Aplicação de algoritmos genéticos para otimização do projeto de trocadores de calor do tipo Air Cooler
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Data de Publicação: | 2018 |
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Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/18897 |
Resumo: | Air cooler heat exchangers use ambient air as the cooling fluid in processes involving the cooling or condensation of hot streams. As the air is a natural resource, there are no environmental limitations on its application, air coolers have become increasingly an alternative to using heat exchangers that employ as cooling utility. Despite of its relevance, a number of works about the optimization of projects of this equipment in the literature is still reduced. In this way, the present dissertation is based on the use of genetic algorithms in order to optimize the design of these equipment with the aim of reducing their total annualized cost. This is composed of the capital, maintenance and operating costs. First, the search for the total minimum cost is investigated in the following design variables: tube length and external diameter, tube pitch ratio, number of passes per row, number of rows, number of tubes per row, number of bays, number of bundles per bay, number of fans per bay, fan diameter and surface characteristics (number of fins per length, fin height and thickness). Subsequently, we investigated an inclusion of the outlet temperature, as a design variable, which result in an even lower objective function value. The constraints that ensure the technical availability of the equipment are represented by a minimum excess limit of area and by the check if the size of the fan accords the clearances and the minimum coverage percentage of fans. The results obtained using the Genetic Algorithm were better than the conventional methods and a comparison with the literature showed equivalent results for an approach based on a trial-and-error procedure with human intervention, but it is worse than the global optimum found using mathematical programming. However, the expansion of the problem including the outlet air temperature allowed a further reduction of the value of the objective function, even obtaining better results than the original global optimum of the original problem. |
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As the air is a natural resource, there are no environmental limitations on its application, air coolers have become increasingly an alternative to using heat exchangers that employ as cooling utility. Despite of its relevance, a number of works about the optimization of projects of this equipment in the literature is still reduced. In this way, the present dissertation is based on the use of genetic algorithms in order to optimize the design of these equipment with the aim of reducing their total annualized cost. This is composed of the capital, maintenance and operating costs. First, the search for the total minimum cost is investigated in the following design variables: tube length and external diameter, tube pitch ratio, number of passes per row, number of rows, number of tubes per row, number of bays, number of bundles per bay, number of fans per bay, fan diameter and surface characteristics (number of fins per length, fin height and thickness). Subsequently, we investigated an inclusion of the outlet temperature, as a design variable, which result in an even lower objective function value. The constraints that ensure the technical availability of the equipment are represented by a minimum excess limit of area and by the check if the size of the fan accords the clearances and the minimum coverage percentage of fans. The results obtained using the Genetic Algorithm were better than the conventional methods and a comparison with the literature showed equivalent results for an approach based on a trial-and-error procedure with human intervention, but it is worse than the global optimum found using mathematical programming. However, the expansion of the problem including the outlet air temperature allowed a further reduction of the value of the objective function, even obtaining better results than the original global optimum of the original problem.Os trocadores de calor do tipo air coolers utilizam ar ambiente como fluido de resfriamento em processos que envolvem o resfriamento ou condensação de correntes quentes. Como o ar é um recurso natural sempre disponível que não apresenta limitações ambientais em relação ao seu uso, air coolers têm se mostrado cada vez mais uma alternativa interessante ao uso de trocadores de calor que empregam como utilidade água de resfriamento. Apesar da sua relevância, a quantidade de trabalhos envolvendo a otimização de projetos deste equipamento na literatura ainda é reduzida. Neste sentido, a presente dissertação propõe a utilização de algoritmos genéticos para otimização do projeto destes equipamentos com a finalidade de reduzir o seu custo total anualizado. Este é composto pelos custos associados ao investimento, à operação e à manutenção do trocador. Primeiramente, a busca pelo custo mínimo total se deu investigando as seguintes variáveis de projeto: comprimento e diâmetro externo dos tubos, razão de passo nos tubos, número de passes nos tubos, número de filas, número de tubos por fila, número de baias, número de feixes por baia, número de ventiladores por baia, diâmetro dos ventiladores e as características de superfície aletada (número de aletas por comprimento de tubo, altura e espessura das aletas). Posteriormente, investigou-se a inclusão da temperatura de saída do ar como variável de projeto, o que acarretou em um valor de função objetivo ainda menor. As restrições que determinam a viabilidade técnica do equipamento são representadas por um limite mínimo de excesso de área e pela verificação se a dimensão do ventilador atende às folgas necessárias e ao percentual de cobertura mínimo estipulado. Para aferir a qualidade da solução obtida pelo algoritmo genético adotado, foram aplicados dois métodos de busca local, também de caráter estocástico. Os resultados obtidos utilizando o Algoritmo Genético foram superiores aos métodos convencionais e uma comparação com a literatura mostrou resultados equivalentes a uma abordagem do tipo tentativa-e-erro com intervenção humana, porém inferior ao ótimo global encontrado via programação matemática. Entretanto, a expansão do problema incluindo a temperatura de saída do ar como variável permitiu uma redução adicional do valor da função objetivo, obtendo inclusive resultados superiores ao ótimo global do problema original.Submitted by Ana Rachel CTC/Q (ana.teles@uerj.br) on 2023-01-17T14:11:26Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Vanessa de Araujo Dias - 2018 - Completa.pdf: 1528814 bytes, checksum: d8a3bb16ff5f075325ab1b20c8b90abe (MD5)Made available in DSpace on 2023-01-17T14:11:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Vanessa de Araujo Dias - 2018 - Completa.pdf: 1528814 bytes, checksum: d8a3bb16ff5f075325ab1b20c8b90abe (MD5) Previous issue date: 2018-02-26application/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUERJBrasilCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto de QuímicaAir CoolerOptimizationStochastic MethodsGenetic AlgorithmsPermutadores térmicosOtimizaçãoMétodos EstocásticosAlgoritmos GenéticosENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAAplicação de algoritmos genéticos para otimização do projeto de trocadores de calor do tipo Air CoolerApplication of genetic algorithms for optimization of the air cooler Type heat exchanger designinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALDissertação - Vanessa de Araujo Dias - 2018 - Completa.pdfDissertação - Vanessa de Araujo Dias - 2018 - Completa.pdfapplication/pdf1528814http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/18897/2/Disserta%C3%A7%C3%A3o+-+Vanessa+de+Araujo+Dias+-+2018+-+Completa.pdfd8a3bb16ff5f075325ab1b20c8b90abeMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82123http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/18897/1/license.txte5502652da718045d7fcd832b79fca29MD511/188972024-02-27 15:35:58.497oai:www.bdtd.uerj.br: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Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:35:58Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
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