بخشی از مقاله
چکیده
در طول چند دهه گذشته مقالات متعددي در خصوص چیدمان شبکه مبدلهاي حرارتی منتشر شده که در بیشتر آنها برنامه نویسی ریاضی به منظور بهینه کردن فرآیندهاي مرتبط استفاده شده است. پیشرفت هاي اخیر، روشهاي ابداعی جدیدي نظیر الگوریتم ژنتیک2 را به منظور بهبود چیدمان شبکه مبدل حرارتی معرفی می نمایند. در این مقاله استراتژي بهینه سازي چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی با استفاده از الگوریتم ژنتیک مورد تحلیل قرار گرفته است.
در این بررسی ابتدا اختلاف دماي مینیمم - ∆Tmin - با بکارگیري الگوریتم ژنتیک و با تعامل مشترك با تحلیل پینچ3 بهینه گردیده، سپس با استفاده از این اختلاف دماي بهینه مساله به دو ناحیه مختلف بالا و پائین پینچ تقسیم می شود. بنابراین با استفاده از الگوریتم مذکور و با درنظر گرفتن شکافت مناسب بخار ورودي به مبدل حرارتی چیدمان شبکه در بالا و پائین پینچ بهینه می گردد. نتایجی که از بکارگیري روش مذکور در نمونه هاي مطالعاتی بدست آمده است گویاي انتقال حرارت مناسب شبکه هایی است که در ساخت و بهره برداري ازآنها کمترین هزینه صرف شده است.
مقدمه
مصرف بالاي انرژي یکی از عمده ترین مشکلات مراکز صنعتی می باشد و هزینه هاي ناشی از این مصرف مهمترین بخش از هزینه هاي کلی محصولات صنعتی را تشکیل می دهند. هرچند سیستم هاي بازیافت گرما مکرراً در موارد مربوط به چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی4 مورد بررسی قرار گرفته اند لکن بیشترین توجه به این مساله پس از اولین بحران جهانی انرژي در دهه هفتاد اتفاق افتاد. در دهه هاي اخیر نیز مطالعات زیادي به منظور بررسی گزینه هاي جایگزین در خصوص حداقل کردن مصرف انرژي و باتبع آن کاهش سوخت مصرفی در صنایع انجام شده است.
در فرایندهاي صنعتی همواره جریانهایی از سیالهاي مختلف وجود دارند که نیازمند گرمایش و یا سرمایش هستند، در این خصوص معمولاً از تاسیسات گرمایشی و سرمایشی استفاده می شود. با بهینه نمودن چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی و انتقال مناسب انرژي می توان از تعداد و حجم این تاسیسات کاست که این امر نهایتاً منجر به کاهش هزینه ثابت پروژه خواهد شد.
تاکنون مطالعات متعددي با هدف بسط روشهایی براي بدست آوردن شبکه بهینه مبدل هاي حرارتی انجام شده و تحقیقات مربوطه غالباً در دو زمینه مهم و اساسی تمرکز یافته است. اولین زمینه فعالیت، استفاده از آنالیز پینچ است که در آن از مفاهیم ترمودینامیکی و برنامه نویسی ریاضی استفاده می شود و دیگري استفاده از روشهاي ابداعی بهینه سازي براي حل مدل هاي خطی و غیر خطی می باشد
آنچه که به عنوان هدف از تغییر در چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی یاد می شود پیدا کردن یک توالی و ترکیب عملی از تجهیزات براي جریانهاي سیال است به گونه اي که علی رغم بهبود انتقال انرژي هزینه کل نیز کاهش یابد. پیچیدگی اصلی این مساله طبیعت ترکیبی آن است به گونه اي که براي تعداد ثابتی از جریانها، تعداد بسیار زیادي احتمال ترکیب وجود دارد.
با این حال تعداد حالتهایی از چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی که کمترین حجم تاسیسات گرمایشی و سرمایشی را طلب می کنند از تعداد کل حالتهاي ممکن کمتر است. جبران این محدودیت، دلالت بر پیدا کردن یک شبکه مبدل حرارتی با نیاز به کمترین تاسیسات ممکن و براي یک اختلاف دماي مینیمم داده شده دارد. روشهاي ارائه شده در چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی قصد پیدا کردن بهینه ترین شکل ممکن از بین تمامی اشکال شبکه را دارند.
نخستین مرحله در چیدمان بهینه شبکه هاي مبدل حرارتی که به عنوان مرحله پیش تحلیل شناخته می شود دستیابی به موارد زیر می باشد:
الف - کمترین تقاضاي تاسیسات گرمایشی و سرمایشی
ب - کمترین تعداد تجهیزات انتقال انرژي
ج - کمترین فضاي مورد نیاز جهت انتقال انرژي
د - کمترین هزینه کل
براي رسیدن به اهداف فوق لازم است که ابتدا کمترین اختلاف دماي بهینه - ∆Tmin - را براي هر مورد مطالعاتی5 بیابیم.
در مرحله دوم، مبدلهاي حرارتی تخصیص یافته و با در نظر گرفتن اهداف ثابت مرحله قبل توالی عملی و واقعی بین تجهیزات برقرار می گردد.
در بیشتر مقالات منتشر شده چیدمان شبکه هاي مبدل حرارتی بدون در نظر گرفتن مقدار بهینه اختلاف دماي مینیمم - ∆Tmin - مورد بررسی قرار گرفته است در صورتی که این مساله در بهینه سازي شبکه مرحله اي ضروري می باشد. انتخابهاي غلط براي اختلاف دماي مینیمم - ∆Tmin - می تواند منجر به ایجاد شبکه هاي نامناسبی براي مبدل هاي حرارتی در زمینه هاي مصرف انرژي و هزینه تجهیزات شود.
با توجه به موارد ذکر شده، هدف این مقاله رسیدن به چیدمان بهینه براي شبکه هاي مبدل حرارتی با کمترین تقاضاي تاسیسات گرمایشی و سرمایشی، کمترین تعداد تجهیزات انتقال انرژي، کمترین فضاي مورد نیاز جهت انتقال انرژي وکمترین هزینه کل سالیانه با در نظر گرفتن اختلاف دماي مینیمم - ∆Tmin - بهینه، می باشد که این مهم با استفاده از روش تحلیل پینچ به همراه الگوریتم ژنتیک صورت می گیرد.
-1 تحلیل پینچ
به منظور بدست آوردن یک چیدمان بهینه از شبکه مبدل حرارتی با بکارگیري تحلیل پینچ بایستی سه مرحله زیر دنبال شود:
مرحله اول - : پیدا کردن کمترین تقاضاي انرژي، کمترین تعداد مبدلهاي حرارتی وکمترین هزینه سالیانه
مرحله دوم - : چیدمان شبکه مبدل حرارتی، تعریف جریان هاي تبادل کننده انرژي و انتخاب بهترین توالی تجهیزات
مرحله سوم - : شناسایی لوپهاي متقاطع
اغلب راهکارهاي ارائه شده به منظور رسیدن به اهداف فوق بر پایه قوانین اول و دوم ترمودینامیک بنیان گذاري شده اند. یکی از این راهکارها مساله الگوریتم جدول7 می باشد.
این الگوریتم به ما امکان پیدا کردن کمترین تقاضاي تاسیسات گرمایشی و سرمایشی را براي یک اختلاف دماي مینیمم - ∆Tmin - داده شده، می دهد. در این حالت دامنه مساله به فواصل دمایی خاصی تقسیم شده و براي هر فاصله بالانس انرژي انجام می گیرد.
