مقاله در مورد بهینه سازی کنداسورهای لوله ـ پرّه دار با استفاده از یک سیستم هوشمند

word قابل ویرایش
17 صفحه
4700 تومان

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 ۶ 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 عمده 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 محدوده 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 ۲ x 1045 حالت ممکن به عنوان ساختارِ مسیر عبور جریان است . اکنون می توان گفت فرآیند طراحی مسیر عبور جریان در وحله 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 درباره 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 ۳۳% اختلاف دمای میانگین بین مبرد و دیواره لوله باشد ( Granryd and Palm 2003 ) . بررسی شبیه سازی ۶ 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 ۵% 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 ۶ مبرد کار می کنند ، شرح و سبط می دهیم .

۲- بهینه سازی مدار حرکت مبرد با ISHED :
شکل ۱ 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 برنامه 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 درباره 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 کننده 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 کننده 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 ۱ مبرّدهای مورد استفاده در این تحقیق را ارائه می دهد . این مبرّد ها به خاطر این برگزیده شده اند که گستره 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 ۱
GWP
looyearshorizon ایمنی حرارتی گرمای ویژه
مولی بخار
( j/mol ) جرم مولی
( g/mol ) فشار بخار
اشباع
( kpa )2 مبرّد

( ۱ ) خواص تمامی سیالات بر اساس Refprop ( Lemmonetall . 2002 ) .
( 2 ) مربوط به دمای شبنم ۴۵C .
( 3 ) در فشار ثابت .
( ۴ ) ( Ash Rae2001 ) .
( 5 ) پتانسیل گرمایی جهانی .
( ۶ ) ( 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 ۲ 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 ۲ 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 نقطه 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 ۳ 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 نقطه شبنم را مشخص می کند .)

Figuer2
دیاگرام دما ـ آنتروپی برای مبردهای بررسی شده ( آنتروپی مطابق با عرض ( پهنای ) ناحیه گنبدی شکل مربوط به ناحیه 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 ه پیدا کردن طرح مدار حرکت ( جریان ) بهینه ، یک امر مهم و بسیار دشوار است ، حتی برای یک مهندس طراح با تجربه .
کندانسور انتخاب شده و شرایط کا

ر کرد :
در این بررسی ما از یک کندانسور دو ردیفه مشابه با یک سیستم هوا ساز ۵٫۲ kw . استفاده کردیم. جدول ۲ پارامترهای طراحی کندانسور را نشان می دهد . شرایط کارکرد برای هوا به صورت زیر تعریف شده :
دمای هوای ورودی C 35 ، رطوبت نسبی ۵۰% و فشار ۱۰۱٫۳۲۵ kpa .
حال یاد آوری می کنیم که این پروژه تحقیقاتی تغییرات سرعت یکنواخت و غیر یکنواخت هوای ورودی را بررسی می کند . برای تمامی مسیرهای بهینه سازی و شبیه سازی ، ما دمای اشبای ورودی کندانسور را در C 45 ثابت نگه داشتیم و دمای مادون سرد را در ۵C ، اما برای هر سیال یک دمای مافوق گرم متفاوت تعریف کردیم . ما دمای فوق گرم را بر اساس شرایط خروجی اِواپراتور که دمای اشباع در آن C 7.2 ، C 5 محاسبه کردیم و همچنین برای راندمان فشار ، مقدار ۷۰% را محاسبه کردیم . این نظریه برای تعیین وضعیت مبرد در ورودی کندانسور به عنوان یک پیش فرض در نظر گرفته شده است .

Table 2

اطلاعات طراحی کندانسور

Table 3
شرایط مبرد در ورودی کندانسور
۵- بهینه سازی مدار جریان کندانسور :

هر مسیر بهینه سازی ISHED ، از ۵۰۰ شکل مختلف که هر شکل می تواند خود نیز دارای ۲۰ حالت گوناگون برای مدار جریان باشد ، تشکیل شده است . از این رو هر یک از مسیرهای بهینه سازی می تواند دارای ۱۰۰۰۰ شکل و حالت منحصر به فرد برای تحول و ساختار مدار حرکت سیال باشد . به محظ تکمیل شدن فرآیند بهینه سازی ، ما بهترین طرح را بررسی کردیم و آن را اصلاح نمودیم تا با مشکلات و واقعیات مراحل ساخت مطابقت پیدا کند .

ما فرآیند های بهینه سازی را در دو سری تقسیم بندی کردیم :
۱ بهینه سازی برای توزیع یکنواخت هوای ورودی
۲ بهینه سازی برای توزیع غیر یکنواخت هوای ورودی
نتایج بدست آمده برای توزیع یکنواخت هوای ورودی :
ما طراحی را به طریقه دستی برای ۱۴ ساختار گوناگون مدار جریان آغاز کردیم . این طرح های دستی در ۵ فرم کلی تشکیل شده بودند . این طرح ها شامل طرح یک مداره ، دو مداره هم گرا به یک لوله مشترک ، سه مداره هم گرا به یک لوله مشترک ، دو مداره جدا گانه ، چهار مداره جداگانه و یک طرح با هفت مدار جداگانه بودند .

ما این طرح ها را با Cond برای هر مبرد تغییر دادیم وسپس عملیات بهینه سازی را با استفاده از ISHED اجراء کردیم . برای مبردهای R290 ، R22 ، R32 ، R410a ، ISHED طرح های مدار جریان را با یکی کردن دو شاخه از مدار جریان در یک نقطه مشترک به ما برگرداند .
برای دو مبرد باقی مانده ، یعنی R134a و R600a که فشار اشباع پایین تری نسبت به گروه اول دارند ، ISHED مدار جریان را با یکی کردن سه شاخه از مدار در یک نقطه مشترک طراحی کرد .
شکل ۴ نتایج بدست آمده از بهترین طرح های دستی برای ساختار مدار جریان و ساختار های بهینه سازی شده توسط ISHED را نشان می دهد . برای هر یک از مبرّدهای طرح ISHED بهتر یا حداقل از لحاظ باز دهی معادل با بهترین طرح های دستی برای مسیرهای مدار جریان دستی .
شکل۴
ظرفیت های کندانسور برای قسمت های مربوط به طراحی های دستی و طراحی های بهینه ISHED

با توجه به دانش خواص سیالات ، به نظر منطقی می رسد که سیالات تحت مطالعه و بررسی به لحاظ وضعیت و شکل و شمایلی که در شکل ۴ نشان داده شده است ، یک طبقه بندی و دسته بندی نسبی داشته باشند .
R600a تأثیر پذیری نا سازگارتری نسبت به دیگر مبرّد ها در مقابل افزایش جریان جرمی از خود نشان می دهد ، و به نظر می رسد که این مبرّد برای جریان های هم سو ( Parallel ) عمل کرد بهتر و سودمند تری نسبت به دیگر مبرّد ها از خود نشان می دهد و بر عکس این حالت برای مبرّد R32 صادق است . ISHED در ابتدای فرآیند بهینه سازی از این خصوصیات هیچ گونه آگاهی ندارد

 امّا می فهمد که یک سری خواص مشخص ، نتایج بهتر و مطلوب تری در بر دارند و بنا براین در هر تولید ( ایجاد یک مسیر جریان برای حرکت سیال در مدار ) نسبت به تولید قبل بیشتر از این خواص بهره می گیرد . ما ممکن است این موضوع را در ذهن خود داشته باشیم ، که اگر چه مدار های بهینه ISHED برای سیال مربوطه شان بی نظیرند ، امّا طرح های مشابه برای انواع مبرد ها ، تقریباً مشابه عمل می کرد .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 17 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد