مهندسی شیمی ایران

مهندسی شیمی ایران

طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی با در نظر گرفتن مبدل‌هایی از جنس‌های مختلف: تلفیق روش‌های بهینه‌سازی ریاضی و الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران
10.22034/ijche.2026.587719.1624
چکیده
این مطالعه یک رویکرد ترکیبی دو سطحی کارآمد و نسبتاً ساده برای طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی با مبدل‌های حرارتی متنوع از لحاظ جنس و هزینه ساخت را ارائه می‌دهد. با توجه به ماهیت ذاتاً غیرخطی و غیرمحدب معادلات حاکم بر این مسائل، این روش از یک الگوریتم ژنتیک در سطح بیرونی برای تولید ساختارهای متنوع شبکه مبدلی استفاده می‌کند. در سطح داخلی نیز یک مدل بهینه‌سازی ریاضی، مقادیر بهینه متغیرهای پیوسته هر شبکه تولیدی به‌وسیله الگوریتم را به‌هدف رسیدن به حداقل هزینه سالانه کل شبکه، پیدا می‌کند. عملیات بهینه‌سازی در سطح داخلی در دو گام انجام می‌شود. گام اول شامل یک مدل برنامه‌ریزی خطی است که بر اساس به حداکثر رساندن بازیابی حرارتی عمل می‌کند و با یک حلقه جستجو برای تعیین نسبت‌های تقسیم جریان‌ها همراه است. گام دوم یک روش اصلاح خطی را پیاده‌سازی می‌کند و از خروجی‌های گام اول برای شناسایی مقادیر بهینه بار حرارتی مبدل‌ها، نسبت تقسیم جریان‌ها و حداقل دمای شبکه، استفاده می‌کند و در نتیجه احتمال دستیابی به هزینه سالانه کل شبکه را افزایش می‌دهد. یک مزیت قابل توجه این رویکرد، علاوه‌بر درنظر گرفتن اختلاط غیرهم‌دما برای جریان‌های انشعابی، محاسبه ضمنی مساحت مبدل‌ها است که امکان بررسی توابع هزینه مختلف برای مبدل‌ها را در تابع هدف فراهم می‌کند. نتایج مطالعه موردی شامل دو سناریو نشان داد که رویکرد پیشنهادی توانست هزینه سالانه کل شبکه را در مقایسه با مقادیر گزارش‌شده در مطالعات پیشین، به‌ترتیب حدود 69/0 و 89/0 درصد در سناریوهای اول و دوم کاهش دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Synthesis of Mixed materials Heat Exchanger Networks: Combining Mathematical Optimization Methods and Genetic Algorithm

نویسنده English

Hadi Soltani
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, Iran
چکیده English

This study proposes an efficient and straightforward hybrid two-level approach for the synthesis of mixed-material heat exchanger networks (HENs). Given the inherently nonlinear and non-convex nature of the governing equations, this methodology employs a genetic algorithm (GA) at the outer level to generate diverse HEN structures. At the inner level, a mathematical optimization model determines the optimal values of continuous variables for each network generated by the algorithm, aiming to minimize the total annual cost (TAC) of the network. This inner-level optimization proceeds in two steps. The first step involves a linear programming model, operating on the principle of maximizing energy recovery, coupled with a search loop to determine stream splitting ratios. The second step implements a linear correction procedure, utilizing the outputs from the first step to identify optimal values for exchanger heat loads, split ratios, and the HEN's minimum approach temperature, thereby improving the likelihood of obtaining a lower TAC. A notable advantage of this approach is, in addition to considering non-isothermal mixing for split streams, the implicit computation of exchanger areas, which permits the consideration of various cost functions for exchangers within the TAC. The results of a case study involving two scenarios showed that the proposed approach reduced the TAC of the network by approximately 0.69% and 0.89% in the first and second scenarios, respectively, compared with the values reported in previous studies.

کلیدواژه‌ها English

Non-uniform Heat exchanger networks synthesis
Genetic algorithm
Optimization
Linear programming
Correction procedure

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 25 شهریور 1405