تحليل القرص

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
مخطط درجة الحرارة مقابل الحمل الحراري لتيار ساخن (ماء يدخل عند ضغط 20 بار، ودرجة حرارة 473.15 كلفن، ومعدل تدفق 4 كجم/ثانية) وتيار بارد (غاز التبريد R-11 يدخل عند ضغط 18 بار، ودرجة حرارة 303.15 كلفن، ومعدل تدفق 5 كجم/ثانية) في مبادل حراري ذي تدفق معاكس. تُشير "نقطة التقارب" إلى أقرب نقطة تقارب بين التيارين الساخن والبارد في مخطط درجة الحرارة مقابل الحمل الحراري. ملاحظة: هذا المخطط غير دقيق؛ يجب أن يكون التيار الساخن أعلى التيار البارد وإلى يساره.
مخططات درجة الحرارة (مخطط درجة الحرارة مقابل المسافة) للتيار الساخن (الذي يتدفق من اليسار إلى اليمين) والتيار البارد (الذي يتدفق من اليمين إلى اليسار) في مبادل حراري ذي تدفق معاكس للحالة المذكورة أعلاه.

تحليل نقطة الاختناق هو منهجية لتقليل استهلاك الطاقة في العمليات الكيميائية عن طريق حساب أهداف الطاقة الممكنة من الناحية الديناميكية الحرارية (أو الحد الأدنى لاستهلاك الطاقة) وتحقيقها من خلال تحسين أنظمة استعادة الحرارة ، وطرق إمداد الطاقة ، وظروف تشغيل العملية. ويُعرف أيضًا باسم تكامل العمليات ، أو تكامل الحرارة ، أو تكامل الطاقة ، أو تقنية نقطة الاختناق .

تُمثَّل بيانات العملية كمجموعة من تدفقات الطاقة، أو التيارات، كدالة لحمل الحرارة (ناتج المحتوى الحراري النوعي ومعدل تدفق الكتلة ؛ وحدة النظام الدولي للوحدات: واط ) مقابل درجة الحرارة (وحدة النظام الدولي للوحدات: كلفن ). تُدمج هذه البيانات لجميع التيارات في المحطة لتكوين منحنيات مركبة ، منحنى لجميع التيارات الساخنة (التي تُطلق الحرارة) وآخر لجميع التيارات الباردة (التي تحتاج إلى الحرارة). تُعرف نقطة التقارب بين المنحنيين المركبين الساخن والبارد بنقطة التضييق (أو نقطة التضييق )، حيث توجد درجة حرارة تضييق للتيار الساخن ودرجة حرارة تضييق للتيار البارد. عند هذه النقطة، يكون التصميم في أقصى درجات تقييده. لذا، من خلال تحديد هذه النقطة وبدء التصميم منها، يُمكن تحقيق أهداف الطاقة باستخدام مبادلات حرارية لاستعادة الحرارة بين التيارات الساخنة والباردة في نظامين منفصلين، أحدهما لدرجات الحرارة الأعلى من درجة حرارة التضييق والآخر لدرجات الحرارة الأقل منها. عمليًا، أثناء تحليل نقطة التضييق لتصميم قائم، غالبًا ما تُلاحظ عمليات تبادل حراري بين تيار ساخن ذي درجة حرارة أعلى من نقطة التضييق وتيار بارد ذي درجة حرارة أقل منها. إن إزالة تلك المبادلات عن طريق المطابقة البديلة تجعل العملية تصل إلى هدفها من الطاقة .

تاريخ

في عام 1971، ذكر إد هوهمان في أطروحته للدكتوراه أن

يمكن حساب أقل كمية من المرافق الساخنة والباردة المطلوبة لعملية ما دون معرفة شبكة المبادلات الحرارية التي يمكنها إنجازها. كما يمكن تقدير مساحة التبادل الحراري المطلوبة.

في أواخر عام 1977، أظهر طالب الدكتوراه بودو لينوف، تحت إشراف الدكتور جون فلاور في جامعة ليدز [ 1 ]، وجود عنق زجاجة في تكامل الحرارة في العديد من العمليات، وهو ما يُعرف بـ"الضغط"، والذي وضع الأساس للتقنية المعروفة اليوم باسم تحليل الضغط. في ذلك الوقت، انضم إلى شركة إمبريال للصناعات الكيميائية (ICI) حيث قاد التطبيقات العملية وتطوير الأساليب.

قام بودو لينوف بتطوير "جدول المسائل"، وهو خوارزمية لحساب أهداف الطاقة، ووضع الأساس لحساب مساحة السطح المطلوبة، والمعروفة باسم "شبكة السباغيتي". وقد مكّنت هذه الخوارزميات من التطبيق العملي لهذه التقنية.

في عام 1982، انضم إلى معهد جامعة مانشستر للتكنولوجيا ( UMIST ، جامعة مانشستر حاليًا ) لمواصلة العمل. وفي عام 1983، أسس شركة استشارية تُعرف باسم "لينهوف مارش إنترناشونال"، والتي استحوذت عليها لاحقًا شركة "كي بي سي إنرجي سيرفيسز".

طُوّرت العديد من التحسينات منذ ذلك الحين، واستُخدمت في طيف واسع من الصناعات، بما في ذلك أنظمة التدفئة والطاقة، وفي تطبيقات غير صناعية. أكثر الشروحات تفصيلاً لهذه التقنيات وردت في مراجع لينوف وآخرون (1982)، [ 2 ] وشينوي (1995)، [ 3 ] وكيمب (2006)، [ 4 ] وكيمب وليم (2020)، [ 5 ] بينما يتضمن كتاب سميث (2005) [ 6 ] عدة فصول عنها. تتوفر الآن برامج مفصلة ومبسطة ( جداول بيانات ) لحساب أهداف الطاقة. انظر برنامج تحليل نقطة الاختناق أدناه.

تم توسيع نطاق تحليل نقطة الاختناق ليشمل تطبيقات أخرى غير تطبيقات الطاقة. ويشمل الآن ما يلي:

نقاط الضعف

تعتمد طريقة تحليل نقطة الاختناق التقليدية بشكل أساسي على حساب تكاليف الطاقة لأنظمة التدفئة والتبريد. عند نقطة الاختناق، حيث تكون تيارات الحرارة الساخنة والباردة في أقصى درجات التقييد، يلزم استخدام مبادلات حرارية كبيرة لنقل الحرارة بينهما. وتتطلب هذه المبادلات تكاليف استثمارية عالية. ولتقليل التكاليف الرأسمالية، يُشترط عمليًا وجود حد أدنى لفرق درجة الحرارة (ΔT) عند نقطة الاختناق، على سبيل المثال، 10  درجات فهرنهايت. من الممكن تقدير مساحة المبادل الحراري والتكلفة الرأسمالية، وبالتالي تحديد القيمة المثلى لفرق درجة الحرارة (ΔT). مع ذلك، يكون منحنى التكلفة مسطحًا نسبيًا، وقد تتأثر القيمة المثلى بـ "مصائد الطوبولوجيا". لا تُعد طريقة الاختناق مناسبة دائمًا للشبكات البسيطة أو في حال وجود قيود تشغيلية شديدة. وقد ناقش كيمب (2006) [ 4 ] وكيمب وليم (2019) هذه الجوانب بالتفصيل.

التطورات الأخيرة

يمكن اليوم حل مشكلة دمج الحرارة بين التدفقات الساخنة والباردة، وإيجاد الشبكة المثلى، لا سيما من حيث التكاليف، باستخدام الخوارزميات العددية . يمكن صياغة الشبكة كمسألة برمجة غير خطية مختلطة الأعداد الصحيحة (MINLP) وحلها باستخدام برنامج حل عددي مناسب . مع ذلك، لا تزال مسائل MINLP واسعة النطاق صعبة الحل باستخدام الخوارزميات العددية الحالية. كبديل، بُذلت بعض المحاولات لصياغة مسائل MINLP كمسائل خطية مختلطة الأعداد الصحيحة، حيث يتم بعد ذلك فحص الشبكات الممكنة وتحسينها. بالنسبة للشبكات البسيطة المكونة من عدد قليل من التدفقات والمبادلات الحرارية، غالبًا ما تكون طرق التصميم اليدوي باستخدام برامج استهداف بسيطة كافية، وتساعد المهندس على فهم العملية. [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ إبراهيم، م.؛ كواري، الـ (2000). "تقنية القرصنة: أداة فعالة لتوفير الطاقة وتكاليف رأس المال في المصانع الكيميائية". الطاقة التطبيقية . 65 ( 1-4 ): 45-49 . doi : 10.1016/S0306-2619(99)00057-4 .
  2. ↑ لينهوف، ب.، دي دبليو تاونسند، دي بولاند، جي إف هيويت، بي إي إيه توماس، إيه آر جاي وآر إتش مارسيلاند، (1982) دليل المستخدم حول تكامل العمليات للاستخدام الفعال للطاقة. معهد المهندسين الكيميائيين، المملكة المتحدة.
  3. ↑ شينوي، يو في (1995). تصميم شبكة المبادلات الحرارية: تحسين العمليات من خلال تحليل الطاقة والموارد . يتضمن قرصين حاسوبيين. شركة جلف للنشر، هيوستن، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية. رقم ISBN 0-88415-391-6.
  4. 1 2 كيمب، آي سي (2006). تحليل نقطة الاختناق وتكامل العمليات: دليل المستخدم لتكامل العمليات من أجل الاستخدام الأمثل للطاقة، الطبعة الثانية . يتضمن برنامج جداول بيانات. بتروورث-هاينمان. ISBN 0-7506-8260-4(الطبعة الأولى: لينهوف وآخرون، 1982)
  5. 1 2 كيمب، آي سي وليم، جيه إس (2020). تحليل نقطة الاختناق لخفض استهلاك الطاقة والبصمة الكربونية: دليل المستخدم حول تكامل العمليات للاستخدام الفعال للطاقة، الطبعة الثالثة . يتضمن برنامج جداول بيانات. بتروورث-هاينمان. ISBN 978-0-08-102536-9.
  6. ↑ سميث، ر. (2005). تصميم وتكامل العمليات الكيميائية . جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-48680-9
  7. ↑ El-Halwagi, MM and V. Manousiouthakis, 1989, “Synthesis of Mass Exchange Networks”, AIChE J., 35(8), 1233–1244
  8. ↑ وانغ، واي بي وسميث، آر. (1994). تقليل مياه الصرف الصحي. علوم الهندسة الكيميائية. 49: 981-1006
  9. ↑ براكاش، ر. وشينوي، يو في (2005) استهداف وتصميم شبكات المياه لعمليات التدفق الثابت وحمل الملوثات الثابت. علوم الهندسة الكيميائية. 60(1)، 255-268
  10. ↑ هالالي، نيك. (2002). طريقة استهداف رسومية جديدة لتقليل استهلاك المياه. التقدم في البحوث البيئية. 6(3): 377-390
  11. ↑ نيك هالالي، إيان مور، دينيس فوك، "تحسين استخدام الهيدروجين بأقل قدر من الاستثمار"، مجلة تكنولوجيا البترول الفصلية (PTQ)، ربيع (2003)
  12. ↑ أغراوال، ف. و يو في شينوي، 2006، "نهج مفاهيمي موحد لاستهداف وتصميم شبكات المياه والهيدروجين"، مجلة AIChE، 52(3)، 1071-1082.
  13. ↑ فورمان، كيفن سي؛ ساهينيديس، نيكولاوس في. (9 مارس 2002). "مراجعة نقدية وقائمة مراجع مشروحة لتصميم شبكات المبادلات الحرارية في القرن العشرين". مجلة البحوث في الكيمياء الصناعية والهندسية . 41 (10): 2335-2370 . doi : 10.1021/ie010389e .
  • دي كليرك، إل دبليو، ودي كليرك، إم بي، وفان دير ويستويزن، دي. "تحسينات في تكاليف رأس المال والتشغيل لدائرة اليورانيوم الهيدروميتالورجية من خلال إدارة المياه ودمج أهداف الطاقة للمرافق والعمليات". مؤتمر AusImm، U 2015. مؤرشف في 25 أبريل 2016 على موقع Wayback Machine.
  • برنامج PinCH - برنامج للعمليات المستمرة والدفعية، بما في ذلك حلقات استعادة الحرارة غير المباشرة وتخزين الطاقة. تتوفر أدلة استخدام مجانية، ودروس تعليمية، ودراسات حالة، وقصص نجاح.
  • HeatIT - نسخة مجانية (خفيفة) من برنامج Pinch Analysis الذي يعمل على برنامج Excel - تم تطويره بواسطة Pinchco ، وهي شركة استشارية تقدم نصائح متخصصة في المسائل المتعلقة بالطاقة
  • Simulis Pinch - أداة من ProSim SA يمكن استخدامها مباشرة في Excel وهي مخصصة لتشخيص وتكامل الطاقة للعمليات.
  • التكامل - أداة حسابية عملية ومنخفضة التكلفة لتكامل العمليات تم تطويرها بواسطة CanmetENERGY ، وهي منظمة البحث والتكنولوجيا الرائدة في كندا في مجال الطاقة النظيفة.
  • أداة تحليل نقطة الاختناق - يتيح لك برنامج تحليل نقطة الاختناق عبر الإنترنت من TLK-Energy تحديد إمكانات الكفاءة بسرعة في تدفقات الحرارة المهدرة غير المستخدمة ودمج المضخات الحرارية على النحو الأمثل لعملياتك الصناعية.