Simulador de Processos Termodinâmicos

Os simuladores de processos termodinâmicos têm como objetivo principal efetuar os balanços de massa, energia e entropia de sistemas térmicos. Em geral, os simuladores de processos apresentam estrutura modular sendo compostos por unidades representativas de componentes de sistemas térmicos. Estes simuladores subdividem-se em modulares seqüenciais e modulares orientados a equações. Os simuladores modulares seqüenciais caracterizam-se por utilizar a saída de um componente do sistema térmico como entrada para o componente seguinte. Os simuladores modulares orientados a equações são implementados de forma a equacionar e resolver um sistema de equações algébricas não lineares representativo do sistema térmico completo.

Neste trabalho, a utilização de um simulador de processos tem como objetivo eliminar a necessidade de implementação computacional dos modelos físico e termodinâmico dos sistemas térmicos analisados. De fato, para análise de sistemas térmicos representativos de instalações reais, a utilização de um simulador de processos mostra-se fundamental. O simulador de processos selecionado para este trabalho deve possibilitar o acoplamento com a rotina de otimização/melhoramento, apresentar flexibilidade quanto à configuração dos sistemas térmicos, permitir a utilização de diferentes fluidos de trabalho e permitir a modificação de modelos existentes assim como a inclusão de novos modelos. De forma a atender estas exigências, optou-se por utilizar o simulador de processos IPSEpro (SIMTECH, 2000), pertencente à classe dos simuladores de processos termodinâmicos modulares orientados a equações. Este simulador de processos também foi utilizado por VIEIRA (2003).

O simulador de processos termodinâmicos IPSEpro é composto basicamente por dois módulos: o módulo de simulação de processos denominado PSE (Process Simulation Environment) e o módulo de desenvolvimento de modelos de componentes denominado MDK (Model Development Kit). Há a opção de utilização de um módulo de integração denominado PSE-Excel, que possibilita a transferência de dados entre o IPSEpro e o MS-Excel. A utilização deste módulo é fundamental em problemas de otimização/melhoramento de sistemas térmicos como os que foram abordados neste trabalho. O IPSEpro possui uma biblioteca denominada APPLib (Advanced Power Plant Library), que contém os modelos físicos e termodinâmicos de diversos componentes de sistemas térmicos. A transferência de informações entre uma planilha em Excel e um projeto no IPSEpro é realizada através dos comandos SendItem e

RequestItem. O comando SendItem atribui valor a uma variável associada a um modelo de um projeto do IPSEpro. O comando RequestItem transfere para uma planilha em Excel o valor de uma variável associada a um modelo de um projeto do IPSEpro. Adicionalmente, o comando RunCalculation tem a função de iniciar a simulação de um sistema térmico. A integração entre uma rotina computacional implementada em Excel e o simulador IPSEpro através de seus módulos PSE, MDK e PSE-Excel é representada esquematicamente na Figura 6.3.

Figura 6.3 – Representação esquemática da integração entre Excel e IPSEpro.

Além das características acima destacadas, o simulador IPSEpro possui uma interface gráfica bem desenvolvida. Para a modelagem de um sistema térmico, o IPSEpro dispõe de uma barra de ferramentas com botões representativos de componentes. O usuário deve selecionar estes botões e transferir os componentes para a área de trabalho do IPSEpro, conectando-os através de linhas de fluxos. As Figuras 6.4 e 6.5 ilustram, respectivamente, as representações do Sistema CGAM e do Sistema Complexo no simulador IPSEpro.

Excel

Planilhas

Macros

PSE

MDK

IPSEpro

Figura 6.4 – Representação do Sistema CGAM no simulador IPSEpro.

A simulação do comportamento de um sistema térmico no IPSEpro consiste na modelagem deste sistema seguida da solução do sistema de equações resultante da aplicação dos balanços de massa, energia e entropia a este sistema. A solução deste sistema de equações é efetuada pelo módulo PSE, sendo composta pelas fases de análise e solução numérica. Na fase de análise, o PSE seleciona o método mais adequado à solução do sistema de equações, verifica a ordem de determinação das variáveis constituintes dos modelos e combina as equações em grupos. Na fase de solução numérica, o PSE soluciona o sistema de equações segundo a ordem estabelecida e o método selecionado na fase de análise.

Neste trabalho, o módulo de integração PSE-Excel, que possibilita a transferência dos valores das propriedades termodinâmicas entre o IPSEpro e o Excel, foi utilizado e as rotinas de otimização e melhoramento foram implementadas em VBA (Visual Basic for Applications) na forma de macros em Excel. O módulo MDK foi utilizado de forma a permitir a modificação dos modelos dos componentes da biblioteca APPLib, possibilitando a incorporação do cálculo da propriedade exergia. Os modelos físicos e termodinâmicos utilizados para o Sistema CGAM e para o Sistema Complexo foram os modelos disponíveis na biblioteca APPLib do IPSEpro.

Ao simular o comportamento de um sistema térmico, o IPSEpro retorna uma mensagem de erro caso o conjunto de valores atribuídos às variáveis termodinâmicas não permita a solução do sistema de equações resultante da aplicação dos balanços de massa, energia e entropia ao sistema térmico analisado. Neste trabalho, caso o algoritmo de otimização atribua um valor a uma das variáveis de decisão que não permita a solução completa deste sistema de equações, adiciona-se um termo à função objetivo da mesma ordem de grandeza do valor inicial desta função para cada caso analisado do Sistema CGAM e do Sistema Complexo. Assim, sempre que o simulador IPSEpro retorna uma mensagem de erro, o algoritmo de otimização tende a alterar os valores atribuídos às variáveis de decisão até que se tenha um conjunto de valores que permita a solução completa do sistema de equações resultante da aplicação dos balanços termodinâmicos ao sistema térmico analisado.