بهينه سازي كنداسورهاي لوله ـ پرّه دار با استفاده از يك سيستم هوشمند

خلاصه :
مسير عبور مبّرد ( تعداد pass ) تأثير قابل توجهي بر روي ظرفيت مبدل مي گذارد . يك مهندس طراح به طور معمول يك مسير عبور براي مبرد مشخص مي كند و با استفاده از يك مدل شبيه سازي شده و يا يك تست آزمايشگاهي از درستي تصمیم خود یقین حاصل مي كند . فر آيند بهينه سازي مسير حركت جريان با استفاده از تكنيك هاي جستجوي هوشمند مي تواند بهبود پيدا كند . اين مقاله تجربياتي را همراه با يك برنامه بهينه سازي هوشمند متفاوت و جديد ارائه مي كند . ISHED يك سيستم هوشمند براي طراحي مبدل هاي حرارتي است ، اين سيستم به كار گرفته شده است تا با طراحي مسير عبور جريان مبرد در كنداسورهاي لوله ـ پرّه دار ظرفيت آنها رابه حداكثر برساند .

اين برنامه ( ISHED ) در يك حالت نيمه دارويني ( Darwinian ) عمل مي كند و سعي مي كند تا مسير هايي را براي عبور جريان پيدا كند كه ظرفيت كنداسور را براي شرايط خاص كار كرد و پيش فرض هاي طراحي كنداسور به حداكثر برساند . در اينجا نمونه هايي از مسير هاي بهينه سازي وجود دارد كه براي ۶ مبرد گوناگون طراحي شده است .

ISHED نشان داد كه مي تواند ساختاري از مسير عبور جريان را ، با ظرفيت هايي برابر و حتّي بيشتر از ظرفيت هاي بدست آمده با روش هاي محاسباتي و طراحي دستي به وجود آورد ، به ويژه در مواردي كه هوا با توزيع غير يكنواخت وارد مي شود .
مقدمه :
اِواپراتورها ( بخار كننده ها ) و كنداسورها ي لوله ـ پرّه دار از انواع عمدة مبدل هاي مبرد ـ هوا هستند . عملكرد آنها تحت تأثير تعداد زيادي از پارامتر هاي طراحي است ، برخي از اين پارامترها محدود مي شوند به سفارش ها و يا قابليت ها و توانايي هاي توليد و ساختِ صنعتيِ كه در دسترس مي باشد . هنگامي كه ابعاد خارجي مبدل ، قطر لوله ، فاصله گذاري بين لوله ها و پرّه ها و محدودة سطح انتقال حرارت معين شد ، مهندس طراح بايستي ترتيبي براي قرار گيري لوله

هايي كه مرتبط با تعيين جريان مبرد در داخل لوله هاي مارپيچي هستند مشخص كند . در واقع هدف مهندس طراح مشخص كردن مسيري است ، كه مبرّد در آن مسير ، ظرفيتِ دِبي لوله هاي مارپيچي را به حداكثر مقدار خود برساند . تعداد اين مسيرها ، كه براي عبور جريان مبرد ، مي توان يكي از آنها را برگزيد مشخص هستند . براي مثال يك مبدل حرارتي سه رديفه با دوازده لوله در هر

رديف تقريباً داراي ۲ x 1045 حالت ممكن به عنوان ساختارِ مسير عبور جريان است . اكنون مي توان گفت فرآيند طراحي مسير عبور جريان در وحلة اوّل توسط تجربه مهندس طراح و پس از آن به كمك برنامه هايي كه عملكرد مبدل را شبيه سازي مي كنند هدايت مي شود . (انتخاب) طراحي يك مسير جريان بهينه براي مبرد وقتي سخت تر مي شود كه توزيع جريان هوا بر روي سطح لوله هاي مارپيچ داخل مبدل به طور غير يكنواخت باشد . در چنين حالتي ، ممكن است مهندس طراح به اشتباه بياُفتد و تغييرات سرعتِ جريان هوا را يكنواخت فرض كند ، كه در چنين شرايطي اين فرض ،

كاهش ظرفيت را براي مبدل به دنبال خواهد داشت ( Chwalow Skietal : 1989 ) . در ميان مقالاتي كه در حال بررسي در رابطه ، باعث بهينه سازي مسير جريان مبرد هستند ، يك ارزيابي تحليلي دربارة تعداد بهينه لوله هاي موازي در يك اِواپراتور ( تبخير كننده ) نشان داد كه حداكثر ظرفيت مبدل هنگامي ميسّر مي شود كه افت دماي اشباع مبرّد برابر با ۳۳% اختلاف دماي ميانگين بين مبرد و ديوارة لوله باشد ( Granryd and Palm 2003 ) . بررسي شبيه سازي ۶ چيدمان براي مسير جريان ، ما را به اين نتيجه رساند كه ، با يك طراحي مناسب و درست براي مسير جريان مبرد ، ممكن است ، سطح انتقال حرارت در قياس با ساختار هايي رايج به اندازه ۵% كاهش يابد ( Liangetall . 2001 ) .

بررسي ديگر با توجه به عملكرد هاي متناوب R22 ، نشان داد كه در كندانسورها ، مبرّدهاي گوناگون ، براي به حداكثر رساندن ظرفيت مبدل ( كندانسور ) نياز به ساختار هاي گوناگون در مسير جريان دارند .
( Cassonetal . 2002 ) . نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه ، مبردهاي فشار بالا ، هنگامي كه با جريان جزئی بالا استفاده مي شوند ، مؤثرتر از R22 هستند و علت آن افت كم دماي اشباعشان است و به علت اين امر نيز ، افت فشاري است كه مبرد دچار آن مي شود . اين نتيجه گيري ، مفهوم فاكتور جريمه را ( Penalty Factor ) بيشتر روشن مي كند ( Cavalliniatal . 2000 ) ، كه در محاسبه اُفت دماي اشباع مبرد در طي يك چگالش با جابجايي اجباري به كار گرفته مي شود . يك وجه مشترك بين تمامي مطالعات و بررسي هاي ذكر شده بالا ، اين است كه تمامي آنها مبدل

هاي حرارتي لوله ـ پرّه دار ، با چيدمان هاي اوّليه متفاوت براي مسير جريان را مورد توجه قرار داده اند . اكنون يك نگرش امكان پذير است ، با پيشرفت هايي كه در ساخت ماشين هاي هوشمند به وجود آمده ، طرح هاي مدار حركت ، كه بر اساس ، اقتضاي شرايط ايجاد مي شوند ، مي توانند براي بكارگيري مبدلهاي خاص با توزيع هواي ورودي يكنواخت و غير يكنواخت توليد شوند . اين توانايي ها به اثبات رسيده است ، چگونه !؟به وسيله يك سيستم بهينه سازي جديد و متفاوت به نام

ISHED ( Domanskietal . 2004a ) . پي گيري كار مشخص كرد ، كه به كارگيري ISHED براي بهينه سازي مدار حركتِ ( مسير ) مبرد در اِواپراتورهايي كه با ايزو بوتان ( R600a) ، R134a ، پروپان ( R290 ) ، R22 ، R140a ، R32 كار مي كنند ميسّر است . ( Domanskietal . 2004b ) . در اين مقاله به كار گيري ISHED را براي كندانسورهايي كه با همين ۶ مبرد كار مي كنند ، شرح و سبط مي دهيم .

۲- بهينه سازي مدار حركت مبرد با ISHED :
شكل ۱ يك دیاگرام از سيستم ISHED را نشان مي دهد . اين سيستم مركب است از يك شبيه ساز مبدل حرارتي ، كه ظرفيت هاي مبدل را متناسب با ساختارهاي گوناگون مسير جريان (مدارحركت ) فراهم مي سازد و يك دستگاه برنامه ساز كه در آماده كردن ساختارهاي جديد شركت مي كند .

ISHED از يك نظريه تحوليِ همراه با جابجايي استفاده مي كند ، كه در آن ISHED در يك برنامة توليد ساختار مدار جريان عمل مي كند ، هر قسمت از اين فرآيند توليد ، به وسيله شبيه ساز تغيير مي كند ، كه ظرفيتي را به عنوان يك مقدار مناسب عددي براي مبدل فراهم مي سازد . طرح هاي مدار حركت ( جريان ) و مقادير مناسب ظرفيت شان براي تصميم گيري دربارة توليد طرح هاي بعدي مدار جريان ، به برنامه كنترل ( Control Modnle ) بر مي گردند . از اين پس فرآيند بهينه سازي به يك حلقه تكرار برده مي شود و به تعداد توليدات مشخص شده تكرار مي شود . از ديگر طرح هاي ISHED ، استفاده از دو برنامه ساز ، به عنوان نسل جديدي از توليد كننده هاي مسير جريان مبرد است . اين دو برنامه ساز عبارتند از :

– Based Evolutionary Computational / Module Knowledge Symbolic Learning Module.
برنامه ساز يا همان كنترل كنندة برنامه تصميم مي گيرد كه چه برنامه اي را براي (توليد) ايجاد مدارِ بعدي مورد استفاده قرار گيرد . در ابتداي برنامه بهينه سازي ،
– Based Evolutionary Computational / Module Knowledge Symbolic Learning Module.
تا زماني كه ، ظرفيت هاي حاصل از توليدات مدار حركت ، بهينه باشد مورد استفاده قرار مي گيرد ، سپس در صورت بهينه نبودن ظرفيت ها با برنامه قبلي فرآيند با برنامه Learning ـ Symbolic عوض

مي شود و اين برنامه نيز تا زماني كه باعث بهبود ظرفيت حاصل از توليدات مدار حركت مي شود ، اجراء مي شود و اين تعويض شدن دو برنامه با يكديگر به طور متناوب ، با توجه به ظرفيت ماكزيمم ادامه پيدا مي كند . اين عمل ( تعويض شدن دو برنامه با يكديگر ) توسط بخش كنترل كنندة برنامه ها انجام مي شود .

ساختار تابعيِ ISHED ـ Figure 1
مدل شبيه سازي شده مورد استفاده در اين سري مطالعات ، COND ، متشكل است از برنامه شبيه سازي COND ـ EVAP ( NIST . 2003 ) . COND در يك طرح لوله به لوله تهيه و سازماندهي شده است كه به كاربر اجازه مي دهد تا يك ساختار دلخواه براي مسير جريان مبرد و يك توزيع يك بعدي دلخواه براي هواي ورودي مشخص كند . هنگامي كه مبرد در داخل يك لوله از بخار فوق گرم به جريان دو فازي تغيير مي كند و يا از يك جريان دو فازي به مايع مادون سرد تغيير مي كند ، برنامه محل عبور و انتقال را تعيين مي كند ، و اُفت فشار و انتقال حرارت وابسته به همان قسمت را

درخواست مي كند . به عنوان هدف اصلي اين تحقيق ، ما توانايي كلي COND ( سرعت و واگرايي ) را بهبود بخشيديم ، و اُفت فشار مربوطه را در لوله هاي راست بالا برديم ، (Muller – SteinhagenandHeck 1986 ) و خم ها ( مثل زانويي ها ) را به طول هاي راست تبديل كرديم .
( Idelchik 1986 ) .

خواص مبردهاي مورد بررسي :
جدول ۱ مبرّدهاي مورد استفاده در اين تحقيق را ارائه مي دهد . اين مبرّد ها به خاطر اين برگزيده شده اند كه گسترة وسيعی از خواص فيزيكي راكه بر روي مبدل حرارتي و عملكرد سيستم هوشمندِ ما تأثير مي گذارند ، در خود جاي مي دهند .
اطلاعات مربوط به مبردها ـ جدول ۱
GWP
looyearshorizon ايمني حرارتي گرماي ويژه
مولي بخار
( j/mol ) جرم مولي
( g/mol ) فشار بخار
اشباع
( kpa )2 مبرّد

( ۱ ) خواص تمامي سيالات بر اساس Refprop ( Lemmonetall . 2002 ) .
( 2 ) مربوط به دماي شبنم ۴۵C .
( 3 ) در فشار ثابت .
( ۴ ) ( Ash Rae2001 ) .
( 5 ) پتانسيل گرمايي جهاني .
( ۶ ) ( Calm and Hourahan . 2001. Ipcc2001 ) .

تفاوتها در خواص ترموديناميكي مبرّدهاي تحت مطالعه و بررسي را مي توان به طور كاملاً واضح و آشكار در دياگرام دما ـ آنتروپي مشاهده كرد ، اين دياگرام در شكل ۲ ارائه شده است ، كه آنتروپي در آن ، با توجه به مقياسِ مطابق شكل ، يك مقايسه كيفي را ميسر مي سازد . قسمت هاي گنبدي شكلِ دو فازيِ نشان داده شده در منحني هاي دياگرام شكل ۲ به طور قابل توجهي متفاوت هستند ، كه اين امر عمدتاً ناشي از تفاوت دماي بحراني و گرماهاي ويژه مولي مي باشد ، در نتيجه بر اساس يك سري از اصول تئوري ترموديناميكي ، سيال هاي انتخاب شده به هنگام

تحويل و تغيير فاز در يك سيكل تراكمي بخار داراي ضريب عملكرد هاي بسيار متفاوتي هستند . با ملاحضه و بررسي عملكرد كندانسور متوجه مي شويم كه ، محل نقطة بحراني و گرماي ويژه مولي بر روي درجه حرارت فوق گرم بخار در ورودي كندانسور تأثير مي گذارد ، همچنين بر روي دماي بحراني ، فشار كندانسور ، چگالي بخار و تغيير دماي اشباع متناسب با فشار نيز تأثير مي گذارد .

در ميان خواص متغير ، ضريب انتقال حرارت هدايتي مايع و چگالي آن براي عملكرد مبدل از اهميت ويژه اي بر خوردارند . شكل ۳ اين خواص را براي مبردهاي بررسي شده نسبت به خواص مشابه در R22 نمايش مي دهد . ( در جايي كه Tsat و P دما و فشار نقطة شبنم را مشخص مي كند .)

Figuer2
دياگرام دما ـ آنتروپي براي مبردهاي بررسي شده ( آنتروپي مطابق با عرض ( پهناي ) ناحية گنبدي شكل مربوط به ناحية دو فازي مي باشد .

Figure3
خواص تر مو فيزيكي مبرد هاي انتخاب شده نسبت به خواص R22 در دماي C 45
هدف از فرآيند طراحي مبدل حرارتي استخراج كردن ( پيدا كردن ) خواصي از مبدل است ، كه به كمك آنها ، در طراحي ، ظرفيت مبدل را به حداكثر برسانيم . اين امر مهم وابستگي شديد دارد ، به تعيين مدار حركت مبرّد با جريان جرمي بهينه كه براي ضريب انتقال حرارت مبرد در افت فشار قابل قبول و مناسب ، مفيد خواهد بود . ديگر مسئله قابل توجه و ملاحظه ايجاد ساختاري براي مدار

حركت مبرد است ، تا بتواند نقش يك مبدل ، با يك جريان تركيبي هم جهت ـ مختلف الجهت را بين مبرد و هوا ايفا كند . با توجه به تعداد خواص مبرد كه بر روي عملكرد كندانسور تأثير مي گذارند ة پيدا كردن طرح مدار حركت ( جريان ) بهينه ، يك امر مهم و بسيار دشوار است ، حتي براي يك مهندس طراح با تجربه .
كندانسور انتخاب شده و شرايط كا

ر كرد :
در اين بررسي ما از يك كندانسور دو رديفه مشابه با يك سيستم هوا ساز ۵٫۲ kw . استفاده کردیم. جدول ۲ پارامترهاي طراحي كندانسور را نشان مي دهد . شرايط كاركرد براي هوا به صورت زير تعريف شده :
دماي هواي ورودي C 35 ، رطوبت نسبي ۵۰% و فشار ۱۰۱٫۳۲۵ kpa .
حال ياد آوري مي كنيم كه اين پروژه تحقيقاتي تغييرات سرعت يكنواخت و غير يكنواخت هواي ورودي را بررسي مي كند . براي تمامي مسيرهاي بهينه سازي و شبيه سازي ، ما دماي اشباي ورودي كندانسور را در C 45 ثابت نگه داشتيم و دماي مادون سرد را در ۵C ، اما براي هر سيال يك دماي مافوق گرم متفاوت تعريف كرديم . ما دماي فوق گرم را بر اساس شرايط خروجي اِواپراتور كه دماي اشباع در آن C 7.2 ، C 5 محاسبه كرديم و همچنين براي راندمان فشار ، مقدار ۷۰% را محاسبه كرديم . اين نظريه براي تعيين وضعيت مبرد در ورودي كندانسور به عنوان يك پيش فرض در نظر گرفته شده است .

Table 2

اطلاعات طراحي كندانسور

Table 3
شرايط مبرد در ورودي كندانسور
۵- بهينه سازي مدار جريان كندانسور :

هر مسير بهينه سازي ISHED ، از ۵۰۰ شكل مختلف كه هر شكل مي تواند خود نيز داراي ۲۰ حالت گوناگون براي مدار جريان باشد ، تشكيل شده است . از اين رو هر يك از مسيرهاي بهينه سازي مي تواند داراي ۱۰۰۰۰ شكل و حالت منحصر به فرد براي تحول و ساختار مدار حركت سيال باشد . به محظ تكميل شدن فرآيند بهينه سازي ، ما بهترين طرح را بررسي كرديم و آن را اصلاح نموديم تا با مشكلات و واقعيات مراحل ساخت مطابقت پيدا كند .

ما فرآيند هاي بهينه سازي را در دو سري تقسيم بندي كرديم :
۱ بهينه سازي براي توزيع يكنواخت هواي ورودي
۲ بهينه سازي براي توزيع غير يكنواخت هواي ورودي
نتايج بدست آمده براي توزيع يكنواخت هواي ورودي :
ما طراحي را به طريقه دستي براي ۱۴ ساختار گوناگون مدار جريان آغاز كرديم . اين طرح هاي دستي در ۵ فرم كلي تشكيل شده بودند . اين طرح ها شامل طرح يك مداره ، دو مدارة هم گرا به يك لوله مشترك ، سه مدارة هم گرا به يك لوله مشترك ، دو مدارة جدا گانه ، چهار مدارة جداگانه و يك طرح با هفت مدار جداگانه بودند .

ما اين طرح ها را با Cond براي هر مبرد تغيير داديم وسپس عمليات بهينه سازي را با استفاده از ISHED اجراء كرديم . براي مبردهاي R290 ، R22 ، R32 ، R410a ، ISHED طرح هاي مدار جريان را با يكي كردن دو شاخه از مدار جريان در يك نقطه مشترك به ما برگرداند .
براي دو مبرد باقي مانده ، يعني R134a و R600a كه فشار اشباع پايين تري نسبت به گروه اول دارند ، ISHED مدار جريان را با يكي كردن سه شاخه از مدار در يك نقطة مشترك طراحي كرد .
شكل ۴ نتايج بدست آمده از بهترين طرح هاي دستي براي ساختار مدار جريان و ساختار هاي بهينه سازي شده توسط ISHED را نشان مي دهد . براي هر يك از مبرّدهاي طرح ISHED بهتر يا حداقل از لحاظ باز دهي معادل با بهترين طرح هاي دستي براي مسيرهاي مدار جريان دستي .
شكل۴
ظرفيت هاي كندانسور براي قسمت هاي مربوط به طراحي هاي دستي و طراحي هاي بهينة ISHED

با توجه به دانش خواص سيالات ، به نظر منطقي مي رسد كه سيالات تحت مطالعه و بررسي به لحاظ وضعيت و شكل و شمايلي كه در شكل ۴ نشان داده شده است ، يك طبقه بندي و دسته بندي نسبي داشته باشند .
R600a تأثير پذيري نا سازگارتري نسبت به ديگر مبرّد ها در مقابل افزايش جريان جرمي از خود نشان مي دهد ، و به نظر مي رسد كه اين مبرّد براي جريان هاي هم سو ( Parallel ) عمل كرد بهتر و سودمند تري نسبت به ديگر مبرّد ها از خود نشان مي دهد و بر عكس اين حالت براي مبرّد R32 صادق است . ISHED در ابتداي فرآيند بهينه سازي از اين خصوصيات هيچ گونه آگاهي ندارد

 امّا مي فهمد كه يك سري خواص مشخص ، نتايج بهتر و مطلوب تري در بر دارند و بنا براين در هر توليد ( ايجاد يك مسير جريان براي حركت سيال در مدار ) نسبت به توليد قبل بيشتر از اين خواص بهره مي گيرد . ما ممكن است اين موضوع را در ذهن خود داشته باشيم ، كه اگر چه مدار هاي بهينه ISHED براي سيال مربوطة شان بي نظيرند ، امّا طرح هاي مشابه براي انواع مبرد ها ، تقريباً مشابه عمل مي كرد .