بهینه سازی ترمودینامیکی طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله با استفاده از الگوریتم های فراابتکاری

مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که به منظور انتقال موثر گرما بین دو یا چند سیال که در دماهای متفاوتی قرار دارند، مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به شرایط عملیاتی موجود و اهداف معین شده در فرآیند تبادل حرارت، شکل های مختلفی از مبدل های حرارتی در صنعت توسعه یافته اند. در این میان، مبدل های نوع پوسته و لوله متداول ترین مبدل های حرارتی هستند که به دلیل ظرفیت بالای انتقال حرارت، ساختار ساده، ضریب اطمینان بیشتر و همچنین تطبیق پذیری با گستره ی وسیعی از شرایط عملیاتی، در بسیاری از کاربردها نظیر گرمایش و تهویه ی هوا، فرآیندهای تولید قدرت، کاربردهای پالایشگاهی و صنایع پتروشیمی، به خدمت گرفته شده اند. با وجود محدودیت دسترسی به منابع انرژی، مبادله ی حرارت بصورت کارآمدتر و با بهره وری بیشتر در فرآیندها، یکی از راه های موثر برای حفظ انرژی و جلوگیری از مواجهه با بحران های ناشی از اتلاف آن خواهد بود. از این لحاظ، طراحی بهینه ی مبدلهای حرارتی در راستای دستیابی به بازدهی بالا و حصول سود بیشتر در فرآیند مبادله ی انرژی، اهمیت قابل توجهی می یابد. در زمینه ی طراحی بهینه ی مبدلهای حرارتی، تاکنون رویکردها و روشهای مختلفی مد نظر قرار گرفته اند. رویکردهای بهینه سازی را می توان با توجه به نوع و یا عملکرد متغیّری که به منظور کمینه یا بیشینه شدن در طرح نهایی مبدل انتخاب می گردد، به صورت زمینه های بهینه سازی اقتصادی، بهینه سازی حرارتی و یا بهینه سازی ترمودینامیکی تقسیم بندی نمود. روشهای طراحی بهینه نیز بر اساس استراتژی هایی که برای حل مسائل بهینه سازی به کار برده می شوند، می توانند متفاوت باشند. الگوهای سنتی که عمدتاً بر پایه ی روش سعی و خطا در فرآیند طراحی استوار هستند، مستلزم محاسبات طولانی و زمان بری بوده که ارائه ی یک طرح بهینه را در همه ی مسائل موردی تضمین نمی کنند. از این رو، در دهه ی اخیر تلاشهای فراوانی به منظور دستیابی به طراحی بهینه ی مبدلهای حرارتی، با استفاده از روشهای تکاملی و فراابتکاری صورت گرفته است. در میان روشهای تکاملی و فراابتکاری، « الگوریتم رقابت استعماری» با نرخ همگرایی بالاتری نسبت به سایر الگوریتم ها، جدیدترین و پرطرفدارترین روشی است که تاکنون در طراحی بهینه ی بسیاری از سیستمها مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به این موضوع، بررسی نتایج حاصل از اعمال الگوریتم یاد شده بر فرآیند طراحی بهینه ی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با رویکردی ترمودینامیکی، موضوع مطالعاتی جدیدی خواهد بود که به عنوان هدف نهایی این پایان نامه، در قالب دو مسئله ی طراحی مورد توجه قرار خواهد گرفت. بهینه سازی مبدل های حرارتی، با انتخاب یکی از مختصه های وابسته ی مبدل به عنوان تابع هدف و تلاش برای حداقل یا حداکثر نمودن آن در جریان فرآیند طراحی، صورت می گیرد. در این مطالعه، به منظور ارائه ی رویکردی ترمودینامیکی در طراحی بهینه ی مبدل های پوسته و لوله، نرخ آنتروپی تولید شده در مبدل، توسط نسبت نرخ انتقال حرارت به دمای ورودی سیال سرد، بدون بعد گردیده و عدد بدون بعد حاصل، به عنوان هدف مینیم سازی در نظر گرفته شده است؛ در نهایت با استفاده از الگوریتم فراابتکاری رقابت استعماری، نتایج این بهینه سازی در دو مسئله ی موردی استخراج گردیده اند.