Optimal design of double pipe heat exchanger modular units
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11908 |
Resumo: | Apesar de trocadores de calor do tipo casco e tubo serem os equipamentos de transferência de calor mais comumente empregados na indústria, diversos outros tipos podem ser mais adequados em determinadas situações. Este trabalho investiga o projeto ótimo de trocadores de calor do tipo bitubulares através de técnicas de programação matemática. A função objetivo é a minimização da área de troca térmica e as restrições envolvem modelagem termofluidodinâmica e especificações de projeto, tais como, perda de carga disponível e área em excesso mínima. O conjunto de variáveis de projeto explora a natureza modular deste tipo de trocador, incluindo a alocação dos fluidos (pelo do tubo interno ou pela região anular), os diâmetros dos tubos interno e externo, o comprimento dos tubos, o número de ramais paralelos e o número de trocadores em série e em paralelo por ramal. Três diferentes formulações matemáticas são propostas, a primeira corresponde a um problema de Programação Não-linear Inteira Mista (MINLP), o segundo é uma formulação MINLP modificada, na qual transformações matemáticas permitem a reorganização do problema, eliminando as não-linearidades associadas a variáveis binárias. Por fim, a terceira formulação, que corresponde a um problema de Programação Linear Inteira Mista (MILP), que permite a identificação do ótimo global. A aplicação da formulação proposta a um problema de projeto da literatura identificou uma redução na área de troca térmica quando comparada a um procedimento tradicional de tentativa e erro. Uma comparação entre as abordagens MINLP evidenciam a importância da identificação do ótimo global, que é encontrado para um conjunto de exemplos com a terceira abordagem. Exemplos adicionais ilustram a flexibilidade do modelo de descrever diferentes regimes, adaptar-se a modificações de vazões e exploram o trade-off entre perda de carga disponível e área de troca térmica. |
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A função objetivo é a minimização da área de troca térmica e as restrições envolvem modelagem termofluidodinâmica e especificações de projeto, tais como, perda de carga disponível e área em excesso mínima. O conjunto de variáveis de projeto explora a natureza modular deste tipo de trocador, incluindo a alocação dos fluidos (pelo do tubo interno ou pela região anular), os diâmetros dos tubos interno e externo, o comprimento dos tubos, o número de ramais paralelos e o número de trocadores em série e em paralelo por ramal. Três diferentes formulações matemáticas são propostas, a primeira corresponde a um problema de Programação Não-linear Inteira Mista (MINLP), o segundo é uma formulação MINLP modificada, na qual transformações matemáticas permitem a reorganização do problema, eliminando as não-linearidades associadas a variáveis binárias. Por fim, a terceira formulação, que corresponde a um problema de Programação Linear Inteira Mista (MILP), que permite a identificação do ótimo global. A aplicação da formulação proposta a um problema de projeto da literatura identificou uma redução na área de troca térmica quando comparada a um procedimento tradicional de tentativa e erro. Uma comparação entre as abordagens MINLP evidenciam a importância da identificação do ótimo global, que é encontrado para um conjunto de exemplos com a terceira abordagem. Exemplos adicionais ilustram a flexibilidade do modelo de descrever diferentes regimes, adaptar-se a modificações de vazões e exploram o trade-off entre perda de carga disponível e área de troca térmica.Although shell-and-tube heat exchangers are the most common heat transfer equipment in the chemical industry, other types may be more suitable in various situations. This work investigates the design optimization of double pipe heat exchangers using mathematical programming. The objective function is the minimization of the heat exchanger area and the constraints encompass the thermo-fluid dynamic model and design specifications, such as, maximum pressure drops and minimum excess area. The set of design variables explores the modular nature of this kind of heat exchanger, encompassing the allocation of the streams (inside the inner tube or in the annulus), the inner and outer tube diameters, the tube length, the number of parallel branches, and the number of units in series or in parallel in each branch. Three different mathematical formulations are proposed, the first corresponds to a mixed-integer nonlinear programming (MINLP), the second is a modified MINLP formulation, where mathematical transformations allow the reorganization of the problem to eliminate the nonlinearities associated to the binary variables. Finally, the third formulation corresponds to a mixed-integer linear programming (MILP), which allows the identification of the global optimum. The application of the proposed optimization to a design task from the literature was able to identify a heat exchanger with smaller area, when compared to a solution obtained through a traditional trial and error procedure. A comparison between both MINLP approaches point out the importance of the identification of the global optimum, which is obtained with the third approach for a set of design problems. Additional examples illustrate the flexibility of the model to describe different flow regimes, adapt to modifications in process throughput and explores the trade-off between available pressure drop and heat transfer area.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:34:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Engenharia Quimica Alice Peccini Melo.pdf: 5003924 bytes, checksum: 54ea5c6f88d63d7dce0fae7cf8e2d4a1 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:34:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Engenharia Quimica Alice Peccini Melo.pdf: 5003924 bytes, checksum: 54ea5c6f88d63d7dce0fae7cf8e2d4a1 (MD5) Previous issue date: 2017-12-07application/pdfengUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto de QuímicaDouble pipe heat exchangeroptimizationmathematical programmingMINLP modelMILP modelTrocador de calor bitubularotimizaçãoprogramação matemáticamodelo MINLPmodelo MILPCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAOptimal design of double pipe heat exchanger modular unitsProjeto ótimo de unidades modulares de trocadores bitubularesinfo: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:UERJORIGINALDissertacao Engenharia Quimica Alice Peccini Melo.pdfapplication/pdf5003924http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11908/1/Dissertacao+Engenharia+Quimica+Alice+Peccini+Melo.pdf54ea5c6f88d63d7dce0fae7cf8e2d4a1MD511/119082024-02-27 15:36:04.695oai:www.bdtd.uerj.br:1/11908Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:36:04Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
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