطیر پالایشگاه شیراز را به وسیله آنالیز پینچ اصلاح و نتیجه گرفت که حداکثر 15.6 درصد می توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. خدیجه سمندری[5] به معرفی و بررسی تاثیر استفاده از تکنولوژی پینچ در بهینه سازی طراحی شبکه مبدلهای حرارتی پرداخته است.
-2آنالیز پینچ
تکنولوژی پینچ برای صرفهجویی در مصرف و ذخیره انرژی ابداع و مورد استفاده قرار گرفت که شامل روشهایی ترمودینامیکی برای بهینهسازی فرآیندها و مصرف انرژی و به عنوان ابزاری برای طراحی شبکه مبدلهای حرارتی شناخته میشود. اساس این تکنولوژی استفاده از انرژی بین جریانهای موجود در یک فرآیند صنعتی جهت تامین سرمایش و گرمایش یکدیگر و بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از انرژی موجود در خود جریانها میباشد.
به منظور دستیابی به این هدف تبادل حرارت میان جریانها در شبکهای از مبدلهای حرارتی انجام میگیرد که با طراحی آن بر مبنای تکنولوژی پینچ و به تبع آن تامین سرمایش و گرمایش جریانها از یکدیگر و کاهش وابستگی به منابع یوتیلیتی خارجی، صرفهجویی در مصرف انرژی حاصل میشود. جهت مدلسازی میزان انتقال حرارت از منحنی ترکیبی1 استفاده میشود که با داشتن اطلاعات دمایی، ظرفیت حرارتی ویژه و آنتالپی جریانها به طور جداگانه برای جریانهای سرد و گرم رسم و میزان همپوشانی حرارتی بین آنها و یوتیلیتی مورد نیاز محاسبه میشود. شکل 2 این منحنی را نشان میدهد.
