Thermal design and optimization of shell and tube heat exchanger through metaheuristic algorithms

Abstract

Objective: The purpose of this thesis is to investigate the thermal performance of a shell and tube heat exchanger with six various nanofluids and optimization by applying Metaheuristic Algorithms called African Vulture Optimization Algorithm (AVOA). Material and Methods: Since metaheuristic methods are algorithms with stochastic characteristics, thirty independent simulation results for each six nanoparticle heat exchanger simulation were obtained by AVOA. In order to measure the stability of independent results, statistical analysis test was applied to the obtained numerical data and the precision of the results was investigated. Then, the numerical results obtained for the heat exchanger simulation using each different nanofluid was compared. As the last phase, a sensitivity test was performed. Results: SiO2 based nanofluid was obtained the highest heat transfer coefficient among other options, the study with SiO2 nanoparticles were obtained the most stable results in AVOA, and were gotten the lowest standard deviation result of 1321.44. Water – SiO2 nanofluid was obtained the lowest cost with 21116.83 €. Conclusion: Along with, SiO2 has proven to be the most stable nanoparticle in the algorithm, SiO2, among other options, provides the optimal solution for a real-world engineering problem. SiO2 proving its superiority over other nanoparticles for a shell-and-tube heat exchanger.

Amaç: Bu araştırma Afrika Akbaba Optimizasyon Algoritması (AVOA) olarak adlandırılan Metasezgisel Algoritmaları uygulayarak altı farklı nano-akışkan ile ısıl performansı ve bir gövde-boru tipi ısı değiştiricinin optimizasyonunu araştırmak amacı ile yapılmıştır. Materyal ve Yöntem: Her altı nano-parçacıklı ısı değiştirici simülasyonu için otuz adet birbirinden bağımsız simülasyon sonucu AVOA aracılığı ile elde edilmiştir. Elde edilen sayısal verilere istatikstik analiz testi uygulanmış ve sonuçların kesinliği araştırılmıştır. Ardından her farklı nano-akışkan kullanılan ısı değiştirici simülasyonu için elde edilen sayısal sonuçlar karşılaştırılmıştır. Son aşama olarak, çalışma durumunda en düşük toplam maliyeti elde edilen nano-parçacığı kullanılan sistem için bir duyarlılık testi yapılmıştır. Bulgular: SiO2 bazlı nanoakışkan, diğer seçenekler arasında en yüksek ısı transfer katsayısını vermiştir, SiO2 nanoparçacıkları ile yapılan çalışma, AVOA'da en kararlı sonuçları vermiştir ve 1321,44 ile en düşük standart sapma sonucunu almıştır. Su – SiO2 nanoakışkanı aynı zamanda 21116,83 € ile en düşük maliyeti vermiştir. Sonuç: SiO2'nin algoritmadaki en kararlı nanoparçacık olduğu kanıtlanmış olmakla birlikte, SiO2 diğer seçeneklerin yanı sıra gerçek dünyadaki bir mühendislik problemi için en uygun çözümü sağmıştır. SiO2, bir kabuk-boru ısı eşanjörü için diğer nanoparçacıklara göre üstünlüğünü kanıtlıyor.