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ORCID:  http://orcid.org/0009-0008-4285-7412
Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Projeto de um trocador de calor casco tubo utilizando o algoritmo de busca cuco
Alternate title (s): Design of a shell-and-tube heat exchanger using the cuckoo search algorithm
Author: Borges, Fernando dos Reis Caetano
First Advisor: Lobato, Fran Sérgio
First member of the Committee: Arouca, Fábio de Oliveira
Second member of the Committee: Lima, Alice Medeiros de
Summary: Os trocadores de calor são equipamentos amplamente utilizados em processos industriais para a transferência de energia térmica entre fluidos. Entre os diversos tipos existentes, os trocadores de calor casco tubo destacam-se pela robustez e versatilidade de aplicação. Entretanto, o projeto desses equipamentos envolve a determinação de variáveis geométricas e operacionais que influenciam simultaneamente o desempenho térmico, a queda de pressão e os custos de investimento e operação. Nesse contexto, técnicas de otimização têm sido amplamente empregadas para obter projetos economicamente mais eficientes. Neste trabalho, o algoritmo de Busca Cuco (BC) foi aplicado ao problema de projeto de trocadores de calor do tipo casco tubo com o objetivo de minimizar o custo anual total, considerando simultaneamente custos de investimento e custos operacionais associados ao bombeamento dos fluidos. O modelo matemático empregado baseia-se em correlações clássicas da literatura para cálculo de coeficientes de transferência de calor, queda de pressão e área de troca térmica. Dois estudos de caso clássicos da literatura foram avaliados, considerando diferentes configurações geométricas para a disposição dos tubos. Os resultados obtidos indicam que o algoritmo BC foi capaz de encontrar soluções competitivas quando comparadas com aquelas reportadas na literatura, sendo observada uma redução de aproximadamente 6,08% no custo anual total. Além disso, verificou-se que as configurações geométricas analisadas conduzem a valores de custo bastante próximos, indicando que o processo de otimização converge para projetos economicamente equivalentes. Adicionalmente, foi realizada uma análise de sensibilidade dos principais parâmetros do algoritmo. Os resultados demonstraram boa estabilidade e repetibilidade das soluções obtidas, bem como a existência de faixas de valores dos parâmetros que proporcionam bom equilíbrio entre qualidade da solução e esforço computacional. De forma geral, os resultados evidenciam que o algoritmo BC constitui uma alternativa eficiente e relativamente simples para a resolução de problemas de projeto de sistemas de engenharia, apresentando bom desempenho na otimização de trocadores de calor casco tubo.
Abstract: Heat exchangers are widely used in industrial processes to enable the transfer of thermal energy between fluids. Among the various types available, shell-and-tube heat exchangers are particularly notable due to their robustness and versatility in industrial applications. However, the design of these systems involves the determination of several geometric and operational variables that simultaneously influence thermal performance, pressure drop, and both capital and operating costs. In this context, optimization techniques have been extensively employed to obtain economically efficient designs. In this study, the Cuckoo Search (CS) algorithm was applied to the design optimization of shell-and-tube heat exchangers with the objective of minimizing the total annual cost, taking into account both investment costs and operating costs associated with fluid pumping. The mathematical model employed is based on classical correlations available in the literature for the calculation of heat transfer coefficients, pressure drop, and heat transfer area. Two benchmark case studies commonly reported in the literature were evaluated, considering different geometric configurations for tube arrangements. The results indicate that the CS algorithm was able to obtain competitive solutions when compared with those reported in the literature, achieving a reduction of approximately 6.08% in the total annual cost. Furthermore, the analyzed geometric configurations resulted in very similar cost values, suggesting that the optimization procedure converges to economically equivalent designs. In addition, a sensitivity analysis of the main algorithm parameters was carried out in order to evaluate their influence on the final solution. The results demonstrated good stability and repeatability of the solutions, as well as the existence of parameter ranges that provide a suitable balance between solution quality and computational effort. Overall, the findings indicate that the CS algorithm represents an efficient and relatively simple alternative for solving engineering design optimization problems, showing good performance in the optimal design of shell-and-tube heat exchangers.
Keywords: Algoritmo de Busca Cuco
Trocador de calor casco cubo
Projeto de sistemas de engenharia
Cuckoo Search algorithm
Shell-and-tube heat exchanger
Engineering design optimization
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: BORGES, Fernando dos Reis Caetano. Projeto de um trocador de calor casco tubo utilizando o algoritmo de busca cuco. 2026. 52 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48978
Date of defense: 24-Mar-2026
Appears in Collections:TCC - Engenharia Química

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