Modelo matemático y metodología para la optimización de redes de intercambio de calor - Nuñez Serna, Rosa Iris (Universidad Autónoma Metropolitana, 2007)
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.