Design options reduce exchanger cost

Heat exchanger design is a complex task involving the selection of a large number of interdependent design parameters. There are no established general techniques for optimizing the design, though a few earlier attempts provide computer software based on gradient methods, case study methods, etc. The authors felt that it would be useful to determine the nature of the optimal and near-optimal feasible designs to devise an optimization technique. Therefore, in this article they have obtained a large number of feasible designs of shell and tube heat exchangers, intended to perform a given heat duty, by an exhaustive search method. They have studied how their capital and operating costs varied. The study reveals several interesting aspects of the dependence of capital and total costs on various design parameters. The authors considered a typical shell and tube heat exchanger used in an oil refinery. Its heat duty, inlet temperature and other details are given.

Studies on helium flow in experimental loops with different impedances operated with fountain effect pumps

An experimental flow loop with He II flow driven by fountain effect pumps (FEPs) is studied with respect to operation at different flow impedances and with thermal loads applied at different positions. The measured values of temperature, flow rate and pressure drop are compared with calculations resulting from a simplified model which assumes ideal performance of the porous plug and of the heat exchangers and which does not take into account Gorter-Mellink (GM) conduction. The main features of the loop are shown to be well described by this model. Refined calculations with a more complex model, including GM conduction of the He II, are only required for predicting the temperature distribution in some discrete regions of the loop.

Effect of cryogenic treatment on thermal conductivity properties of copper

Copper exhibits high thermal conductivity properties and hence it is extensively used in cryogenic applications like cold fingers, heat exchangers, etc. During the realization of such components, copper undergoes various machining operations from the raw material stage to the final component. During these machining processes, stresses are induced within the metal resulting in internal stresses, strains and dislocations. These effects build up resistance paths for the heat carriers which transfer heat from one location to the other. This in turn, results in reduction of thermal conductivity of the conducting metal and as a result the developed component will not perform as per expectations. In the process of cryogenic treatment, the metal samples are exposed to cryogenic temperature for extended duration of time for 24 hours and later tempered. During this process, the internal stresses and strains are reduced with refinement of the atomic structure. These effects are expected to favourably improve thermal conductivity properties of the metal. In this experimental work, OFHC copper samples were cryotreated for 24 hours at 98 K and part of them were tempered at 423K for one hour. Significant enhancement of thermal conductivity values were observed after cryotreating and tempering the copper samples.

Experiments on thermal response of low aspect ratio packed beds at high Reynolds numbers with varying inflow temperature

An experimental study for transient temperature response of low aspect ratio packed beds at high Reynolds numbers for a free stream with varying inlet temperature is presented. The packed bed is used as a compact heat exchanger along with a solid propellant gas-generator, to generate room temperature gases for use in applications such as control actuation and air bottle pressurization. Packed beds of lengths similar to 200 mm and 300 mm were characterized for packing diameter based Reynolds numbers, Re-d ranging from 0.6 x 10(4) to 8.5 x 10(4). The solid packing used in the bed consisted of circle divide 9.5 mm and circle divide 5 mm steel spheres with suitable arrangements to eliminate flow entrance and exit effects. The ratios of packed bed diameter to packing diameter for 9.5 mm and 5 mm sphere packing were similar to 9.5 and 18 respectively, with the average packed bed porosities around 0.4. Gas temperatures were measured at the entry, exit and at three axial locations along centre-line in the packed beds. The solid packing temperature was measured at three axial locations in the packed bed. An average Nusselt number correlation of the form Nu(d) = 3.91Re(d)(05) for Re-d range of 10(4) is proposed. For engineering applications of packed beds such as pebble bed heaters, thermal storage systems, and compact heat exchangers a simple procedure is suggested for calculating unsteady gas temperature at packed bed exit for packing Biot number Bi-d < 0.1. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Evaluation of carbon dioxide blends with isopentane and propane as working fluids for organic Rankine cycles

The main theme of this paper is to study the flammability suppression of hydrocarbons by blending with carbon dioxide, and to evaluate these mixtures as possible working fluids in organic Rankine cycle for medium temperature concentrated solar power applications. The analysis takes into account inevitable irreversibilities in the turbine, the pump, and heat exchangers. While the isopentane + CO2 mixture suffers from high irreversibility mainly in the regenerator owing to a large temperature glide, the propane + CO2 mixture performs more or less the same as pure propane albeit with high cycle pressures. In general, large temperature glides at condensing pressures extend the heat recovery into the two-phase dome, which is an advantage. However, at the same time, the shift of the pinch point towards the warm end of the regenerator is found to be a major cause of irreversibility. In fact, as the number of carbon atoms in alkanes decreases, their blend with CO2 moves the pinch point to the colder end of the regenerator. This results in lower entropy generation in the regenerator and improved cycle efficiency of propane + CO2 mixtures. With this mixture, real cycle efficiencies of 15-18% are achievable at a moderate source temperature of 573 K. Applicability for a wide range of source temperatures is found to be an added advantage of this mixture.

Comparison of CO2 and steam in transcritical Rankine cycles for concentrated solar power

High temperature, high pressure transcritical condensing CO2 cycle (TC-CO2) is compared with transcritical steam (TC-steam) cycle. Performance indicators such as thermal efficiency, volumetric flow rates and entropy generation are used to analyze the power cycle wherein, irreversibilities in turbo-machinery and heat exchangers are taken into account. Although, both cycles yield comparable thermal efficiencies under identical operating conditions, TC-CO2 plant is significantly compact compared to a TC-steam plant. Large specific volume of steam is responsible for a bulky system. It is also found that the performance of a TC-CO2 cycle is less sensitive to source temperature variations, which is an important requirement of a solar thermal system. In addition, issues like wet expansion in turbine and vacuum in condenser are absent in case of a TC-CO2 cycle. External heat addition to working fluid is assumed to take place through a heat transfer fluid (HTF) which receives heat from a solar receiver. A TC-CO2 system receives heat though a single HTF loop, whereas, for TC-steam cycle two HTF loops in series are proposed to avoid high temperature differential between the steam and HTF. (C) 2013 P. Garg. Published by Elsevier Ltd.

Two-Phase Flow With Phase Change in Porous Channels

Phase change heat transfer in porous media finds applications in various geological flows and modern heat pipes. We present a study to show the effect of phase change on heat transfer in a porous channel. We show that the ratio of Jakob numbers based on wall superheat and inlet fluid subcooling governs the liquid-vapor interface location in the porous channel and below a critical value of the ratio, the liquid penetrates all the way to the extent of the channel in the flow direction. In such cases, the Nusselt number is higher due to the proximity of the liquid-vapor interface to the heat loads. For higher heat loads or lower subcooling of the liquid, the liquid-vapor interface is pushed toward the inlet, and heat transfer occurs through a wider vapor region thus resulting in a lower Nusselt number. This study is relevant in the designing of efficient two-phase heat exchangers such as capillary suction based heat pipes where a prior estimation of the interface location for the maximum heat load is required to ensure that the liquid-vapor interface is always inside the porous block for its operation.

High temperature direct double side cooled inverter module for hybrid electric vehicle application

In this paper a novel approach to the design and fabrication of a high temperature inverter module for hybrid electrical vehicles is presented. Firstly, SiC power electronic devices are considered in place of the conventional Si devices. Use of SiC raises the maximum practical operating junction temperature to well over 200°C, giving much greater thermal headroom between the chips and the coolant. In the first fabrication, a SiC Schottky barrier diode (SBD) replaces the Si pin diode and is paired with a Si-IGBT. Secondly, double-sided cooling is employed, in which the semiconductor chips are sandwiched between two substrate tiles. The tiles provide electrical connections to the top and the bottom of the chips, thus replacing the conventional wire bonded interconnect. Each tile assembly supports two IGBTs and two SBDs in a half-bridge configuration. Both sides of the assembly are cooled directly using a high-performance liquid impingement system. Specific features of the design ensure that thermo-mechanical stresses are controlled so as to achieve long thermal cycling life. A prototype 10 kW inverter module is described incorporating three half-bridge sandwich assemblies, gate drives, dc-link capacitance and two heat-exchangers. This achieves a volumetric power density of 30W/cm3.

Modelagem, simulação e otimização operacional de unidades de síntese de metanol

A indústria de processos químicos tem sofrido consideráveis transformações devido ao acirramento da competitividade. Importantes progressos tecnológicos têm sido atingidos através de técnicas de modelagem, simulação e otimização visando o aumento da lucratividade e melhoria contínua nos processos industriais. Neste contexto, as plantas de metanol, um dos mais importantes produtos petroquímicos, podem ser destacadas. Atualmente, a principal matéria-prima para obtenção de metanol é o gás natural. A produção do metanol é caracterizada por três etapas: geração de gás de síntese, conversão do gás de síntese em metanol (unidade de síntese ou loop de síntese) e purificação do produto na especificação requerida. Os custos fixos e variáveis da unidade de síntese são fortemente dependentes das variáveis operacionais, como temperatura, pressão, razão de reciclo e composição da carga. Desta forma, foi desenvolvido um conjunto de modelos e algoritmos computacionais para representar matematicamente unidades de síntese de metanol. O modelo apresenta operações unitárias associadas aos seguintes equipamentos: divisores de correntes, misturadores de correntes, compressores, trocadores de calor, vasos de flash e reatores. Inicialmente, foi proposto um simulador estacionário, que serviu como base para um pseudo-estacionário, o qual contempla a desativação do catalisador por sinterização térmica. Os simuladores foram criados segundo uma arquitetura seqüencial modular e empregou-se o método de substituição sucessiva para a convergência dos reciclos. O estudo envolveu dois fluxogramas típicos, um constituído por reatores adiabáticos em série, enquanto o outro constituído por um reator tipo quench. Uma análise do efeito das principais variáveis operacionais foi realizada para o reator e para o loop de síntese. Estudou-se também o efeito da desativação do catalisador ao longo do tempo. Uma ferramenta de otimização operacional foi empregada para alcançar a máxima produção manipulando as injeções de carga fria na entrada dos leitos catalíticos. Formulou-se também um problema de maximização do lucro em função da otimização de paradas da unidade para troca do catalisador. Os resultados obtidos apontam que a ferramenta desenvolvida é promissora para a compreensão e otimização da unidade objeto deste estudo

Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura

Uma abordagem matricial para modelagem e simulação de redes de trocadores de calor com aplicações para o gerenciamento da deposição

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor

Otimização da programação das limpezas em redes de trocadores de calor utilizando técnicas de programação matemática

Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Flexible conversion ratio fast reactors: Overview

Conceptual designs of lead-cooled and liquid salt-cooled fast flexible conversion ratio reactors were developed. The performance achievable by the unity conversion ratio cores of these reactors was compared to an existing supercritical carbon dioxide-cooled (S-CO2) fast reactor design and an uprated version of an existing sodium-cooled fast reactor. All concepts have cores rated at 2400 MWt. The cores of the liquid-cooled reactors are placed in a large-pool-type vessel with dual-free level, which also contains four intermediate heat exchangers (IHXs) coupling a primary coolant to a compact and efficient supercritical CO2 Brayton cycle power conversion system. The S-CO2 reactor is directly coupled to the S-CO2 Brayton cycle power conversion system. Decay heat is removed passively using an enhanced reactor vessel auxiliary cooling system (RVACS) and a passive secondary auxiliary cooling system (PSACS). The selection of the water-cooled versus air-cooled heat sink for the PSACS as well as the analysis of the probability that the PSACS may fail to complete its mission was performed using risk-informed methodology. In addition to these features, all reactors were designed to be self-controllable. Further, the liquid-cooled reactors utilized common passive decay heat removal systems whereas the S-CO2 uses reliable battery powered blowers for post-LOCA decay heat removal to provide flow in well defined regimes and to accommodate inadvertent bypass flows. The multiple design limits and challenges which constrained the execution of the four fast reactor concepts are elaborated. These include principally neutronics and materials challenges. The neutronic challenges are the large positive coolant reactivity feedback, small fuel temperature coefficient, small effective delayed neutron fraction, large reactivity swing and the transition between different conversion ratio cores. The burnup, temperature and fluence constraints on fuels, cladding and vessel materials are elaborated for three categories of material - materials currently available, available on a relatively short time scale and available only with significant development effort. The selected fuels are the metallic U-TRU-Zr (10% Zr) for unity conversion ratio and TRU-Zr (75% Zr) for zero conversion ratio. The principal selected cladding and vessel materials are HT-9 and A533 or A508, respectively, for current availability, T-91 and 9Cr-1Mo steel for relatively short-term availability and oxide dispersion strengthened ferritic steel (ODS) available only with significant development. © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.