بهينه‌سازي ترمو‌اقتصادي و بررسي اثر چگالش در چگالنده پوسته ـ لوله‌اي در حضور گازهاي غير چگالنده با رويكردي جديد

Thermoeconomic Optimization and Investigation of Condensation Effect on Shell & Tube Condenser in the Presence of Non-Condensable Gases with a New Approach

هدف از اين مقاله، بهينه‌سازي عملكرد ترموديناميكي و اقتصادي براي يك چگالنده پوسته ـ لوله‌اي نوع TEMA-E با يك گذر لوله و يك گذر پوسته است. در اين چگالنده، آب خنك‌كننده در درون لوله‌ها جريان دارد و چگالش بخار در سمت پوسته رخ مي‌دهد. تحليل اگزرژي چگالش بخار خالص در مخلوطي از يك گاز غير قابل كندانس ارائه شده است. تابع هدف ترمو-اقتصادي بر اساس نرخ انتقال حرارت واقعي بر واحد هزينه‌ي كل با در نظر گرفتن هزينه‌هاي افت اگزرژي و هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري تعريف شده است. اثرات عملكرد بهينه‌ي چگالنده، پارامترهاي اقتصادي، اثرات فني و پارامترهاي طراحي براي به حداكثر رساندن تابع هدف، مورد بررسي قرار گرفته‌اند. نتايج نشان مي‌دهد كه تابع هدف با افزايش پارامتر هزينه افت اگزرژي، افزايش نسبت ظرفيت‌هاي گرمايي و كاهش نسبت دماهاي ورودي و دماي محيط، افزايش مي‌يابد. بهينه‌سازي با استفاده از روش مشتق‌گيري از تابع هدف، روش جستجوي الگويي و روش بهينه‌سازي فرا ابتكاري انجام شده است. رابطه‌ايي براي تابع هدف بيشينه به ازاي شرايط مختلف كاركرد مبدل حرارتي بر اساس مقدار بهينه‌ بازده حرارتي به دست آورده شده است. مقادير بهينه متغيرهاي طراحي حاصل از دو روش بهينه‌سازي به طور نسبي در حدود0-13% باهم تفاوت دارند؛ كه اين تفاوت، به نوع روش بهينه‌سازي و عملگرهاي دروني آن بستگي دارد. باتوجه به تابع هدف ترمو-اقتصادي، ديده مي‌شود كه نتايج حاصل از بهينه‌سازي با استفاده از هر دو روش تقريبا يكسان و برابر 16/08 است.

A thermo-economic performance optimization has been carried out for a shell and tube condenser TEMA-E. In the considered model, the irreversibilities due to heat transfer between the hot and cold stream are taken into account. The objective function is defined as the actual heat transfer rate per unit total cost considering lost exergy and investment costs. The optimal performance and design parameters which maximize the objective function have been investigated. The effects of the technical and economical parameters on the general and optimal thermo-economical performances have been also discussed. The results show that the objective function increases with increasing heat capacity ratio and decreasing inlet temperature and ambient temperature ratio. The dominant term in entropy generation in this study is due to the heat exchange between the condensed fluid and the cold fluid. According to the operating conditions of the heat exchanger, a correlation has been obtained for the thermal efficiency that maximizes the objective function. Optimal value of the design variables obtained from Pattern search method and the Ant Lion Optimizer method are relatively different at about 0-0.13%; depending on the type of optimization method and its internal operators. But the optimal value of the objective function in both methods is approximately 16.08. The analysis and optimization presented herein may provide a basis for both determinations of the optimal performance parameters for real heat exchanger.