A rewriting grammar for heat exchanger network structure evolution with stream splitting

The design of cost optimal heat exchanger networks is a difficult optimisation problem due both to the nonlinear models required and also the combinatorial size of the search space. When stream splitting is considered, the combinatorial aspects make the problem even harder. This paper describes the implementation of a two level evolutionary algorithm based on a string rewriting grammar for the evolution of the heat exchanger network structure. A biological analogue of genotypes and phenotypes is used to describe structures and specific solutions respectively. The top level algorithm evolves structures while the lower level optimises specific structures. The result is a hybrid optimisation procedure which can identify the best structures including stream splitting. Case studies from the literature are presented to demonstrate the capabilities of the novel procedure

Síntese de redes de trocadores de calor utilizando algoritmos genéticos e evolução diferencial

Orientador: Prof Paulo Henrique Siqueira, DScCoorientador: Prof Mauro Antonio da Silva Sá Ravagnani, DScTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa : Curitiba, 26/07/2018Inclui referências: p.72-80Resumo: A sintese de redes de trocadores de calor (RTC) e um problema da engenharia de processos que pode ser matematicamente caracterizado como altamente combinatorio, nao linear e nao convexo. Todos esses aspectos dificultam a identificacao de solucoes localmente otimas em tempo computacional aceitavel. Neste trabalho propoe-se um algoritmo de otimizacao baseado em superestruturas considerando a mistura nao isotermica e a divisao nas correntes. As redes de trocadores de calor sao otimizadas por meio da aplicacao de um novo metodo hibrido de dois niveis que funciona em um nivel superior com Algoritmo Genetico (GA) para otimizar as variaveis discretas e em um nivel inferior com Evolucao Diferencial (ED) para otimizar cargas termicas e fracoes das correntes divididas, visando encontrar solucoes com o minimo custo total anual (CTA). O metodo proposto e aplicado a oito casos estudados e foi eficiente em alcancar solucoes com CTA comparaveis ou inferiores as reportadas anteriormente na literatura. Palavras-chaves: algoritmo genetico. evolucao diferencial. otimizacao. sintese de redes de trocadores de calor.Abstract: Heat Exchanger Networks (HEN) synthesis is a process engineering problem that can be mathematically characterized as highly combinatory, non-linear and non-convex. All these aspects bottleneck the identification of locally optimal solutions at acceptable computational time. This work proposes an optimization algorithm based on superstructures considering non-isothermal mixing and stream splitting. HENs are optimized through the application of a bi-level new hybrid method that works at an upper level with Genetic Algorithm (GA) to optimize discrete variables and at a lower level with Differential Evolution (DE) for optimizing heat loads and stream split fractions in order to find solutions with low total annual costs (TAC). The proposed method is applied to eight literature cases studied and was efficient in obtaining solutions with TAC comparable or lower than those previously reported. Key-words: genetic algorithm. differential evolution. optimization. heat exchanger networks synthesis

Mathematical Modeling and Optimization for Heat Exchanger Network Synthesis

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Modelo matemático y metodología para la optimización de redes de intercambio de calor

En este trabajo se aborda el desarrollo de elementos que apoyan la labor de síntesis de redes de intercambio de calor a través de una mejor valoración de la calidad estructural de un conjunto de diseños preliminares de red. La síntesis y la optimización de redes de intercambio de calor con un enfoque de programación matemática se sustentan en modelos de optimización que exhiben características no convexas dando lugar en muchos casos a la existencia de múltiples soluciones óptimas locales. El problema abordado fue la optimización de redes de intercambio de calor, asumiendo que la topología de red fue previamente establecida por alguna metodología de síntesis. Se buscaron los valores de las distribuciones de flujos, cargas térmicas, áreas de intercambio de calor y temperaturas intermedias de la red de intercambio de calor a través de la minimización de su costo total. El objetivo de este trabajo consiste en evaluar la calidad estructural de diferentes redes de intercambio de calor, para ello se desarrollaron una representación de las redes y con base en ella, un modelo matemático generalizado y una metodología de solución y búsqueda de diseños óptimos locales. En el Capítulo 1 se presenta una revisión del estado del arte en la optimización global de redes de intercambio de calor con métodos deterministas y estocásticos y en el Capítulo 2 se formula el problema de diseño óptimo de una red de intercambio de calor que se estudia. En el Capítulo 3 se propone una representación de las redes de intercambio de calor a través de un diagrama de malla con etapas a las que se asocia la existencia de un intercambiador de calor. Ligado a éste, en el Capítulo 4 se desarrolla un modelo de programación no lineal para la optimización de redes de intercambio de calor sin división de corrientes. En el modelado se definen una serie de conjuntos para las corrientes, los equipos y las etapas del diagrama; con base en ellos, se plantean las ecuaciones que describen los balances de materia y energía y las restricciones de diseño. Para la solución del modelo desarrollado, en el Capítulo 5 se presenta una metodología heurística de búsqueda de soluciones óptimas locales cuyo elemento principal es el multi-arranque, que consiste en la elección de manera aleatoria de diferentes puntos de inicio, a partir de los cuales se intenta resolver el modelo desde diferentes secciones de la región de búsqueda. El modelo propuesto se extiende en el Capítulo 6, para incluir el caso de la optimización de redes de intercambio de calor con división de corrientes. La aplicación de la representación, del modelo y de la metodología se ilustra con nueve ejemplos. Por último en el Capítulo 7, se resumen las aportaciones de este trabajo de investigación y se proponen posibles líneas para trabajo futuro