حدود یک قرن از ساخت اولین موتور القائی در جهان می گذرد و در طول این زمان این موتورها به خاطر مزایایی چون وزن کم، ارزان بودن نسبی آنها و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری جدی توانسته اند جایگاه ویژه ای را در صنعت به خود اختصاص دهند.
تا اوایل دهه 1970 میلادی در کاربردهایی که عملکرد حالت گذرا در آنها چندان مورد توجه نبود موتورهای القائی مجالی به موتورهای DC ندادند و به سرعت جایگزین آنها شدند. اما در کاربردهایی که به پاسخ سریع نیاز بود (مانند سرو سیستم ها و کاربردهای رباتیک) به خاطر نبود روش هایی جهت کنترل دقیق موتورهای القائی، موتورهای DC جایگاه خود را حفظ کردند. در خلال این سال ها روش های کنترل اسکالر به پیشرفت های قابل توجهی دست یافتند.
این روش ها متکی به کنترل اندازه ولتاژ، فرکانس و جریان ورودی موتور بودند. با ارائه نظریه کنترل برداری میدان گرا و فراگیر شدن کاربرد آن در دهه 1970 میلادی، امکان کنترل دقیق موتور القائی فراهم شد. کنترل برداری این حقیقت را مشخص کرد که عملکرد حالت گذرای نامطلوب در موتورهای القائی به دلیل محدودیت های ساختمان آن نمی باشد بلکه به روش کنترل و نحوه تغذیه موتور وابسته است.
کنترل بردای میدان گرا با جداسازی جریان موتور به دو مولفه عمود که یکی از آنها تولید شار در موتور و دیگری تولید گشتاور در موتور را کنترل می کرد توانست امکان کنترل مجزای شار و گشتاور در موتور القائی را فراهم آورد و به عبارتی موتور القائی را همانند یک موتور DC تحریک جداگانه کنترل کند.
اگرچه این روش نتایج شگفت انگیزی داشت اما مشکلاتی مانند محاسبات زمانگیر با حجم بالا، حساسیت زیاد به تغییر پارامترهای موتور و مشکلات راه اندازی و عملکرد در سرعت های پایین و نزدیک به صفر باعث شد تا محققان به دنبال روش های جدیدی برای کنترل موتورهای القایی باشند. روش هایی که از پیچیدگی کمتری نسبت به روش میدان گرا برخوردار باشند و به علاوه مقاومت بیشتری نسبت به تغییر پارامترها از خود نشان دهند.
در سال 1986 روش مبتنی بر کنترل مستقیم گشتاور در موتورهای القائی توسط TAKAHASHI ISAO برای اولین بار پیشنهاد شد که گشتاور و شار موتور را به صورت مستقیم کنترل می کرد.
در طی گذشت کمتر از دو دهه از ارائه نظریه کنترل مستقیم گشتاور برای اولین بار، استراتژی های گوناگونی بر مبنای کنترل مستقیم گشتاور در جهت کنترل موتورهای القائی پیشنهاد شده اند. استراتژی های مطرح شده از نقطه نظر فرکانس سوئیچینگ اینورتر به دو دسته 1- استراتژی های با فرکانس سوئیچینگ متغیر و 2- استراتژی های با فرکانس سوئیچینگ ثابت قابل تقسیم هستند.
استراتژی های با فرکانس سوئیچینگ متغیر که قدمت بیشتری نسبت به نوع دوم دارند خود به دو دسته زیر تقسیم می شوند.
1- کنترل مستقیم گشتاور مبتنی بر جدول سوئیچینگ.
2- کنترل مستقیم گشتاور معروف به DSC.

اما از آنجایی که فرکانس سوئیچینگ غیرقابل پیش بینی و متغیر با شرایط بار و سرعت، یک ضعف برای استراتژی کنترل مستقیم گشتاور به حساب می آمد محققان به دنبال روش های جدیدی برای ثابت کردن فرکانس سوئیچینگ اینورتر گشتند و متدهایی را پیشنهاد کردند که معتبرترین آنها به شرح زیر می باشد.
1- کنترل مستقیم گشتاور با باندهای هیسترزیس متغیر.
2- کنترل مستقیم گشتاور با مدل پیش بین و مدولاسیون فضای برداری.
نکته ای که در اینجا لازم است به آن توجه شود این است که اگرچه این روش ها توانستند مشکل متغیر بودن فرکانس سوئیچینگ اینورتر را حل کنند اما در عوض بخاطر استفاده از روش های کنترلی پیچیده تر سادگی روش های فرکانس متغیر را که ویژگی اصلی متد کنترل مستقیم گشتاور بود از دست دادند.

مشكل رسوب از زمان پیدایش اولین مبدلها تا به امروز وجود داشته است. از زمان انقلاب صنعتی و در تولید بخار توسط زغال سنگ این مشكل وجود داشته كه در عمل به صورت ایجاد رسوب در جوش آورها نمایان می شد و علت آن وجود املاح و نمك در آب بوده است و ر نتیجه آن دمای جوش آور برای تولید بخار می بایست افزایش می یافت. تا سال 1920 فقط به ایجاد و استفاده از ابزارهایی برای كاهش رسوب با توجه به شرایط موجود ، بدون در نظر گرفتن یک طراحی مناسب توجه می شد. از سال 1920 تا 1935 اندازه گیری رسوب و تعیین میزان تأثیر آن بر روی ابزارهای انتقال حرارت انجام گرفت. از سال 1935 تا 1945 با مطالعات بیشتر فاكتور رسوب گرفتگی معرفی بسط و گسترش یافت. تحقیقات در مورد رسوب نفت خام در مبدلهای پیش گرم كن پالایشگاه ها تقریباً از دهه هفتاد میلادی به طور جدی آغاز و در یک دهه گذشته این تحقیقات شتاب بیشتری به خود گرفته است. امروزه برای اكثر محیط ها فاكتور رسوب گرفتگی تعیین شده و با تعریف این فاكتور در نرم افزارها ، ابزارهای انتقال حرارت طراحی و ساخته می شوند كه این امر سبب كاهش هزینه، كاهش مصرف انرژی و نیز كاهش تولید مواد آلاینده گردیده است. برای تحقق هر چه بیشتر موارد ذكر شده این تحقیقات با شدت بیشتری ادامه دارد.
اهمیت رسوب در شبكه های پیش گرم كن نفت خام
رسوب گذاری در مبدلهای شبكه پیش گرم كن نفت خام یكی از بزرگترین مشكلاتی است كه هزینه های بسیاری را برای صنایع پالایش نفت در بر دارد. دو اثر عمده رسوب بر عملیات پیش گرم كن، كاهش بازیافت حرارتی و افزایش افت فشار می باشد. برای یک شبكه پیش گرم كن كه روزانه 100/000 بشكه نفت خام را تحت فرایند قرار می دهد ، افت یک درجه ای دما در اثر رسوب به طور تقریبی منجر به 40/000 دلار هزینه اضافی سوخت و تولید 750 تن دی اكسید كربن اضافی در سال خواهد شد. همچنین افت فشارهای بزرگتر بار بیشتری را بر پمپها تحمیل می كند و زمانی كه ظرفیت اضافی برای پمپ موجود نباشد ، منجر به تبخیر نفت خام در داخل مبدلهای حرارتی و كاهش بار عملیاتی می گردد. در نتیجه كاهش تولید مهمترین هزینه رسوب برای اكثر پالایشگاه ها می باشد. برای پالایشگاهی كه روزانه 100/000 بشكه نفت خام را تحت فرایند قرار می دهد كاهش 10 درصدی تولید بر اثر افزایش افت فشار با فرض هزینه 2 دلار بر هر بشكه برای كاهش تولید، 20/000 دلار در روز هزینه در بر خواهد داشت. در برخی عملیات پالایشگاهی مشكل افت فشار می تواند بسیار حادتر از كاهش بازیابی حرارتی باشد. برای روشن شدن بیشتر اهمیت رسوب به ارائه برخی آمارها در این مورد پرداخته می شود.
در سال 1981 Van Nostrand مقدار هزینه رسوب برای صنایع پالایشی را به ازاء 100/000 بشکه نفت در روز حدود 1/000/000 دلار در سال محاسبه کرد که این مقدار در سال 1993 برابر 107*3-2 تخمین زده شد. در آماری که توسط Tackery در سال 1979 منتشر شد، کل هزینه رسوب در انگلستان سالانه 108*5-3 پوند و در آمریکا 109*10-8 تخمین زده شد. طبق این آمار هزینه رسول در آمریکا در سال 1993 به 109*20-15 دلار رسید. Chaudagne در سال 1992 مقدار هزینه رسول را در صنایع فرانسه سالانه 1010*1 فرانک فرانسه برآورد نمود. در سال 1995 Panchal هزینه های رسوب در واحدهای تقطیر نفت خام در آمریکا را تا 1/3 میلیارد دلار در سال تخمین زد.
پس از بحث هزینه، به بررسی جنبه های زیست محیطی رسوب پرداخته می شود. بدین منظور مطالعه ای که توسط  Pugh در سال 2002 صورت گرفته ارائه می گردد.

ظرفیت سالانه پالایشگاه های نفت در انگلستان 91/000/000 تن در سال می باشد. کوچکترین پالایشگاه نفت که در Dundee قرار دارد دارای ظرفیت سالانه 700/000 تن و بزرگترین آن که در Fawley قرار گرفته دارای ظرفیت 15/000/000 تن در سال می باشد. با در نظر گرفتن فرضیات زیر می توان اثرات مستقیم زیست محیطی رسوب را تخمین زد:
1- ظرفیت گرمایی نفت خام 3MJ/Tonne.K می باشد.
2- انرژی سوخت 44/3 GJ/Tonne می باشد.
3- به ازاء سوختن هر تن سوخت 2/9 تن دی اکسید کربن آزاد می شود.
4- کل افت دما در اثر رسوب در مدت دو سال 20 درجه سانتی گراد (با نرخ افت خطی 10 درجه سانتی گراد / yr) فرض می گردد.

حلال های نفتی برش های سبک و میان تقطیری هستند که به طور مستقیم یا غیرمستقیم از نفت به دست می آیند دامنه برش و نوع ترکیب آنها توسط تولید کننده برحسب کاربرد نهایی آنها تعیین می شود. حلال های نفتی به طور وسیعی در صنایع مختلف شیمیایی از جمله صنایع رنگ، روغن های صنعتی و خوراکی، چاپ، لاستیک سازی، چرم سازی، گراور سازی، پارچه و صنایع فلزی مورد استفاده قرار می گیرند.
بهترین خصوصیت حلال های نفتی شفافیت، بی رنگ بودن و غیرقابل امتزاج بودن آنها با آب است، ولی در حلال های آلی مشابه حل می شوند، قدرت حلال بستگی به نوع هیدروکربن های تشکیل دهنده آن و بخصوص مقدار آروماتیک های موجود در آن دارد. حلال های آروماتیکی حلال خوبی برای بسیاری از رزین های مورد استفاده در پوشش سطوح، روغن ها و چربی ها، گریس ها و واکس ها می باشند.
گرچه برخی از هیدروکربن های خالص مانند تولوئن و سیلکوهگزان به عنوان حلال کاربرد دارند ولی اکثر حلال ها مخلوطی از هیدروکربن ها هستند، اغلب حلال ها ترکیبی از پارافین ها، نفتن ها (سیکلو پارافین ها) و آروماتیک ها می باشند.
حضور هرکدام از هیدروکربن ها روی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی حلال، مثل قدرت حلالیت، ویسکوزیته، دانسیته، بو و نوع کاربرد آن اثر دارد. همچنین مقدار کمی ترکیبات غیر هیدروکربنی مانند سولفور، مواد اکسیژن دار و نیتروژن دار در حلال ها موجود است که در فرایند شیرین کردن باید به پایین ترین مقدار ممکن رسانده شود.
دامنه تقطیر اساس طبقه بندی اصلی حلال ها محسوب می شود، در کاربرد نهایی، وقتی که حلال بعد از استفاده باید تبخیر شود مثلاً در نقاشی، برحسب تبخیر، به سه گروه کند، متوسط و تند تقسیم بندی می شوند، به همین ترتیب قدرت حلال و بوی آن در بعضی کاربردها و میزان مواد آروماتیک به صورت بالا، متوسط و پایین دسته بندی می شود.
اهمیت حلال ها در صنایع امروزی بسیار بالاست و در مملکت ما سالانه میزان قابل توجهی از این حلال ها از خارج از کشور وارد می گردد. مطالعات و تحقیقات در زمینه ساخت و تولید حلال های نفتی مدت هاست که در کشور توسط مراکز تحقیقاتی در حال انجام است و این نشان از اهیمت کاربرد حلال های نفتی در صنایع مختلف را می دهد.
وزارت نفت جمهوری اسلامی تلاش بسیار دارد تا در زمینه تولید حلال های مورد نیاز صنایع با یک برنامه ریزی بتواند به خودکفایی برسد، بدین منظور یک واحد تولید حلال با ظرفیت تولید روزانه حداقل 2000 بشکه در پالایشگاه اصفهان مراحل طراحی، اجراء و نصب را به پایان رسانده و طبق برنامه ریزی انجام شده از 22 بهمن سال 78 به بهره برداری رسیده است.

برای تبدیل موثر منابع انرژی معمولاً از متان برای تولید مواد واسطه یا محصولات با ارزشی از قبیل گاز سنتز (H2+CO) و اتیلن (C2H4) متانول (CH3OH) و فرمالدهید (CH2O) استفاده می گردد . گاز طبیعی به دلیل گستردگی و مقادیر زیاد آن در دنیا در حال حاضر یكی از مهمترین منابع انرژی در جهان است. با این وجود 60 – 90% از مخازن گاز که تاکنون کشف شده اند، زودتر از مكان های مورد نی از برای مصرف هستند . با وجود اینكه امكان مایع كردن این گاز و تبدیل آن به مواد شیمیایی به منظور انتقال آسان از طریق خطوط لوله به مصرف كنندگان وجود دارد ، هنوز از این منبع عظیم انرژی بطور كامل استفاده نشده است . روش های زیادی برای تبدیل متان مهمترین جز گاز طبیعی به سوخت مایع و سایر مواد شیمیایی با ارزش وجود دارد . در كل متان به دو روش مستقیم و غیر مستقیم تبدیل می شود. محققان تلاش های گسترده ای از مطالعات عملی تا كاربردهای صنعتی در این زمینه انجام داده اند ولی بدلیل پایداری زیاد متان، هنوز مشكلات زیادی برای تبدیل آن وجود دارد. گاز طبیعی بصورت غیرمستقیم و از طریق گاز سنتز به سوخت مایع و سایر مواد شیمیایی تبدیل و یا مستقیماً تبدیل به هیدروکربن های C2 و یا متانول می شود. در بیشتر فرایندهای اقتصادی، متان را از طریق تبدیل با بخار تبدیل به گاز سنتز کرده و سپس از این گاز میانی برای تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می کنند. تخمین زده شده است که تقریبا 60 – 70% هزینه های صرف شده در واکنش های تبدیل متان به تهیه گاز سنتز اختصاص داده شده است. همچنین فرایند تولید گاز سنتز از گاز طبیعی فرایند بسیاری گرماگیری است که به انرژی و دمای بسیار زیادی نیاز دارد. برای غلبه بر این مشکلات تمایل زیادی برای تبدیل مستقیم متان وجود دارد . اكسیداسیون زوجی، زوج شدن حرارتی ، پلاسما و غیره روش هایی هستند كه تاكنون برای تبدیل مستقیم متان از آنها استفاده شده است . واكنش اكسیداسیون زوجی، متان را مستقیماً و با بهره گرفتن از كاتالیست به اتان و اتیلن تبدیل كرده و سپس هیدروكربن های C2 را به سوخت مایع و بنزین تبدیل می كند.
از اكسیژن و یا دی اكسید كربن برای اكسیداسیون زوجی استفاده می شود. در این حالت تمایل زیادی برای احتراق وجود دارد كه برای حل این مشكل وجود یک كاتالیست برای افزایش واكنش های زوجی شدن ضروری است. با وجود اینكه كاتالیست های زیادی تاكنون بكار برده شده است، ولی هیچگاه بازده به بیش از 25% نرسیده است. بعلاوه هنوز عیب واکنش در دماهای بالاتر از 600 درجه سانتیگراد برای دستیابی به درصد تبدیل و گزینش پذ یری مطلوب وجود دارد . زوج شدن حرارتی هم در دماهای بسیار بالا برای تبدیل به هیدروكربن های C2 انجام می شود. با کنترل زمان اقامت در راكتور می توان محصولاتی به غیر از هیدروژن و كربن بدست آورد . اخیراً مطالعات بر روی سنتز همزمان اتیلن و استیلن تمركز یافته است . تبدیل متان به وسیله پلاسما بعنوان روش دیگر برای غلبه بر مشکلات موجود مورد بررسی قرار گرفته است.
در پلاسما انرژی الكتریكی با ایجاد تخلیه الكتریكی در گاز ذرات بسیار فعالی از جمله الكترون ها، یون ها، اتم ها، رادیكال ها و مولكول های برانگیخته بوجود می آور د كه بعنوان كاتالیست برای تولید محصولات عمل می كنند.
در میان انواع پلاسما ، پلاسمای سرد با توجه به ویژگی غیرتعادلی بودن و شرایط عملكردی ساده ای كه دارد یعنی فشار اتمسفری و دمای محیط ابزار بسیار مناسبی برای شروع واكنش است. با توجه به رفتار عملیاتی و شكل الكترودها پلاسمای سرد به انواع مختلفی تقسیم می شود كه عبارتند از : راكتورهای پلاسمای تابشی ، آرام ، هاله ، رادیوفركانسی و مایكروویو. تخلیه تابشی یک تخلیه الكتریكی فشار پایین است كه بین دو الكترود تخت ایجاد می شود و تخلیه الكتریكی هاله یک تخلیه الكتریكی ناهمگن است كه با بهره گرفتن از دو الكترود غیر همگن در فشار اتمسفریک بوجود می آید. تخلیه الكتریكی آرام مجموعه ای از تخلیه هاله و تابشی است و تخلیه الكتریكی رادیوفركانسی و مایكروویو توسط تولید كننده های این تشعشعات به درون محفظه راكتور القا می شوند. بزرگترین عیب راكتورهای پلاسما مصرف انرژی الكتریكی توسط آنهاست، اما با توجه به بازده بالای انرژی الكتریكی در این راكتورها و همچنین مناسب بودن آن از نظر زیست محیطی، در صورت در دسترس بودن انرژی الكتریكی استفاده از تكنولوژی پلاسما بسیار مطلوب به نظر می رسد.

در این پایان نامه ابتدا ی بر مطالعات انجام شده برای واكنش های اكسیداسیون زوجی در راكتور پلاسما داریم، سپس به توضیح پلاسما و انواع راكتورهای پلاسما می پردازیم.
معرفی سیستم آزمایشگاهی طراحی شده برای انجام این آزمایشها، نحوه طراحی آزمایشها، آزمایشهای انجام شده و بحث درباره تاثیر شرایط مختلف عملیاتی در بخشهای بعدی بترتیب مورد بررسی قرار می گیرد.

در حال حاضر وضعیت مصرف انرژی در بخش صنعت به گونهای است كه از نظر مقدار، حدود 3,29 درصد واز نظر ارزش حدود 4,20 درصد از كل مصرف نهایی انرژی كشور را به خود اختصاص داده است. كل مصرف انرژی بخش صنعت در سال 1384 معادل 7,36 میلیون بشكه نفت خام بوده كه ارزش آن بیش از 7,4 میلیارد دلار است.
بخش عمده انرژی مورد نیاز صنایع، از احتراق سوختهای فسیلی تامین میشود. از اینرو كمتر صنعتی را میتوان یافت كه به نوعی از سیستمهای احتراقی بهره مند نباشد. بدون استثناء در هر سیستم احتراقی، وجود مشعل برای تولید انرژی حرارتی، ضروری است. از طرف دیگر بخش عمدهای استفاده این مشعلها در رابطه با كوره های صنعتی و توربینهای گازی میباشد.
برخی از موارد استفاده از این تجهیزات در صنایع عبارتند از:
• كوره های ذوب و تصفیه فلزات
• كوره های عملیات حرارتی
• كوره های آهنگری
• كوره های كاشی و سرامیك
• كوره های سیمان
• كوره های صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی
• كوره های صنایع شیمیایی
• كوره های پخت و فراوری محصولات غذایی
• توربینهای گازی نیروگاه های تولید برق

از آنجایی كه معمولا در سیستمهای با دمای بالا اتلاف انرژی زیاد است، و از طرفی فرایند احتراق نیز همواره در دمای بالا صورت میگیرد، در بیشتر موارد پتانسیل صرفه جویی انرژی در سیستمهای احتراقی یک واحد صنعتی، بیش از سایر قسمتهای آن میباشد. بنابراین با توجه به گستردگی استفاده از سیستمهای احتراقی در صنایع، در صورت توجه به بهینه سازی این تجهیزات، به مقدار زیادی در مصرف سوخت واحدهای صنعتی صرفه جویی خواهد شد.
بعلاوه وقتی از عمر كوره و سیستم احتراقی، بیش از 10 سال میگذرد، این بدان معنی است كه بازده آن در بهترین شرایط كمتراز 55 درصد است. به عبارت دیگر، این سیستم تقریباً نیمی از انرژی حرارتی سوخت را تلف میكنند. همواره بخش عمده ای از تلفات انرژی سیستم را مقدار قابل ملاحظه ای میتوان كاهش داد.
در صورتیكه بتوان با بهره گرفتن از تجهیزاتی از انرژی این گازها استفاده كرد و هوای مورد نیاز را برای احتراق پیش گرم كرد، به مقدار قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت صرفهجویی میشود. انجام این كار ضمن بهبود فرایند احتراق و افزایش دمای شعله از احتراق ناقص سوخت نیز جلوگیری میكند.
فصل اول
1- مباحث كلی پیرامون اتلاف انرژی
1-1- بازیابی انرژی های اتلاف شده
منظور از گرمای ا تلاف شده گرمایی است كه در خلال فرایندهای احتراق سوخت و یا واكنش شیمیایی تولید می شود و سپس در محیط آزاد می شود هر چند این گرما هنوز هم می تواند برای موارد مفید و اقتصادی استفاده شود اما معمولا بواسطه تجهیزات مكانیكی برای نمونه مكنده ها یا دودكشها از فرایند با انرژی فراوان خارج میگردند.
استراتژی كه چطور این گرما را بازیابی كنیم وابسته به محدوده دمایی گازی است كه گرمای آن اتلاف میشود و شامل اقتصاد فرایند هم میباشد. بسیاری از این گازهای حاصل از احتراق به وسیله بویلرها و كوره ها و در بعضی موارد توسط توربینهای گازی تولید میگردد. اگر توانایی داشته باشیم كه مقداری از گرمای هدررفته را بازیابی كنیم میتوان در مقدار قابل توجهی از سوخت هم صرفه جویی كرد. هرچند نمیتوان همه انرژی گازهای خروجی را بازیابی كرد اما حتی بازیابی كمی از این انرژی میتواند صرفهجویی قابل ملاحظهای را به دنبال داشته باشد.
2-1- خصوصیات گرمای تلف شده
انرژی در واقع می تواند بشكل گوناگون اتلاف شود برای نمونه در دماهای پایین به وسیله سرد كردن آب و در دماهای بالا از گرمای گازهای خروجی از كوره های صنعتی این اتلاف صورت میپذیرد. معمولا در بازیابی گرما دماهای بالاتر دارای ظرفیت های بالاتر هستند و از لحاظ اقتصادی به صرفه تر هستند همچنین استفاده از دستگاه های بازیابی انرژی در این محدوده صرفه جویی بالاتری را به همراه خواهد داشت زیرا بازگشت سرمایه كوتاهتری را به همراه دارند.
برای نمونه تجهیزات پیش گرمایش هوای ورودی به محفظه احتراق بویلرها از این دسته از این تجهیزات میباشد.
قابل توجه است كه با بازیابی گرما در بالاترین دما در یک سیستم قادر هستیم به صورت عملی در بالاترین پتانسیل دمایی بیشترین مقدار انرژی را بازیابی كنیم . سیستمهای پیش گرمكن هوا نمونه ای مناسبی از این دسته تجهیزات میباشند.