THE IMPACT OF COST AND FOULING ON HEAT EXCHANGER INVENTORY IN POWER AND REFRIGERATION SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF 200101910-PhD_Dissertation-Bilal_Ahmed_Qureshi.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

يركز الجزء الأول من هذه الدراسة على تأثير الكمية (UA) والتي تعبر عن المخزون الحراري على الاتساخ في المبادلات الحرارية في محطات القوي الكهربائية وأنظمة التبريد و التي يؤدي تزايد الاتساخ فيها إلى تناقص المخزون الحراري. وقد تم اجراء دراسة معملية على وحدة تبريد سعة طن ونصف تبريد تعمل بضغط البخار حيث أوضحت الدراسة أن متغيرات التشغيل والخصائص تتغير بشكل لوغاريثمي مع تغير المخزون الحراري. وبناء على ذلك تمت محاكاة دائرة تبريد ذات أطراف مرتجعة أحادية المرحلة بالإضافة إلى دائرة مبسطة تعمل بضغط البخار. وقد تم استنباط معادلة للتنبؤ بالانخفاض في المخزون الحراري وذلك من الدراسة المعملية ونتائج المحاكاة. وتقوم المعادلة المستنبطة بحساب التغير المتوقع في المخزون الحراري حسب ظروف التشغيل وخواص المواد المستخدمة بنمط لا يعتمد على نظام الوحدات المستخدم وقد تم حساب التغير في نتائج المعادلة بالمقارنة بالنتائج المعملية وكانت متوافقة حيث لا يتعدى الخطأ فيها 1.15%. ومن المتوقع أن تسهم هذه المعادلة في توفير الكثير من التجارب المعملية والمحاكاة في المستقبل. وتم في الجزء الثاني من الدراسة التركيز على الوضع الأمثل على أساس مباديء كل من الديناميكا الحرارية والاقتصاد لمختلف النظم التي تمت دراستها. واشتملت الدراسة على نموذج مبني على الديناميكا الحرارية لوحدة تبريد تعمل بضغط البخار مزودة بنظام تبريد ميكانيكي دوني بالإضافة لمنظومة قوى حرارية مع نظام سخان المياه المغذي. وقد تبين وجود حد أدنى عملي فيما يتعلق بمعادلات التكلفة ذات نمط لا يعتمد على نظام الوحدات المستخدم لنسبة درجة حرارة السوائل المستخدمة مقسومة على درجة الحرارة المطلقة وذلك لكل المعادلات.كما تبينت الصلة بين الدورات مرتجعة النهايات والأخرى الغير مرتجعة وعلاوة على ذلك، فقد وجد أن وظائف التكلفة للدورات والأنظمة المعقدة يمكن استخلاصها من الأنظمة البسيطة. أيضا، إذ كان الفرق الوحيد بين دورات توليد القدرة ودورات التبريد هو ان اتجاه التدفق يكون معاكسا لبعضهم البعض وبالتالي فإن ضرب علامة السالب فى جانب واحد من معادلات التكلفة من شأنه أن يوفر معادلات التكاليف للنظام الآخر. أخيرا، تم تقديم نظرة شمولية لتحسين التكلفة في أنظمة الطاقة والتبريد، الأمر الذي يشكل خطوة إلى الأمام في أيجاد ظروف التشغيل الأمثل حراريا واقتصاديا كما بينت الدراسة أنه يمكن تعميم معادلات التكلفة على لعديد من المنظومات.

English Abstract

The first part of this study focuses on predicting the effect of variation in inventory (overall conductance) allocated on power and refrigeration systems wherein fouling, which results in decrease of this inventory, is considered as a main application. Experimental work was performed on a 1.5 ton vapor compression system which showed that system parameters and properties varied logarithmically when overall conductance was reduced. Then specific examples of power and refrigeration systems were simulated beginning with endoreversible single-stage cycles and then the Rankine and simple vapor compression cycles. Based upon these simulations and the experimental work, an equation was proposed to predict effect of reduction in overall conductance on all system properties and performance parameters using non-dimensional quantities. Agreement was found to be within 1.15% of simulated and predicted values. Such an equation helps to reduce the number of experiments and/or numerical simulations. The second part of this study focused on thermoeconomic optimization of different power and refrigeration systems for endoreversible and irreversible cases using the allocated heat exchanger inventories. The systems investigated include a thermodynamic model of a vapor compression cycle with dedicated mechanical subcooling as well as endoreversible cases of the dedicated and integrated mechanical subcooling cycles along with an endoreversible power cycle with one feedwater heater. It was found that a practical minimum with respect to the dimensionless cost equations for the fluid to ambient high-side absolute temperature ratio existed for all cost equations. The connection between endoreversible and irreversible cycles for this ratio was shown to establish viability of the endoreversible results. Furthermore, it was found that the cost functions for simpler cycles can be derived from those of more complex systems. Also, if the only difference between a power and refrigeration cycle is that the cycle is flowing in the opposite direction, then multiplying a minus sign on one side of the cost equations of a system would provide the cost equations for the other system. Finally, a holistic view of cost optimization in power and refrigeration systems is presented, which constitutes a step forward in thermoeconomic optimization theory as it resulted in generalized cost equations.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Zubair, S. M.
Committee Co-Advisor:	Sharqawy, M. H.
Committee Members:	Shuja, S. Z. and Antar, M. A. and Rahman, F.
Depositing User:	QURESHI BI AHMED (g200101910)
Date Deposited:	13 Aug 2014 10:32
Last Modified:	01 Nov 2019 15:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139340