Shell-and-tube heat exchangers optimization according to design and cost parameters

Gövde-boru tipi ısı değiştirgeçlerinin tasarım ve maliyet parametrelerine göre optimizasyonu

Abstract

The most economical design of heat exchangers, depends upon an optimum balance between the heat transfer area a,nd the energy consumption arising because from the pressure loss of streams on both sides of the exchanger. Heat exchanger optimi¬zation is, therefore, a complex and iterative engineering problem due to too many parameters affecting the design. Such an optimization process is basically based on the determination of the optimum pressure losses. In this study, optimum design of the heat exchangers commonly used in industry is investigated. The optimization method being used, consists of the minimization of the total cost function including heat exchanger capital and energy consumption costs of the system. This study does not cover heat exchanger types such as condenser and evaporator, in which streams undergo phase changes along the process. Nevertheless, the use of this method is highly practical for all of the heat exchanger types in which the heat transfer takes place from liquid to liquid, from liquid to gas and from gas to gas. In this paper, the fundamentals of the method are given first, then, the application to the Shell-and-Tube Heat Exchangers is intro¬duced. But being able to size a heat exchanger, optimally, by using this method depends on determining, objectively, the cost functions which are being taken as basis. Hence, the reliability of this method, on the cost basis, is restricted by the consistency of expressions of the real cost values in the cost functions of the heat exchanger and those of the flow machines.

Özet

Isı değiştirgeçlerinin en ekonomik şekilde tasarımı, ısı tranfer yüzey alanı ile değiştirgecin her iki tarafındaki akışkanın basınç kaybından,ötürü ortaya çıkan enerji tüketimleri arasında optimum denge kurulabilmesine bağlıdır. Isı değiştirgeci optimizasyonu, tasarım üzerinde etkili fazla sayıda parametre bulunmasından dolayı, karmaşık ve döngülü bir mühendislik problemidir. Böyle bir optimizasyon işlemi, temelde optimum basınç kayıplarının belirlenmesi esasına dayanır. Bu çalışmada, endüstride oldukça geniş uygulama alanı bulunan ısı değiştirgeçlerinin optimum tasarımı ele alınmıştır. Kullanılan optimizasyon yöntemi; ısı değiştirgecinin ilk yatırım maliyeti ile sistemin enerji tüketim maliyetini içeren toplam maliyet fonksiyonunun minimize edilmesinden ibarettir. Bu çalışma, akışkanların proses boyunca faz değiştirdiği yoğuşturucu ve buharlaştırıcı gibi ısı değiştirgeci tiplerini kapsamamaktadır. Buna karşılık sıvıdan sıvıya, sıvıdan gaza ve gazdan gaza ısı aktarımının meydana geldiği tüm ısı değiştirgeci tipleri için bu yöntemin kullanımı son derece pratiktir. Çalışmada öncelikle metodun esasları verilmekte, ardından Gövde-Boru Tipi Isı Değiştirgeçleri'ne uygulaması yapılmaktadır. Ancak bu yöntemi kullanarak bir ısı değiştirgecinin optimum şekilde boyutlandırılabilmesi, esas alınan maliyet fonksiyonlarının objektif olarak belirlenmiş olmasına bağlıdır. Bu nedenle, yöntemin maliyet bazında güvenirliği, ısı değiştirgecinin ve akım makinalarının maliyetlerini ifade eden fonksiyonların, gerçek maliyet değerleri için tutarlı sonuçlar verebilmeleriyle sınırlanmaktadır.