تحلیل اکسرژی خط فرآوری شیر با ماندگاری طولانی

عنوان فارسی پایان‌نامه: تحلیل اکسرژی خط فرآوری شیر با ماندگاری طولانی

تعداد صفحات : 10 و قابل ویرایش

عنوان انگلیسی پایان نامه: Exergy analysis of long life milk processing plant of west Azerbaijan Pegah company

الف- تعریف­ مسئله یا فرضیه:

شیر و فرآورده­های آن با ارزش­ترین مواد غذایی هستند که تقریباً تمامی مواد لازم برای رشد و ادامه زندگی انسان را دارا می­باشند. لبنیات می­توانند به طور متعادل بیشتر نیازهای غذایی انسان را تأمین کنند و به عنوان یکی از مهمترین منابع پروﺗﺌین­های حیوانی محسوب می­شوند و حاوی انواع متنوعی از ویتامین­ها و مواد معدنی با ارزش مانند کلسیم می­باشد. شناخته شدن ارزش­های غذایی شیر به مرور زمان موجب شده که این ماده غذایی جایگاه ویژه­ای در برنامه غذایی انسان داشته باشد. افزایش جمعیت جهان و عدم تأمین نیازها توسط تولیدات سنتی از یک سو و تمایل شدید به فساد در این ماده غذایی از سوی دیگر، نیاز به صنعتی­شدن در زمینه فرآوری شیر و تبدیل آن به فرآورده­های دیگر را به وضوح نشان می­دهد. به طوری که برای استفاده بهینه از این ماده غذایی مفید و ارزشمند، صنایع و کارخانه­های متعددی در کنار دامداری­های صنعتی ایجاد شده است. صنعتی­شدن فرآوری لبنیات موجب تولید محصولات متنوع و بهداشتی شده که این امر به نگهداری طولانی مدت و صحیح­تر آنها به طرق مختلف کمک نموده است. گسترش و پیشرفت صنعت شیر موجب تغذیه بهتر و سلامت بیشتر شده و یکی از عوامل مهم درآمدزایی در کشورهای پیشرفته گردیده است، به طوری که امروزه فرآورده­های لبنی در حجم عظیمی و به شکل­های مختلف صورت می­گیرد (بایلند[1][1]، 2003).

فرآوری شیر و تبدیل آن به فرآورده­های مختلف، جزء صنایعی هستند که انرژی زیادی را مصرف می­کنند. صنعت لبنیات پنجمین صنعت از لحاظ مصرف انرژی پس صنایع نفت، شیمیایی، چوب و کاغذ و ذوب آهن می­باشد (منیر[2][2] و همکاران، 2014). این در حالی است که هنوز هم سوخت­های فسیلی که عامل اصلی انتشار گازهای گلخانه­ای و نهایتاً مشکلات زیست محیطی مانند گرم شدن کره زمین و تغییرات اقلیمی هستند، منبع اصلی تولید انرژی در کارخانه­های لبنیات می­باشند. از طرفی هزینه­های مصرف انرژی در قیمت تمام شده شیر و مواد لبنی نقش تعیین کننده­ای دارد. لذا انرژی مصرف شده برای فرآوری شیر و دیگر فرآوردهای لبنی از عوامل بسیار مهم است که باید بیشتر مورد توجه و بررسی قرار گیرد. افزایش آگاهی از محدودیت­های انرژی در دنیا باعث شده تا برخی کشورها در سیاست­های خود در مورد مصرف انرژی تجدیدنظر نموده و از اتلاف انرژی به طور جدی جلوگیری کرده و از منابع انرژی­های تجدیدپذیر تا حد امکان استفاده نمایند. این امر همچنین باعث شده است که جوامع علمی توجه خود را به سمت روش­های نوین جهت تحلیل صنایع و سامانه­های پرمصرف انرژی معطوف کرده و از رویکردهای مهندسی و پیشرفته جهت استفاده بهینه از منابع انرژی­های روی آورند (دینسر[3][3] و روزن[4][4]، 2012).

به صورت سنتی، عمده پژوهشگران تا دو دهه پیش معمولاً از تحلیل انرژی بر پایه قانون اول ترمودینامیک جهت بررسی و بهینه­سازی مصرف انرژی در صنایع مختلف استفاده می­کردند. قانون اول ترمودینامیک بیان­گر حفظ انرژی در تمام فرآیندها است و هیچ محدودیتی بر جهت انتقال انرژی قائل نمی­شود. قانون بقای انرژی هیچ توضیحی در مورد کیفیت انرژی­های عبور کننده از مرز یک سامانه را به ما نمی­دهد، در حالی که طی انجام یک فرآیند، کیفیت انرژی مدام دستخوش تغییر می­گردد. لذا سامانه­های دارای پتانسیل و کیفیت بالای انرژی باید  مورد شناسایی و ارزیابی قرار گیرند. بدیهی است سامانه­های دارای پتانسیل کاردهی بالا می­توانند در کاهش مصرف منابع فسیلی و یا گران ­قیمت انرژی در فرآیندهای مختلف موثر واقع شوند.

در دو دهه اخیر، به منظور کمّی ساختن کیفیت انرژی مفهومی تحت عنوان اکسرژی[5][5] تعریف شده است و به طور گسترده در طراحی، شبیه­سازی و ارزیابی عملکرد سامانه­های مختلف حرارتی و شیمیایی حرارتی به­کار برده شده است (اوتلو[6][6] و همکاران، 2007). اکسرژی حداکثر کار مفیدی است که می­توان از یک سامانه یا جریان انرژی استخراج کرد موقعی که از حالت ترمودینامیکی موجود طی یک فرآیند برگشت­پذیر[7][7] به وضعیت محیط مرجع انتقال داده شود. در نتیجه اکسرژی و یا قابلیت کاردهی سامانه­ای­ که در حالت تعادل با محیط است صفر خواهد بود. برگشت­ناپذیری­های[8][8] موجود در یک فرآیند واقعی سبب تولید آنتروپی[9][9] و تخریب اکسرژی در سامانه می­گردد و به این ترتیب در این همه فرآیندهای واقعی همواره کیفیت انرژی تنزل می­یابد. بررسی تلفات کیفیت انرژی ناشی از برگشت ناپذیری­های موجود ضمن فرآیندهای مختلف تحت عنوان آنالیز اکسرژی نامیده می­شود (کامدلی[10][10] و همکاران، 2004). آنالیز انرژی و اکسرژی از دو دیدگاه کاملاً متفاوت مطرح می­گردند به طوری ­که آنالیز انرژی براساس قانون اول ترمودینامیک به کمیت انرژی­های مختلف ورودی و خروجی پرداخته و تبادلات آنها را طی فرآیندهای مختلف مورد ارزیابی قرار می­دهد، در حالیکه پیرامون نحوه تغییر شکل انرژی­ها و از بین رفتن کیفیت کاردهی آنها اطلاعاتی نمی­دهد. در حالی­که با انجام آنالیز اکسرژی بر اساس تلفیق قوانین اول و دوم ترمودینامیک می­توان از پتانسیل انرژی­های موجود اطلاع حاصل کرد. به دلیل بازگشت­ناپذیری­های ترمودینامیکی موجود در فرآیندهای مختلف با وجود بالا بودن بازده انرژی، غالباً بازده اکسرژی از مقدار پایین­تری برخوردار است که نشان دهنده اتلاف کیفیت انرژی در فرآیندها است و همواره یک میزان اکسرژی طی فرآیندهای واقعی تخریب می­گردد (موناگنوی[11][11] و همکاران، 2007). شکل 1 مفهوم انرژی، آنتروپی و اکسرژی را به تصویر می­کشد. همان­طور که از شکل مشخص است که میزان انرژی ورودی و خروجی سامانه برابر است و تحلیل انرژی هیچ اطلاعاتی در مورد قابلیت کاردهی انرژی ورودی یا خروجی نمی­دهد. در ضمن به وضوح مشخص است که اکسرژی در داخل سامانه  تخریب یا مصرف می­شود و می­توان قابلیتی را که انرژی ورودی یا خروجی برای ایجاد تغییر یا کار دارند را محاسبه کرد و تلفات انرژی را در سامانه کاهش داد. همچنین مشخص است که آنتروپی به علت برگشت­ناپذیرهای موجود در سامانه در حال افزایش است. این شکل بیانگر این است که تحلیل انرژی قادر به تشخیص کیفیت انرژی که وابسته به منبع حرارتی است، نمی­باشد. در حالی­که تحلیل اکسرژی علاوه از اطلاعات جامعی که در مورد کمیت انرژی­های عبوری از مرز یک سامانه می­دهد، اطلاعات ارزشمندی در مورد کیفیت انرژی­های موجود در یک سامانه در اختیار محققین و مهندسین قرار می­دهد. لذا، تحلیل اکسرژی به یک ابزار کارآمد جهت ارزیابی و بهینه­سازی فرآیندها و سامانه­های مهندسی در صنایع مختلف تبدیل شده است (زارگات[12][12] و همکاران، 1987). با نتایج تحلیل اکسرژی، کمیت و کیفیت انرژی­های مختلف مشخص شده و اطلاعات مفیدی در زمینه انتخاب اجزاء و عملکرد سامانه­ها مهیا می­گردد که این اطلاعات در تعیین قیمت محصول و فرآوری، حفظ انرژی، انطباق مصرف سوخت و انتشار آلودگی بسیار موثر می­باشند.