Analiza i projektiranje mreža izmjenjivača topline pomoću metoda matematičkog optimiranja

Mustapić, Nenad (1998) Analiza i projektiranje mreža izmjenjivača topline pomoću metoda matematičkog optimiranja. = Scientific master's thesis , Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, UNSPECIFIED. Mentor: Švaić, Srećko.

Full text not available from this repository.

Abstract (Croatian)

Važna komponenta koja utječe na karakteristike procesnog sustava je mreža izmjenjivača topline. Zadaća mreže izmjenjivača topline je da izmjenjuje raspoloživu količinu topline svih procesnih tokova s ciljem da se smanji potrošnja toplih i hladnih energijskih tokova. U ovom je radu definiran problem sinteze mreže izmjenjivača topline to su objašnjeni osnovni pojmovi u ovom području. Predstavljeni su također i značajni doprinosi kod rješavanja problema analize i sinteze mreže izmjenjivača topline. U radu je naglašeno da se istraživanje u području analize i sinteze mreža izmjenjivača topline odvija u tri osnovna pravca, a to su evolutivne metode (korištenje osnovnih termodinamičkih pojmova), metode matematičkog programiranja i korištenje sistema baziranih na znanju. Jedan od glavnih ciljeva ovog rada je istražiti mogućnosti korištenja metoda matematičkog programiranja pri analizi i sintezi mreže izmjenjivača topline. Predstavljen je model miješano cjelobrojnog nelinearnog programiranja koji generira mrežu gdje se simultano optimiraju troškovi energijskih tokova, površine izmjenjivača i odabir jedinica sparivanja tokova. Predloženi model ne zasniva se na pretpostavci zadanih temperatura približenja, kao što su temperatura približenja povrata topline i minimalna temperaturna razlika u izmjenjivaču topline, niti na predviđanju vrijednosti točke sušenja na osnovu koje se problem podijeli u dva zasebna podproblema. Model se bazira na stupnjevanom prikazu problema (superstruktura), gdje se u svakom stupnju mote odvijati potencijalna izmjena topline između svakog toplog i hladnog toka. Pretpostavka izotermnog miješanja omogućuje da se područje mogućih rješenja opiše isključivo pomoću skupa linearnih izraza ograničenja. Dodatna ograničenja (zahtjevi) koja se postavljaju na mrežu izmjenjivača topline, kao što su zabranjeno grananje tokova, zabranjeno sparivanje nekih tokova, zahtijevano i ograničeno sparivanje pojedinih tokova, kao i istovremeno korištenje vise različitih toplih i hladnih energijskih tokova, moguće je relativno jednostavno ukomponirati u model. Model također može razmatrati slučajeve kada je moguće spariti dva topla iii dva hladna procesna toka, kao i promjenljive vrijednosti početne i ciljne temperature pojedinih procesnih tokova. Prikazano je nekoliko primjera s ciljem da se ilustriraju mogućnosti predloženog modela simultane sinteze mreže izmjenjivača topline. Ti jednostavni primjeri dovoljno su jasno indicirali svu kompleksnost rješavanja problema sinteze mreže izmjenjivača topline. Dobiveni rezultati pokazuju da u dosta slučajeva iskustvena pravila, kao što je podjela problema u dva odvojena podproblema (na mjestu točke suženja) i zabrana izmjene topline preko točke suženja (što je karakteristika osnovne evolutivne metode točke suženja), ne vrijede kada se provodi simultana optimizacija.

Abstract

A major component affecting the overall performance of processing systems is the heat recovery network. The task of a heat recovery network is to exchange the available heat of all process streams in order to reduce the consumption of heating and cooling utilities. In this work the heat recovery network synthesis problem is defined and fundamental (key) concepts in this area are introduced. Major contributions in the field of the heat exchanger networks analysis and design are presented. It is emphasised that research in the field of analysis and design of heat exchanger networks are developing along three different lines which are systematic evolutionary methods (the use of thermodynamic concepts), mathematical programming methods and the use of knowledge based systems. One of the main goals of this work is to investigate the application of mathematical programming methods in the synthesis and analysis of heat exchanger networks. Mixed integer nonlinear programming model is presented which can generate networks where utility cost, exchanger area and selection of matches are optimised simultaneously. Proposed model does not rely on the assumption of fixed temperature approaches, such as heat recovery approach temperature and exchanger minimum approach temperature, nor on the prediction of the pinch point for the partitioning of problem into subnetworks. The model is based on the stage-wise representation of the problem (superstructure), where within each stage potential exchanges between each hot and cold stream can occur. The simplifying assumption on isothermal mixing to calculate heat transfer area for stream splits allows the feasible space to be defined by a set of linear constraints. Constraints on the network design that simplify its structure, such as no stream splits, forbidden matches, required and restricted matches as well as the handling of multiple utilities can be easily included in the model. In addition, model can consider matches between pairs of hot streams or pairs of cold streams, as well as variable inlet and outlet temperatures. Several examples are presented to illustrate the capabilities of the proposed simultaneous synthesis model. This simple examples indicate quite clearly the complexity in solving heat exchanger networks synthesis problems. The results show that in many cases heuristic rules, such as subnetwork partitioning (on the pinch point) and no placement exchangers across the pinch (which is characteristic of fundamental systematic evolutionary pinch analysis method), fail to hold when the optimisation is performed simultaneously.

Item Type: Thesis (Scientific master's thesis)
Uncontrolled Keywords: optimizacija; povrat topline; mreža izmjenjivača topine
Divisions: 300 Department of Thermodynamics, Thermal and Process Engineering > 320 Chair of Thermal and Process Engineering
Date Deposited: 22 Sep 2014 18:00
Last Modified: 16 Oct 2015 13:20
URI: http://repozitorij.fsb.hr/id/eprint/69

Actions (login required)

View Item View Item

Nema podataka za dohvacanje citata