17037

17037

مدل سازي و بهينه سازي سيستم هاي بازيافت حرارت در سيستم هاي تهويه

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

خرداد ماه 1395

دكتر سپهر صنايع

مكانيك

چكيده مبدل هاي حرارتي فشرده با نسبت سطح حرارتي به حجم بيشتر از 700 متر مربع بر متر مكعب و قطر هيدروليكي كمتر از 6 ميلي متر كاربردهاي زيادي در مهندسي بخصوص در تهويه مطبوع دارند. امروزه طراحي و بهينه سازي انواع مبدل هاي حرارتي به دليل كمبود روز افزون منابع انرژي، بسيار مورد توجه قرار دارد. يكي از انواع مبدل هاي حرارتي، مبدل هاي حرارتي فشردة صفحه-پره اي مي باشند. در اين نوع مبدل هاي حرارتي هر دو سمت گرم و سرد توسط پره هايي، مساحت انتقال حرارت افزايش يافته است. از انواع پره هاي بكار گرفته شده در اين نوع از مبدل هاي حرارتي، مي توان به پره هاي موجي، صفحه اي، جابجا شده يا كنگره اي، سوزني و كركره اي اشاره كرد. در اين پايان نامه از پره هاي مستطيلي جابجا شده يا كنگره اي استفاده شده است. اين نوع پره ها بدليل فشردگي بالا (اشغال حجم كمتر)، بازده انتقال حرارت بالا و قابليت اطمينان بالا (استحكام بالا) در مبدل هاي حرارتي صفحه-پره اي براي كاربردهايي نظير سيستم هاي خنك كاري هواپيماها، تهويه مطبوع و . . . مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين، اين نوع پره ها بدليل شكسته شدن لايه هاي مرزي انتقال حرارت بالاتري نسبت به پره هاي ساده و همچنين نسبت به پره هاي كركره اي مستحكم تر و قابليت اطمينان بالاتري را دارند. در اين پايان نامه، مدل سازي گرمايي، مدل سازي هزينه و بهينه سازي مبدل حرارتي صفحه-پره اي با پره هاي كنگره اي واقع در يك هواساز براي يك نمونه پژوهشي (رستوراني در شهر ايروان، كشور ارمنستان) ارائه شده است. براي مدل سازي گرمايي از روش طراحي ε-NTU كيز و لاندن استفاده شده و سپس مدل سازي هزينه انجام شده است. چهار پارامتر ارتفاع پره، ضخامت پره، گام پره و طول پره بعنوان پارامترهاي طراحي در مدل سازي و بهينه سازي در نظر گرفته شده است. روش بهينه سازي چند هدفه با استفاده از الگوريتم ژنتيك براي بهينه سازي دو تابع هدف، بيشينة كارايي و كمينة هزينه سالانه كل انجام شده است. نتايج حاصل از طراحي بهينه، مجموعه اي از پاسخ هاي بهينه مي باشند، كه پاسخ هاي بهينة پارتو مي نامند. براي انتخاب بهترين پاسخ از جبهة پارتو از روش انتخاب LINMAP استفاده شده است كه نتيجة تمام اين كارها، مبدل حرارتي صفحه-پره اي با پره هاي كنگره اي با كارايي 88/0 و هزينه سالانه كل 90/504 دلار بر سال بوده است. بازگشت سرماية اين مبدل 88/25024 دلار بر سال بوده كه طي مدت زمان تقريباً ده ماهه به سيستم باز مي گردد. حساسيت سنجي، بر اثر تغييرات افزايشي و كاهشي دو پارامتر قيمت برق و دماي هواي تازه ورودي به مبدل انجام شده و نتايج حاصل از آن ارائه شده است. واژه‌هاي كليدي: بازيافت حرارت تهويه يا بازيافت انرژي تهويه ، مبدل حرارتي صفحه-پره اي ، پره هاي مستطيلي جابجا شده ، بهينه سازي چند هدفه ، الگوريتم ژنتيك .

1396/01/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Compact heat exchangers with more than 700 m2/m3 heat transfer area per unit volume an​d less than 6 mm hydraulic diameter have been very useful in engineering especially in HVAC. Nowadays, due to increasing scarcity of energy resources, design an​d optimization of all types of heat exchangers are gaining more impotence. Compact heat exchangers are a category of heat exchangers. In this category of heat exchangers, both hot an​d cold sides increase heat transfer area by fins. Some of the commonly used fins are: “wavy”, “offset strip”, “louver”, “perforated”, an​d “plain fins”. In this thesis we focus on “offset strip fins” with high compactness, high heat transfer efficiency an​d high reliability that are widely employed in heat exchangers for cooling systems of aircrafts, automobiles, an​d HVACs. In addition, offset strip fins have higher strength an​d reliability than louver fins. This thesis presents a case study (based on a restaurant in Yerevan, Armenia) on thermal modeling, cost modeling, an​d optimal design of compact plate-fin heat exchanger with rectangular offset strip fins which themselves can act as energy recovery o​r heat recovery units within air handling unit. The ε-NTU method has been applied to thermal modeling (the heat exchanger’s effectiveness an​d pressure drop estimation). Fin height, fin thickness, fin pitch an​d fin offset length were considered as four design parameters. Multi objective optimization using genetic algorithm was applied to obtain the maximum effectiveness an​d the minimum total annual cost (sum of annual investment an​d operation costs) as two objective functions. The results of optimal designs were a set of multiple optimum solutions, called ‘Pareto Optimal Solutions’. LINMAP decision-making method was applied to select the best optimal solution. The result of this study revealed 0.88 effectiveness an​d 504.90 ($/year) total annual cost for plate-fin heat exchanger with rectangular offset strip fins. The payback was 25024.88 ($/year) within the period of 10 months. The sensitivity analysis of change in optimum effectiveness an​d total annual cost with a change in design parameters (electrical energy price an​d supply air temperature) of the plate-fin heat exchanger was also performed an​d the results has been reported. Keywords: Energy Recovery Ventilation o​r Heat Recovery Ventilation (ERV o​r HRV), Plate-Fin Heat Exchanger, Rectangular Offset Strip Fins, Multi-Objective Optimization, Genetic Algorithm (GA).