Optimization of Heat Exchangers for Geothermal District Heating

This paper analyzes the optimal configuration and operating parameters of a heat exchanger in a geothermal district heating system. An optimization algorithm is presented for the nonlinear constrained problem to maximize the annual net profit for a system of counter-flow heat exchangers. Several parameters that affect the net profit are examined, including the mass flow rates of working fluids and heat transfer area, which both directly affect the outgoing temperatures. The performance of the heat exchanger and fuel savings by reducing fuel consumption to generate heat are modeled within the problem formulation. Also, power input to the pump for fluid circulation is included. By formulating these multiple parameters over a wide range of design conditions, the algorithm presents a useful new design tool for the improvement of heat exchanger networks in geothermal systems. OPTIMISATION D’UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR POUR LE CHAUFFAGE GÉOTHERMIQUE URBAIN RÉSUMÉ Nous analysons dans cet article la configuration optimale et les paramètres d’opération d’un échangeur de chaleur dans un système de chauffage géothermique urbain. Nous présentons un algorithme d’optimisation pour le problème de contrainte non-linéaire, afin de maximiser le profit annuel net pour un système d’échangeurs de chaleur à contre-courant. Plusieurs des paramètres qui affectent le profit net sont examinés, incluant les taux du débit massique des fluides en opération et le secteur d’échange de chaleur, qui tous les deux affectent directement les températures à la sortie. Dans la formulation du problème, nous avons modélisé la performance de l’échangeur de chaleur et les économies de combustible en réduisant la consommation de combustible pour la production de la chaleur. Nous avons inclus également la puissance d’entrée à la pompe pour l’écoulement du fluide. En formulant ces multiples paramètres sur une large gamme de conditions de conception, l’algorithme présente un outil de conception nouveau et utile pour l’amélioration des réseaux d’échangeurs de chaleur dans les systèmes géothermiques Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, Vol. 33, No. 2, 2009 239