This paper proposes a new method for the discovery and design of an optimal heat exchanger network. The method is based upon the concept of pinch, a problem reduction technique and the heuristics developed in this work. It generates subproblems in a logical way and solves the subproblems by the heuristics to synthesize an optimal network structure. It is thought that the heuristics can preserve the minimum utility consumption, the minimum number of heat exchanger units, and the minimum number of stream splittings needed for a given problem. The minimum heat exchanger area for the optimal network can then be obtained by adjusting the temperatures associate with the heat exchanger in the optimal network structure. The method is applied to the problems appeared in the literatures. The results show the reductions in the number of heat exchanger units for some problems.
Since a typical plate heat exchanger is made up of a huge number of unitary cells, it may be impossible to predict the aero-thermal performance of the full scale heat exchanger through three-dimensional numerical simulation due to the enormous amount of computing resources and time required. In the present study, a simple flow-network model using the friction factor correlation and a thermal-network model based on the effectiveness-number of transfer units (${\varepsilon}$-NTU) method has been developed. The complicated flow pattern inside the cross-corrugated heat exchanger has been modeled into flow and thermal networks. Using this model, the heat transfer between neighboring streams can be considered, and the pressure drop and the heat transfer rate of full-scale heat exchanger matrix are calculated. In the calculation, the aero-thermal performance of each unitary cell of the heat exchanger matrix was evaluated using correlations of the Fanning friction factor f and the Nusselt number Nu, which were calculated by unitary-cell CFD model.
The purpose of this study is to develop the technique of energy recovery and energy saving by using the optimization of heat exchanger network synthesis. This article proposes a new method of determining the optimal target of a heat exchanger network synthesis problem of which data feature multiple pinch points. The system separation method we suggest here is to subdivide the original system into independent subsystems with one pinch point. The optimal cost target was evaluated and the original pinch rules at each subsystem were employed. The software developed in this study was applied to the Alko prosess, which is an alcohol production process, for the synthesis of heat exchanger network. It was possible to save about 15% of the total annual cost.
Exergy analysis is widely used in energy system analysis for more efficient energy use. Pinch technology has focused on chemical plants, such as pure heat exchanger networks. In this study, the objective is to seek more effective means with integrating above two methods. In order to demonstrate effective result and to prove possibility for pinch analysis, the steam turbine is adopted to make heat recovery in the heat exchanger network. Three cases are introduced using the integration of exergy and pinch analysis. The standard steam turbine utility is the base case, and adding the heat pump to this system is the second case. The third case is the system with the heat pump and minimum utilities. The results show that the output power of steam turbine in the case(2) and case(3) are increased up to 42% and 46%, respectively, compared with that of base case.
제어로봇시스템학회 1996년도 Proceedings of the Korea Automatic Control Conference, 11th (KACC); Pohang, Korea; 24-26 Oct. 1996
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pp.376-379
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1996
Synthesis for qualitative analysis in connection with quantitative analysis from the pinch design method, EVOP and Operations Research is proposed for the optimal synthesis of heat exchanger networks, that is through of the transportation model of the linear programming for synthesizing chemical processing systems, to determine the location of pinch points, the stream matches and the corresponding heat flowrate exchanged at each match. In the second place, according to the optimization, the optimal design of heat transfer enhancement is carried on a fixed optimum heat exchanger network structure, in which this design determines optimal operational parameters and the chosen type of heat exchangers as well. Finally, the method of this paper is applied to the study of the optimal synthetic design of heat exchanger network of constant-decompress distillation plants.
In this study, local velocity distribution of cooling air in a heat exchanger used in an air compressor for a railway car was measured and heat transfer characteristics of the heat exchanger were analyzed. First, heat transfer coefficient and fin performance of the cooling air side were predicted and was checked if the fin of the heat exchanger was effectively used. Distribution of air flow rate at high temperature side was predicted through pipe network analysis and heat resistance at high temperature and low temperature side were predicted and compared. Spatial distribution of temperature in the interior and surface of the square channel constituting high-temperature side was predicted and appropriateness of the size of the heat exchanger was examined. As a result of the analysis, the present size of the heat exchanger could be reduced and it could be effective to promote heat transfer inside the heat exchanger rather than outside to improve performance of the heat exchanger.
Juarez-Martinez, L.C.;Espinosa-Paredes, G.;Vazquez-Rodriguez, A.;Romero-Paredes, H.
Nuclear Engineering and Technology
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제53권6호
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pp.2066-2073
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2021
The use of nuclear reactors is a large studied possible solution for thermochemical water splitting cycles. Nevertheless, there are several problems that have to be solved. One of them is to increase the efficiency of the cycles. Hence, in this paper, a thermal energy optimization of a Sulfur-Iodine nuclear hydrogen production cycle was performed by means a heuristic method with the aim of minimizing the energy targets of the heat exchanger network at different minimum temperature differences. With this method, four different heat exchanger networks are proposed. A reduction of the energy requirements for cooling ranges between 58.9-59.8% and 52.6-53.3% heating, compared to the reference design with no heat exchanger network. With this reduction, the thermal efficiency of the cycle increased in about 10% in average compared to the reference efficiency. This improves the use of thermal energy of the cycle.
A typical heat exchanger, found in many industrial sites, is made up of a large number of unitary cells, which causes difficulties when carrying out full-scale three-dimensional numerical simulations of the heat exchanger to analyze the aero-thermal performance. In the present study, a three-dimensional numerical study using a porous media model was carried out to evaluate the performance of the heat exchanger modelled in two different ways : full-scale and simplified. The pressure drop in the air side and gas side along with the overall heat transfer rate were calculated using a porous media model and the results were then compared to results obtained with a one-dimensional flow network model. The comparison between the results for two different geometries obtained using a porous media model and a one-dimensional flow network model shows good agreement between the simplified geometry and the one-dimensional flow network model. The full-scale geometry shows reasonable differences caused by the geometry such as sudden expansion and contraction.
During the past two decades, a lot of researches have been done on the synthesis of grassroot heat exchanger networks(HEN). However, few have been dedicated to retrofit of existing heat exchanger networks, which usually use more amount of utilities (i.e. steam and/or cooling water) than the minimum requirements. This excess gives motivation of trades-off between energy saving and rearranging investment. In this paper, an algorithmic-evolutionary synthesis procedure for retrofitting heat exchanger networks is proposed. It consists of two stages. First, after the amount of maximum energy recovery(MER) is computed, a grass-root network featuring minimum number of units(MNU) is synthesized. In this stage, a systematic procedure of synthesizing MNU networks is presented. It is based upon the concept of pinch, from which networks are synthesized in a logical way by the heuristics verified by the pinch technology. In the second stage, since an initial feasible network is synthesized based on the pre-analysis result of MER and must-matches, an assignment problem between new and existing units is solved to minimize total required additional areas. After the existing units are assigned, the network can be improved by switching some units. For this purpose, an improvement problem is formulated and solved to utilize the areas of existing units as much as possible. An example is used to demonstrate the effectiveness of the proposed method.
항공기용 가스터빈 엔진에 있어서, 기어 어셈블리 및 전자장비에 사용되는 오일의 냉각을 위하여 열교환기가 사용되며 이를 Surface air-oil heat exchanger (SAOHE) 라고 한다. 이 열교환기는 엔진 팬 케이싱 내부에 설치되며 기어박스 시스템 및 전자장비로부터 바이패스 덕트 후류 쪽으로 열을 소산시킨다. 본 연구의 목적은 SAOHE 의 설계를 위한 효율적인 수치해석방법을 개발하는 것이다. SAOHE 설치에 따른 핀에서의 열공력학적 성능을 평가하기 위하여 다공성 모델을 활용한 2 차원 수치해석을 수행하였고, 열교환기 성능평가에 대해 시간 및 비용적으로 효과적인 1 차원 열유동 네트워크 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램을 이용하여 열교환기의 압력강하 및 열전달 성능을 예측하였고, 1 차원 열유동 네트워크 프로그램을 검증하기 위해 2 차원 전산해석 결과 및 실험 결과와 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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