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.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.1
no.2
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pp.119-126
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1995
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.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.11
no.6
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pp.799-807
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1999
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.
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.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.29
no.9
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pp.447-454
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2017
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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v.53
no.6
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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.
Park, Jaehyun;Kim, Minsung;Min, June Kee;Ha, Man Yeong
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.28
no.1
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pp.21-28
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2016
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.
Kim, Young Jin;Kim, Minsung;Ha, Man Yeong;Min, June Kee
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.38
no.11
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pp.915-924
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2014
In an aero gas-turbine engine, a surface air-oil heat exchanger (SAOHE) is used to cool the oil system for the gearboxes and electric generators. The SAOHE is installed inside the fan casing of the engine in order to dissipate the heat from the oil system into the bypass duct stream. The purpose of this study was to develop an effective numerical method for designing an SAOHE for an aero gas-turbine engine. A two-dimensional model using a porous medium was developed to evaluate the aero-thermal performance of the fins of the heat exchanger, and a one-dimensional flow and thermal network program was developed to save time and cost in the evaluation of the heat exchanger performance. Using this network program, the pressure drop and heat transfer performance of the heat exchanger were predicted, and the results were compared with two-dimensional computational fluid dynamics results and experiment data for validation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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