تحليل الطاقة والإكسيرجي لنظام إدارة المكثفات والبخار: دراسة حالة لمصفاة سكر أورميه

لماذا تهم مصانع السكر واستهلاك الطاقة

قد يبدو السكر سلعة مطبخية بسيطة، لكن إنتاجه على نطاق صناعي يتطلب طاقة أكبر مما تتوقع. في العديد من البلدان، تحرق مصانع السكر كميات كبيرة من الوقود لتوليد البخار والحرارة اللازمة لتحويل عصير البنجر أو القصب إلى بلورات بيضاء. مع ارتفاع أسعار الطاقة ومخاوف المناخ والضغط على استخدام الموارد بشكل أكثر حكمة، أصبح من الضروري معرفة مواقع هدر الطاقة بدقة وكيفية خفض هذا الهدر. تركز هذه الدراسة على مصنع من هذا النوع في أورميه بإيران، مفتشة كيفية إدارة البخار والماء الساخن والبخار الرفيع، ومحددة أي أجزاء النظام تعمل بكفاءة وأيها يتصرف كخزانات كبيرة لفقدان الإمكانات.

متابعة الحرارة في مسارها

داخل مصنع السكر، يقوم البخار أولاً بتسخين العصير المخفف في مبخرات كبيرة، محولاً إياه إلى شراب أثخن ومنشئاً مكثفاً (ماء ساخن) وبخار منخفض الضغط. بدلاً من تفريغ هذه الحرارة، يحاول المهندسون إعادة استخدامها. لدى مصنع أورميه نظامان فرعيان رئيسيان لهذا الغرض: وحدة استرداد البخار التي تلتقط الطاقة من المكثفات وتفلاش جزءاً منها إلى بخار مفيد، ووحدة تكثيف البخار التي تبرد وتكثف بخار الضغط المنخفض بحيث تعمل المعدات تحت التفريغ. رسم الباحثون مسارات البخار والمكثف والبخار المنخفض الضغط عبر هذه الوحدات، مقيسين درجات الحرارة والضغوط ومعدلات التدفق على مدار موسمي إنتاج. ثم استخدموا حسابات ثرموديناميكية لرؤية ليس فقط مقدار الطاقة المتدفقة، بل مقدار ما منها يمكنه أداء شغل مفيد.

من الطاقة إلى "الطاقة المفيدة"

المحاسبة الطاقية التقليدية تعامل كل الحرارة على قدم المساواة، لكن في الواقع البخار الساخن عالي الضغط أكثر قيمة بكثير من الماء الفاتر. لالتقاط هذا الاختلاف، استخدمت الفريق كلّاً من تحليل الطاقة وطريقة أكثر إفصاحاً تدعى تحليل الإكسيرجي، التي تتتبع الجزء من الطاقة القابل للتحويل إلى شغل. بمقارنة الإكسيرجي الوارد والصادر في كل مكوّن — مثل درام الفلاش، المبادلات الحرارية، المضخات، المكثفات، وبرج التبريد — حدّدوا أماكن اللاقابلية للعكس، مثل فروق درجات الحرارة الكبيرة والخلط الشديد، التي تدمر أكبر قدر من الطاقة القابلة للاستخدام. كما حسبوا "مؤشر الاستدامة" الذي ينمو كلما استُخدمت الإكسيرجي بشكل أفضل، و"إمكانات التحسين" التي تبين مقدار المساحة المتاحة للتحسن.

أداء قوي ونقطة ضعف خطيرة

تبين أن وحدة استرداد البخار كانت قصة نجاح نسبي. أعادت استخدام مكثفات البخار في عدة درامات فلاش ومبادلات حرارية لتسخين الشراب مسبقاً وتوليد بخار ثانوي، مع فقدان صغير فقط من الإكسيرجي الوارد. كانت كفاءة الإكسيرجي لديها نحو 86 بالمئة، وكان مؤشر الاستدامة مرتفعاً. جاءت معظم الخسائر المتبقية من ثلاثة مبادلات حرارية ذات فروق حرارية كبيرة بين التيارات الساخنة والباردة، مما يشير إلى أن تصميمات أفضل — مثل مبادلات متعددة التأثير ذات خطوات حرارة أصغر وعزل محسّن — يمكن أن تقلل المزيد من الهدر. بالمقابل، بدت وحدة تكثيف البخار تقريباً كنظام تصريف للطاقة المفيدة: تم تدمير أكثر من 98 بالمئة من الإكسيرجي الوارد إليها، وكانت كفاءتها الإكسيرجية قريبة من الصفر فعلياً. كان الجاني الأسوأ هو برج التبريد، حيث يطلق الماء حرارة إلى الهواء ويتبخر جزئياً، يليه المكثفات البارومترية التي تخلط البخار ومياه التبريد. تعمل هذه الأجزاء معاً كمصارف رئيسية لجودة الطاقة.

تحويل البخار المهدر إلى مورد

بما أن الكثير من الإكسيرجي يُدمر في خطوات التكثيف والتبريد، تستنتج الدراسة أن أفضل طريقة لتحسين المصنع ليست محاولة استعادة العادم الفاتر، بل منع أكبر قدر ممكن من البخار من الوصول إلى وحدة التكثيف من الأساس. الأبخرة منخفضة الضغط القادمة من مراحل التبخر والتبلور الأخيرة لا يمكن استخدامها حالياً للتسخين — فهي ببساطة باردة جداً. مع ذلك يبيّن المؤلفون أنه إذا جرى ضغط هذا البخار ميكانيكياً أو حرارياً، رافعين درجة حرارته وضغطه، فيمكن إعادة استخدامه كمصدر حرارة في تأثيرات تبخير إضافية أو خطوات عملية أخرى. سيقلل ذلك بشكل كبير الحمل على المكثفات وبرج التبريد، ويخفض استهلاك الوقود في غرفة الغلايات، ويقلل كل من التكاليف والأثر البيئي.

ماذا يعني هذا لسكر أنظف

للقارئ العام، الرسالة الرئيسية بسيطة: في هذا المصنع يكاد جميع الطاقة "المفيدة" المدخلة إلى نظام تكثيف البخار والتبريد أن تُهدر، بينما يقوم نظام الاسترداد بالفعل بعمل معقول في إعادة تدوير الحرارة. من خلال تحديد المكان والطريقة التي تُدمر بها الإكسيرجي، تُظهر الدراسة لمنتجي السكر أين ستجني الترقيات أكبر مردود. تقنيات مثل إعادة تكثيف البخار بالضغط وتصميم مبادلات حرارية أفضل يمكن أن تحوّل البخار المهدر اليوم إلى مورد ثمين، مساعدَة مصانع السكر على استخدام وقود أقل وانبعاث غازات دفيئة أقل — دون تغيير طعم السكر على مائدتك.

الاستشهاد: Samadzadeh, N., Fanaei, A.R., Piri, A. et al. Energy and exergy analysis of condensate and vapor management system: a case study of Urmia sugar plant. Sci Rep 16, 10011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41065-6

الكلمات المفتاحية: طاقة مصنع السكر, تحليل الإكسيرجي, استرداد البخار, خسائر برج التبريد, كفاءة صناعية