مفهوم تکنولوژی پینچ

ارتباط بین مبدل هاي حرارتی با یکدیگر و همچنین منابع خارجی را شبکه ي مبدل هاي حرارتی می گویند. هدف از طراحی شبکه ي مبدل هاي حرارتی این است که بیش ترین مقدار مصرف انرژي خود را از جریان هاي فرایندي تأمین نماید. بدین منظور، باید ارتباط جریان هاي گرم و سرد به گونه اي باشد که بیش ترین مقدار بازیافت انرژي از جریان هاي فرایند تأمین شود. در این صورت انتظار می رود که مجموع هزینه هاي اولیه و جاري، کم تر از حالتی باشد که ارتباط هاي جریان هاي گرم و سرد انجام نشده باشد. پس ارتباط جریان هاي گرم و سرد به شکل صحیح، نه تنها باعث کاهش هزینه ي جاري بلکه سبب کاهش هزینه ي اولیه نیز می شود. در هر فرایند شیمیایی تعدادي جریان گرم و سرد وجود دارند که هر یک از این جریان ها باید از دماي اولیه به دماي نهایی برسند. جریان هاي سرد باید گرم شده و دمایشان افزایش یابد که لازمهي آن دریافت انرژي گرمایی است و جریان هاي گرم باید سرد شده و با از دست دادن انرژي گرمایی به دماي پایین تري برسند. بنابراین میتوان از برقراري تبادل انرژي گرمایی بین جریان هاي گرم و سرد نیاز هر دو جریان سرد و گرم را برآورده کرد. اما در بیش تر اوقات انرژي جریان هاي گرم براي گرم کردن جریان هاي سرد و انرژي لازم براي رسیدن جریان گرم به دماي پایین تر در تقابل با جریان سرد کافی نیست و بدین منظور می بایست مقداري انرژي از منابع خارجی تامین شود. انرژي خارجی می تواند از منبع خارجی گرم یا منبع خارجی سرد و یا از هر جفت آنها تأمین شود و لازم است که مقدارهاي حداقل بار حرارتی مورد نیاز از منابع خارجی گرم و سرد تعیین شود. تکنولوژي پینچ بر اساس اصول ترمودینامیکی، جریان هاي سرد نیازمند گرم شدن را به جریان هاي گرمِ نیازمند سرد شدن مرتبط می سازد که باعث بازیافت مقدار زیادي از انرژي می شود. بنابراین این تکنولوژي می تواند براي تعیین کمترین نیازمندي به منابع خارجی گرم و سرد مورد استفاده قرار گیرد.
تکنولوژي پینچ مشتمل بر مجموعه اي از روش هاي ترمودینامیکی است که کمترین میزان انرژي را در طراحی شبکه ي مبدل هاي گرمایی تضمین می نماید و با به کارگیري قانون هاي اول و دوم ترمودینامیک روش ساده اي را براي تجزیه و تحلیل فرایندهاي شیمیایی و منابع خارجی نشان می دهد. قانون اول ترمودینامیک معادله ي انرژي را براي محاسبه ي تغییر انتالپی جریان هایی که از مبدل هاي گرمایی عبور می کنند، فراهم می کند. قانون دوم ترمودینامیک جهت جریان انرژي را تعیین می کند، به گونه اي که انرژي گرمایی فقط می تواند در جهت گرم به سرد انتقال یابد و پروفایل هاي دماي جریان هاي سرد و گرم در طول مبدل یکدیگر را قطع نمی کنند. براي اطمینان یافتن از رعایت قانون دوم کافی است که نیروي محرکه ي دمایی دو سر مبدل مثبت باشد و تنها در همین صورت است که گرما از جریان گرم به جریان سرد انتقال می یابد. منظور از نیروي محرکه ي دمایی در دو سر یک مبدل، اختلاف دما بین دو جریان موجود در یک سر مبدل می باشد؛ مثلاً در یک مبدل با جریان هاي غیر هم سو، نیروي محرکه دمایی عبارت است از اختلاف دماي جریان گرم ورودي و جریان سرد خروجی و همچنین اختلاف دماي جریان گرم خروجی و جریان سرد ورودي. هر چه نیروي محرکه ي دمایی بیش تر باشد، سطح انتقال گرمایی کم تري مورد نیاز است و برعکس. براي طراحی شبکه ي مبدل هاي گرمایی، یک حداقل اختلاف دما (ΔTmin) 1لحاظ می شود که باید نیروي محرکه ي دمایی در دو سر هر مبدل برابر یا بزرگتر از این حداقل اختلاف دما (ΔTmin) باشد. توجه به این نکته ضروري است که در یک مبدل گرمایی هرگز جریان گرم نمی تواند به دماي پایین تر از جریان سرد برسد و جریان سرد هم هرگز به دمایی بالاتر از دماي منبع جریان گرم پیدا نمی کند. در واقع جریان گرم می تواند تا دمایی سرد شود که به وسیله ي رویکرد دمایی مبدل مشخص می شود. رویکرد دمایی مبدل، کم ترین اختلاف دماي مجاز (ΔTmin)در پروفایل هاي دمایی جریان ها است که تعیین می کند منحنی هاي ترکیبی گرم و سرد تا چه اندازه بدون نقض قانون دوم ترمودینامیک و تلاقی دمایی می توانند به هم نزدیک شوند. بنابراین جریان هاي گرم و سرد در هر نقطه اي در مبدل باید همواره حداقل اختلاف دماي جزیی (ΔTmin)داشته باشند.
دمایی که در آن کم ترین اختلاف دما اتفاق می افتد به عنوان نقطه ي پینچ شناخته می شود. تکنولوژي پینچ براي مشخص کردن هزینهي انرژي مورد نیاز و هزینهي سرمایه گذاري براي شبکهي مبدل هاي حرارتی در جهت هدف گذاري یک فرایند و تشخیص نقطهي پینچ مورد استفاده قرار می گیرد. روش به گونهاي است که ابتدا با در نظر گرفتن جریان هاي فرایندي،کم ترین انرژي مورد نیاز که باید از منابع خارجی تأمین شود و همچنین سطح مورد نیاز براي انتقال گرما و تعداد مبدل هاي مورد نیاز براي فرایند مورد نظر با توجه به نقطهي پینچ تعیین می شود. در مرحلهي بعد شبکه اي از مبدل هاي حرارتی که اهداف مورد نظر را تعیین کند طراحی می شود. در نهایت از طریق مقایسه ي هزینه ي مورد نیاز براي تأمین انرژي و هزینه ي مورد نیاز براي سرمایه گذاري شبکه ي مبدل هاي حرارتی، به گونه اي که کل هزینه ي مورد نیاز کم ترین مقدار باشد، شبکه ي طراحی شده بهینه می گردد. بنابراین نخستین و اصلی ترین هدف در تحلیل پینچ، صرفه جویی اقتصادي از طریق یکپارچه سازي مصرف انرژي (بیش ترین تبادل گرما و کم ترین استفاده از منابع انرژي) می باشد. گرمایش و سرمایش جریانها تقریبا در تمام فرایند هاي شیمیایی یک امر لازم و ضروري است.به منظور استفاده بهتر از انرژي موجود و کاهش استفاده از منابع خارجی ، می توان این جریان ها را در یک شبکه مبدلی و در مبدلهاي فرایند به فرایند با یکدیگر جفت نمود. اما اینکار باید به شکلی صورت بگیرد که شبکه اولا داراي کمترین هزینه سالانه عملیاتی و سرمایه گذاري بوده و ثانیا مطمئن و قابل عمل باشد .سودمندي استفاده از این متد طراحی شبکه مبدل هاي حرارتی بحدي است که با افزایش نسبت هزینه هاي انرژي به هزینه مبدل ها طی سالهاي گذشته براحتی انگیزه استفاده از آن جهت اصلاح شبکه هاي موجود ، خصوصا در کشور هائی که با بحران شدید انرژي مواجه هستند ایجاد می گردد.