Publicação
Otimização do projeto de trocadores de calor tipo air cooler via programação matemática
| Resumo: | A presente dissertação apresenta uma abordagem de programação matemática linear para o projeto de air coolers. Devido à sua linearidade, é possível afirmar que a solução do problema é o ótimo global. A função objetivo corresponde à minimização do custo total anualizado, abrangendo os custos de investimento, manutenção e operacionais. As restrições incluem a modelagem termofluidodinâmica do escoamento da corrente de processo dentro do feixe de tubos e do escoamento externo do ar através da superfície aletada. O modelo inicial considera nove grupos de variáveis discretas, todos relacionados à estrutura mecânica do trocador de calor: as dimensões do tubo aletado (diâmetro dos tubos, altura e espessura das aletas e número de aletas por comprimento), o comprimento dos tubos, a razão de passo nos tubos, o número de baias, o número de feixes por baia, o número de tubos por fila, a configuração do trocador de calor (número de passes nos tubos e o número de filas), o número de ventiladores por baia e o diâmetro dos ventiladores. As variáveis discretas são representadas utilizando-se variáveis binárias, tornando o modelo inicialmente um problema de programação não-linear inteira mista (MINLP). As vazões e temperaturas de entrada e saída da corrente de processo e do ar são consideradas parâmetros do problema. O desenvolvimento da formulação é baseado na transformação do modelo não-linear inicial em um problema de programação linear inteira mista (MILP), aproveitando a natureza discreta das diferentes partes do equipamento. É realizada uma análise de diferentes alternativas para descrição das variáveis discretas originais em relação a conjuntos de variáveis binárias através de uma avaliação da dimensão do problema e do desempenho computacional para cada alternativa. Uma redução exponencial do tempo computacional é observada quando se utiliza a alternativa de máxima agregação de variáveis discretas. O desempenho da abordagem proposta é ilustrado através da sua comparação com um air cooler descrito na literatura projetado via um método convencional (tentativa e erro). Os resultados indicam uma redução significativa no custo total anualizado quando se é utilizada a ferramenta de otimização |
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| Autores principais: | Souza, Priscila Alexandre de |
| Assunto: | Air-cooler optimization modeling simulation mathematical programming Air-cooler otimização modelagem simulação programação matemática CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
| Ano: | 2021 |
| País: | Brasil |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | IBICT |
| Idioma: | português |
| Origem: | Oasisbr |
| Resumo: | A presente dissertação apresenta uma abordagem de programação matemática linear para o projeto de air coolers. Devido à sua linearidade, é possível afirmar que a solução do problema é o ótimo global. A função objetivo corresponde à minimização do custo total anualizado, abrangendo os custos de investimento, manutenção e operacionais. As restrições incluem a modelagem termofluidodinâmica do escoamento da corrente de processo dentro do feixe de tubos e do escoamento externo do ar através da superfície aletada. O modelo inicial considera nove grupos de variáveis discretas, todos relacionados à estrutura mecânica do trocador de calor: as dimensões do tubo aletado (diâmetro dos tubos, altura e espessura das aletas e número de aletas por comprimento), o comprimento dos tubos, a razão de passo nos tubos, o número de baias, o número de feixes por baia, o número de tubos por fila, a configuração do trocador de calor (número de passes nos tubos e o número de filas), o número de ventiladores por baia e o diâmetro dos ventiladores. As variáveis discretas são representadas utilizando-se variáveis binárias, tornando o modelo inicialmente um problema de programação não-linear inteira mista (MINLP). As vazões e temperaturas de entrada e saída da corrente de processo e do ar são consideradas parâmetros do problema. O desenvolvimento da formulação é baseado na transformação do modelo não-linear inicial em um problema de programação linear inteira mista (MILP), aproveitando a natureza discreta das diferentes partes do equipamento. É realizada uma análise de diferentes alternativas para descrição das variáveis discretas originais em relação a conjuntos de variáveis binárias através de uma avaliação da dimensão do problema e do desempenho computacional para cada alternativa. Uma redução exponencial do tempo computacional é observada quando se utiliza a alternativa de máxima agregação de variáveis discretas. O desempenho da abordagem proposta é ilustrado através da sua comparação com um air cooler descrito na literatura projetado via um método convencional (tentativa e erro). Os resultados indicam uma redução significativa no custo total anualizado quando se é utilizada a ferramenta de otimização |
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