Optimization of air-cooler heat exchangers design

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:37:52Z No. of bitstreams: 1 Luciana Vasconcelos Passos.pdf: 1763492 bytes, checksum: f13a5f8855800fe281b8e7cfce5a6ed6 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:37:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luciana Vasconcelos Passos.pdf: 1763492 bytes, checksum: f13a5f8855800fe281b8e7cfce5a6ed6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 Air-coolers are heat exchangers based in an air stream that is blown by fans through a finned tube bundles. This equipment is used in industrial units where the availability of water is limited. Despite of the importance and sensibility of the design in the economic performance of the equipment, just a little amount of scientific works has studied automatic techniques related to this equipment design. In this context, the present work aims the optimization of the air-coolers design, in order to minimize the associated costs. The optimization problem has as an objective function that should be minimized, the total cost of the project, which includes the investment and maintenance in the heat exchanger, pump of the process stream, piping and valves, together with the operational costs related to the energy required by the operation of the pump and the fans. In the proposed approach, each point of search space corresponds to one project alternative, which is represented by a vector with the optimization variables. In the formulation of the optimization procedure, were investigated the following variables: outside tube diameter, fin frequency, fin height, pitch ratio, number of passes inside the tubes, tube length, number of tube rows, number of tubes per bundle, number of bundles per bay, number of bays, coverage percentual of the fans and air outside temperature. The constraints are presented fundamentally by a minimum excess of area which determines the technical availability of the equipment. Each evaluation of the objective function and restrictions implies in the actuation of the termofluidodynamic simulation associated to the investigated configuration. The methods that were developed to the optimization are: a stochastic method called simulated annealing and a deterministic method. Both methods reached a trajectory showing the cost decrease, however, the simulated annealing presented better results since it is global optimization method Air-coolers são trocadores de calor baseados em uma corrente de ar que escoa externamente a um feixe de tubos aletados por meio de ventiladores. São muito empregados em unidades industriais localizadas onde a disponibilidade de água é limitada. Apesar da sua importância e da sensibilidade do projeto no desempenho econômico do equipamento, um número relativamente pequeno de trabalhos abordou técnicas automáticas para o projeto deste tipo de equipamento. Neste contexto, o presente estudo tem como objetivo a otimização do projeto destes equipamentos, visando reduzir seus custos. O problema de otimização tem como função objetivo a ser minimizada o custo total do projeto, contemplando o investimento e manutenção no resfriador, na bomba da corrente de processo, nas tubulações e válvulas juntamente com os custos operacionais relativos à energia requerida para o funcionamento da bomba e do sistema de ventilação. Na abordagem proposta, cada ponto do espaço de busca corresponde a uma alternativa de projeto, sendo representado por um vetor das diferentes variáveis construtivas a serem otimizadas. Na formulação do procedimento de otimização, as variáveis investigadas foram diâmetro externo dos tubos, número de aletas por metro de tubo, altura das aletas, razão de passo dos tubos, número de passes nos tubos, comprimento dos tubos, número de filas de tubos, número de tubos por feixe, número de feixes por baia, número de baias, percentual de cobertura dos ventiladores e temperatura de saída do ar. As restrições são representadas fundamentalmente por um limite mínimo de excesso de área que determina a viabilidade técnica do equipamento. Cada avaliação das restrições e da função objetivo implica no acionamento de uma rotina de simulação termofluidodinâmica da configuração investigada. Os métodos desenvolvidos para a otimização deste problema são um método estocástico do tipo simulated annealing e um método heurístico determinístico. Ambos os métodos foram capazes de alcançar uma trajetória de redução de custos, contudo o simulated annealing apresentou melhores resultados já que se trata de um método de otimização global