Otimização do projeto de trocadores de calor casco-e-tubo empregando programação matemática

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Caroline de Oliveira
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11880
Resumo: Trocadores de calor são equipamentos largamente empregados na indústria de processos, sendo responsáveis pelo aquecimento, resfriamento, vaporização ou condensação de correntes materiais. A abordagem clássica de projeto de um trocador de calor consiste em um procedimento de tentativa e erro, onde o projetista, baseado na sua experiência, avalia de forma sequencial as diferentes alternativas de equipamentos, buscando identificar uma solução que atenda às especificações do serviço térmico da melhor forma possível. Entretanto, tal abordagem é fortemente dependente da experiência do engenheiro responsável. Por esta razão, mais modernamente, um grande número de trabalhos de pesquisa foi publicado propondo procedimentos de projeto baseados em algoritmos de otimização capazes de identificar a melhor solução dentro do espaço de busca disponível automaticamente, sem a intervenção direta do projetista. Diante deste quadro, esta tese apresenta uma contribuição inédita à literatura na aplicação de técnicas de otimização via programação matemática para a determinação do ótimo global no projeto de trocadores de calor. Do ponto de vista do escopo, esta proposta de tese será focada em serviços sem mudança de fase. Através da aplicação de técnicas de programação matemática, são propostas formulações do problema levando em conta os métodos de cálculo de Kern e de Bell-Delaware. A primeira formulação resulta em um problema de Programação Linear Inteira (ILP) e a segunda formulação corresponde a um problema de Programação Linear Inteira Mista (MILP). O caráter linear de ambas as formulações permite a identificação do ótimo global, mesmo utilizando algoritmos de otimização convencionais. As formulações propostas são capazes de identificar soluções viáveis para o projeto de trocadores de calor com menor custo que aquelas obtidas através da formulação convencional do projeto.
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Entretanto, tal abordagem é fortemente dependente da experiência do engenheiro responsável. Por esta razão, mais modernamente, um grande número de trabalhos de pesquisa foi publicado propondo procedimentos de projeto baseados em algoritmos de otimização capazes de identificar a melhor solução dentro do espaço de busca disponível automaticamente, sem a intervenção direta do projetista. Diante deste quadro, esta tese apresenta uma contribuição inédita à literatura na aplicação de técnicas de otimização via programação matemática para a determinação do ótimo global no projeto de trocadores de calor. Do ponto de vista do escopo, esta proposta de tese será focada em serviços sem mudança de fase. Através da aplicação de técnicas de programação matemática, são propostas formulações do problema levando em conta os métodos de cálculo de Kern e de Bell-Delaware. A primeira formulação resulta em um problema de Programação Linear Inteira (ILP) e a segunda formulação corresponde a um problema de Programação Linear Inteira Mista (MILP). O caráter linear de ambas as formulações permite a identificação do ótimo global, mesmo utilizando algoritmos de otimização convencionais. As formulações propostas são capazes de identificar soluções viáveis para o projeto de trocadores de calor com menor custo que aquelas obtidas através da formulação convencional do projeto.Heat exchangers are widely used equipment in the process industry and are responsible for heating, cooling, vaporizing or condensing material streams. The classic design of a heat exchanger consists of a trial and error procedure, where the designer, based on his experience, evaluates in a sequential way different equipment alternative, aiming to identify a solution that fulfils the specifications of the thermal service in the best possible way. However, such approach is heavily dependent on the experience of the responsible engineer. For this reason, most currently, many research works have been published proposing design procedures based on optimization algorithms capable of identifying the best solution within the available search space automatically, without the direct intervention of the designer. According to this context, this thesis presents an unprecedented contribution to the literature for the application of optimization techniques through mathematical programming for the determination of global optimum in the design of heat exchangers. From the point of view of scope, this thesis proposal will be focused on services without phase change. Through the application of mathematical programming techniques, formulations of the problem are proposed, taking into account the Kern and Bell-Delaware calculation methods. The first formulation results in an integer linear programming (ILP) problem and the second formulation correspond to a mixed integer linear programming (MILP) problem. The linear character of both formulations allows the identification of the global optimum, even using conventional optimization algorithms. The proposed formulations are capable of identifying feasible solutions for the design of heat exchangers with lower costs than those obtained through the conventional design formulation.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoUniversidade do Estado do Rio de JaneiroCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto de QuímicaBRUERJPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCosta, André Luiz Hemerlyhttp://lattes.cnpq.br/8951119580894280Figueiredo, Marco Antonio Gaya dehttp://lattes.cnpq.br/1138639549823932Lima, Eduardo Rocha de Almeidahttp://lattes.cnpq.br/3438617323078694Nakao, Andressahttp://lattes.cnpq.br/6897756729518431Queiroz, Eduardo Machhttp://lattes.cnpq.br/0145732751364477Oliveira, Sergio Gregorio dehttp://lattes.cnpq.br/1450955328822804Gonçalves, Caroline de Oliveira2021-01-06T19:26:07Z2019-05-172019-02-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfGONÇALVES, Caroline de Oliveira. Otimização do projeto de trocadores de calor casco-e-tubo empregando programação matemática. 2019. 148 f. Tese (Doutorado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11880porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJ2024-02-27T18:35:55Zoai:www.bdtd.uerj.br:1/11880Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:35:55Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false
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