بهینه‌سازی اقتصادی شبکه مبادله‌کن گرمایی بر اساس طراحی دقیق تجهیزات با به‌کارگیری الگوریتم وال

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، واحد تاکستان، دانشگاه آزاد اسلامی، تاکستان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد تاکستان، دانشگاه آزاد اسلامی، تاکستان، ایران

3 استادیار، گروه محیط زیست، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

چکیده

در این مطالعه روشی سریع و قابل اطمینان جهت طراحی دقیق مبادله‌کن‌های پوسته و لوله در شبکه مبادله‌کن‌های گرمایی ارائه شده است. در همین راستا، متغیرهای طراحی از قبیل مسیر جریان هر یک از دو سیال، تعیین تعداد پوسته‌های لازم، سرعت‌ و افت فشار مجاز، تعداد لوله‌ها، تعداد گذر در لوله و پوسته، طول لوله‌ها، چیدمان لوله‌ها، اندازه و درصد برش دیوارک‌ها، قطر لوله‌ها، قطر پوسته، نسبت گام لوله‌ها و معادلات تجربی مناسب برای محاسبه ضریب‌های انتقال گرما و افت فشار برای جریان سمت پوسته و لوله در نظر گرفته شده است. با توجه به حجم بالای محاسبات از الگوریتم وال (نهنگ) برای طراحی بهینه مبادله‌کن‌های گرمایی از نقطه نظر اقتصادی و در نظر گرفتن هزینه کلی که شامل هزینه سرمایه‌گذاری مبادله‌کن‌ها، پمپ ها و هزینه عملیاتی می‌باشد، به-عنوان تابع هدف، استفاده شده است. دو مورد مطالعاتی چهار و ده جریانی برای طراحی تفصیلی انتخاب شده، که در مورد مطالعاتی اول به‌طور میانگین نسبت به مراجع 55/20 % و مورد مطالعاتی دوم بطور میانگین نسبت به مراجع 40/14% کاهش در هزینه نهایی کلی شبکه مبادله‌کن گرمایی را نشان می-دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Patel V. K., and R. V. Rao. Design optimization of shell-and-tube heat exchanger using particle swarm optimization technique, Applied Thermal Engineering 30, No. 11-12, pp. 1417-1425, 2010.
[2]   Mohammadi R., Ghasemi A., Safikhani H. Heat transfer intensification of shell-and-tube heat exchangers of the crude oil distillation unit in Imam Khomeini oil refining company, Journal of Mechanical Engineering, 49(4), pp. 239-248, 2019.
[3]   Kakac Sadik, Hongtan Liu, and Anchasa Pramuanjaroenkij. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. CRC press, 2020.
[4]   Rao R.V. and Saroj A., Constrained economic optimization of shell-and-tube heat exchangers using elitist-Jaya algorithm. Energy, No. 128, pp. 785-800, 2017.
[5]   Venkata Rao R, Saroj A. Constrained economic optimization of shell-and-tube heat exchangers using a self-adaptive multi population elitist-jaya algorithm. Journal of Thermal Science and Engineering Applications: Aug 1;10(4), 2018.
[6]   Karimi H, Ashtiani HA, Aghanajafi C. Study of mixed materials heat exchanger using optimization techniques. Journal of Engineering, Design and Technology, 2019.
[7]   Sanaye, Sepehr, and Hassan Hajabdollahi, Multi-objective optimization of shell and tube heat exchangers, Applied Thermal Engineering 30, No. 14-15, pp. 1937-1945, 2010.
[8]   Raja B.D., Jhala R.L. and Patel V. Many-objective optimization of shell and tube heat exchanger. Thermal Science and Engineering Progress2, pp.87-101, 2017.
[9]   Hajabdollahi H., Naderi M. and Adimi S. A comparative study on the shell and tube and gasket-plate heat exchangers: The economic viewpoint. Applied Thermal Engineering92, pp.271-282, 2016.
[10]              Sadeghzadeh H., Ehyaei M.A. and Rosen M.A. Techno-economic optimization of a shell and tube heat exchanger by genetic and particle swarm algorithms. Energy Conversion and Management93, pp.84-91, 2015.
[11]              Selbaş Resat, Önder Kızılkan and Marcus Reppich, A new design approach for shell-and-tube heat exchangers using genetic algorithms from economic point of view, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 45, no. 4, pp. 268-275, 2006.
[12]              Babu B.V and S.A. Munawar. "Differential evolution strategies for optimal design of shell-and-tube heat exchangers." Chemical Engineering Science 62, no. 14, pp. 3720-3739, 2007.
[13]              Ghanei Assareh, E.Assareh M. Biglari, A. Ghanbarzadeh, and Ar R. Noghrehabadi. "Thermal-economic multi-objective optimization of shell and tube heat exchanger using particle swarm optimization (PSO)." Heat and Mass Transfer 50, no. 10, pp. 1375-1384, 2014.
[14]              Serna Medardo, and Arturo Jiménez. "An area targeting algorithm for the synthesis of heat exchanger networks." Chemical engineering science 59, no. 12, pp. 2517-2520, 2004.
[15]              Jegede F.O, and G. T. Polley. "Optimum heat exchanger design, Transactions of the Institution of Chemical Engineers;(United Kingdom) 70, no. pt A, 1992.
[16]              Mizutani Fabio T., Fernando LP Pessoa, Eduardo M. Queiroz, Steinar Hauan, and Ignacio E. Grossmann. "Mathematical programming model for heat-exchanger network synthesis including detailed heat-exchanger designs. 2. Network synthesis,  Industrial & engineering chemistry research 42, no. 17, pp. 4019-4027, 2003.
[17]              Yee Terrence F., and Ignacio E. Grossmann. "Simultaneous optimization models for heat integration—II. Heat exchanger network synthesis,  Computers & Chemical Engineering 14, no. 10, pp. 1165-1184, 1990.
[18]              Karimi Habib, Hossein Ahmadi‐Danesh‐Ashtiani, and Cyrus Aghanajafi, Applying multiple decomposition methods and optimization techniques for achieving optimal cost in mixed materials heat exchanger networks,  International Journal of Energy Research 43, No. 8, pp.  3711-3722, 2019.
[19]              Lakzian E., Hoseinzade D. Study to increase the efficiency of shell and tube heat exchanger of the two-stage compressor in Touss Power plant. Journal of Mechanical Engineering, 50(2), pp. 163-167. doi: 10.22034/jmeut.2020.9990, 2020.
[20]              Shah Ramesh K., and Dusan P. Sekulic. Fundamentals of heat exchanger design. John Wiley & Sons, 2003.
[21]              Jiang Ning, Jacob David Shelley, and Robin Smith. "New models for conventional and heat exchangers enhanced with tube inserts for heat exchanger network retrofit." Applied thermal engineering 70, No. 1, pp. 944-956, 2014.
[22]              Smith, Robin. Chemical process: design and integration, Second edition. Chichester, West Sussex, United Kingdom: John Wiley & Sons, 2016.
[23]              Serth, Robert W., and Thomas Lestina. Process heat transfer: Principles, applications and rules of thumb. Academic press, 2014.
[24]              Purohit, G. P., Estimating costs of shell-and-tube heat exchangers, Chemical engineering (New York, NY) 90, no. 17, pp. 56-67, 1983.
[25]              Ponce JM, Serna M, Rico V, Jimenez A. Optimal design of shell-and-tube heat exchangers using genetic algorithms. InComputer Aided Chemical Engineering, pp. 985-990, 2006.
[26]              Mirjalili, Seyedali, and Andrew Lewis. The whale optimization algorithm. Advances in engineering software 95, pp. 51-67, 2016.
[27]              Frausto-Hernández, Sergio, V. Rico-Ramırez, Arturo Jiménez-Gutiérrez, and Salvador Hernández-Castro. MINLP synthesis of heat exchanger networks considering pressure drop effects, Computers & chemical engineering 27, No. 8-9, pp. 1143-1152, 2003.
[28]              Serna-González, Medardo, José María Ponce-Ortega, and Arturo Jiménez-Gutiérrez, Two-level optimization algorithm for heat exchanger networks including pressure drop considerations,  Industrial & engineering chemistry research 43, No. 21, pp. 6766-6773, 2004.
[29]              Ponce-Ortega, José M., Arturo Jiménez-Gutiérrez, and Ignacio E. Grossmann, Optimal synthesis of heat exchanger networks involving isothermal process streams, Computers & Chemical Engineering 32, No. 8, pp. 1918-1942, 2008..
[30]              Short Michael, Adeniyi J. Isafiade, Duncan M. Fraser, and Zdravko Kravanja. "Synthesis of heat exchanger networks using mathematical programming and heuristics in a two-step optimisation procedure with detailed exchanger design, Chemical Engineering Science 144, pp. 372-385, 2016.
[31]              Xiao Wu, Kaifeng Wang, Xiaobin Jiang, Xiangcun Li, Xuemei Wu, Ze Hao, and Gaohong He. "Simultaneous optimization strategies for heat exchanger network synthesis and detailed shell-and-tube heat-exchanger design involving phase changes using GA/SA,  Energy 183, pp.1166-1177, 2019.