PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA BASEADO NO AtHENS

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1 PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA BASEADO NO Rafael T. C. S. Ribeiro¹, Reinaldo C. Mirre 2, Eduardo M. Queiroz 3 e Fernando L. P. Pessoa 3 1 Bolsista de iniciação Científica CNPq/UFRJ, discente do curso de Engenharia Química 2 Doutorando da Universidade Federal do Rio de Janeiro 3 Professor da Escola de Química da UFRJ 1,2,3 Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, CT, Bl. E, Sala 209, Cidade Universitária, , Rio dejaneiro, Brasil. pessoa@eq.ufrj.br RESUMO Dentre os métodos utilizados para a síntese de redes de trocadores de calor têmse a Tecnologia Pinch e as regras heurísticas de Rudd e Ponton & Donaldson. Em virtude disso, o software (Automatic Heat Exchanger Network Synthesis), desenvolvido no DEQ/EQ/UFRJ, realiza a síntese automática de redes de trocadores de calor baseado na Tecnologia Pinch, com mínimo consumo de utilidades. Seu algoritmo está programado em linguagem Fortran e utiliza como ambiente gráfico o programa Matlab (versão 4.0). No programa original, as limitações de programação para a criação de um ambiente gráfico eficiente eram consideráveis. O objetivo deste trabalho é apresentar a nova interface gráfica desenvolvida para o, comparativamente a sua versão original, detalhando seu funcionamento através de exemplos da literatura. Palavras-Chave: SOFTWARE, INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA, PINCH INTRODUÇÃO Em processos quimicos encontramos correntes que precisam ser resfriadas ou aquecidas. Através da integração energética do processo conseguimos utilizar essas correntes já existentes, reduzindo o consumo de utilidades do processo. A integração de processos químicos visando reduzir o consumo de utilidades aborda diferentes classes metodológicas, dentre as quais, incluem-se as regras heurísticas de Rudd (Rudd et al, 1973) e Ponton & Donaldson (Ponton & Donaldson, 1974) as quais procuram estabelecer a rede com o menor custo econômico. O software (Automatic Heat Exchanger Network Synthesis), desenvolvido no DEQ/EQ/UFRJ, no ano 2000, realiza a síntese automática de redes de trocadores de calor baseado na Tecnologia Pinch, com mínimo consumo de utilidades. A linguagem de programação Visual Basic for Applications (VBA) foi desenvolvida para trabalhar em conjunto com os aplicativos Microsoft Office (Access, Word, Excel e Power Point), embora seja uma plataforma completa de desenvolvimento, ela não permite a criação de programas executáveis (Birnbaum, 2005); essa limitação não inclui interação com outros aplicativos, tornando-a ideal para a atualização do. O Matlab é um sistema interativo cujo elemento de dados básico é uma matriz que não requer dimensionamento, permitindo obter soluções para problemas computacionais que envolvem utilização de vetores ou matrizes em um tempo menor do que o requerido quando comparado com outras linguagens de programação. O objetivo deste trabalho é apresentar a nova interface gráfica desenvolvida para o, comparativamente a sua versão original, detalhando seu funcionamento. Para demonstrar sua interatividade, foram utilizados dados a partir de exemplos disponíveis na literatura. METODOLOGIA O programa desenvolvido por Liporace (2000) organiza a estrutura de rede através de uma Matriz Simulação, com seus trocadores de calor processo-processo, aquecedores, resfriadores, separadores e misturadores. Seu algoritmo está programado em linguagem Fortran e utiliza como ambiente gráfico o programa Matlab (versão 4.0). A Figura 1 demonstra a lógica estruturada para sua criação. VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 Embora a versão utilizada do Matlab já permitisse o desenvolvimento de uma interface gráfica para o usuário (IGU), o autor decidiu por não utiliza-la, tornando a entrada de dados no programa demorada, como demonstra a Figura 3. O novo programa utiliza-se das células do Excel e de recursos VBA como interface com o usuário demonstrado nas Figuras 4, 5 e 6. Figura 1: Estrutura lógica do programa A partir da estrutura apresentada na Figura 1, desenvolveu-se uma nova lógica de programação, utilizando a linguagem VBA e, como módulo de interação de usuário, o Microsoft Excel 2007, para substituir o ambiente Matlab, esquematizado na Figura 2. Figura 2: Nova estrutura lógica do programa RESULTADOS E DISCUSSÃO Para a comparação entre a versão original e a proposta para, serão utilizados os dados do Quadro 1, retirada de Liporace (2000), onde constam os dados necessários para a aplicação do método da Tecnologia Pinch. Figura 3: Entrada de dados Quadro 1: Quadro com os dados do problema a ser estudado Fluido: Óleo de motor Corrente Te Ts MCp M Cp ρ µ κ Rf P ,0 0,94 2,1 853,7 5,27 0,139 9, ,0 1,31 2,3 831,5 1,21 0,135 9, ,0 1,77 2,3 834,5 1,46 0,136 9, ,5 0,69 2,2 846,3 3,17 0,138 9,0 70 uf ,2 982,6 0,101 0,613 1,7 50 uq ,0 727,9 0,005 0,120 9,0 35 DMT 10 Te Temperatura de entrada (ºC); Ts Temperatura de saída (ºC); MCp Taxa de capacidade calorífica (kw/ºc); M Vazão mássica (kg/s); Cp calor específico a pressão constante (kj/kg ºC); ρ Densidade ( kg/m³); µ - viscosidade (x 10-2 N s/m²); κ - condutividade térmica (W/mºC); Rf Resistência de depósito (x 10-4 m² ºC/W); P queda de pressão total (kn/m²); uf Utilidade fria; uq Utilidade quente; DMT Diferencial mínimo de temperatura (ºC).

3 Figura 4: Entrada de dados Figura 7: Botão Office Excel Procure por opções do Excel (Figura 8) Figura 5: Entrada de dados Figura 6: Entrada de dados Em um estudo mais elaborado do código inicial, verifica-se a inexistência de mecanismos que permitam a interrupção do programa, prevenindo sua execução com eventuais erros de entrada (Input); para tanto, a nova IGU viabiliza o controle de grande parte desses erros. Dentre esses mecanismos, pode-se citar a identificação por cor das correntes, identificando se é fria (azul), quente (vermelha) ou se apresenta mudança de estado (verde), exemplificado na Figura 5; e a alteração de qualquer Input antes da execução do programa, conforme demonstrado pelas Figuras 4, 5 e 6. Para iniciar o programa deve-se habilitar a opção de macros do Microsoft Excel 2007, que, por questões de segurança, vem desabilitada em sua instalação. A seguir estão os passos necessários para sua ativação. Caso esta já esteja habilitada, comece no Passo 5. 1 Clique no Botão Office (Figura 7) Figura 8: Opções do Excel Excel Marque a opção Mostrar Guia de Desenvolvedor na Faixa de Opções (Figura 9) Figura 9: Mostrar Guia de Desenvolvedor na Faixa de Opções Excel Reinicie o Microsoft Excel No aviso de segurança, clique em opções (Figura 10) Figura 10: Aviso de segurança Excel 2007

4 6 Selecione Habilitar este conteúdo e clique Ok (Figura 11) Figura 13: Opção de entrada Figura 11: Alerta de segurança Excel Entre com os dados do problema a ser estudado, como exemplificado nas Figuras 4, 5, 6 e clique em calcular. A partir desse ponto, o programa leva ao usuário algumas opções em uma janela de comando, evento demonstrado na Figura 12. O possui em seu banco de dados propriedades referentes a óleo de motor (exemplo atual) e água líquida saturada, podendo ser utilizada a opção de estimativa dos coeficientes de transferência de calor (Figura 12). Após o término dos cálculos computacionais, a janela de comando fecha-se automaticamente. Para a visualização dos resultados, o usuário deverá clicar no botão relatório. Ficarão então disponível cinco novas pastas de trabalho, Curva Composta; Grande Curva Composta, CC, GCC e Relatório, Figura 14. Figura 14: Pastas de trabalho A pasta Curva Composta mostra o gráfico da curva composta (Figura 15), e seus dados podem ser vistos na pasta CC. Analogamente, as pastas Grande Curva Composta (Figura 16) e GCC, têm a mesma função. Figura 12: Opção de entrada Embora exista a opção para dividir a corrente de processo (Figura 13),não recomendase essa opção pois pode causar instabilidade no programa. Figura 15: Curva Composta Figura 16: Grande Curva Composta

5 Na pasta relatório estão todos os dados necessários para sintetizar a rede com o mínimo de utilidades. Caso exista algum ciclo na rede sugerida, o possui a opção de identifica-lo e quebra-lo o mesmo; porém, até o momento, está limitada apenas ao primeiro ciclo encontrado, sendo necessário novos estudos para sua implementação completa. CONCLUSÃO A evolução do programa Matlab acarretou na inutilização de alguns comandos, inviabilizando a utilização do software em versões mais novas. Com isso, surgiu a necessidade de uma atualização de seu código fonte. Para tanto, utilizou-se a linguagem VBA (Visual Basic for Applications), ambientada no Excel Como resultado de tais melhorias, tem-se a rápida visualização de eventuais erros e sua adequada correção, criando uma interface gráfica amigável e intuitiva para o usuário. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Duane Birnbaum (2005), Microsoft Excel VBA Programming for the Absolute Beginner, Thomson Course Technology PTR, Estados Unidos da America. Liporace (2000), Síntese de Redes de Trocadores de Calor: Proposta de um Procedimento Automático e Estudo da Influência da Presença de Misturas que Mudam de Fase, Rio de Janeiro: EQ/UFRJ. Tese de Doutorado. Math Works, Inc., MATLAB for Windows Reference Guide, Ponton, J. W., Donaldson, R. A. B., 1974, A Fast Method for Synthesis of Optimal Heat Exchanger Networks, Chem. Eng. Sci., v. 29, p Rudd, D. F., Powers, G. J. Sirola, J. J., 1973, Process Synthesis, New Jersey: Prentice- Hall Incorporation. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento do projeto.