Metodología de programación no lineal y formulaciones de programación no lineal entera mixta para la optimización de redes de intercambio de calor con topología pre-establecida Público Deposited
Esta tesis se ocupa del desarrollo de herramientas para la optimización global de redes de intercambio de calor con topología pre-establecida. En el Capítulo 1, se presenta brevemente el estado del arte en la síntesis de redes de intercambio de calor, para sentar las bases del surgimiento y la importancia del problema de diseño óptimo, objeto de estudio en esta tesis. En el Capítulo 2, se plantea el problema de diseño óptimo de una red de intercambio de calor, dada una topología que ha sido pre-establecida por una metodología de síntesis. Se presenta un modelo de programación no lineal (P) que minimiza el costo total anual de la red con base en la representación de la estructura de la red mediante un diagrama de malla por etapas que permite incorporar elementos comprendidos en esquemas de superestructura así como otros elementos topológicos. Se propone una metodología estocástica multiarranque en dos fases para realizar una exploración adecuada de la región factible del modelo en búsqueda de una solución. La aplicación de las estrategias de modelado y el algoritmo de optimización global estocástica se ilustra con la solución detallada de dos problemas con 9 y 10 corrientes de proceso y con 15 y 11 intercambiadores de calor, respectivamente. En el Capítulo 3, se explora la optimización global determinista de una red de intercambio de calor con topología pre-establecida. Se presentan cuatro formulaciones para el acotamiento inferior riguroso del costo total anual de la red usando estimadores convexos por segmentos para la relajación de los términos no convexos involucrados en la función objetivo de costo y en los balances de energía en sub-corrientes. Se desarrollan con base en una relajación convexa básica que sólo requiere cotas de cargas térmicas, por lo que se establecen mallas uniformes y no uniformes en el dominio de las cargas térmicas de los equipos de intercambio de calor. El desempeño de cada formulación y cada estrategia de mallado se ilustra con un caso de estudio que cuenta con 5 corrientes de proceso y 4 intercambiadores de calor en la red. En el Capítulo 4, se resumen los principales resultados y contribuciones de la disertación, se comentan algunas conclusiones y se esbozan algunas recomendaciones para el trabajo futuro.
This dissertation is concerned with the development of techniques for stochastic and deterministic global optimization of heat exchanger networks with fixed topology. In Chapter 1, we briefly present the state of the art in the synthesis of heat exchanger networks, to establish the origin and the importance of the optimal design problem with which we work on this thesis. Chapter 2 of this dissertation poses the problem of optimal design of a heat exchanger network, given a topology that has been pre-established by a synthesis methodology. A nonlinear programming model (P) is presented that minimizes the total annual cost of the network and it is constructed based on a stage-wise grid diagram representation. The stage-wise grid diagram allows incorporating structural elements included in the superstructures as well as other topological elements. To improve the possibilities of obtaining global optimal designs, a two-phase stochastic multi-start optimization algorithm is proposed for the solution of the developed model. The methodology is utilized to carry out an adequate exploration of the feasible region of the non-convex model in search of a solution. The effectiveness of the proposed modeling strategies and the stochastic global optimization algorithm is illustrated with the detailed solution of two problems with 9 and 10 process streams and with 15 and 11 heat exchangers, respectively. Chapter 3 explores the deterministic global optimization of a heat exchanger network with fixed topology. Four convex models are presented for the lower bounding operation of the total annual cost. The underestimating problems are constructed using piecewise underestimating functions for non-convex terms involved in the area cost of heat exchangers and in the energy balances for sub-streams. In order to set up these inequalities only bounds for the heat duties are required, so the relaxations are constructed over a uniform and non-uniform partition of the domain for heat duties. The performance of each convex underestimating problem and each partition strategy is illustrated with the solution of a case study that has 5 process streams and 4 heat exchangers in the network. Chapter 4 summarizes the main results and contributions of the dissertation, and outlines several recommendations for future work.
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