ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-MN04
SIMULAÇÃO DO SISTEMA CGAM USANDO O PROGRAMA COMPUTACIONAL IPSEPRO
Fabio de Norman et d’Audenhove e Bruno da Silva Marques
UFRJ, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica
LTTC, Caixa Postal 68503, CT, Cid. Univ., Rio de Janeiro, RJ, 21945-970
[email protected], [email protected]
Introdução
Nos últimos anos, a área de termodinâmica cresceu bastante dentro da engenharia. O estudo de ciclos
térmicos tornou-se essencial para a utilização eficiente da energia e, portanto, vem sendo cada vez mais
aperfeiçoado. Com a evolução tecnológica dos computadores, o uso de programas computacionais tornou-se
um recurso bastante eficaz, sendo utilizado para obtenção de análises mais detalhadas e com resultados mais
acurados. Este trabalho aborda um ciclo de cogeração estabelecido como referência, o CGAM, através de um
simulador de processos térmicos, o IPSEpro.
Objetivos
Neste trabalho, após um estudo inicial mais aprofundado de sistemas térmicos e conceitos avançados de
termodinâmica (Bejan, 1996 e Van Wylen et al., 2003), como exergia, passou-se à um primeiro contato com
o IPSEpro. Nessa fase, buscou-se conhecer o funcionamento do software e, através da resolução do sistema
CGAM, avaliar as suas capacidades e limitações. Para tal fim, utilizou-se a biblioteca padrão fornecida
juntamente com o programa. Em uma etapa futura, serão feitas as modificações apropriadas para acrescentar
novas capacidades ao software, como o cálculo de exergia, e, possivelmente, reduzir algumas de suas
limitações.
Metodologia
O IPSEpro é um simulador de processos bastante flexível, rápido e detalhado, ideal para análise de
plantas e processos energéticos. Com esse programa é possível calcular os balanços de massa, energia e
entropia, assim como monitorar e otimizar o desempenho de uma planta ou processo. O programa oferece
uma biblioteca padrão com modelos de componentes que podem ser arranjados da forma desejada para
simulação de plantas térmicas. Também, é possível criar novos modelos de componentes, ou até mesmo uma
biblioteca inteira, personalizados (customized) para a análise de um ciclo específico.
Para este estudo utilizou-se o problema de referência CGAM, cuja sigla é formada a partir das iniciais
dos nomes de seus autores. O problema foi formulado em 1994 por um grupo conceituado de especialistas na
área de energia, decididos a comparar suas metodologias de otimização de sistemas térmicos aplicando-as a
um problema pré-definido (Valero et al., 1994). O sistema CGAM consiste em uma planta de cogeração com
uma turbina a gás, um pré-aquecedor de ar, para o aproveitamento de parte da energia térmica dos gases que
deixam a turbina, uma caldeira de recuperação geradora de vapor, uma câmara de combustão e um
compressor. A primeira tarefa para simulação foi montar (ou modelar) o ciclo em si. Sua montagem é
relativamente simples, uma vez que seus componentes já existem na biblioteca padrão. Em seguida,
introduziu-se no software os dados da referência (Valero et al., 1994). Como não faz parte do escopo desta
fase do trabalho realizar a otimização do ciclo, mas sim observar o software, utilizou-se os dados
termodinâmicos do ciclo fornecidos na referência (Valero et al., 1994), correspondentes ao ponto ótimo. Na
maioria dos casos, foi possível utilizar os dados diretamente ou com pequenas adaptações, como, por
exemplo, transformar perdas de carga relativas em absolutas, ou o grau de sub-resfriamento de uma linha em
uma temperatura fixa (uma vez que a pressão é conhecida). Outros dados da referência não precisaram ser
utilizados, pois o IPSEpro já possuía informações suficientes para resolver o sistema de equações do
problema; tais dados foram, então, reservados para comparação.
O maior problema encontrado com relação aos parâmetros estava na câmara de combustão. O modelo
da biblioteca padrão para a câmara de combustão não comporta perdas de energia através da eficiência da
câmara, enquanto que a perda de carga não pode ser introduzida, pois causa instabilidade no modelo e leva à
não-convergência dos resultados.
Tabela 1 – Comparação entre os resultados de
temperatura e pressão de Valero et al. e do IPSEpro
Figura 1 – Ciclo de cogeração CGAM.
Tabela de temperaturas e pressões
T (K)
P (bar)
Pontos Ref. [2] IPSEpro Ref. [2] IPSEpro
1
298,15 298,15
1,013
1,013
2
595,51 586,96
8,634
8,634
3
914,28 877,03
8,202
8,193
4
1492,63 1492,6
7,792
7,292
5
987,9
1025
1,099
1,099
6
718,76 759,57
1,066
1,066
7
400,26 425,67
1,013
1,013
8
298,15 298,15
20
20
9
485,52 485,54
20
20
Resultados
De maneira geral, os resultados tiveram o comportamento esperado, igualando-se aos da referência
(Valero et al., 1994). Pode-se, porém, observar ao comparar os dados uma discrepância principal e, algumas
secundárias provocadas por influência da primeira.
Essa discrepância principal ocorre no ponto 5 (saída da turbina), no qual tem-se uma grande diferença
entre as temperaturas. A diferença de temperatura não é a causa primordial das outras discordâncias, mas é
causada por ela, uma diferença de métodos. Enquanto a referência (Valero et al., 1994) se utiliza da
aproximação dos gases (de combustão e ar) por gases ideais, e desenvolve as equações a partir desta
hipótese, o IPSEpro os trata como misturas de gases, cada uma com as suas próprias características. Este
tratamento causa uma diferença no salto entálpico da turbina, por sua vez causando diferença não só na
temperatura do ponto 5, mas também passando uma quantidade diferente de trabalho para o compressor.
Assim, resulta também uma pequena diferença na temperatura do ponto 2. Estas duas diferenças de
temperatura se propagam através do ciclo, causando as outras pequenas discordâncias. Apesar desta
diferença de métodos, as discrepâncias mantiveram-se abaixo do nível de 5%.
Além disso, a impossibilidade de impor uma perda de carga no combustor (por erros de convergência)
tem algum impacto nas (pequenas) divergências dos resultados, mas nota-se que ele é um impacto muito
pequeno (a perda de carga no IPSEpro é de 0.91 bar, enquanto que na referência (Valero et al., 1994) é de
0.41 bar) comparado com aquele causado pelo diferente tratamento dos gases.
Conclusões
Ao final desta primeira fase de teste e adaptação ao software ISPEpro, conclui-se que este se trata de um
excelente software, oferecendo praticidade e facilidade para o usuário construir ciclos e adaptá-los às suas
necessidades. O software precisa, porém, de pequenos ajustes, a possibilidade de entrar-se com a perda de
carga de forma absoluta ou relativa, e também com graus de sub-resfriamento ou superaquecimento.
No que tange aos diferentes tratamentos para os gases acredita-se que, uma vez que não implica em
maiores dificuldades para o desenvolvimento do modelo, uma abordagem mais detalhada tende a levar a
resultados mais precisos e próximos da realidade.
Referências Bibliográficas
Bejan, A., Tsatsaronis, G. & Moran, M., “Thermal Design and Optimization,” John Wiley & Sons, Inc., New
York, NY, 1996.
Valero, A., Lozano, M.A., Serra, L., Tsatsaronis, G., Pisa, J., Frangopoulos, C., Von Spakovsky, M.R.,
“CGAM Problem: Definition and Conventional Solution,” Energy, Vol. 19, Nº 3, 1994.
Van Wylen, G.J., Sonntag, R.E., Borgnakke, C., “Fundamentos da Termodinâmica,” Editora Edgard
Blücher Ltda., São Paulo, SP, 2003.