بخشی از مقاله
چکیده
مسائل مربوط به مبدلهای حرارتی با توجه به حساسیت کاربردیشان همواره مورد توجه بوده است و کنترل و یکنواختسازی خروجی های آن بسیار مهم است. در اثر وجود اغتشاشات ناشی از سیال ورودی در مبدلهای حرارتی، پارامترهای خروجی آنها تغییر میکند که این اغتشاشات علاوه بر اثر سوء در عملکرد این واحدها، باعث اتلافات انرژی فراوان و همچنین کارکرد نامطلوب و غیر بهینه آنها نیز می شوند. اغلب مطالعات در این زمینه در مورد کنترل دمای خروجی یک مبدل حرارتی میباشد که این عمل با استفاده از کنترلرهای مختلف کلاسیک و بهکمک ابزارهای کنترلی مختلف مانند دما با میزان دبی انجام میشود.
در روش حاضر که بر روی یک شبکه مبدلهای حرارتی انجام شده است، سعی شده است که در حداقل زمان و با کمترین افت انرژی، دمای خروجی شبکه، حالت اولیه یکنواخت و پایدارخود را پیدا کند. در این روش تابع هدفی بر مبنای بازگشت سریع دما به دمای یکنواخت تعریف شده که متغیرهای آن میزان بایپس دبی سیال بوده و برای بهینه سازی تابع هدف از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. این روش یک روش عمومی است که قابل اعمال بر روی هر شبکه ای میباشد.
نتایج به دست آمده از روش پیشنهادی در این مقاله نشان میدهد که دمای مورد نظر کنترلی، با بهینهترین مقادیر بایپس حاصل از بهینهسازی تابع هدف تعریف شده، حالت اولیه یکنواخت و پایدار خود را بدست میآورد که این مطلب حاکی از کارکرد صحیح روش پیشنهادی است و کارکرد بهینه شبکه مبدلهای حرارتی و صرفهجویی انرژی را به دنبال خواهد داشت.
مقدمه
حساسیت کاربرد و کارکرد شبکهی مبدلهای حرارتی با توجه به مکان استفاده از آنها، بسیار بالاست. این حساسیت هم شامل دستگاهها و ابزارهای مورد استفاده در یک پالایشگاه یا نیروگاه میشود و هم مسائل مربوطه به بهینهسازی و مصرف انرژی را تحت پوشش قرار میدهد. شبکه مبدلهای حرارتی از دیدگاههای مختلف قابل بررسی است. اولین نکته مربوط به شبکه مبدل های حرارتی مبحث مربوط به طراحی یک شبکه است کهاین کار به شدت روی مسایل مربوط به صرفه جوییهای انرژی تاثیر گذار است.
معمولاً طراحی شبکه مبدلهای حرارتی را با استفاده از تکنولوژی پینچ انجام می دهند که خود این مبحث نیز دارای پیچیدگی هایی است. بعد از مسائل طراحی بهین که بر مبنای صرفه جویی های انرژی یک شبکه ی مبدل حرارتی انجام میشود، بحث مربوط به کنترل کردن دماهایی از یک شبکه مبدل حرارتی، در چند سال اخیر، حوزهی مطالعهی محققین بوده است. بروز اغتشاشات چه از نوع دمایی و چه از نوع میزان دبی جرمی سیال، امری اجتناب ناپذیر در یک شبکه مبدلهای حرارتی است.
وجود این نوع اغتشاشات به شدت روی دماهای خروجی شبکه ی مبدل حرارتی تاثیر میگذارد. همانطور که اشاره شد، برخی دماهای خروجی شبکه ی مبدل حرارتی، به دلیل اینکه کار اصلی را در شبکه انجام میدهد - مربوط به سیال کاری هستند - باید همواره در یک دمای خاص یا یک محدوده ی دمایی خاص باشد. وجود اغتشاشات باعث صدمه زدن به قسمتهای دیگری که بعد از مبدلهای حرارتی هستند میشود که باعث خسارتهای بالایی در شبکه می شود. این اغتشاشات علاوه بر صدمه زنی روی قسمتهای بعدی به علت دبی بالای جریان در یک پالایشگاه یا نیروگاه، باعث اتلافات انرژی فراوان و همچنین کارکرد نامطلوب و نابهینه نیز می گردند.
از اینرو تمام اغتشاشات وارده روی مبدل سریعاً باید دفع گردد. اما برای دفع سریع و به موقع این اغتشاشات، دماهای اصلی باید همواره کنترل شوند و در صورت انحراف از دمای کارکرد اصلی با ابزارهای کنترلی، به حالت اول و پایدار خود بازگردند. ابزارهایی که در یک شبکه مبدلهای حرارتی برای کنترل کردن استفاده میشود محدود هستند. کاری که در این مقاله انجام شده است بدین ترتیب است که بعد از مدلسازی مبدل حرارتی به همراه سیستم بایپس و بعد از آن مدلسازی یک شبکه مبدل حرارتی، یک روش کلی ارایه شده است که با استفاده از آن می توان برای هر شبکه مبدل حرارتی، با استفاده از بایپس جریان و در صورت عدم کارایی بایپس یکی از ابزارهای کنترلی دیگر یا تلفیقی از چند ابزار به عنوان ابزارهای کنترلی، دمای خروجی شبکه مبدلهای حرارتی را کنترل کرد.
این عمل با استفاده از مسایل مربوط به کنترل بهینه انجام شده است یعنی مقادیر بایپس و مقادیر ابزارهای کنترلی دیگر مثل بار حرارتی سردکن و گرمکن به دست آمده با این روش، بهینه ترین حالت های ممکن برای بازگشت سریع دما به حالت کارکرد اولیه و صرفه جویی انرژی هستند و همچنین میزان بای پس جریان را در شبکهی مبدل حرارتی به گونهای پیدا میکند که دمای خروجی شبکه ی مبدل حرارتی با وجود اغتشاشات به دمای حالت پایه دار و اولیه ی خود برسد. لازم به ذکر است که میزان بایپس به عنوان اصلی ترین ابزار در این مقاله در نظر گرفته شده است و تمام مسایل کنترلی و بهینه سازی ها با این ابزار انجام میشود. البته در همه شبکه ها بای پس قدرت لازم را برای دفع تمام اغتشاشات ندارد، که در این صورت باید ابزارهای دیگر مورد استفاده قرار گیرند. بهینه سازی همواره بر روی یک تابع هدف انجام میشود.
تابع هدف استفاده شده در این مقاله بر مبنای بازگرداندن دما به دمای اولیه است با بهترین میزان بایپس. برای بهینه سازی از ابزار قدرتمند الگوریتم ژنتیک استفاده شده است.
مطالعات انجام گرفته در این زمینه
کارهای انجام شده بر روی مبدلهای حرارتی را می توان به چهار دسته تقسیم کرد. دستهی اول، مطالعاتی که بر روی مبدلهای حرارتی برای شناسایی تاثیر پارمترهای مختلف گرفته است که میتوان به - Knut, 1992 - اشاره کرد که از کاملترین و مهمترین مطالعات انجام گرفته روی شبکهی مبدلهای حرارتی است، تقریباً می توان تمام مسائل مربوط به آنها را یافت. این مقاله که دارای قسمتهای مختلفی است، از تمام پارامترهای مختلف طراحی، کنترلی، رفتاری سیستم و ابزارهای مختلف مطالبی را بیان کرده است.
بعد از انتخاب دو شبکه ی مبدل حرارتی، با تغییر پارامترهای مختلف ورودی به یک شبکهی مبدل حرارتی اعم از دمایی و دبی جرمی سیال، تأثیر آن را بر روی خروجی های مختلف یک شبکه ی مبدل حرارتی مطالعه شده است. البته، روش مطالعاتی، یک روش ریاضی است. دسته-ی دوم، مطالعاتی که بر روی طراحی شبکهی مبدل حرارتی انجام شده است.
یک مطالعهی دقیق و پایهای روی تکنولوژی پینچ است، میتوان کلیات این روش طراحی شبکهی مبدل حرارتی را در آن یافت و این مطالعه که شامل اصول بنیادین تکنولوژی پینچ است. در - حجتی ، - 1387 یک کار عملی روی طراحی شبکهی مبدل حرارتی انجام شده است. این کار عملی در حقیقت نمونهی علمی انجام شده برای طراحی یک شبکهی مبدل حرارتی با اصول تکنولوژی پینچ است. در این مقاله نتایج به دست آمده از این روش، با شبکهی فعلی که در حال کار است مقایسه شده است که طبق گفته مقاله سالانه 19000 دلار صرفه جویی در بر دارد. دسته سوم، مطالعات انجام گرفته روی کنترل شبکهی مبدلهای حرارتی است. در این زمینه می توان به این نکته اشاره کرد که، کار بر روی شبکهی مبدل حرارتی بسیار کم بوده است. به عبارت دیگر، اکثر مسائل مربوط به کنترل کردن دمای شبکهی مبدل حرارتی، بر روی یک مبدل انجام شده است.
در - N.Pappa, 2004 - البته بعد از مدلسازی یک مبدل حرارت، با استفاده از یک شبکه عصبی پیشبینی کننده و دو کنترلر PID، دمای خروجی مبدل حرارتی را کنترل کرده است. لازم به ذکر است که ابزار کنترلی برای کنترل کردن دمای خروجی، دمای سیال ورودی در نظر گرفته شده است. در مقالهی - Ahmed - Maidi, 2007 یک کنترلر PI فازی را، برای کنترل کردن دمای خروجی یک مبدل حرارتی استفاده کرده است. بدین ترتیب که با استفاده از یک تابع هدف و بهینه کردن آن، ضرایب کنترل PI را استخراج کرده و برای تغییر آن ها از منطق فازی استفاده کرده است. ابزار کنترل این مقاله نیز دما است.
اما تنها مقالهای که به نوعی به کنترل کردن یک شبکهی مبدل حرارتی پرداخته است، مقالهی - Q.Z. Yan, 2001 - است. در این مقاله، با استفاده از بایپس جریان، عمل کنترل انجام شده است. مقادیر بایپس برای هر جریان با روش جالبی توسط روابط ریاضی تعیین شده است. در این مقاله نیز یک روش کلی ارائه شده است که برای هر شبکهای قابل اجراست. بیشتر بحث این مقاله بر روی بهینه سازی سطح انتقال حرارت در بایپس ها است. در این مقاله پاسخها فقط حالات خاصی ارایه شده است و در مثالهای ارایه شده خیلی کلی وارد شده و اطلاعات کاملی در مورد آن نداده است
