بخشی از مقاله
چکیده
توجه به افزایش بهاي انرژي محدودیت مناب تولید آن و حفظ محیط زیست ، لزوم کاهش شدت انرژي و بهینه سازي مصرف آن در صنایع انرژي بر را نمایان می سازد .دست یافتن به این مهم ، عموما با ایجاد سیستمهاي بازیابی حرارت کارا تحقق یافته که استفاده از تکنولوژي پینچ، اصولی ترین روش براي طراحی شبکه هاي بازیابی حرارت، انتقال بهینه انرژي از جریانهاي گرم به سرد و کاهش تقاضاي سرویسهاي جانبی شناخته شده است.
صنعت قند و شکر از صنایع انرژي بر است ومصرف انرژي در آن بصورت مصرف بخار و برق می باشد . بطوریکه یک واحد تولید قدرت، مشتمل بر توربینهاي بخار، در کارخانجات قند تعبیه شده و با تولید همزمان برق و حرارت، علاوه بر تولید برق مورد نیاز، بخار لازم را جهت مصارف گرمایشی و فرایندي کارخانه فراهم می کند. یکی از روشهاي متداول تشخیص راندمان مصرف انرژي در یک کارخانه قند، اندازه گیري مقدار مصرف بخار زنده خروجی از توربین براي مرحله تبخیر است. از نظر تئوري 14 درصد تناژ چغندر قند، بخار براي فرایند تولید شکر لازم است که این میزان درکشورهاي پیشرفته از 17 تا 25 درصد می باشد.
در حالیکه در کارخانه هاي قند ایران این میزان حتی تا سه برابر بیشتر از مقادیر یاد شده است. در پژوهش حاضر ، با استفاده از تکنولوژي پینچ به اصلاح واحد تغلیظ شربت و شبکه مبدلهاي حرارتی مر تبط با آن در یکی از کارخانجات شکر کشور، به منظور بهبود بازیافت بخار شربت و کاهش مصرف انرژي می پردازیم. مراحل کار به این ترتیب است که ابتدا واحد تغلیظ شربت، که تامین کننده بخش مهمی از بخار مورد نیاز فرایند است، اصلاح شده و سپس شبکه مبدلهاي حرارتی مرتبط با آن هدفگذاري و براي رسیدن به اهداف مورد نظر اصلاح خواهد شد. جهت انجام این پژوهش، نرم افزاري توسط محققین توسعه داده شده است که بوسیله آن تجهیزات جدید، دقیقا طراحی و تحلیلهاي اقتصادي ارائه می گردد .
-1 مقدمه
کشف تکنولوژي پینچ توسط پروفسور لینهوف به سال 1979 - 80 برمیگردد.این تکنولوژي ابزاري براي طراحی شبکه مبدل هاي حرارتی است. ازآنجا که هدف اصلی بررسی سیستمهاي حرارتی است بهتر است به آن آنالیز پینچ گفته میشود . این روش راه حلی ساده براي تعیین اهداف مصرف انرژي است.با این روش می توان بهترین ارایه را براي مبدلهاي حرارتی بدست آورد.حرکت انرژي از جریان هاي گرم به جریان هاي سرد توسط اختلاف دما ایجاد می شود، هر چه اختلاف دما بیشتر باشد، انتقال حرارت از جریان هاي گرم به سرد با سهولت ییشتري انجام می شود. این درحالیست که بالابودن اختلاف دمادرسیستم، ضایعات ترمودینامیک را بالا می برد
پس مهارت یک مهندس فرایند آن است که بتواند با درنظرگرفتن مسایل اقتصادي بهترین اختلاف دما را با بیشترین قابلیت بازیافت حرارت بین انواع جریان هاي مختلف پیدا کند.با ترسیم گرماي دردسترس فرآیند به عنوان" جریان مرکب گرم "و گرماي مورد نیاز" جریان مرکب سرد" ابزاري به دست م یآید که با استفاده از آن م یتوان مقدار کل انرژي واختلاف دماي مورد نیاز را تعیین کرد .در این سیستم حداقل اختلاف د ماي مجاز7PLQ تنها در یک نقطه اتفاق م یافتد که اصطلاحا آن را نقطه پینچ می گویند. این نقطه بیانگر حداقل نیروي محرك از جریان مرکب گرم به سرد است.
جونز و اسمیت در سال 1990 آنالیز پینچ را با استفاده از مولفه هاي انتالپی و دما براي ارزیابی سیستم تبخیرکننده ها به کاربردند [2]. با استفاده از آنالیز پینچ مشخص شد که می توان با تبدیل سیستم هاي تبخیرکننده 4 بدنه اي رایج در کارخانجات قند، به انواع 5 بدنه اي، مصرف بخار را 30 درصد کاهش داد . در سیستم 5 بدنه اي جدید بخارات مورد نیاز طباخی از بدنه 3 تامین می شد و بخارات خروجی از آخرین بدنه به جاي ورود به کندانسور بارومتریک، صرف گرم کردن شربت خام می شد .
براي استفاده از این سیستم نیاز است تا تبخیر کننده هاي نوع روبرت با انواع لایه نازك جایگزین شوند .استفاده از این روش همراه با بهره گیري از مباحث مهندسی انرژي در فرآیند توانست مصرف انرژي را در کارخانجات چغندري30 درصد کاهش دهد [3]. کریستادولو در سال 1993، با استفاده از آنالیز پینچ تغییراتی را در شبکه مبدلهاي حرارتی کارخانه 7200 تنی لاریسا به عمل آورد که در نهایت منجر به کاهش مقدار سوخت نسبت به چغندر مصرفی به میزان 35 درصد شد
در خلال سال هاي 1990 تا 1997 با بکارگیري تکنولوژي پینچ در کشور لهستان ، امکان 26 درصد صرفه جویی در انرژي مصرفی کارخانه ها پدید آمد.[5,6]در کشور ایران نیز در سال 1379 شمسی، عظیمی و همکارانش با استفاده از نر مافزار تارگت ادینس توانستند هدف گذاري هایی را براي کاهش مصرف انرژي در تصفیه خانه قند کرج انجام داده و راهکارهاي تئوریک را براي این امر ارائه دهند.
آنها عنوان نمودند که با افزودن 209/78 متر مربع به سطح مبدل هاي حرارتی می توان 7PLQ را تا 4 درجه سانتیگراد کاهش داد که این امر موجب 28 درصد کاهش انرژي مصرفی خواهد شد ضمن اینکه ظرفیت کارخانه 14 درصد افزایش خواهد داشت [7]. این تحقیقات بدون بررسی اثر این تغییرات بر سایر بخش هاي کارخانه انجام شد و عملا به مرحله اجرا درنیامد .هدف در این تحقیق، بررسی امکان صرفه جویی مصرف انرژي در کارخانه قند با استفاده از امکانات موجود و با استفاده از تکنولوژي پینچ است.
- 2 مواد و روشها
با افزایش ظرفیت کارخانه قند از 1000 تن چغندر در روز به 150 تن و گاز سوز شدن سیستم تامین بخار در این کارخانه، مصرف بخار در کارخانه درحد بسیار بالایی افزایش یافته و مصرف سوخت - گاز طبیعی - به چغندر مصرفی به 12 درصد رسید. با انجام بررسی هاي بهینه سازي انرژي" آنالیز توزیع انرژي حرارتی1 و اکسرژي 2 مصرف سوخت در این کارخانه به میزان 30 درصد نسبت به قبل کاهش یافت. به علت توزیع مناسب تر بخار خروجی از بدنه هاي تبخیرکنند هها در نقاط مختلف کارخانه که با توجه به آنالیزهاي انتالپی و اکسرژي بدست آمده بود داراي حداقل مصرف انرژي در بین ماه هاي پاییز آن سال بود.
با انجام این تغییرات و افزایش فشار بخار ورودي به بدنه اول از 1/75 بار نسبی به 2/25 بار نسبی راندمان تبخیرکننده ها به نحو چشمگیري افزایش یافت . لذا با ثابت نگهداشتن کلیه عوامل مانند فشار بخار ورودي به تبخیرکننده ها، عدم تغییر مسیرهاي انتقال بخار و بکارگیري محاسبات آنالیز پینچ در سال بعد از حداکثر پتانسیل صرفه جویی در کارخانه بهره برداري شد . براي بررسی پینچ شبکه مبدل هاي حرارتی ترسیم شده و با ترسیم نقطه پینچ حداقل آمده است، اختلاف دماي اختلاف دماي 34 درجه سانتیگراد محاسبه می شود.
در این کارخانه 3 دستگاه مبدل حرارتی3 با سطوح انتقال حرارت120 ، 80 و 80 متر مربع موجود بود که از آن ها به عنوان جایگزین براي سایر مبدل ها استفاده می شد و در حالت عادي نقشی در امر تولید نداشتند. لذا براي بررسی امکان به کارگیري این مبدل ها و نحوه به کارگیري آنها مجددا" محاسبات انتقال حرارت و ترمودینامیک با توجه به میانگین ضریب انتقال حرارت شربت که در کتاب راهنماي مهندسان صنایع قند [8] و سطح تبادل حرارت مبدلهاي موجود انجام شد .
با این محاسبات بهترین مکان قرار گیري براي این مبدل ها یکی پس از آهکخور دوم، دومی در مسیر شربت سیرکولاسیون دیفوزیون RT2 موجود در کارخانه و سومی در مسیر شربت ورودي به تبخیر کنند هها تشخیص داده شد .سپس شبکه مبدل هاي حرارتی با در نظر گرفتن این تغییرات ترسیم شد و با ترسیم و محاسبه حداقل اختلاف دما در این شبکه مجددا آنالیز انرژي انجام شده و آنالیز اکسرژي براي امکانپذیري ترمودینامیکی آن صورت گرفت پس از کلیه این تجزیه و تحلی لها برنامه ریزي براي ایجاد آن انجام شد. براي انجام محاسبات انتالپی و اکسرژي و معادلات و نمودارهاي ارائه شده توسط بالو4 استفاده شد
براي محاسبه دماي آب کندانس خروجی از مبدل ها معادله1 مورداستفاده قرار گرفت. [8] معادله-1 محاسبه دماي آب کندانس خروجی از مبد لهاي انتقال حرارت در این معادله: - Tc دماي آب کندانس خروجی از مبدل، Tv دماي بخار ورودي، Ti دماي شربت ورودي و To دماي شربت خروجی -
-3 نتایج و بحث
در شکل 1 آرایش مبد لهاي حرارتی در کارخانه قند مورد بحث ارائه شده است، همان گونه که در این شکل پیداست این کارخانه از 6 مبدل حرارتی استفاده میکند که با ترسیم جریان هاي مرکب سرد و گرم در مقطع زمانی که در شکل 2 شرح هر مقطع جریان سرد مندرج در شکل 2، در جدول 1 نشان داده شده است .در دو شکل 1 و 2 نحوه انتقال حرارت در مبدل ها شرح داده شد هاست .در شکل 2 ملاحظه می شود که بیشترین اختلاف دماها در مبدل حرارتی مبدل حرارتی دیفوزیون قرار دارد.
