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.