تحقیق کاربرد مبدل های حرارتی

چکیده:
با توجه به اینکه در صنعت از جمله صنایع پالایش و پتروشیمی مبدل حرارتی وجود دارند که از لحاظ مصرف انرژی بهینه نمی باشند و از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند و از طرفی ممکن است بعد از مدتی مشکلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند. دانشمندان به فکر اصلاح (Retrofit) شبکه مبدل های حرارتی افتادند بطوری که هدفشان کاهش مصرف انرژی و طبعاً کاهش هزینه های عملیاتی بوده است بنابراین متدهای گوناگونی را ارائه داده اند که از جمله این متدها می توان به متد های ریاضی و تحلیلی اشاره نمود ما در این سمینار روش تحلیلی را انتخاب نموده و به بیان متد Pinch برای Retrofit شبکه های مبدل حرارتی که توسط Linnhoff پایه گذاری شده است پرداخته ایم در ابتدای امر هدف در اصلاح شبکه های مبدل حرارتی را توضیح داده گفته شده که چگونه بایستی امر هدف یابی را انجام داده سپس این سئوال مطرح گردید که چگونه بایستی از عهده پروژه های بهبود (Retrofit) برآمد. که سه روش 1- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن. 2- اصلاح شبکه به صورت یک طرح جدید (جستجوی کامپیوتری). 3- اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch مطرح و به توضیح آنها پرداخته ولی از میان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch بحث اصلی این سمینار را تشکیل می دهد. در توضیح متد Pinch ابتدا هدف یابی در فن آوری Pinch مورد بررسی قرار گرفته بطوری که پروژه را در یک محدود سرمایه گذاری مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید. سپس فلسفه هدف یابی شرح داده شده است و در فلسفه هدف یابی گفته شده که در اولین گام می بایستی وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم که بهترین ابزار برای این کار استفاده از منحنی سطح حرارتی برحسب انرژی می باشد سپس به تفضیل به بیان روش هدف یابی پرداخته ایم و بعد از بیان مسئله هدف یابی در فصل سوم ابزار طراحی را معرفی نموده و گفته شد که طراحی شبکه در پروژه های Retrofit بسیار مشکل تر از طراحی ابتدائی است زیرا یکسری مبدل قبلاً نصب شده اند و در کل، طرح توسط ساختمان شبکه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدل ها مستلزم صرف هزینه می باشد.
لذا جهت کاهش هزینه طراحی لازم است تا جایی که امکان دارد از وسایل موجود حداکثر استفاده را نمود بنابراین احتیاج می باشد که به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تاثیر آن در عملکرد کلی شبکه پرداخته شود به این ترتیب می توان دریافت که کدام مبدل اثر مثبت در شبکه دارند و باید به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و کدام مبدل به طور نامناسب جایگذاری شده اند و بایستی تصحیح گردد از این رو به روش هایی که برای این بررسی وجود دارد پرداخته که عبارتند از : 1- مبدل های عبوری از Pinch. 2- منحنی نیروی محرکه. 3- تحلیل مسئله باقی مانده. 4- تغییر موقعیت مبدل ها.
و مفصلاً روش های فوق را مورد بحث قرار داده و به نتیجه گیری در مورد روش های فوق پرداخته و بعد از آن طراحی را آغاز نموده. در ابتدا مراحل طراحی را بیان نموده که عبارتند از:
1- تحلیل مبدل های موجود. 2- تصحیح مبدل های نامناسب. 3- جایگذاری مبدل های جدید. 4- اعمال تغییرات ممکن در طرح.
و سپس به توضیح مراحل فوق پرداخته و در نهایت به اعمال محدودیت های فرآیند در روش طراحی اشاره شده است با توجه به اینکه در فصل دوم یک روش هدف یابی برای متد Pinch بیان شده بود در فصل چهارم یک روش هدف یابی جدیدی برای بهبود (Retrofit) شبکه مبدل های حرارتی ارائه شده است که این روش به نام تحلیل مسیری عنوان شده و به ارزیابی زیر ساختار ها (یعنی اجزا مستقل شبکه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی ترین و عملی ترین فرصت برای ذخیره انرژی را ارائه کرده است و همانطور که در پیشینه اشاره شد اصلاح شبکه از طریق روش و سنتز ریاضی روش های متعددی دارد که ما در فصل پنجم این سمینار فقط بطور گذرا و خیلی مختصر روش مرکب برای اصلاح شبکه مبدل های حرارتی و مدل Synheat را معرفی نموده.

پیشینه اصلاح مبدل های حرارتی:
امروزه طراحی بهبود یافته شبکه های مبدل های حرارتی (HERL) نقش مهمی در سامانه های ذخیره انرژی ایفا می نماید.
شبکه های موجود بیش از فرآیندهای جدید بایستی برای بهبود در بازگشت انرژی مورد توجه قرار گیرند.
اصلاح شبکه های حرارتی (HEN) موجود را می توان با استفاده از دو رویه عمده به انجام رسانید بطوریکه افراد متعددی در این زمینه فعالیت نموده اند.
1- روش تحلیل Pinch :
این روش بر پایه ترمودینامیک (و مفاهیم فیزیکی) و فرآیندهای کاوشی است.
از جمله افرادی که پایه گذار این روش بوده اند می توان به T.N. Tjoe and B.linnhoff در سال 1986 اشاره نمود علاوه بر اینها افرادی همچون Van Reisen, Graham T.Polley در سال 1997 یک روش اساسی به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا بعبارتی زیر شبکه ها (یعنی اجزاء مستقل شبکه ها) به منظور بدست آوردن اقتصادی ترین و عملی ترین فرصت ها برای ذخیره انرژی را ارائه داده اند.
2- روش برنامه ریزی ریاضی:
در این روش شبکه های مبدل حرارتی به صورت مدل های ریاضی نشان داده می شوند.
از جمله افرادی که در زمینه مدل های خطی کار کرده اند می توان به
S.A. Papoulias, I.E. Grossmann در سال 1983 اشاره نمود که از مدل خطی برای تعیین حداقل هزینه تاسیسات وسایل و حداقل تعداد واحدها استفاده نموده اند.
اما در زمینه مدل های غیر خطی C.A. Floudas, A.R. Ciric 1983 و 1991 و T.F. Yee, E.I. Grossmann در سال 1990 تعدادی از مدل های غیرخطی را که از لحاظ محاسباتی گرانتر هستند هم برای به حداقل رساندن هزینه های سطحی و هم برای به حداقل رساندن همزمان تاسیساتی (تعداد واحدها و سطوح مبدل های حرارتی) ارائه نموده اند.
افرادی مانند E.N. Pistikopoulos و K.P. Popalexandri در سال 1994 مدل های بهینه سازی MINLP را نه تنها برای تعیین طراحی بلکه برای شرایط عملیاتی مطلوب، تحت فرض قابل کنترل دینامیک بسط داده اند ولی این مدل برای مسائل با مقیاس بزرگ قابل استفاده نمی باشد. چون روش هایی که بر مبنای الگوریتم برنامه ریزی غیر خطی صحیح مرکب MINLP)) هستند برای دسترسی به شکل بهبود یافته مشکلات محاسباتی زیادی دارند بویژه در حالتی که مسئله مقیاس آن بسیار بزرگ باشد Ca. Athier & P. Floquet در سال 1996 روش های بهینه سازی تصادفی همراه روش های جبری را برای حل مسائل طراحی فرآیند مطرح نمودند بعنوان مثال از روش های NLP و شبیه سازی بازپخت برای حل طراحی شبکه مبدل های حرارتی استفاده نموده اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقیق و کاملی نداشته اند.
علاوه بر روش های فوق یک روش گرافیکی برای انتگراسیون حرارتی یک سایت کامل ابتدا توسط Linnhoff و Dhole در سال 1992 ارائه گردید و سپس توسط Raissi در سال 1994 موشکافی شد.
X.X. Zhu and N.D.K. Asante در سال 1996 یک روش تحلیل ریاضی که بدنبال ساده ترین تغییرات می باشد و بیشترین صرفه جویی در انرژی را داشته باشند هر چند آنها برای رسیدن به این صرفه جویی سرمایه گذاری مورد نیاز را نادیده می گیرند و از طرفی این روش یک روش تکاملی می باشد.
و از طرفی همین دو فرد در سال 1999 روش مرکب برنامه ریزی ریاضی و تحلیل ترمودینامیکی را بیان داشتند بیشتر تحقیقات اخیر به سمت روش های پیشرفته تر جهت گیری داشته اند مثلاً بهبود HEN با در نظر گرفتن افت های فشار
Nie,X.X.Zhu X.R. که در سال 1999 ارائه نموده اند.
روش دو مرحله ای با استفاده از دمای معبر ثابت در قدم اول و MINLP برای نهایی کردن طراحی در مرحله دوم که توسط Ma, k.L, T.F, Yee, … در سال 2000 ارائه گردید و تغییرات همزمان فرایند و بهبود HEN که بوسیله Zhany ,.X.X. Zhu . J در سال 2000 ارائه شد.
با این وجود انتخاب همزمان انواع مختلف HE بطور همزمان با بهبود HEN توسط
A. Sorsak & Z.Karavanj a در سال های 1999 تا 2002 ارائه گردید علاوه بر این
K-M. Bjork & T,Westerlund در سال 2002 مدل Synheat که توسط
T.F, Yee & E.I, Grossmann در سال 1991 بیان شده بود را بدون ساده سازی فرض هایی از قبیل توابع هزینه سطحی خطی، فرض عدم شکاف جریانی و فرض های مشابه به حالت کلی مطلوب حل کرده اند ولی چون مدل Yee و K-M. Bjork که در سال 2002 بیان شده بود فقط طراحی شبکه مبدل حرارتی Grassroot را مورد توجه قرار می داد لازم بود که مدل های دیگری پیدا شود بطوری که چندین مقاله این موضوع را مورد توجه قرار دادند مثلاً Yee & Grossmann در سال 1991 و یا مقاله اخیری که در سال 2005 توسط K-m. Bjork & T, Westerlund بیان شد و آمدند مدل Synheat را برای رسیدن به هدف بهبود خود تغییر دادند مدل Synheat تغییر یافته بر اساس آنچه که در سال 2002 مطرح شده بود فرمول نویسی شده است و برای شبکه های شامل مسائل مقیاس بزرگ می باشد و برای حل مدل Synheat تغییر یافته از مدل هیبرید استفاده نموده اند.

مقدمه:
با توجه به اینکه طراحی های غیر بهینه شبکه های مبدل های حرارتی پروژه هایی هستند که سالها پیش طراحی شده اند باعث گردیده اند که، غالباً از سطح حرارتی بیشتری نسبت به مقدار لازم استفاده کنند و یا مصرف انرژی را بیشتر از حد داشته باشند چنین پروژه هایی نه تنها از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند بلکه ممکن است بعد از مدتی مشکلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند بنابراین بعد از بحران انرژی در اوایل دهه 1970 ، توجه بیشتری به طراحی بهینه فرایند گردید.
در هر حال چه هدف رفع مشکل عملیاتی باشد و چه کاهش مصرف انرژی و طبعاً کاهش هزینه های عملیاتی، لازم است که اصلاحاتی در پروژه صورت گیرد.
بنابراین در برخورد با چنین پروژه هایی ابتدا بایستی شبکه موجود بررسی شده و تخلف های صورت گرفته مشخص گردد و سپس با در نظر گرفتن اهداف انرژی و سرمایه گذاری و از همه مهمتر محدودیت های ساختمان شبکه بایستی آنرا به سمت یک شبکه بهینه هدایت نمائیم.

فصل اول :
1-1) هدف :
عملاً در پروژه های اصلاحی (retrofit) یکسری مبدلهای اضافی نصب می شوند انجام این عمل دو اثر مهم بر شبکه میگذارد یکی اینکه مبدلهای جدید به کمک یکدیگر در جهت بازیافت بیشتر انرژی شبکه اقدام می کنند و دیگر اینکه این مبدلها بواسطه تاثیرگذاری روی شرایط عملیاتی راندمان مبدلهای موجود را نیز افزایش می دهند. یک فرض معقول در چنین پروژه هایی این است که شبکه را به سمت شبکه بهینه خودش هدایت نمائیم ولی این امر همیشه امکان پذیر نمی باشد یک طرح اصلاحی خوب از فرصتها بهره برداری می کند و ممکن است شبکه را کاملاً متفاوت از طراحی ابتدایی اصلاح نماید در هر حال بایستی تا حد امکان از تغییرات گسترده و عمده در ساختار شبکه خودداری نمود بنابراین می توان گفت که همانند طراحی های ابتدایی (grass root) در پروژه های اصلاحی هدف یابی (Targeting) قبل از اصلاح بسیار مهم است بنابراین در هدف یابی برای طراحی شبکه مبدل های حرارتی بایستی همه مفاهیمی که بطور اساسی در هزینه انرژی و سرمایه سهیم هستند را بحساب آورد همچنین روش هدف یابی بایستی ساده باشد تا سریع بوده و به اندازه کافی شفاف بوده تا عکس العمل کاربر را ممکن سازد.

هدف در اصلاح (retrofit) شبکه های مبدل های حرارتی چیست؟
هدف بهبود شبکه های مبدل های حرارتی انجام انطباق های موثر بر روی شبکه موجود برای کاهش هزینه انرژی می باشند بطوری که این مساله نیازمند سرمایه گذاری برای اضافه کردن سطح و نیز تغییر ساختار موجود است که شامل نصب واحدهایی با اتصالات جدید و تغییر مسیر لوله هاست. مقدار سطح اضافه شده در هر تغییری، هزینه های تغییرات بنیادی را به سختی تحت تاثیر قرارداده و عموماً بطور مستقل برآورده می شود.
واضح است که اضافه کردن سطح به جفت های موجود عموماً انطباق ساختاری کمتری احتیاج دارند و بنابراین این مساله به نصب جفت های جدید ترجیح داده می شود بنابراین یک retrofit اقتصادی و عملی باید هزینه های انرژی را با یک توازن مناسب در مقدار مساحت جدید ، تعداد تغییرات ساختاری و امکان این تغییرات، کاهش دهد. یک نکته ای که بایستی در این پروژه ها به آن توجه شود استخراج صحیح اطلاعات از طرح موجود است، یک خطای کوچک در این کار ممکن است اختلاف فاحشی در نتیجه ارائه شده ایجاد نماید.
عامل دیگر، انتخاب حداقل نیروی محرکه دمایی در این گونه پروژه هاست. مناسب معمولاً با در نظر گرفتن اهداف قبل از اصلاح و شبکه موجود انتخاب می گردد.

1-2) روش های موجود در اصلاح شبکه:
1-2-1- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن:
در این روش لازم برای اصلاح شبکه همان موجود در شبکه انتخاب می گردد و اهداف تعیین شده قبلی هیچ نقشی در تعیین ندارند و طراح غیر از تجربه به ابزار دیگری جهت اصلاح شبکه با توجه به محدودیت های مورد نظر در اختیار ندارد و فقط با تکیه بر تجربه و اصول اساسی طراحی اقدام به اصلاح شبکه می کند و در آخر نتایج اصلاح را با محدودیت های اعمال شده چک می کند که ممکن است مورد قبول باشد یا نباشد حتی در صورت حصول یک نتیجه خوب هیچ تضمینی نیست که طرح بهتری وجود نداشته باشد.
این روش را "cherry picking" گویند لذا بهینه بودن نتیجه حاصله بهیچ وجه قابل اطمینان نمی باشد.
1-2-2- اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید (اصلاح کامپیوتری):
یکی دیگر از روشهای معمول جهت اصلاح شبکه این است که آنرا به صورت یک طرح جدید در نظر گرفته و به کمک برنامه های کامپیوتری پیچیده کلیه طرحهای ممکن را ایجاد می کنند و سپس طرحی را که از نظر ساختمان به شبکه موجود نزدیکتر است و تا حدودی نیز محدودیت های اعمال شده را رعایت می کند را به عنوان شبکه اصلاح شده در نظر می گیرند فلوچارت این روش بصورت زیر است. شکل (1-1)

شکل 1-1 روش موجود برای اصلاح شبکه بصورت طرح جدید

فصل دوم :

2-1) اصلاح شبکه با استفاده از تکنولوژی Pinch:
در این روش اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی همچنانکه قبلاً توضیح داده شد بر اساس مفاهیم فیزیکی و تحلیل های ترمودینامیکی فرایند استوار است و به طراح اجازه می دهد که بتواند تغییرات اعمال شده در شبکه را کنترل و آنرا به سمت طرحهای عملی هدایت نماید. بویژه فناوری pinch نشان داده که انتگراسیون خوب فرایند بواسطه سادگی طراحی تاسیسات و استفاده درست از انرژی و سرمایه، مفید و نافع است. بکارگیری این روش در مسائل و پروژه های صنعتی منحصر به پروژه های بهبودی می شود و دوره های بازگشت سرمایه بطور قابل توجهی از نتایج بدست آمده توسط روش های مرسوم کوتاهتر است و حتی زمانیکه انرژی در درجه اول اهمیت قرار داشته به صرفه جویی قابل توجهی منجر شده است.
یک درس حیاتی که فناوری pinch می دهد لزوم تنظیم اهداف است قاعده کلی پیش بینی آن چیزی است که بایستی بدست آید (هدف یابی) و سپس تلاش برای رسیدن به آن هدف (طراحی)
بنابراین این فناوری بدلیل توانایی در تعیین اهداف قبل از طراحی و بکارگیری آنها در تعیین بهینه برای اصلاح و ارائه یک متدولوژی مشخص برای اصلاح شبکه، در صنایع مختلف کاربرد گسترده ای پیدا کرده است و فلوچارت این روش در شکل (2-1) نشان داد ه شده است.

شکل 2-1 اصلاح شبکه با استفاده از تکنولوژی Pinch

2-2 ) هدف یابی در متد pinch برای بهبود شبکه مبدل حرارتی:
معیار مهم اقتصادی هر پروژه retrofit، آن است که پروژه در یک محدوده سرمایه گذاری مشخص ما را به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید. روش اصلاح تکنولوژی pinch طراحی را با یک مقدار مشخص، شروع میکند و با تعیین موقعیت نسبی منحنی ترکیبی (composite curve) و در نظرگیری اهداف، هزینه های اصلاح را قبل از طراحی مشخص می کند بعضی از طراحان مقدار را بر اساس تجربه مشخص می کند. بین (5 تا 10) برای پروسسهایی با دمایی پایین و نیز (10 تا 50) برای پروسسهایی با دمای بالا، که این گونه تغییر بدلیل اینکه اولاً طراحان مختلف ممکن است های مختلف و متفاوتی برای پروژه انتخاب نمایند و ثانیاً به دلیل اینکه انتخاب بر اساس تجربه و دمای پروسس، یک روش مطمئنی برای پروژه های اقتصادی نیست نمی تواند روش مناسبی باشد یک روش دیگر برای انتخاب استفاده از کمترین مشاهده شده در یکی از مبدلهای شبکه می باشد.

2-3) فلسفه هدف یابی:
آنچه در مطالعات اصلاح شبکه لازم به نظر می رسد آنست که در اولین گام بتوانیم وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم که بهترین ابزار برای اینکار استفاده از منحنی سطح حرارتی بر حسب انرژی (Area- Energy pilot) است. شکل (2-2) این منحنی را نشان می دهد.

شکل 2-2 منحنی سطح حرارتی (A) بر حسب انرژی (E)

نقطه A نشان دهنده حالتی است که نمودارهای ترکیب، نزدیک به هم هستند و کوچک به همراه بازیابی انرژی زیاد ولی از طرفی بایستی سرمایه گذاری زیادی در سطح و ناحیه مبدل داشته باشیم و نقطه c به منحنی های ترکیبی مربوط است که از هم فاصله بیشتری دارند که محصول بازیابی انرژی کمتر و نیز سرمایه گذاری کمتر است و نقطه B نشان دهنده تبادل بهینه با کمترین هزینه کل می باشد و ناحیه زیر منحنی پررنگ شده که با غیرممکن مشخص شده است. می دانیم که اگر مقدار را برای جریانهای یک شبکه مشخص نمائیم می توانیم مقادیر حداقل سطح حرارتی و حداقل انرژی مورد نیاز را قبل از طراحی مشخص کنیم. بنابراین اگر این عمل را برای جریانهای شبکه مورد نظر در های مختلف تکرار نمائیم و مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی را بدست آوریم می توان یک منحنی مشابه به آنچه در شکل (2-2) است رسم نمود در این منحنی مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی در های مختلف برای شبکه های بهینه ارائه شده است و با نظر به اینکه مقدار سطح حرارتی و مقدار مصرف انرژی شبکه موجود مشخص است براحتی می توان موقعیت این شبکه را در منحنی فوق مشخص ساخت اگر موقعیت شبکه موجود که با نقطه X مشخص گردیده، روی منحنی یا به فاصله تقریبی %10 از منحنی قرار بگیرد شبکه موجود مناسب و احتیاج به اصلاح ندارد ولی غالباً شبکه های طراحی شده چنین نیست و در موقعیتی دور از منحنی قرار می گیرند و بایستی اصلاح شوند.
اگر فرض نمائیم که نقطه بهینه شبکه موجود B باشد لذا بهترین طرح اصلاح آنست که شبکه x را به سمت شبکه B هدایت نمائیم زیرا هم مصرف انرژی نسبت به شبکه موجود کاهش می یابد و هم سطح حرارتی مورد نیاز شبکه کمتر می شود ولی می بینیم که این مسئله صحیح نیست زیرا چه کسی حاضر است که یک طرح بهینه جدیدی را که به ناحیه و مساحت کمتری منجر شود بیاید جایگزین ناحیه ای که قبلاً برای آن پول پرداخت شده است بنماید و ناحیه ای که قبلاً پول داده بابت، آن را بلا مصرف و یا کنار گذارد.
پس بایستی یکی از هدف های ما استفاده موثر از ناحیه موجود باشد.
بنابراین در طرحهایی که هدف اساسی کاهش انرژی مصرفی است ایده آل ترین مسیر حرکت از x به سمت نقطه A است در اینجا با استفاده از ناحیه موجود تا آنجا که ممکن است در انرژی صرفه جویی خواهیم کرد. ولی از آنجا که کاهش مصرف انرژی بدون تغییرات در ساختمان شبکه و تغییرات در ساختمان شبکه بدون سرمایه گذاری امکان پذیر نمی باشد لذا چنین مسیری عملی نمی باشد و از طرفی حرکت از x به سمت نقاط پایین تر منحنی بدلیل افزایش مصرف انرژی چندان مورد توجه نمی باشد. زیرا عمدتاً هدف اساسی کاهش مصرف انرژی است. بنابراین همانطور که در شکل(2-3) نشان داده شده است تنها مسیر امکانپذیر و عملی و سودمند مسیری است که از x به سمت نقاط بالاتر از A روی منحنی میل کند ولی چنین مسیری منحصر به فرد نیست.

شکل 2-3 مسیر عملی برای پروژه های retrofit
و همانطور که در شکل (2-4) دیده می شود مسیرهای متعددی برای اصلاح شبکه می توان در نظر گرفت.
2-4 مسیرهای متعدد برای اصلاح شبکه و بهترین مسیر اصلاح
و آشکار است که کارایی هر کدام از این منحنی ها متفاوت خواهد بود هر چه منحنی پایین تر باشد برای رسیدن به یک صرفه جویی معین، سرمایه گذاری کمتری احتیاج خواهد بود.
فرض کنید که بهترین مسیر همان باشد که در شکل (2-5) نشان داده شده است شکل منحنی بیانگر آن است که شیب آن با افزایش سرمایه گذاری افزایش می یابد و این به مفهوم افزایش زمان برگشت سرمایه با افزایش سرمایه گذاری است.

برای بهتر نشان دادن موضوع می توان منحنی A-E را به منحنی ذخیره سازی انرژی بر حسب سرمایه گذاری (Saving – Investment plot) تبدیل کرد. مانند شکل (2-6) این منحنی رابطه صرفه جویی سالانه انرژی با سرمایه گذاری و بازگشت سرمایه را نشان می دهد بعنوان مثال در شکل فوق به ازاء سرمایه گذاری به صرفه جویی معادل دست پیدا کرد.
2-6 منحنی ذخیره سازی (S) بر حسب سرمایه گذاری (I) بدست آمده از بهترین مسیر اصلاح

بدین ترتیب اگر در موقعیت شبکه موجود، میزان ذخیره سازی انرژی، برای سطح حرارتی اضافه شده تعیین گردد و این عمل را در حالات مختلف تکرار نمائیم می توان با توجه به معادله قیمت مبدلها و قیمت انرژی، هزینه سرمایه گذاری اضافی و میزان صرفه جویی در مصرف انرژی را مشخص نمود و منحنی ذخیره سازی را بر حسب سرمایه گذاری رسم نمود.
2-4) روش هدف یابی:
تعیین بهترین منحنی برای اصلاح شبکه مشکل است اما می توان منحنی را طوری انتخاب نمود که حداقل انتظارات ما را از شبکه بعد از اصلاح فراهم آورد. این منحنی به موقعیت شبکه موجود و دور بودن آن از منحنی هدف بستگی دارد و توسط فاکتورهای راندمان سطح حرارتی و راندمان انرژی مشخص می گردد.
راندمان سطح حرارتی به صورت نسبت حداقل سطح حرارتی مورد نیاز (هدف) به سطح حرارتی واقعی شبکه موجود برای بازیابی مقدار انرژی معین را تعریف می نمائیم. که در شکل (2-7) نشان داده شده است.
معادله (2-1)

2-7 راندمان سطح حرارتی

و راندمان انرژی به صورت نسبت حداقل انرژی مورد نیاز به مصرف انرژی واقعی شبکه موجود در سطح حرارتی یکسال شبکه موجود تعریف می شود. که در شکل (2-8) نشان داده شده است.
معادله (2-2)
مقادیر عددی نشان دهنده میزان حرارت عبوری از نقطه pinch نسبت به یک شبکه ایده آل می باشد.
مقادیر کم نشان می دهد که شبکه انرژی بیشتری نسبت به حالت ایده آل استفاده می کند.

شکل 2-8 راندمان انرژی

مقداری عددی میزان criss- crossing را در شبکه موجود نسبت به شبکه ایده آل مشخص می کند. می توان انتظار داشت که مقدار در طراحی های عملی کمتر از مقدار واحد باشد. هر قدر مقدار کمتر باشد تقاطع شدید و شبکه از حالت ایده آل دورتر است. و مقدار واحد برای بر عدم تقاطع دلالت دارد.
اشاره شده که طبق شکل (2-4) مسیرهای متعددی برای اصلاح شبکه وجود دارد که هر چه شیب مسیر کم باشد با افزایش سطح حرارتی کمتر، می توان ذخیره سازی بیشتری انجام داد و این به مفهوم زمان برگشت کوتاهتر می باشد و هر قدر این شیب بزرگتر باشد از سودمندی طرح کاسته می شود (افزایش سطح حرارتی بیشتر و در مقابل زمان برگشت طولانی تر است)
یک فرض این است که شیب منحنی اصلاح (retrofit) تا جایی که مقدار یا راندمان سطح حرارتی ثابت می ماند افزایش داده شود و این حداکثر شیب منحنی اصلاح برای طرحهای اقتصادی می باشد.
نکته:
گر چه – ثابت یک فرض خام است می تواند در تخمین سطح حرارتی موردنیاز و میزان کاهش منصرف انرژی قبل از طراحی در برخی از حالات بکارگرفته شود.
1- شرایطی که شبکه در وضعیت خوبی قرار دارد راندمان سطح حرارتی بالاست یعنی در چنین حالتی ( – ثابت) بهترین مسیر جهت اصلاح شبکه می باشد و می تواند نتایج خوبی ارائه نماید.
2- شرایطی که شبکه موجود در وضعیت مناسبی نیست و راندمان سطح حرارتی در چنین – حالاتی مسیر بهتر از مسیر می باشد.

شکل 2-9 منحنی

بنابراین طبق شکل (2-10) چهار منطقه می توان مشخص ساخت دو منطقه محدوده طرحهایی هستند که از نظر اقتصادی دارای وضعیت مشکوک می باشند.
(doubtful economics) ، یک منطقه محدوده طرحهای غیرعملی و منطقه چهارم محدوده طرحهای مناسب و اقتصادی است بنابراین با استفاده از منحنی ثابت می توانیم مقدار صرفه جویی به ازاء سطوح مختلف سرمایه گذاری را تعیین کنیم سپس می توانیم منحنی صرفه جویی/ سرمایه گذاری را مطابق شکل (2-6) رسم نمائیم.

شکل 2-10 چهار منطقه مشخص شده در منحنی A-E

همانطور که در شکل (2-11) دیده می شود برای کاهش مصرف انرژی به اندازه مقدار سطح حرارتی به اندازه افزایش می یابد.
بنابراین لازم است تخمینی از سطح حرارتی مورد نیاز و میزان ذخیره سازی انرژی به عمل آید.

شکل 2-11 تخمین و توسط منحنی

معمولاً یک شبکه مبدلهای حرارتی شامل چندین واحد انتقال حرارت می باشد و هر واحد دارای تعدادی پوسته (shell) جداگانه است که ممکن است بصورت سری یا موازی قرار گرفته باشد محاسبه هزینه ثابت شبکه با توجه به تعداد پوسته ها صورت می گیرد و هزینه هر مبدل توسط معادله کلی زیر بیان می شود.
معادله (2-3)

برای طراحیهای ابتدایی چون تعداد پوسته ها قبل از طراحی مشخص می شود لذا با فرض توزیع یکنواخت سطح حرارتی بین کلیه پوسته ها هزینه کلی شبکه برابر زیر است.
معادله (2-4)
بهمین شکل در طرحهای اصلاحی اگر تعداد پوسته های اضافه شده به شبکه را در نظر بگیریم.
معادله (2-5)

که در آن

بایستی توجه نمود که در این محاسبات از اثر اندازه، نوع افت فشار و جنس مبدلهای روی قیمت صرفنظر شده است.
برای تخمین میزان صرفه جویی در هزینه انرژی با توجه به میزان کاهش مصرف انرژی و در اختیار داشتن هزینه سالانه utility مورد نیاز از معادله زیر می توان استفاده کرد.
معادله (2-6)

بدین ترتیب می توان قبل از طراحی، هزینه سطح حرارتی جدید و میزان صرفه جویی در مصرف انرژی را مشخص کرد.

2-5) منحنی سرمایه گذاری بر حسب ذخیره سازی انرژی:
(Saving- investment plot)
در بخش قبل ملاحظه گردید که به کمک معادلات می توان هزینه سرمایه گذاری و میزان صرفه جویی در مصرف انرژی را برای هر مقدار و مشخص نمود لذا هر گاه این عمل را در و های مختلف تکرار نمائیم یک منحنی مطابق شکل (2-12) می آید که این منحنی ذخیره سازی بر حسب سرمایه گذاری میباشد بنابراین می توان میزان صرفه جویی در مصرف انرژی را برای هر میزان سطح حرارتی اضافه شده محاسبه نمائیم.
و از آنجایی که هر نقطه آن معرف یک می باشد می توان در تعیین لازم برای اصلاح مورد استفاده قرار گیرد.
شکل 2-12 منحنی سرمایه گذاری (I) بر حسب ذخیره سازی (S)

تا این مرحله یک روش هدف یابی برای اصلاح شبکه مشخص گردید که می تواند تخمین مناسبی از اقتصاد پروژه، شامل هزینه های سرمایه گذاری و زمان برگشت ارائه نماید این روش برای تعیین آنچه که بایستی انجام بگیرد، از عملکرد شبکه موجود استفاده می کند و از طرفی اینکه نقطه صحیح شروع طراحی را نیز تعیین می نماید.
این روش بسیار مناسب بوده و بسادگی از اطلاعات جریانها، اطلاعات قیمتها و اطلاعات شبکه موجود استفاده کرده و نتیجه نهایی را ارائه می نماید. فلوچارت این روش هدف یابی در شکل (2-13) نشان داده شده است.
لازم به ذکر است که در فصل چهارم یک روش دیگری برای هدف یابی ذکر گردیده که بعداً توضیح داده خواهد شد.

شکل 2-13 خلاصه روش هدف یابی

فصل سوم :

3-1) ابزار طراحی:
روش هدف یابی که در بخش قبلی معرفی گردید، اهداف پروژه را طوری طراحی میکند که بتواند محدودیت های مورد نظر را رعایت نماید. این روش بهترین مسیر اصلاح شبکه را منحنی – constant معرفی میکند ولی این تقریبی است و شبکه پس از اصلاح لزوماً در نقطه معین شده واقع نمی گردد. فرض کنید نقطه اصلاح پروژه روی منحنی – constant ، همانطوری که در شکل (3-1) نشان داده شده است، نقطه Y باشد. در این نقطه پروژه برای کاهش مصرف انرژی به اندازه ، به سطح حرارتی اضافی معادل نیاز دارد. بنابراین با توجه به ثابت بودن یا و تقریبی بودن نقطه اصلاح شبکه، نقطه Y نمی تواند روی منحنی اصلاح حرکت نماید و فقط دو حالت برای تغییر موقعیت نقطه Y وجود دارد. لذا طرح نهائی یا می تواند درست در نقطه Y و روی منحنی باشد (که معمولاً چنین نیست) و یا دو حالت برای موقعیت طرح نهایی ممکن است وجود داشته باشد که عبارتند از:
شکل 3-1 دو روش طراحی ثابت و ثابت

I) هدف کاهش مصرف انرژی به اندازه باشد. در این حالت بدلیل ثابت بودن موقعیت نقطه Y روی خط عمودی می تواند تغییر نماید و بدین ترتیب کاهش مصرف انرژی به میزان با افزایش سطح حرارتی کمتر و یا بیشتر از نیز امکانپذیر میباشد.
II) هدف افزایش سطح حرارتی به اندازه باشد. در این حالت بدلیل ثابت بودن موقعیت نقطه Y روی خط افقی می تواند تغییر نماید و بدین ترتیب افزایش سطح حرارتی به اندازه با کاهش مصرف انرژی به مقدار کمتر و یا بیشتر از نیز امکانپذیر میباشد.
هر یک از این دو طرح می تواند در پروژه های اصلاح، مورد استفاده واقع گردد. در هر حالت یک موقعیت ابتدائی نسبی از منحنی های ترکیبی سرد و گرم می تواند رسم شود و بدین ترتیب دمای pinch و مقدار که نقطه شروع طراحی در پروژه های اصلاح می باشد، مشخص میگردد.
اشاره شد که طراحی مجدد شبکه موجود در پروژه های اصلاح بسیار مشکلتر از طراحی ابتدایی است؛ زیرا مبدلها قبلاً نصب شده اند و در کل، طرح توسط ساختمان شبکه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدلها مستلزم صرف هزینه میباشد. لذا جهت کاهش هزینه طراحی لازم است تا جائی که امکانپذیر باشد، از وسایل موجود، حداکثر استفاده مجدد بعمل آید. با این حال برای گسترش چنین روشی احتیاج به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تاثیر آن در عملکرد کلی شبکه میباشد. به این ترتیب می توان دریافت که کدام مبدلها اثر مثبت در شبکه دارند و باید به عنوان مبدلهای مناسب حفظ گردند و کدام مبدلها به طور نامناسب جایگذاری شده اند و باید تصحیح گردند. روشهای متعددی برای اینکار وجود دارد که در بخش های بعدی بترتیب به شرح آنها پرداخته خواهد شد.
3-2) بررسی مبدلهای عبوری از PINCH :
می دانیم طرحهائی که برای حداقل میزان مصرف انرژی (Minimum Energy Requirement. (MER) (Linnhoff, 1983,b) طراحی می شوند، هیچ حرارتی را از Pinch عبور نمی دهد. اما در طرحهای غیراقتصادی با عبور انرژی از نقطه pinch بهمان اندازه بر میزان مصرف سرویسهای جانبی اضافه می گردد و مقدار کاهش مصرف انرژی معمولاً همان مقدار حرارتی است که در شبکه موجود از نقطه pinch عبور می کند. شکل (3-2) . بدین ترتیب دمای pinch برای پروژه اصلاح معین میگردد.

شکل 3-2 عبور حرارت به
میزان از نقطه pinch

پس از تعیین دمای pinch با توجه به اطلاعات جریانها و رسم نمایش پنجره ای شبکه مبدلها (grid representation) میتوان مبدلهای عبوری از pinch را مشخص ساخت. در بعضی مسائل ممکن است علاوه بر نقطه pinch، نقاط دیگری نیز در شبکه وجود داشته باشند که نزدیک pinch باشند شکل (3-3). در چنین حالتی با هر یک از آنها به صورت یک نقطه pinch مجرا عمل می کنیم و مبدلهای عبوری از آن نقطه را نیز مشخص می کنیم.

3-3) منحنی نیروی محرکه (DRIVING FORCE PLOT):
در بخش های قبلی اهمیت استفاده از منحنی ترکیبی در ذخیره سازی انرژی ملاحظه شد. در این بخش اهمیت استفاده از این منحنی، در سطح حرارتی شبکه مشخص خواهد شد. موقعی که جریانها به صورت عمودی با یکدیگر جفت (Match) شوند، میزان سطح حرارتی مورد نیاز شبکه حداقل خواهد بود (Ahmad, 1984). بنابراین با تصحیح هر match جداگانه در شبکه می توان سطح حرارتی کلی را بهبود بخشید. برای بدست آوردن match های موازی از جریانها، احتیاج به روشهائی میباشد که ایده آلترین match را مشخص نماید. مستقیم ترین روش برای انجام چنین کاری بدست آوردن رابطه ای بین دمای هم تراز سرد و گرم جریانها میباشد. ابزار اصلی در کاربرد چنین روشی، منحنی نیروی محرکه (driving force plot) می باشد. این منحنی که حاصل ترسیم بر حسب دمای سرد همان جریان میباشد، Match های ایده آل را بدقت مشخص میکند. لذا این منحنی ابزاری است که می تواند به طور کیفی عملکرد مبدلها را به صورت جداگانه بررسی نماید.

شکل 3-3 نقاط نزدیک pinch در منحنی ترکیبی
در طرحهای اصلاح، منحنی نیروی محرکه برای مقایسه عملکرد مبدلهای موجود با مبدلهای ایده آل بکار میرود. مبدلهائی که کاملاً بر منحنی منطبق هستند موقعیت مناسبی دارند و احتیاجی به تغییر آنها نیست. اما مبدلهائی که از منحنی دور هستند، مبدلهائی هستند که در آنها criss crossing اتفاق می افتد و دارای موقعیت نامناسبی هستند. این مبدلها اولین کاندیدها برای تغییر و اصلاح خواهند بود. این منحنی ها همچنین توانائی مشخص ساختن مبدلهای عبوری از pinch را نیز دارند . چنین مبدلهای آنهائی هستند که از دمای سرد pinch عبور می کنند و حرارت را از بالا به پایین pinch منتقل می کنند. شکلهای (3-4) و (3-5) چنین منحنی هائی را نشان می دهند. این منحنی ها نشان می دهند که چگونه می توان مبدلهای نامناسب را با استفاده از نیروی محرکه آنها تصحیح نمود.

شکل 3-4 مبدلی که حرارت را از بالا به پایین pinch منتقل میکند.

شکل 3-5 مبدلی که حرارت را از پایین به بالای pinch منتقل میکند.

3-4) تحلیل مسئله باقی مانده (REMAINING PROBLEM ANALYSIS)
a) انرژی باقی مانده: روش طراحی pinch، طراحی شبکه مبدلهای حرارتی را از نقطه pinch و نقاط نزدیک pinch آغاز می کند و بتدریج آنرا به طرف بالا و پایین pinch گسترش میدهد و برای اینکار از قوانین اساسی طراحی استفاده میکند.
سپس با استفاده از الگوریتم خاص چک می کند که آیا Match ها (Linnhoff, 1983,b) با اهداف انرژی طرح هماهنگی دارد یا نه؟ در چنین وضعیتی برای matchهای باقی مانده دو حالت ممکن است اتفاق بیفتد: یا مسئله باقی مانده به همان میزان انرژی که قبلاً نیاز داشت، احتیاج دارد و یا نیازمند انرژی بیشتری است. در حالت اول match ارائه شده، نمی تواند تمام انرژی مورد نیاز را منتقل نماید و در حالت دوم match انتخاب شده، خطای انرژی خواهد داشت. که در شکل (3-6) نشان داده شده است.
این تحلیل یک ابزار مفید برای تخمین توالی جایگذاری مبدلها در یک شبکه میباشد و می تواند آنرا بر اساس میزان مصرف انرژی محاسبه نماید.
b) سطح حرارتی باقی مانده: در پروژه های اصلاح باید دید که چه راندمانی از سطح حرارتی مورد نیاز است و برای اینکار باید سطح حرارتی باقی مانده مورد بررسی قرار بگیرد. با توجه به توانائی تعیین سطح حرارتی کلی، می توان سطح حرارتی مورد نیاز را برای مسئله باقی مانده نیز تعیین نمود؛ و بدین ترتیب با مقایسه سطح حرارتی کلی مسئله با مجموع سطح حرارتی باقی مانده و سطح حرارتی مبدل مورد نظر، می توان حداکثر راندمان سطح حرارتی را برای match پذیرش شده مشخص نمود. یعنی:

معادله (3-1)
که در آن می باشد. یک match ایده آل است و این تحلیل سطح حرارتی باقی مانده میباشد که در شکل (3-7) نشان داده شده است.
تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، را بر اساس احتیاجات انرژی ثابت محاسبه می کند و خطای سطح حرارتی را که ناشی از استفاده بد نیروی محرکه دمائی می باشد، تخمین میزند. این متد ابزاری است که میتواند یک تشخیص کمی از موقعیت مبدلها ارائه نماید. مهم اینست که تفاوت بین راندمان سطح حرارتی شبکه و تشخیص داده شود. زیرا مربوط به یک شبکه کامل است، ولی حداکثر راندمان سطح حرارتی قابل دسترس میباشد، بشرط آنکه موقعیت مبدل به عنوان بخشی از شبکه کلی پذیرفته شده باشد.

شکل 3-6 تحلیل انرژی باقی مانده با ثابت
تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، در هر سطحی از بازیافت انرژی میتواند مورد توجه واقع گردد. مثلاً اگر در مصرف انرژی جاری شبکه باشد، می تواند برای تشخیص مبدلهائی که استفاده کمتری از سطح حرارتی دارند () مورد استفاده قرار بگیرد و لذا می تواند برای بهبود شبکه ای که دارای راندمان سطح حرارتی ضعیفی است بکار برده شود. (توجه کنید که هر گاه برای همه مبدلهای شبکه بکار برده شود، آنگاه کلی شبکه معادل میباشد.) در وضعیت های اصلاح نیز، این متد می تواند برای تشخیص کمی اینکه بکارگیری یک مبدل تا چه حد میتواند برای شبکه جدید مفید باشد، مورد استفاده واقع گردد. برای مثال مبدل j در شکل (3-8) این مبدل می تواند:
I ) یک مبدل موجود در موقعیت اصلی خود باشد؛ که در این حالت می تواند برای به حداکثر رساندن انطباق شبکه اصلاح شده با شبکه موجود بسیار مفید واقع گردد.

شکل 3-7 تحلیل سطح حرارتی باقی مانده با انرژی ثابت

II) یک مبدل موجود که تصحیح شده است باشد؛ که در این حالت می تواند برای چک کردن موفقیت آمیز بودن اصلاح مورد استفاده واقع گردد.
شکل 3-8 بکارگیری تحلیل سطح حرارتی باقی مانده در اصلاح شبکه
و یا
III) یک مبدل جدید باشد که در شبکه اصلاح شده جایگذاری شده است. در چنین حالتی ممکن است سه وضعیت وجود داشته باشد:
i) یا مقدار مشخص نیست؛ زیرا مشخص نیست. در این حالت مبدل پیشنهاد شده از نیروی محرکه اضافی استفاده میکند که باید تصحیح شود و یا حذف گردد.
ii) یا مقدار پائین است؛ یعنی : در چنین حالتی مبدل مورد نظر خطای بزرگی در سطح حرارتی باقی مانده ایجاد می نماید و لذا مبدل به صورت بد جایگزین شده و باید تصحیح گردد.
iii) و یا مقدار بالا است؛ یعنی میباشد که در این حالت مبدل مورد نظر بخوبی جایگزین شده است.
از آنجایی که این تحلیل، راندمان سطح حرارتی را در یک مصرف انرژی ثابت محاسبه میکند، یک ابزار ایده آل برای استفاده در طرحهای retrofit میباشد. زیرا هدف عمده در طرحهای اصلاح نیز کاهش مصرف انرژی به مقدار مشخص میباشد.
c) باقی مانده: یک ابزار دیگر در تحلیل مسئله باقی مانده میباشد که به صورت نمایش داده میشود؛ اما از آنجائی که مصرف انرژی شبکه ثابت است، همان مشخص شده ابتدائی میباشد. می تواند برای مشخص کردن سختی طراحی مسئله باقی مانده مورد استفاده واقع گردد. مقدار کوچک بیانگر آن است که طراحی مشکل است و گاهی مبدلی با بالا، بدلیل آنکه ممکن است طراحی بعدی را مشکل نماید، مورد پذیرش واقع نمیگردد. تحلیل باقی مانده، یک معیار کمی از کاربرد نیروی محرکه مربوط به مبدل پذیرفته شده را ارائه میدهد؛ لذا با و شناخته شده با قطعیت می توان خوب یا بد بودن یک مبدل را مشخص ساخت. کاربرد در تحلیل مسئله باقی مانده در شکل (3-9) نشان داده شده است. (لازم به ذکر است علاوه بر و افت فشار مبدلها نیز می تواند در تعیین خوب یا بد بودن آنها موثر باشد.)

3-5) تغییر موقعیت مبدلها (EXCHANGER SHIFTING):
منحنی نیروی محرکه که قبلاً توضیح داده شد، می توانست برای نشان دادن اینکه چگونه می توان مبدلهای نامناسب را تصحیح کرد، مورد استفاده واقع گردد. همچنین این منحنی می توانست راهنمای خوبی برای تعیین بهترین موقعیت مبدل نیز باشد. با این حال روش بهتری که ابزار مستقیم تری برای ترتیب تصحیح مبدلهای نامناسب ارائه می کند، نیز وجود دارد. این ابزار منحنی نیروی محرکه می باشد. این منحنی به کمک دمای همتراز سرد و گرم جریان رسم می شود که در آن خطی با شیب 1 رسم شده است. (شکل (3-10)

شکل 3-9 تحلیل باقی مانده (مکمل تحلیل سطح حرارتی باقی مانده)

وجود این خط می تواند معرفی از سختی مسئله باشد؛ زیرا اگر منحنی به خط نزدیک باشد، نشانگر سختی در طراحی مسئله است. همچنین اگر اطلاعاتی درباره مورد نیاز باشد، می توان آنرا مستقیماً از فاصله عمودی بین خط و منحنی بدست آورد. هر خط در منحنی دارای شیبی معادل نسبت در همان محدوده دمایی میباشد که در شکل (3-11) نشان داده شده است.
شکل 3-10 منحنی جدید نیروی محرکه
یک مبدل مشخص در شبکه به صورت یک خط صاف روی منحنی نشان داده میشود و شیب خط معرف نسبت CP جریانهای مربوطه در همان مبدل میباشد. مبدلهای عبوری از Pinch آنهائی هستند که دمای سرد یا گرم Pinch را قطع میکنند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که منحنی جدید نیروی محرکه اطلاعات بیشتری نسبت به منحنی ارائه میدهد. این منحنی همچنین در بعضی حالات خاص، برای تصحیح مبدلهای نامناسب بهتر عمل میکند.
برای استفاده از مبدلهای موجود در اصلاح شبکه، دو روش وجود دارد: روش اول اینست که شرایط عملیاتی به صورت شرایط مبدل موجود تغییر داده شود. در این صورت هیچ تغییری در ساختمان شبکه صورت نمیگرد شکل (3-12). این حالت را انتقال مبدل می نامیم. در روش دوم بجای تغییر شرایط عملیاتی موقعیت مبدل را تغییر می دهیم که در این حالت ساختمان شبکه تغییر می کند شکل (3-13) معمولاً روش اول بدلیل حداکثر انطباق با ساختمان شبکه موجود، نسبت به روش دوم ترجیح داده می شود.

شکل 3-11 یک مبدل که در منحنی نشان داده شده است. شیب خط برابر نسبت CP ها میباشد.
تغییر مبدل می تواند با استفاده از انطباق یا تغییر نسبت CP ها و در بعضی حالات با استفاده از هر دو مورد صورت پذیرد که بترتیب در شکلهای (3-14) و
(3-15) و (3-16) نشان داده شده است.
بعد از انتقال دما در مبدل عوض میشود و از اینرو سطح حرارتی مورد نیاز مبدل تغییر می کند. بنابراین برای اینکه انتقال در اصلاح شبکه بخوبی صورت بگیرد، دو معیار اساسی باید رعایت گردد:

شکل 3-12 انتقال مبدل (ساختمان شبکه تغییر نکرده است.)

شکل 3-13 تغییر موقعیت مبدل (ساختمان شبکه تغییر کرده است.)

I) انتقال به صورتی باشد که طراح را به سمت یک انطباق خوب بر اساس نیروی محرکه هدایت نماید.
II) حداکثر استفاده مجدد از سطح
حرارتی مبدل منتقل شده بعمل آید.
برای انجام مناسب این کار معادلاتی ارائه شده است که به نیروی محرکه دمائی و بار حرارتی مبدل مربوط میگردد. این معادلات از موازنه انرژی و معادلات طراحی مبدل بدست آمده اند و به شکل زیر نوشته میشوند:
I) برای ؛ یعنی :
معادله (3-2)
II) برای :
شکل 3-14 انتقال مبدل بر اساس تغییر

شکل 3-15 انتقال مبدل بر اساس تغییر نسبت CP ها (با استفاده از تقسیم جریانها)
شکل 3-16 انتقال مبدل با استفاده از تغییر نسبت CP ها و تغییر
معادله (3-3)
معادله (3-4)
در این معادلات (

میباشد. موقعی که نیروی محرکه گرم مشخص باشد، بار حرارتی مبدل توسط معادله (3-3) و موقعی که نیروی محرکه سرد مشخص باشد، توسط معادله (3-4)حساب میشود. معمولاً ضریب کلی انتقال حرارت در طول انتقال ثابت فرض میشود (U= constant). بنابراین با دانستن سطح حرارتی و یکی از ها می توان بار حرارتی مبدل را حساب نمود و لذا محاسبه نیروی محرکه دیگر با استفاده از معادلات بار حرارتی:
معادله (3-5)
امکانپذیر خواهد بود. (Tjoc, 1986,a)
انتقال یک مبدل، نسبت CPها یا شیب خط را تغییر نمیدهد، همین طور این عمل تضمین نمیکند که مبدل پس از انتقال حتماً روی منحنی منطبق خواهد شد. تغییر شیب خطوط نیز احتیاج به تقسیم جریانها دارد و لذا با استفاده از منحنی می توان حساب کرد که چه جریانهایی و به چه میزان احتیاج به تقسیم دارند. هنگامیکه تغییر نسبت CP ها امکانپذیر نباشد، اثر جایگذاری نامناسب مبدلها را می توان با استفاده از کاهش بار حرارتی مبدل که فاصله دمائی کمتری روی منحنی نیروی محرکه نشان میدهد، تقلیل داد شکل (3-17) . این عمل سطح حرارتی مورد نیاز مبدل را کاهش میدهد و اگر چندین پوسته برای یک مبدل موجود باشد، موقعیت مناسبی برای انتقال بعضی از آنها و استفاده مجدد از آن در قسمت های دیگر شبکه فراهم می آید.
معمولاً انتقال مبدل صورت میپذیرد و سپس تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) موفقیت آمیز بودن انتقال را چک می کند. مهمترین مزیت این تکنیک آن است که بدون هیچگونه جابجائی مبدل را تصحیح می کند و لذا می تواند کاربرد مهمی در طرحهای اصلاح داشته باشد.

شکل 3-17 برای انتقال یک مبدل ممکن است محدوده دمائی کمتری مورد نیاز باشد.

3-6 ) نتیجه گیری:
تاکنون چهار ابزار معرفی گردید که میتوانند جهت مشخص ساختن و تصحیح مبدلهای نامناسب در شبکه مورد استفاده واقع گردند. این ابزارها عبارتند از: تحلیل مبدلهای عبوری از Pinch، منحنی نیروی محرکه ، تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) و انتقال مبدلها.
تحلیل مبدلهای عبوری از Pinch، گر چه اطلاعاتی در مورد جریانهای عبوری از Pinch می دهد ولی هیچ اطلاعی در مورد اینکه چگونه میتوان این مبدلها را در سطح شبکه مورد استفاده قرار داد ارائه نمیدهد. اصلاح مبدلهای عبوری از Pinch، کاهش Criss crossing و بدین ترتیب بهبود استفاده از سطح حرارتی در ناحیه Pinch را بدنبال خواهد داشت. ولی در مورد مبدلهای دور از Pinch هیچ کاری صورت نمیدهد در حال که هر دو ممکن است به یک میزان مهم باشند.
منحنی نیروی محرکه می تواند برای تعیین اینکه آیا یک مبدل موجود خوب جایگزین شده است یا نه، مورد استفاده واقع گردد؛ اما این فقط یک بیان کیفی بر حسب نیروی محرکه دمائی است و تاثیر هر مبدل مشخص را در جهت بهبود عملکرد کلی شبکه صریحاً نشان نمیدهد. علیرغم این اشکال منحنی نیروی محرکه نشان میدهد که چگونه می توان یک مبدل نامناسب را با توجه به حداکثر استفاده مجدد از سطح حرارتی موجود تصحیح نمود.
تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، یک مقیاس کمی از جایگزینی مناسب مبدل بر حسب حداکثر استفاده مجدد از سطح حرارتی ارائه میدهد و بدین ترتیب عمل منحنی نیروی محرکه را تکمیل میکند. تحلیل سطح حرارتی باقیمانده همچنین خطای نتیجه گیری شده ناشی از استفاده نامناسب نیروی محرکه را نیز تخمین میزند این تحلیل با تعیین تکمیل میگردد. تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) ابزار مناسبتری می باشد؛ زیرا می تواند برای ارزیابی عملکرد هر مبدل جداگانه در شبکه مورد استفاده قرار گیرد. مبدلهائی که بطور مناسب جایگذاری شده اند باقی میمانند و مبدلهای نامناسب تصحیح شده و یا در جای دیگر مورد استفاده واقع میشوند. بنابراین در حالت کلی ترکیب تحلیل مسئله باقی مانده، منحنی نیروی محرکه و انتقال مبدل، یک روش بسیار قدرتمند برای طرحهای اصلاح ارائه میدهند.
3-7) طراحی:
در بخش قبلی ابزارهای کلیدی برای اصلاح شبکه مشخص گردید. در این بخش طراحی شبکه مبدلهای حرارتی در پروژه های اصلاح مورد توجه قرار خواهد گرفت. طراحی پروژه اصلاح بستگی زیادی به طراح و نحوه استفاده وی از ابزار طراحی دارد. ولی به طور کلی می توان آنرا در چهار مرحله تقسیم بندی نمود که در جدول 3-1 نشان داده شده است.

جدول 3-1 مراحل طراحی پروژه های retrofit

3-8) روش طراحی:
3-8-1) تحلیل مبدلهای موجود: روش طراحی با استفاده از تحلیل مسئله باقی مانده و محاسبه میزان موثر بودن هر مبدل در شبکه شروع می شود. سپس طراح در مورد مبدلهائی که بصورت مناسب جایگذاری شده اند و تاثیر خوبی در عملکرد کلی شبکه دارند و همچنین در مورد مبدلهائی که بدلیل ایمنی و عملیاتی اساسی بنظر میرسند، تصمیم گیری می کند و بدین ترتیب در مرحله اول اطلاعات کاملی از خطای انرژی در شبکه موجود بدست می آورد. فلوچارت این مرحله در شکل (3-18) نشان داده شده است.
3-8-2) تصحیح مبدلهای نامناسب: در این مرحله طراح بهبود موقعیت مبدلهای باقی مانده را امتحان میکند. تکنیکهای منحنی نیروی محرکه و انتقال مبدلها می توان در این مرحله مورد استفاده قرار بگیرد. تصحیح هر مبدل به شرط کاربرد تحلیل مسئله باقی مانده و چک کردن موفقیت آمیز بودن اصلاح صورت می پذیرد.
فلوچارت این مرحله در شکل (3-19) ارائه شده است.
3-8-3) جایگذاری مبدلهای جدید: تلاش اصلی در این مرحله یافتن بهترین موقعیت برای جایگذاری مبدلهای جدید می باشد. منحنی نیروی محرکه و تحلیل مسئله باقی مانده مجدداً بکار گرفته میشوند و همه مبدلها به منظور تایید جایگذاری مناسب چک می شوند. برای جایگذاری مبدلهای جدید سه شرط باید مراعات گردد که عبارتند از:
I) مبدلهای جدید باید طوری قرار گیرند که منحنی نیروی محرکه را کاملاً بپوشانند. اگر حالات مختلفی وجود داشته باشد، آن مبدلی مناسبتر است که بیشترین انطباق را با شبکه موجود داشته باشد.
II) کیفیت مبدل پیشنهاد شده باید با استفاده از تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) چک گردد.
III) هر گاه مبدل پیشنهاد شده مورد پذیرش واقع گردید، باید جریانات مربوط به آن حذف شده و سپس منحنی نیروی محرکه با جریانات باقی مانده رسم گردد. در غیر این صورت جهت تصحیح یا انتخاب مبدل جدید باید به مرحله اول برگشت. فلوچارت این مرحله نیز در شکل (3-20) ارائه شده است.
شکل 3-18 خلاصه روش تحلیل مبدلهای موجود

3-8-4) اعمال تغییرات ممکن در طرح: در انتهای سه مرحله، شبکه ای در اختیار خواهد بود که به اهداف مورد نظر فرآیند و انرژی رسیده است؛ منتهی این طرح هنوز می تواند بهبود یابد. این اصلاحات ممکن است به صورت تغییر شبکه در جهت انطباق هر چه بهتر با شبکه موجود و یا کاهش تعداد مبدلهای جدید مورد نیاز به کمک توزیع مجدد با حرارتی در حلقه ها و مسیرها (Linnhoff, 1983,b) امکانپذیر باشد. این مرحله به موقعیت مسئله بستگی دارد و در هر طرح بنا به نیازهای پروژه تغییر می کند.

شکل 3-19 خلاصه روش تصحیح مبدلهای نامناسب

شکل 3-20 خلاصه روش جایگذاری مبدلهای جدید

3-9) اعمال محدودیت های فرآیند در روش طراحی:
روش توضیح داده شده می تواند برای مسائلی که شامل محدودیت هائی از قبیل ساختمان شبکه، اطمینان و عملیاتی بودن و . . . . هستند، مورد استفاده قرار بگیرد. چنین محدودیت هائی در عمل خیلی عادی هستند و در طراحی پروژه های اصلاح حتماً باید مورد توجه قرار بگیرند. محدودیت های متفاوت می توانند طراح را به سمت طرحهای اصلاح کاملاً متفاوتی هدایت نمایند.

فصل چهارم :
روش جدید هدف یابی ساختاری بر اساس تحلیل مسیری

4-1) مقدمه:
در این بخش روش هدف یابی جدیدی برای بهبود (retrofit) شبکه مبدلهای حرارتی ارائه می کنیم در این روش، روش های مرسوم طراحی و هدف یابی به منظور بهبود. همراه مفهوم منطقه بندی راکد را ترکیب می کند.
بیشتر روش های هدف یابی موجود بهبود شبکه مبدلهای حرارتی همانند روش Tjoe که در فصل قبل ارائه شده بود منحصراً ذخیره انرژی و اضافه کردن سطح را بررسی می کند، و در بررسی فوق هزینه سطح را فقط به طور کلی و روی هم حساب و ارزیابی می نماید به تازگی Van Reisen یک روش اساسی، به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا زیر شبکه ها (یعنی اجزا مستقل شبکه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی ترین و عملی ترین فرصت ها برای ذخیره انرژی را ارائه کرده است. اساساً این روش این امکان را برای مهندس فراهم می کند که جنبه های ساختاری بهبودسازی (retrofit) را حین هدف یابی ارزیابی کند. این ارزیابی را هدف یابی ساختاری می نامیم.
در این روش هر سه جنبه اساسی صرفه جویی، سرمایه گذاری سطحی و تغییرات ساختمان به حساب آورده می شود و تعیین کننده ترین قدم تعیین واحدهای ساختاری در شبکه موجود می باشد که آنها را نواحی نامیده می شود.

4-2) تحلیل مسیری: اساس هدف یابی ساختاری:
تحلیل مسیری تشخیص و شناسایی زیر شبکه های یک شبکه موجود که پتانسیل اقتصادی خوبی برای بهبود (retrofit) دارند را ممکن می سازد بنابراین محل ها یا مجموعه ای از نقاط را که در مقایسه با کل شبکه صرفه جویی بیشتری در نرخ سرمایه گذاری دارند مشخص می کند. با تغییر نقاط مشخص شده بدون توجه به باقیمانده شبکه می توان به صرفه جویی مورد نظر دست یافت.
بعنوان نمونه، یک زیر شبکه شامل مبدلهای و و و جریان های و cold 2 در شکل (1-4) نشان داده شده است.
4-1 مثال
هنگامیکه تبادل حرارتی (فرایند- فرایند) بین و cold 2 شدیدتر می شود ذخیره انرژی در این زیر شبکه امکان پذیر است این مسئله نیازمند اضافه کردن سطح به می باشد. باید توجه داشت که مبدلهای خارج شبکه تحت تاثیر قرار نمی گیرند. بطور مشابه در زیر شبکه شامل و فقط یک اتصال جدید بین جریانهای cold 1 و Hotl به ذخیره انرژی منجر می گذرد. ()
بایستی توجه داشت که زیر شبکه ها برای ذخیره انرژی باید حداقل یک خنک کننده و یک گرم کننده داشته باشند.
در مثال فوق واضح است در زیر شبکه ای که شامل می باشد هیچ گونه ذخیر ه انرژی نمی توان داشت در این حالت هیچ منبع حرارتی برای جایگزینی تاسیسات گرم وجود ندارد و در کنار گرم کننده و خنک کنده یک مسیر (N1) برای انتقال حرارت موجود از خنک کننده به گرم کننده لازم است این مسیر ممکن است همانطور که در زیر شبکه وجود دارد در شبکه اصلی هم وجود داشته باشد و یا این مسیر باید هنگام تشکیل یک جفت حرارتی جدید ایجاد شود. مانند زیر شبکه
بنابراین تحلیل مسیری، تمام زیر شبکه هایی که تعیین حدود شده اند را برای تعیین آنهایی که برای اصلاحاتی بهینه هستند ارزیابی می کند. پروسه کامل بهبود (retrofit) با استفاده از تحلیل مسیری در شکل (4-2) آورده شده است.

شکل 4-2 فلوچارت پروسه کامل بهبود با استفاده از تحلیل مسیری

بعد از استخراج داده و تعریف حالت پایه با استفاده از یکی از روش های هدف یابی بهبود یافته موجود صرفه جویی در هدف های سرمایه گذاری سطحی برای کل شبکه محاسبه می شود این هدف ها برای کل شبکه بعنوان مرجع خواهد بود سپس زیر شبکه های موجود تعریف و مشخص می شوند و برای هر کدام از آنها صرفه جویی در هدف های سرمایه گذاری محاسبه می شود و از یک روش هدف یابی مشابه استفاده می کند.
زیر شبکه ها ارزیابی شده و بهترین ها حفظ می گردد برای بسیاری از زیر شبکه ها با استفاده از گرافهای صرفه جویی در سرمایه گذاری، بطور گرافیکی مرتب می شوند این ارزیابی گرافیکی بیشترین دید را برای مسائل، با زیر شبکه های کم را ارائه می دهد مرتب سازی عددی یا روش مرحله ای فقط برای مسائل بزرگ لازم است با اتمام ارزیابی با استفاده از یکی از روشهای طراحی بهبود یافته طراحی های بهبود یافته برای بهترین زیر شبکه ها ایجاد می شوند همه جریان ها و جفت های خارج زیر شبکه بدون تغییر می ماند سرانجام طراحی ها ارزیابی شده و نتایج با اهداف مقایسه می شوند.
کلید استفاده از روش هدف یابی ساختاری، استفاده از ساختار شبکه موجود بعنوان اساس تعیین زیر شبکه های مربوط می باشد.
بنابراین از ساختار شبکه موجود برای شکافتن شبکه به نواحی مستقل استفاده می شود نواحی بایستی قسمتهایی از شبکه را که به راحتی قابل انتگراسیون هستند را تعیین حدود کند بنابراین جریانهایی که به هم نزدیک بوده و یا در وضعیت فعلی متصل هستند، را می تواند در یک ناحیه قرار دهد.
علاوه بر این بایستی امکان ایجاد تغییرات جهت retrofit در هر ناحیه بدون توجه به قسمتهای باقیمانده شبکه فراهم باشد.
بنابراین نواحی بایستی قسمت هایی از شبکه باشند که از لحاظ حرارتی متوازن هستند. کوچکترین اجزائی از شبکه موجود که از لحاظ حرارتی متوازن هستند قسمت های جریانی می باشند این قسمت ها کوچکترین نواحی قابل تعریف می باشند.
بنابراین بیشترین تعداد نواحی برابر است با تعداد مبدلهای حرارتی موجود در طراحی فعلی.
بنابراین نواحی همیشه ترکیبی از مبادله کننده های حرارتی و قسمت های جریانی هستند.
بخاطر احتیاجات اساسی، مبدلهای حرارتی همیشه در یک ناحیه هستند هرچند جریانها می توانند در میان چندین ناحیه جریان داشته باشند. در یک ناحیه منفرد کسری از چنین جریانی وجود دارد و در واقع فقط این جز بخشی از آن ناحیه است. بنابراین هر جزء جریان همانند هر مبدل حرارتی فقط در یک ناحیه است توجه داشته باشید که جریانهای تاسیسات بایستی توازن حرارتی را برای نواحی که شامل مبدل حرارتی هستند را به حساب بیاورند. تاسیسات صریحاً بخش هایی از این نواحی هستند و همانند روش بهبود موجود عمومی و متعارف نمی توان نادیده گرفت.
مبدلهای منحصر به فرد و منفرد، متوازن از لحاظ حرارتی هیچ چشم اندازی را از لحاظ ذخیره انرژی فراهم نمی کنند. مانند دماهای ورودی و خروجی و نرخ جریان ظرفیت حرارتی، جریانات اتصال یافته ثابت شده. همانطور که گفته شده برای ذخیره هر انرژی در زیر شبکه ها بایستی هم کولر و هم هیتر و هم یک مسیر بین کولر و هیتر وجود داشته باشد.
مسیرها، در تعیین حدود ناحیه هایی که برای در بر داشتن ساختار در هدف یابی مناسب هستند کمک می کنند.
در طول retrofit بایستی از مسیرهای که در شبکه اصلی موجود هستند بهره برداری کرد یا یک مسیر جدید ایجاد کرد بهره برداری از مسیرهای موجود ترجیح داده می شود. این مسئله فقط نیازمند مساحت اضافی جفت های موجود می باشند مساحت یک مسیر جدید همیشه نیازمند یک جفت جدید است.
یک موقعیت در برخی موارد مفید بوده و آن ایجاد یک جفت جدید از میان یک مسیر موجود به منظور بهبود پتانسیل آن می باشد.
بطور کلی هنوز استفاده از یک جفت جدید نسبت به ایجاد یک مسیر کاملاً جدید ترجیح داده می شود برای این حالت شامل جریانهایی می باشد که نسبت به همدیگر موقعیتی محلی دارند.
بنابراین جفت های جدید بین جریانهایی که در یک مسیر موجود هستند بطور کلی ارزانتر و آسانتر خواهد بود.
تا اینکه این زوج بین جریان هایی باشد که اصلاً اتصال ندارد این مسئله در مورد جفت های بین جریانهایی که در هر قسمت یک مسیر اتصال دارند صدق می کند.
بنابراین نواحی بایستی بر اساس وجود بخش هایی از مسیرها باشند تا محاسبه برای نوع های مختلف زوجها ممکن باشد.
چنین نواحی مبتنی بر مسیر بایستی تمامی مبدلهای همراه "پیوسته" یک جریان فرایند معین و همه جریانهایی که این مبدلهای حرارتی را متصل می کند را در بر داشته باشد.
بنابراین نواحی مبتنی بر مسیر شامل قسمت های مستقل شبکه اصلی هستند هر مسیر در ناحیه جداگانه ای خواهد بود.
مزیت دیگر این روش ناحیه بندی این است که برای اجزاء جریان که در ناحیه های مختلف قرار دارند نیازی برای بدست آوردن دماهای مرزی نمی باشد.
با استفاده از منطقه بندی مبتنی بر مسیر هم ممکن است نتوانیم ناحیه هایی را که در ساختار عمل تر هستند را بدست آوریم اگر شبکه خیلی مجتمع باشد نواحی منحصر به فرد بزرگ خواهد بود. این مسئله پذیرش این فرض، که حرارت منتقل شده و جفت های جدید در نواحی نسبت به بین نواحی ساده تر هستند را تقلیل می دهد.
از سوی دیگر اگر شبکه بزرگ باشد و انتگراسیون اندکی داشته باشیم باز هم تعداد نواحی که ممکن است برای داشتن یک برآورد سخت، بسیار بزرگ باشد.
بنابراین نواحی مبتنی بر مسیر بایستی بوسیله تجزیه و ترکیب به منظور دست یابی به یک مجموعه عملی از نواحی بهتر موشکافی شوند این موشکافی می تواند جنبه های مختلف داشته باشد.
1- عاملیت بخش های کارخانه ممکن است نزدیک نواحی مستقل را تصدیق کند از قبیل کمک گرمکن، پیش گرمکن، و سرانجام تغلیظ کننده های برج.
2- جانمایی فیزیکی هم ممکن است ترکیب نواحی که به هم نزدیک هستند یا تقسیم بندی نواحی که گسترده شده اند تصدیق و توجیه کند. این (جانمایی) لزوماً بر اساس عاملیت نبوده و می تواند در منطقه بندی نسبتاً متفاوت حاصل شود.
3- یک ناحیه ممکن است شامل مجموعه ای از جریان ها باشد که قابل انتگراسیون نباشد برای مثال condonser , reboiler برج تقطیر ممکن است در یک ناحیه باشند انتگراسیون ممکن نمی باشد. اگر چنین منطقه ای با منطقه دیگری مجتمع شود. بطور کلی فقط هیتر با کولر نیاز به مجتمع سازی دارد. در حالت کلی تر انتگراسیون یک ناحیه با یک ناحیه Pinch شده فقط Heat sink منطقه بالای Pinch یا Heat source منطقه پایین Pinch را انتگراسیون می نماید باقی مانده ناحیه نبایستی اصلاح شود و تغییر کند.
ولی وجود اینها ممکن است طراحی را پیچیده نماید بنابراین چنین منطقه pinch ای ممکن است تجزیه شود به دو منطقه یا بیشتر، اگر یک جریان از منطقه Pinch بگذارد. تجزیه بایستی بین دو مبدل حرارتی همراه با این جریان که دمای ورودی و خروجی نزدیک به دمای منطقه Pinch را دارند صورت پذیرد.
4- محدوده دمایی، جریان های فرآیند یا نوع تاسیسات مورد استفاده هم می تواند نتیجه تقسیم منطقه مبتنی بر مسیر باشند. حتی اگر هیچ نقطه Pinch موجود نباشد.
5- جنبه های عملکردی هم می توانند منجر به ترکیب یا تقسیم نواحی مستقل گردد. تمایل به مستقل بودن جریانها ممکن است انعطاف پذیری خوب، ایمنی، شروع و اتمام طرز عمل را برقرار کند. جریانهایی که ممکن است با هم جفت نباشند باید در ناحیه های مختلف واقع شوند.

فصل پنجم :
حل مسائل بهبود شبکه های مبدلهای حرارتی با روشهای بهینه سازی ریاضی

(5-1) مقدمه:
مدلهای متعدد ریاضی و ذهنی برای کمک به طراح در ساخت شبکه گسترش یافته است. روش های مختلفی از قبیل تحلیل Pinch ، هم در علوم و هم در صنعت به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. روش دیگری که برای تشخیص ساختارهای شبکه ای که از لحاظ هزینه بهینه هستند استفاده از روشهای برنامه ریزی ریاضی می باشد مزیت این روشها این است که با استفاده از آن می توان بهینه سازی شدیدی از ساختار، اندازه های مبدل های حرارتی و استفاده مفید انجام داد. در حالیکه اگر از ابزارهای کاملاً Pinch- based استفاده شده این کارها توسط طراح انجام می شود.
از دهه 80 از مدل های خطی برای تعیین حداقل هزینه های مفید و حداقل تعداد واحدها استفاده شده است تعدادی از مدلهای غیرخطی از لحاظ محاسباتی بسیار گرانتر هستند هم برای به حداقل رساندن هزینه های سطحی و برای به حداقل رساندن همزمان تاسیسات ها و تعداد واحدها و سطوح مبدلهای حرارتی استفاده شده است که از این جمله مدلهای ریاضی می توان و به مدل های NLP و MINLP اشاره نمود.
با توجه به اینکه تلاشهای زیادی برای تحقیق در این حیطه انجام شده است بسیاری از مدل های ریاضی فقط طراحی Gerassnroot را مورد توجه قرار داده اند بعلاوه این مدل های برای مسائل بزرگتر و مثا لهای واقعی شدید بوده ولی قابل حل نمی باشند و نمی توان استفاده نمود.

5-2) روش مرکب برای retrofit شبکه های مبدل های حرارتی:
این روش از طراحی grassoroot شبکه مبدل های حرارتی مشتق شده است و یک روش دو مرحله ای (دو سطحی) که روش گداختگی مصنوعی (SA) و الگوریتم برنامه ریزی غیرخطی را بهم پیوند می دهد.و هزینه مساحت اضافی مبدلهای موجود و هزینه های لوله گذاری مجدد را حداقل می نماید و این روش قادر به حل مسائل در مقیاسی بزرگ می باشد.
در این روش در مرحله بالاتر. از یک الگوریتم گداختگی مصنوعی برای در نظر گرفتن پیکربندی (HEN) های مختلف و برای مدیریت هزینه ها، سرمایه گذاری جدید وابسته به تغییرات بنیادی، استفاده می شود و پس از این اطلاعات در سطح پایین تر، به همراه برنامه ریزی غیرخطی (NLP/SQP) برگرفته از کتابخانه IMSL ، برای تغیین اندازه اضافی بهینه مورد نیاز و سطح مبادله کننده های جدید و موجود استفاده می گردد.
5-3) خلاصه استراتژی بهبود دادن:
همانطور که اشاره شد، استراتژی کلی برای تعیین طراحی بهبود یافته بهینه یک روش دو مرحله ای مشتق شده از یک روش طراحی (Athieetater)grassroot، می باشد. شکل (5-1) فلوچارت حل مسائل MINLP را بوسیله این روشها دو سطحی (دو مرحله ای) نشان می دهد. تفاوت اساسی بین روش ما و روش مشهور MINLP آن است که برای حل مسئله اصلی بجای الگوریتم برنامه ریزی خطی صحیح مرکب (MILP) کلاسیک یک الگوریتم SA بکار گرفته شده است.
در سطح (مرحله) بالاتر (مسئله اصلی) ابتدا یک توپولوژی HEN تولید شده و بطور تکراری و طبق محدودیت های احتمال، توسط روش SA تغییر می پذیرد تحلیل بین پیکربندی اولیه و فعلی هزینه سرمایه گذاری را بواسطه جانمایی مبدلهای جدید یا جاگذاری مجدد مبدلهای موجود، تعیین کرده و تخمینی از هزینه لوله گذاری مجدد را ارائه می دهد.
در یک سطح پایین تر (مسئله جانبی)، یک بسته NLP (الگوریتم برنامه ریزی غیرخطی) بکار گرفته می شود تا پارامتر های عمل کننده شبکه، پیشنهاد شده توسط مسئله اصلی را بهینه کند. این روش هزینه اجرا و هزینه سرمایه گذاری، تابع مساحت مورد نیاز، هر مبدل جدید و فعلی را تعیین می کند.

شکل 5-1 استراتژی راه حل کلی

هزینه های برآورد شده توسط مسائل اصلی و جانبی، هزینه سالیانه کل شبکه مبدل های حرارتی دوباره طراحی شده فعلی را خواهد داد . این روش تا رسیدن به همگرایی تکرار می شود و در این حالت پاسخ بهینه را طبق تابع هدف انتخابی و میزان همگرایی، فراهم می کند.

5-4) بهینه سازی ترکیبی:
این روش بر مبنای کاربرد یک روش بهینه سازی تصادفی، بعنوان مثال الگوریتم کداختگی مصنوعی (SA) (kirkpatrick et al, 1982) ، استوار است. از روش تصادفی برای انتخاب پیکربندی های مختلف شبکه مبدلهای حرارتی و برای کنترل فرآیند بهینه سازی استفاده می شود. و توضیح آن در اینجا نخواهد آمد. با وجود این در اینجا، فقط راه تغییر پیکربندی شبکه مبادله کننده حرارتی را ارائه می کنیم (که در روش SA حرکات یا (اقدامات) نامیده می شوند).
روش مدیریت این اقدامات یکی از مهمترین مفاهیم بکارگیری SA می باشد. ما پنج اقدام ساده مختلف وابسته به همه تغییرات ساختاری ممکن برای مسئله بهبود HEN را گسترش داده ایم. در هر بار تکرار الگوریتم SA ، یکی از این اقدامات انتخاب شده و با احتمال مشابه اجرا می شود. شرح اقدامات در زیر آمده است.
I) یک مبدل حرارتی در یک نقطه از شبکه که بطور تصادفی انتخاب شده است. اضافه کنید. هزینه سرمایه گذاری بواسطه این اقدام توسط هزینه خرید مبادله کننده حرارتی و هزینه لوله گذاری مجدد که به پیکربندی شبکه وابسته است، ارائه می شود.
II) یک مبدل حرارتی را که بطور تصادفی انتخاب شده است، حذف کنند. توجه داشته باشید که این احتمال فقط به مبادله کننده های حرارتی که قبلاً اضافه شده بودند وابسته است. مبدلهای حرارتی پیکربندی اولیه را نمی توان حذف کرد. در نتیجه برای این اقدام هیچ ضریب هزینه ای وجود ندارد. اضافه کردن و حذف یک مبدل حرارتی معادل است با اینکه هیچ اقدامی صورت نگیرد. هزینه حاصله صفر است. این اقدام همچنین اگر یکی از قسمت هایش هیچ مبدل حرارتی نداشته باشد، یک شکاف را حذف می کند.
III) دو واحد مبادله کننده را معکوس (پس و پیش) کنید این اقدام به مبدلهای حرارتی شبکه اولیه و تاسیسات گرم و سرد، وابسته هستند. فقط زمانی که واحدهای مبادله کننده مشابه باشند، می توان یک تاسیسات سرد و گرم یا یک تاسیسات با یک مبادله کننده حرارتی را با هم معکوس کرد. هزینه سرمایه گذاری توسط دو هزینه واگذاری مجدد بدست می آید. توجه داشته باشد که از آن جائیکه هیچ تغییری در پیکربندی فعلی وجود ندارد، هیچ هزینه ای مربوط به لوله گذاری وجود نخواهد داشت.
VI) یک اسپلتر (شکافنده) در یک نقطه که بطور تصادفی انتخاب شده و یک یا دو مبادله کننده بسته به توپولوژی پیکربندی فعلی و موقعیت اسپلیتر، اضافه کنید.
V) یک سطح تاسیساتی یا مشخصه مبدل حرارتی، شبکه اولیه را در یک واحد مبادله کننده که بطور تصادفی و در حضور واحدهای متعدد، انتخاب شده است. تغییر دهید. این اقدام به واحدهای مبادله کننده اولیه بستگی ندارد . در نتیجه این تغییر، هزینه ای در بر ندارد.
5-5) فرمولاسیون غیرخطی:
بعد از بیان مسئله تغییر و تعیین پیکربندی HEN ، یک فرمولاسیون برنامه ریزی غیرخطی بمنظور بهینه سازی پارامترهای عامل، ارائه می نمائیم.
5-6) مدل SYNHEAT :
یک مدل ریاضی جدید که برای پاسخ مسائل شبکه مبدل های حرارتی بهبود یافته توسط Kej-Mikael Bjorh ارائه شده بر پایه مدل heat Qun است.
در حالیکه تغییر یافته است تا بتواند از عهده حالات بهبود یافته برآیند از آنجائیکه بسیاری از مسائل بهینه سازی شبکه مبدل های حرارتی بهبود یافته در مقیاس بزرگ هستند در فاز بهینه سازی از یک روش هیبرید استفاده شده زیرا روش هیبرید به ابعاد مساله خیلی حساس نمی باشد و این روش بر الگوریتم ژنتیک تکیه دارد. بطوریکه که هر جریان را به مجموعه ای از زیر سیستم ها اختصاص می دهد در حالیکه زیر سیستم ها با هم هیچ فعل و انفعالی ندارند روند کلی این مدل بطور مفصل و کامل و همراه با برنامه کامپیوتری در پایان نامه کارشناسی ارشد توضیح داده خواهد شد.

فهرست منابع لاتین :
1- linnhoff, B., and vredeveld, D.R., pinch Technology Has come of Age, chem. Eng. Prog., pp.33-40 , July 1984.
2- Ahmad, S., " heat Exchanger Networks: Cost Trade- Offs in Energy and capital," ph. D. thesis, UMIST, 1985.
3- Tjoe, T.N, ph.D. Thesis, UMTST, to be sub mitted 1986.
4- Tjaan N.Tjoe and Bodo linnhoff, ph.D "using pinch Technology for process Retrofit", chem. Eng., April 1986
5- A. carlsson, p. frank and T. Berntsson, Design better heat exchanger network retrofit. Chem. Eng. Prog. 1, 87-96 (1993).
6- Jos L. B. van Reisen, T. polley $$ and peter J.T. verheijen "Structural Targeting for heat Integration retrofit", July 1997.
7- Yee T.F. And Grossmann I. E., (1991), Ind. Eng. Chem. Res, 30. 146-162.
8- G. Athier, p. Floquet, L. pibouleau and S. Domenech "A mixed Method for Retrofiting Heat- Exchanger Networks". Elsevier Science, 1998.
9- Laj- Mikael Bjork, Roger Nordman., "Salving Large- scale retrofit heat exchanger network synthesis problems with mathematical optimization methodls"., che. Eeng. 2005.
10- UDAYV. SHENOY., "Heat Exchenger Network synthesis"
11- J.M. Douglas., "Canceptual Design of chemical processes".

1

1