Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Projeto e simulação de sistemas térmicos
Conteúdo programático: Introdução. Projeto em engenharia. Conceitos aplicados a Sistemas Térmicos Análise e modelagem de equipamentos e sistemas termohidráulicos Trocadores de calor: tipos; princípios teóricos, métodos de análise e projeto térmico-hidráulico Refrigeração e ar condicionado: sistemas de compressão mecânica a vapor: compressores, dispositivos de expansão, refrigerantes, ciclo de absorção. Bombas, ventiladores e turbinas. Sistemas de geração de potência: ciclos Rankine, Brighton e Stirling 2
Bibliografia: STOECKER, W.F., Design of thermal systems. New York: McGraw Hill, 1989. JANNA, W.S., Design of fluid thermal systems. Stamford: Cengage Learning, 2010. SURYANARAYANA, N.V; ARICI, O; SURYANARAYANA, N., Design and simulation of thermal systems. New York: McGraw Hill, 2003. GARCIA, C., Modelagem e simulação de processos industriais e de sistemas eletromecânicos. São Paulo: EDUSP, 2005. JALURIA, Y., Design and Optimization of Thermal Systems. CRC Press - Taylor & Francis Group 2nd Ed., 2008. 3
Introdução Simulação de um sistema refere-se ao processo de obtenção de informações quantitativas sobre o comportamento e características do sistema real, analisando, estudando ou examinando um modelo do sistema. O modelo do sistema pode ser submetido a uma variedade de condições operacionais e ambientais e o desempenho do sistema determinado em termos de variáveis como pressão, temperatura, fluxos de energia e fluidos. A simulação faz parte de um processo chamado PROJETO. 4
Projeto O objetivo de um projeto pode ser um processo, um elemento ou componente de um conjunto maior ou o sistema completo. Sistema É definido como um conjunto de componentes com desempenho interrelacionado. Sistema Componente Processo 5
Projeto Projeto é geralmente considerado como um processo pelo qual métodos, dispositivos e técnicas são desenvolvidas para resolver problemas novos ou existentes. Deve incorporar alguns elementos de criatividade e inovação em termos de uma abordagem nova e diferente para a solução dos problemas. O interesse reside na produção de novos e melhores produtos a um custo menor e que considera as crescentes preocupações em relação à impacto ambiental e de segurança. É fundamental otimizar o processo de um dado sistema, de modo que a qualidade do produto, o lucro, a produtividade, etc., sejam maximizados, e o investimento, entrada de energia, etc, sejam minimizados. 6
PROJETO & ANÁLISE Projeto envolve uma solução aberta com múltiplas possibilidades Análise origina resultados únicos, definidos e fechados. Componente eletrônico sendo resfriado por convecção forçada e/ou por um tubo de calor Projeto: buscar material apropriado, geometria, dimensões, potência do ventilador ou outro sistema de resfriamento, de modo que a Tc < Tmax Análise da distribuição de temperatura no componente eletrônico, para uma certa geometria, materiais e dimensões 7
PROJETO & SÍNTESE Projeto envolve considerar muitas soluções diferentes e encontrar um resultado aceitável que satisfaça um dado problema Síntese os resultados de várias análises e tipos diferentes de informações juntos, podem ser combinados e sintetizados para incluir todos os importantes preocupações que surgem em um problema prático (resultados de diferentes modelos, processos, propriedades, material, segurança, aspectos ambientais...) Entradas Esquema típico de um procedimento de projeto envolvendo análise e síntese componentes materiais - propriedades dados experimentais Projeto inicial Análise e avaliação Aceitável? N Reprojeto S Projeto aceitável 8
PROJETO & SELEÇÃO Projeto começa a partir do conceito básico e desenvolve um sistema para uma determinada aplicação Seleção componentes ou equipamentos devem ou podem ser escolhidos a partir de itens disponíveis. Ex: Trocadores de calor Projeto: trocadores de calor podem ser projetados para atender a faixas específicas de transferência de calor, temperatura, pressão e tamanho, etc. Seleção frequentemente empregada junto no desenvolvimento de um sistema. Componentes e equipamentos. 9
Decisões no projeto: 1. Necessidade & Oportunidade Necessidade: item adequado não está disponível e deve ser desenvolvido para a finalidade desejada. Pode envolver o desenvolvimento de um novo sistema ou modificar e melhorar os já existentes. Oportunidade de desenvolver um novo produto que pode ser superior aos existentes ou de menor custo. Necessidade de aumentar a produção de vapor do processo Aproveitar parte da produção de vapor para gerar energia elétrica Mudança da matriz energética da empresa 2. Critérios para o sucesso Empresas comerciais LUCRO TIR (taxa de retorno do investimento) Projetos públicos GRAU DE ATENDIMENTO DE UMA NECESSIDADE Questões estritamente monetárias temperadas por considerações humanas, sociais, ambientais e políticas, com graus variáveis Ex: deterioração da camada de ozônio busca por novos refrigerantes 10
Probabilidade 3. Probabilidade de sucesso Projetos devem ser direcionados para o futuro, para o qual somente o conceito de probabilidade é aplicável. Após 5 anos Por exemplo: para uma TIR de 10% e uma planta com 5 anos de operação Após construção Após 1 ano de operação Após projeto completo Após projeto preliminar 4. Análise de mercado TIR (%) - Novo produto avaliação de viabilidade económica, mercado, faixa de preço que vai suportar, e despesas envolvidas no novo conceito - Pesquisar nível de preços, consumo, características desejadas do produto e aplicação pretendida. - Considerar: custo de projetar e desenvolver o sistema, a partir de o conceito inicial até o protótipo, custo de fabricação e a despesa de publicidade e vendas Maiores volumes de venda geralmente significam menores custos 11
Projetando um sistema viável: Projeto Projetando um sistema viável!!! Projetando um sistema ótimo!!! Quantas soluções possíveis existem para um projeto?? Somente uma a solução ótima Esse ótimo é baseado em algum critério definido: custo, tamanho, peso, tempo, etc. 12
Sistema viável Um sistema viável possui as seguintes características: Satisfaz os requerimentos de um sistema: fornece a potência necessária, mantém um determinado espaço na temperatura desejada, etc.; Apresenta vida útil satisfatória, além de baixos custos de manutenção; Cumpre todas as restrições, tais como: tamanho, peso, temperaturas, pressões, propriedades de materiais, ruído, emissões, etc. Um projeto pode ser viável tecnicamente, mas não economicamente A inviabilidade pode ser causada por: Falta de investimento Falta de espaço ou mão de obra Regulamentações, leis, etc. 13
Sistema viável vs. sistema ótimo Exemplo de sistema viável: Selecionar uma bomba e a tubulação para transportar 3 kg/s de um líquido de um local até outro, situado a 250 m de distância e com elevação de 8 m em relação ao ponto de referência. A elevação de 8 m impõe uma diferença de pressão de : (8m) (1000 kg/m 3 ) (9,81 m/s 2 ) = 78,5 kpa Estimando uma pressão adicional de 100 kpa para compensar a perda de carga por atrito nos 250 m de tubulação; A bomba escolhida deverá transportar 3 kg/s contra uma pressão de 178,5 kpa. Para os 250 m de tubo, com perda de carga de 100kPa. Em uma tabela, seleciona-se o diâmetro interno do tubo que apresente perda de carga 100 kpa (p.e.: 50 mm 2 in) 14
custo Sistema viável vs. sistema ótimo: Exemplo de sistema ótimo: O critério poderá ser custo, por exemplo, que é afetado por: Custo inicial da bomba; Custo inicial da tubulação; Custo operacional da bomba. Custo inicial tubulação Tempo de vida Custo de bombeamento Custo inicial da bomba Pressão da bomba, kpa 15
Pesquisa e desenvolvimento - P&D - interagem com a maioria das atividades de engenharia dentro a empresa, fornecendo insumos em vários estágios de desenvolvimento do produto ou sistema e proporcionando a longo prazo o apoio necessário aos projetos. - o grupo de P&D dedica esforços para desenvolver novas técnicas para melhorar os processos existentes ou propor novas ideias, que podem ser aplicadas para desenvolver novos produtos. 16
Projetos termo-hidráulicos de sistemas térmicos Projeto associado aos princípios da termodinâmica, transferência de calor e mecânica dos fluidos; Equipamentos: bombas, ventiladores, compressores, motores, turbinas, trocadores de calor, reatores, tubulações, etc.; Sistemas: Geração: geração de potência (térmica, solar, nuclear..) Rejeição: remoção de calor, refrigeração, ar condicionado, bombas de calor, resfriamento de componentes eletrônicos, torres de resfriamento. Utilização: fabricação, motores de automóveis, aviões, transporte de fluidos, indústrias de processo (alimentos, químicas, etc.). 17
Formulação do problema de projeto 1. Exigências e especificações 2. Quantidades dadas ou fixadas 3. Variáveis de projeto: hardware, condições operacionais 4. Restrições ou limitações Ex: Um sistema de AC deve ser projetado para uma residência, cujo interior deve ser mantido a 22 5ºC. A temperatura ambiente pode alcançar 38ºC e a taxa de calor dissipado na casa é de 2 kw. O local, geometria e dimensões da residência são dadas. Formular o problema do projeto. 18
Etapas de um projeto 1. Definição inicial do sistema 2. Modelamento do sistema 3. Simulação do sistema 4. Avaliação dos diferentes projetos 5. Iteração e obtenção de um projeto aceitável 6. Otimização do projeto 7. Automação e controle 8. Comunicação do projeto final 1 2 3 4 8 7 6 5 19
Importância da simulação Avaliar diferentes projetos para a seleção de um aceitável; Avaliar o comportamento do sistema sob condições fora das especificadas no projeto; Determinar os limites de segurança para o sistema; Determinar os efeitos de diferentes variáveis de projeto para a otimização; Melhorar ou modificar os sistemas existentes; Investigar a sensibilidade do projeto para diferentes variáveis. A simulação do sistema desempenha um importante papel na otimização do sistema, as saídas do sistema devem ser obtidas para diferentes variáveis de projeto, a fim de selecionar o projeto ótimo. 20
Considerações sobre a simulação de sistemas térmicos: As características de desempenho dos componentes, assim como as propriedades do material, fazem parte de um modelo e a simulação do sistema é realizada por meio deste modelo. Estas características podem estar disponíveis na forma de dados ou como equações que correlacionam estes dados. As equações podem ser equações algébricas, equações diferenciais ordinárias ou parciais, equações integrais, ou uma combinação destas. Um modelo numérico é desenvolvido para resolver as equações, muitas das quais são tipicamente não-lineares para sistemas térmicos. 21
A análise de sistemas térmicos pode ser: Dependente do tempo Multidimensional Mecanismos não lineares Geometrias complexas Condições de contorno complicadas Escoamento turbulento Mudança de fase Perdas de energia e ireversibilidades Propriedades variáveis Influência das condições ambientais Variedade de fontes de energia 22