No category

دانلود پایان نامه ارشد با موضوع کار و کوشش

واقعي ذخيره ميشود و از طرفي يک تعادل بين ماده و انرژي وجود دارد.
انرژي و ماده تنها به عنوان حامل کيفيت عمل مي کنند و اين کيفيت است که در طول تبديل ماده و انرژي تحليل ميرود. با توجه به اين مطلب، تنها کيفيت است که ميتواند توليد يا مصرف شود.
انرژي و ماده تمايل به توزيع در بيش از يک مکان را دارند، بنابراين رفته رفته نيرومحركه در سيستم از بين ميرود. يک مثال براي اين موضوع ارائه ميشود. جريان گرم و سرد هرکدام کيفيتي دارند، نيرو محركه اين دو جريان به وسيله اختلاف دما بين آنها مشخص مي‌شود. حال اگر اين دوجريان با هم مخلوط شوند يک جريان ولرم ايجاد ميشود. جريان ولرم فاقد نيرو محركه است و بنابراين کيفيت پايينتري از جريان اصلي دارد. اين کميت به عنوان افزايش انتروپي براي کل سيستم بيان شده است. در جريان يک ماده در سيستم به جاي اين که بيان شود کيفيت کاهش پيدا کرده ميتوان گفت عدم کيفيت افزايش يافته، يا انتروپي افزايش يافته است. مفهوم انتروپي اندازهگيري عدم کيفيت است. با توجه به اين مفهوم، انتروپي يک معني منفي ميدهد. تعريفي كه در مقابل انتروپي ارائه شده و از اندازهگيري مستقيم کيفيت به دست مي آيد، نژنتروپي5 است. وقتي که کيفيت مصرف شده يا تلف شده، در واقع نژنتروپي مصرف شده است ]32[.
حال اين سؤال مطرح مي شود که چگونه ميتوان کيفيت يک سيستم يا جريان انرژي و ماده را اندازه گرفت. ارزيابي بخش مفيد انرژي، بخشي که ميتواند کار مکانيکي انجام دهد، در واقع ارزيابي کيفيت انرژي است و اين موضوع از سالها پيش مورد توجه دانشمندان بوده است.
رانت در سال 1953 پيشنهاد کرد که ترم اکسرژي بايد به معني ظرفيت کار فني استفاده شود. تعريف کامل توسط بايهر ارائه شد: اکسرژي بخشي از انرژي است که قابل تبديل به شکل هاي ديگر انرژي است. اکسرژي يک سيستم در يک محيط خاص ميزان حداکثر کار مکانيکي است که مي تواند از سيستم در اين محيط خارج شود. کار مکانيکي که مورد توجه قرار گرفته تنها به عنوان نمونهاي از شکل انرژي کاملاً منظم شده ميباشد يعني انتروپي آن برابر صفر است. اين تنها بخش مفيد انرژي است که ميتواند به تمامي اشکال ديگر انرژي تبديل شود. تعريف بايهر بديهي و بسيار کلي است و نه تنها انرژي بلکه ماده را نيز شامل ميشود ]32[.
ايوانس نشان داد که اکسرژي در خود مفاهيم ترموديناميکي ديگري نيز جاي داده است. پتانسيلهاي ترموديناميکي شبيه به اکسرژي هستند اما دامنه محدودتري دارند. انرژي آزاد گيبس، انرژي آزاد هلمهولتز و انتالپي همه موارد خاصي از اکسرژي هستند. به بيان ساده تر مي توان اكسرژي را اينگونه نيز تعريف كرد:]32[
اکسرژي ماکزيمم کار در دسترس است، زماني که فرم هاي مختلف انرژي بصورت برگشت پذير به يک سيستم انتقال مي يابد و در تعادل ترموديناميکي با محيط اطراف مي باشند و توانايي انجام کار را ندارند. همچنين مي توان اکسرژي را فاصله سيستم از تعادل جهاني تعريف کرد. از آنجا که اکسرژي مصرف مي شود، شرايط متغيرهاي دما، فشار و درصد ترکيب سيستـم به متغيرهاي مشابه در محيط نـزديک مي شوند. بنابراين، شرايط مرجع شرايط مرده ناميده مي شود. اکسرژي کلي جريانهاي چند جزئي از حاصل جمع سه شرايط زير محاسبه مي شود:]25[
* تغيير اکسرژي حاصل از اختلاط
* اکسرژي شيميايي
* اکسرژي فيزيکي
اكسرژي حاصل از اختلاط، از تركيب جريان هاي هم دما و هم فشار در شرايط فرآيندي واقعي ناشي مي شود.
اكسرژي شيميايي تفاوت پتانسيل شيميايي مابين اجزاء فرآيند و پارامترهاي مرجع، غلظت، دما و فشار در محيط اطراف آن ها ميباشد.
اكسرژي فيزيكي بيشترين ميزان كار محوري قابل حصول (مانند انرژي الكتريكي) مي باشد كه در آن جريان از شرايط فرآيندي (T,P) با استفاده انتقال حرارت برگشت پذير به تعادل با دماي محيط مي رسد.
استفاده زياد از منابع انرژي و ماده براساس بهرهبرداري معدني با تکنولوژي امروز، نميتواند با سالم ماندن محيط زيست همراه باشد. اين وضعيت را ميتوان تنها با تغيير اهداف تغيير داد. مفاهيم اساسي و روشهاي علمي براي توصيف واقعيت بايد نقش مهمي در روند اين تغييرات بازي کنند. بنابراين با در نظر گرفتن اهميت انرژي و بهينه سازي آن در عصر امروز، توجه به مفهوم اکسرژي مهم و ضروري است. مفهوم اکسرژي نه تنها به خاطر مطالعه راندمان و کارايي سيستمها بلکه به خاطر محاسبات و تحليلهاي اقتصادي بسيار مفيد است. استفاده از محتـواي اکسرژي به عنوان پايهاي براي حسابرسي هزينهها و مديريت براي قيمتگذاري محصـولات و ارزيابي سود آنها مهـم است. به اين ترتيب اکسرژي تنها اساس عقلاني براي ارزيابي منابع و سوخت ها، سيستم ها و بازدهي آنها مي‌باشد]32[
3-3- مقايسه انرژي و اکسرژي
1- انرژي فقط به خصوصيات ماده يا جريان وابسته است و به خصوصيات محيط وابسته نيست اما اکسرژي هم به خصوصيات ماده و انرژي و هم به محيط اطراف وابسته است.
2- وقتي سيستم در تعادل با محيط است، انرژي ميتواند مقادير مختلفي داشته باشد اما اکسرژي در حالت ساکن يا وقتي که سيستم در حالت تعادل کامل با محيط است، برابر صفر ميباشد.
3- انرژي در همهي فرآيندها طبق قانون اول ترموديناميک، حفاظت شده و باقي ميماند اما اکسرژي در فرآيندهاي برگشتپذير حفظ شده ولي براي فرآيندهاي واقعي حفاظت شده نيست و طبق قانون دوم ترموديناميک به علت برگشت ناپذيري? کاملاٌ و يا تا حدي تخريب مي شود .
4- انرژي در اشکال مختلف مثل انرژي جنبشي، پتانسيل، دروني ظاهر ميشود و در اين اشکال قابل اندازهگيري است و اکسرژي در اشکال مختلف مثل اکسرژي جنبشي، اکسرژي پتانسيل، اکسرژي حرارتي و… ظاهر ميشود و در اين اشکال براساس کار يا توانايي توليد کار اندازهگيري ميشود.
5- انرژي تنها کميت را اندازه ميگيرد اما اکسرژي هم کميت و هم کيفيت ماده و انرژي را اندازه ميگيرد ]14[.
مزاياي آناليز اکسرژي خصوصا در مقايسه با آناليز انرژي، متعدد هستند. در زير به برخي از موارد که بيشتر قابل توجه است، اشاره ميشود.
1- بازده براساس اکسرژي، اطلاعات معنيدار بيشتري در زمان عملکرد سيستم فراهم ميکند.
2- در سيستمهاي پيچيده (کمپلکس) با محصولات متعدد، روشهاي اکسرژي ميتواند به ارزيابي ارزش ترموديناميکي اشکال انرژي محصول کمک کنند.
3- اکسرژي مبتني بر روشهاي تکامل يافته است که ميتواند در فعاليتهاي مربوط به طراحي کمک کند. به عنوان مثالاکسرژي – اقتصادي و ترمو- اقتصادي را ميتوان براي بهبود ارزيابي اقتصادي استفاده کرد.
4- آناليز اكسرژي باعث كاهش برگشت ناپذيري در يك سيستم و در نتيجه افزايش راندمان اكسرژي مي‌شود.]14[.
3-4- شبيه سازي و آناليز اكسرژي برج تقطير
پالايش گاز فرآيندي است که جهت جداسازي اجزاء زياد حاضر در گاز استخراجي از چاههاي گاز انجام مي گيرد. هرچه زنجيره کربن بزرگ تر باشد ، در دماي بالاتري به جوش مي آيد . از اين اصل در پالايشگاه ها جهت جداسازي و تثبيت استفاده مي شود. در اين قبيل واحدها ، به جريان جرمي درون برج حرارت مي دهد تا اجزاء موجود در آن بخار شود . بخار درون برج به سمت بالا حرکت مي کند و با افزايش ارتفاع برج ، خنک تر مي شود. زماني که اجزاء گازي تا زير نقطه جوش خود خنک مي شود ، تبديل به مايع مي گردد و مجدداً به سمت پايين برج حرکت مي کند.
دلايل متعددي از جمله محدوديت منابع انرژي دردسترس، سختگيرانه تر شدن سياستهاي محيط زيستي ، به کارگيري آناليزهاي ترموديناميکي جهت بهبود راندمان در صنايع مختلف سراسر دنيا رو به افزايش گذاشت. به طور مرسوم از آناليز انرژي جهت بهينه کردن بازده توليد محصول مطلوب استفاده مي شود . از ديدگاه ديگر، با توجه به دلايل اقتصادي ، محيط زيستي و محدوديت منابع انرژي ، هدف بهينه کردن استفاده از منابع انرژي است و در اين راستا، آناليز اکسژري روشي رايج محسوب مي شود . با اين حال، توجه ويژه اي به استفاده از آناليز انرژي معطوف است و در اکثر مطالعات، آناليز انرژي براي سيستم هاي مختلف ترموديناميکي و صنايع شيميايي و پتروشيميايي انجام گرفته است و نسبتاً کارهاي محدودي براي آناليز اکسژري واحدها و فرآيندهاي تقطير گزارش شده است.
3-5- بهينه سازي
در ارائه يك مدل رياضي مناسب بايد به اين نكته توجه داشت كه دقت جواب بستگي به دقت حل مسئله و صحت جواب بستگي به ميزان صحت بيان مدل رياضي از شبيه سازي، خواهد داشت. به بيان ديگر هر چه مدل رياضي شبيه سازي شده طبيعت و فيزيک مسئله را خوب بيان کند، مدل بهتر بوده و در نتيجه جواب بدست آمده به حقيقت نزديکتر خواهد بود]33[.
بهينه سازي عملي براي بدست آوردن بهترين نتيجه تحت شرايط موجود مسئله مي باشد مهندسها مجبورند که بسياري از تصميمات صنعتي و مديريتي را به نحو احسن به انجام رسانند. هدف نهايي هر تصميمي مينيمم کردن کار و کوشش لازم يا ماکزيمم کردن سود مطلوب مي باشد . بدين ترتيب کار لازم يا سود مطلوب در هر موقعيت اختصاصي را مي توان بصورت تابعي از متغيرهاي تصميم بيان نمود و بهينه سازي را مي توان فرايند پيدا کردن شرايطي که در آنماکزيمم يا مينمم مقدار تابع مد نظر است، تعريف کرد]33[.
1- مينيمم کردن : به حداقل رساندن تعداد يا مقدار داده هايي که بايد براي ايجاد خروجي هاي معين به مصرف برسند.
2- ماکزيمم کردن
الف) به حداکثر رساندن تعداد يا مقدار داده هاي خروجي که از مصرف ورودي هاي معين بدست مي يابند.
ب) به حداکثر رساندن مقدار تابعي که از رابطه بين داده هاي ورودي و خروجي بدست مي يايد.
اين گونه مسائل که عموما به عنوان مسائل کمينه سازي6 يا بيشينه سازي7 مطرح مي شوند بطور عام به مسائل بهينه سازي8 معروفند.
روش قابل دسترس واحدي براي حل تمام مسائل بهينه سازي وجود ندارد با اينحال تعدادي از روشهاي بهينه سازي براي حل انواع مختلف مسائل بهينه سازي توسعه يافته اند]33[ .
3-6- بهينه سازي برج تقطير با استفاده از آناليز اكسرژي
در يك بهينه سازي ترموديناميکي قابل اطمينان، مي بايست ميزان نرخ توليد انتروپي را کاهش و به حداقل رساند و يا با هزينه اکسرژي معادل سازي كرد. جهت دستيابي به اين هدف روش هاي متعددي قابل بكارگيري است.
به طور کلي، اين روش‌ها را مي‌توان به سه دسته عمده زير تقسيم‌بندي کرد]35[:
1- روش‌هايي که سرمايه موردنياز آنها کم است: مثل جريان برگشتي به برج، محل ورودي خوراك، بهبود در تعميرات و روشهاي تعميراتي، فشار داخل برج (فشار عامل مهمي است كه با توجه به دماي آب خنك كننده در دسترس جهت ميعان بخارات بالاسري انتخاب مي‌گردد. عمليات تقطير در فشارهاي پايين مطلوبتر است. پس در فصل زمستان و فصل باراني به علت كاهش دماي محيط و افت دماي برج آب خنك كننده مي‌توان فشار برج را كاهش داد).
2- روش‌هايي که سرمايه موردنياز آنها متوسط است: مثل استفاده از روشهاي بازيافت اتلاف حرارتي، عايق كاري، جابجايي سيني‌ها با تجهيزات موثر مشابه ( آكنده هاي9 با كارايي بيشتر، با ارتفاع معادل كمتر و افت فشار كمتر).
3- روش‌هايي که نيازمند سرمايه‌گذاري کلان هستند: اين روشها منجر به بازيافت انرژي زيادتري نسبت به دو مرحله قبل مي‌شوند كه از آن جمله مي‌توان به موارد زير اشاره كرد. بهينه‌سازي يا تعويض سيستم كنترل و ابزار دقيق، ميعان دو مرحله‌اي در بخش بالا سري ( در اين روش مرحله اول جهت حصول به ميعان كافي براي جريان برگردان انجام مي‌گيرد و مرحله دوم جهت خنك كردن و استحصال محصول كافي مورد استفاده واقع مي‌شود)، انتگراسيون حرارتي و همين‌طور افزودن تجهيزات (اضافه کردن مبدل هاي حرارتي بر روي هر سيني جهت رسيدن به ستون تقطير دياباتيک ايده آل)
روش‌هاي با سرمايه‌گذاري کم، در واحدهاي عملياتي در حال کار، کاربرد دارند و روش‌هاي با سرمايه‌گذاري متوسط تا زياد اغلب در واحدهاي جديد پس از

مطلب مشابه :  پایان نامه ارشد دربارهآموزش و پرورش، کودکان و نوجوان، کودکان و نوجوانان

دیدگاهتان را بنویسید