بهینه سازی کنداسورهای لوله ـ پرّه دار با استفاده از یک سیستم هوشمند
خلاصه :
مسیر عبور مبّرد ( تعداد pass ) تأثیر قابل توجهی بر روی ظرفیت مبدل می گذارد . یک مهندس طراح به طور معمول یک مسیر عبور برای مبرد مشخص می کند و با استفاده از یک مدل شبیه سازی شده و یا یک تست آزمایشگاهی از درستی تصمیم خود یقین حاصل می کند . فر آیند بهینه سازی مسیر حرکت جریان با استفاده از تکنیک های جستجوی هوشمند می تواند بهبود پیدا کند . این مقاله تجربیاتی را همراه با یک برنامه بهینه سازی هوشمند متفاوت و جدید ارائه می کند . ISHED یک سیستم هوشمند برای طراحی مبدل های حرارتی است ، این سیستم به کار گرفته شده است تا با طراحی مسیر عبور جریان مبرد در کنداسورهای لوله ـ پرّه دار ظرفیت آنها رابه حداکثر برساند .
این برنامه ( ISHED ) در یک حالت نیمه داروینی ( Darwinian ) عمل می کند و سعی می کند تا مسیر هایی را برای عبور جریان پیدا کند که ظرفیت کنداسور را برای شرایط خاص کار کرد و پیش فرض های طراحی کنداسور به حداکثر برساند . در اینجا نمونه هایی از مسیر های بهینه سازی وجود دارد که برای 6 مبرد گوناگون طراحی شده است .
ISHED نشان داد که می تواند ساختاری از مسیر عبور جریان را ، با ظرفیت هایی برابر و حتّی بیشتر از ظرفیت های بدست آمده با روش های محاسباتی و طراحی دستی به وجود آورد ، به ویژه در مواردی که هوا با توزیع غیر یکنواخت وارد می شود .
مقدمه :
اِواپراتورها ( بخار کننده ها ) و کنداسورها ی لوله ـ پرّه دار از انواع عمدة مبدل های مبرد ـ هوا هستند . عملکرد آنها تحت تأثیر تعداد زیادی از پارامتر های طراحی است ، برخی از این پارامترها محدود می شوند به سفارش ها و یا قابلیت ها و توانایی های تولید و ساختِ صنعتیِ که در دسترس می باشد . هنگامی که ابعاد خارجی مبدل ، قطر لوله ، فاصله گذاری بین لوله ها و پرّه ها و محدودة سطح انتقال حرارت معین شد ، مهندس طراح بایستی ترتیبی برای قرار گیری لوله هایی که مرتبط با تعیین جریان مبرد در داخل لوله های مارپیچی هستند مشخص کند . در واقع هدف مهندس طراح مشخص کردن مسیری است ، که مبرّد در آن مسیر ، ظرفیتِ دِبی لوله های مارپیچی را به حداکثر مقدار خود برساند . تعداد این مسیرها ، که برای عبور جریان مبرد ، می توان یکی از آنها را برگزید مشخص هستند . برای مثال یک مبدل حرارتی سه ردیفه با دوازده لوله در هر ردیف تقریباً دارای 2 x 1045 حالت ممکن به عنوان ساختارِ مسیر عبور جریان است . اکنون می توان گفت فرآیند طراحی مسیر عبور جریان در وحلة اوّل توسط تجربه مهندس طراح و پس از آن به کمک برنامه هایی که عملکرد مبدل را شبیه سازی می کنند هدایت می شود . (انتخاب) طراحی یک مسیر جریان بهینه برای مبرد وقتی سخت تر می شود که توزیع جریان هوا بر روی سطح لوله های مارپیچ داخل مبدل به طور غیر یکنواخت باشد . در چنین حالتی ، ممکن است مهندس طراح به اشتباه بیاُفتد و تغییرات سرعتِ جریان هوا را یکنواخت فرض کند ، که در چنین شرایطی این فرض ، کاهش ظرفیت را برای مبدل به دنبال خواهد داشت ( Chwalow Skietal : 1989 ) . در میان مقالاتی که در حال بررسی در رابطه ، باعث بهینه سازی مسیر جریان مبرد هستند ، یک ارزیابی تحلیلی دربارة تعداد بهینه لوله های موازی در یک اِواپراتور ( تبخیر کننده ) نشان داد که حداکثر ظرفیت مبدل هنگامی میسّر می شود که افت دمای اشباع مبرّد برابر با 33% اختلاف دمای میانگین بین مبرد و دیوارة لوله باشد ( Granryd and Palm 2003 ) . بررسی شبیه سازی 6 چیدمان برای مسیر جریان ، ما را به این نتیجه رساند که ، با یک طراحی مناسب و درست برای مسیر جریان مبرد ، ممکن است ، سطح انتقال حرارت در قیاس با ساختار هایی رایج به اندازه 5% کاهش یابد ( Liangetall . 2001 ) .
بررسی دیگر با توجه به عملکرد های متناوب R22 ، نشان داد که در کندانسورها ، مبرّدهای گوناگون ، برای به حداکثر رساندن ظرفیت مبدل ( کندانسور ) نیاز به ساختار های گوناگون در مسیر جریان دارند .
( Cassonetal . 2002 ) . نتایج شبیه سازی نشان می دهد که ، مبردهای فشار بالا ، هنگامی که با جریان جزئی بالا استفاده می شوند ، مؤثرتر از R22 هستند و علت آن افت کم دمای اشباعشان است و به علت این امر نیز ، افت فشاری است که مبرد دچار آن می شود . این نتیجه گیری ، مفهوم فاکتور جریمه را ( Penalty Factor ) بیشتر روشن می کند ( Cavalliniatal . 2000 ) ، که در محاسبه اُفت دمای اشباع مبرد در طی یک چگالش با جابجایی اجباری به کار گرفته می شود . یک وجه مشترک بین تمامی مطالعات و بررسی های ذکر شده بالا ، این است که تمامی آنها مبدل های حرارتی لوله ـ پرّه دار ، با چیدمان های اوّلیه متفاوت برای مسیر جریان را مورد توجه قرار داده اند . اکنون یک نگرش امکان پذیر است ، با پیشرفت هایی که در ساخت ماشین های هوشمند به وجود آمده ، طرح های مدار حرکت ، که بر اساس ، اقتضای شرایط ایجاد می شوند ، می توانند برای بکارگیری مبدلهای خاص با توزیع هوای ورودی یکنواخت و غیر یکنواخت تولید شوند . این توانایی ها به اثبات رسیده است ، چگونه !؟به وسیله یک سیستم بهینه سازی جدید و متفاوت به نام ISHED ( Domanskietal . 2004a ) . پی گیری کار مشخص کرد ، که به کارگیری ISHED برای بهینه سازی مدار حرکتِ ( مسیر ) مبرد در اِواپراتورهایی که با ایزو بوتان ( R600a) ، R134a ، پروپان ( R290 ) ، R22 ، R140a ، R32 کار می کنند میسّر است . ( Domanskietal . 2004b ) . در این مقاله به کار گیری ISHED را برای کندانسورهایی که با همین 6 مبرد کار می کنند ، شرح و سبط می دهیم .
2- بهینه سازی مدار حرکت مبرد با ISHED :
شکل 1 یک دیاگرام از سیستم ISHED را نشان می دهد . این سیستم مرکب است از یک شبیه ساز مبدل حرارتی ، که ظرفیت های مبدل را متناسب با ساختارهای گوناگون مسیر جریان (مدارحرکت ) فراهم می سازد و یک دستگاه برنامه ساز که در آماده کردن ساختارهای جدید شرکت می کند .
ISHED از یک نظریه تحولیِ همراه با جابجایی استفاده می کند ، که در آن ISHED در یک برنامة تولید ساختار مدار جریان عمل می کند ، هر قسمت از این فرآیند تولید ، به وسیله شبیه ساز تغییر می کند ، که ظرفیتی را به عنوان یک مقدار مناسب عددی برای مبدل فراهم می سازد . طرح های مدار حرکت ( جریان ) و مقادیر مناسب ظرفیت شان برای تصمیم گیری دربارة تولید طرح های بعدی مدار جریان ، به برنامه کنترل ( Control Modnle ) بر می گردند . از این پس فرآیند بهینه سازی به یک حلقه تکرار برده می شود و به تعداد تولیدات مشخص شده تکرار می شود . از دیگر طرح های ISHED ، استفاده از دو برنامه ساز ، به عنوان نسل جدیدی از تولید کننده های مسیر جریان مبرد است . این دو برنامه ساز عبارتند از :
– Based Evolutionary Computational / Module Knowledge Symbolic Learning Module.
برنامه ساز یا همان کنترل کنندة برنامه تصمیم می گیرد که چه برنامه ای را برای (تولید) ایجاد مدارِ بعدی مورد استفاده قرار گیرد . در ابتدای برنامه بهینه سازی ،
– Based Evolutionary Computational / Module Knowledge Symbolic Learning Module.
تا زمانی که ، ظرفیت های حاصل از تولیدات مدار حرکت ، بهینه باشد مورد استفاده قرار می گیرد ، سپس در صورت بهینه نبودن ظرفیت ها با برنامه قبلی فرآیند با برنامه Learning ـ Symbolic عوض می شود و این برنامه نیز تا زمانی که باعث بهبود ظرفیت حاصل از تولیدات مدار حرکت می شود ، اجراء می شود و این تعویض شدن دو برنامه با یکدیگر به طور متناوب ، با توجه به ظرفیت ماکزیمم ادامه پیدا می کند . این عمل ( تعویض شدن دو برنامه با یکدیگر ) توسط بخش کنترل کنندة برنامه ها انجام می شود .
ساختار تابعیِ ISHED ـ Figure 1
مدل شبیه سازی شده مورد استفاده در این سری مطالعات ، COND ، متشکل است از برنامه شبیه سازی COND ـ EVAP ( NIST . 2003 ) . COND در یک طرح لوله به لوله تهیه و سازماندهی شده است که به کاربر اجازه می دهد تا یک ساختار دلخواه برای مسیر جریان مبرد و یک توزیع یک بعدی دلخواه برای هوای ورودی مشخص کند . هنگامی که مبرد در داخل یک لوله از بخار فوق گرم به جریان دو فازی تغییر می کند و یا از یک جریان دو فازی به مایع مادون سرد تغییر می کند ، برنامه محل عبور و انتقال را تعیین می کند ، و اُفت فشار و انتقال حرارت وابسته به همان قسمت را درخواست می کند . به عنوان هدف اصلی این تحقیق ، ما توانایی کلی COND ( سرعت و واگرایی ) را بهبود بخشیدیم ، و اُفت فشار مربوطه را در لوله های راست بالا بردیم ، (Muller – SteinhagenandHeck 1986 ) و خم ها ( مثل زانویی ها ) را به طول های راست تبدیل کردیم .
( Idelchik 1986 ) .
خواص مبردهای مورد بررسی :
جدول 1 مبرّدهای مورد استفاده در این تحقیق را ارائه می دهد . این مبرّد ها به خاطر این برگزیده شده اند که گسترة وسیعی از خواص فیزیکی راکه بر روی مبدل حرارتی و عملکرد سیستم هوشمندِ ما تأثیر می گذارند ، در خود جای می دهند .
اطلاعات مربوط به مبردها ـ جدول 1
GWP
looyearshorizon ایمنی حرارتی گرمای ویژه
مولی بخار
( j/mol ) جرم مولی
( g/mol ) فشار بخار
اشباع
( kpa )2 مبرّد
( 1 ) خواص تمامی سیالات بر اساس Refprop ( Lemmonetall . 2002 ) .
( 2 ) مربوط به دمای شبنم 45C .
( 3 ) در فشار ثابت .
( 4 ) ( Ash Rae2001 ) .
( 5 ) پتانسیل گرمایی جهانی .
( 6 ) ( Calm and Hourahan . 2001. Ipcc2001 ) .
تفاوتها در خواص ترمودینامیکی مبرّدهای تحت مطالعه و بررسی را می توان به طور کاملاً واضح و آشکار در دیاگرام دما ـ آنتروپی مشاهده کرد ، این دیاگرام در شکل 2 ارائه شده است ، که آنتروپی در آن ، با توجه به مقیاسِ مطابق شکل ، یک مقایسه کیفی را میسر می سازد . قسمت های گنبدی شکلِ دو فازیِ نشان داده شده در منحنی های دیاگرام شکل 2 به طور قابل توجهی متفاوت هستند ، که این امر عمدتاً ناشی از تفاوت دمای بحرانی و گرماهای ویژه مولی می باشد ، در نتیجه بر اساس یک سری از اصول تئوری ترمودینامیکی ، سیال های انتخاب شده به هنگام تحویل و تغییر فاز در یک سیکل تراکمی بخار دارای ضریب عملکرد های بسیار متفاوتی هستند . با ملاحضه و بررسی عملکرد کندانسور متوجه می شویم که ، محل نقطة بحرانی و گرمای ویژه مولی بر روی درجه حرارت فوق گرم بخار در ورودی کندانسور تأثیر می گذارد ، همچنین بر روی دمای بحرانی ، فشار کندانسور ، چگالی بخار و تغییر دمای اشباع متناسب با فشار نیز تأثیر می گذارد . در میان خواص متغیر ، ضریب انتقال حرارت هدایتی مایع و چگالی آن برای عملکرد مبدل از اهمیت ویژه ای بر خوردارند . شکل 3 این خواص را برای مبردهای بررسی شده نسبت به خواص مشابه در R22 نمایش می دهد . ( در جایی که Tsat و P دما و فشار نقطة شبنم را مشخص می کند .)
Figuer2
دیاگرام دما ـ آنتروپی برای مبردهای بررسی شده ( آنتروپی مطابق با عرض ( پهنای ) ناحیة گنبدی شکل مربوط به ناحیة دو فازی می باشد .
Figure3
خواص تر مو فیزیکی مبرد های انتخاب شده نسبت به خواص R22 در دمای C 45
هدف از فرآیند طراحی مبدل حرارتی استخراج کردن ( پیدا کردن ) خواصی از مبدل است ، که به کمک آنها ، در طراحی ، ظرفیت مبدل را به حداکثر برسانیم . این امر مهم وابستگی شدید دارد ، به تعیین مدار حرکت مبرّد با جریان جرمی بهینه که برای ضریب انتقال حرارت مبرد در افت فشار قابل قبول و مناسب ، مفید خواهد بود . دیگر مسئله قابل توجه و ملاحظه ایجاد ساختاری برای مدار حرکت مبرد است ، تا بتواند نقش یک مبدل ، با یک جریان ترکیبی هم جهت ـ مختلف الجهت را بین مبرد و هوا ایفا کند . با توجه به تعداد خواص مبرد که بر روی عملکرد کندانسور تأثیر می گذارند ة پیدا کردن طرح مدار حرکت ( جریان ) بهینه ، یک امر مهم و بسیار دشوار است ، حتی برای یک مهندس طراح با تجربه .
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 17 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله بهینه سازی کنداسورهای لوله ـ پرّه دار با استفاده از یک سیسم
