Modelagem e simulação para engenharia de sistemas : acondicionamento de eletrônicos, navios elétricos e fotobiorreatores

Abstract

Resumo: Este trabalho propõe uma formulação matemática simplificada para modelagem e simulação de sistemas de engenharia. A modelagem e simulação a nível de componente é extensamente discutida na literatura. Contudo, a modelagem a nível de sistema, necessária para a otimização global do sistema, ainda é pouco explorada, e representa ainda um desafio a ser vencido. Uma modelagem simplificada em uma malha que impõe uma dependência espacial artificial é utilizada aqui no desenvolvimento de um aplicativo computacional capaz de representar o comportamento de diversos sistemas. O domínio do sistema é dividido em elementos de volume. Para cada elemento de volume, representando um volume de controle da Termodinâmica Clássica, são escritas as equações de conservação de energia e massa. São utilizadas correlações empíricas de transferência de calor e massa. As propriedades dentro de cada elemento são tidas como homogêneas e não dependem do espaço. A dependência espacial é artificial e imposta pela malha. No caso de haver escoamento, este é calculado a priori aproximadamente e depois imposto ao sistema. A representação de todo um sistema por uma malha de elementos de volumes centrados de caráter essencialmente heterogêneo representa um dos aspectos inéditos deste trabalho. Para demonstrar a aplicabilidade da metodologia desenvolvida foram modelados e simulados três diferentes sistemas: i) acondicionamento de eletrônicos de potência tipo PEBB (Power Electronic Building Block), ii) navio inteiramente elétrico e, iii) fotobiorreator para produção de biomassa a ser utilizada na fabricação de biodiesel. O fluxo luminoso incidente nos tubos do sistema fotobiorreator foi avaliado com um algoritmo de ray tracing inovador. Foi realizado um conjunto de experimentos de laboratório com o acondicionamento PEBB. Estes dados ajustaram e validaram o modelo. No caso do navio, na impossibilidade de realizar experimentos, foi feita uma análise transiente do comportamento térmico com uso do modelo validado experimentalmente para o PEBB. Os resultados da simulação do sistema fotobiorreator foram comparados com resultados experimentais levantados nos protótipos que foram construídos no laboratório do NPDEAS/UFPR obtendo boa concordância qualitativa e quantitativa. O modelo proposto foi capaz de prever de forma rápida os perfis de temperatura, umidade relativa e frações mássicas de diferentes espécies em crescimento em fotobiorreator. A altura do fotobiorreator foi otimizada demonstrando as possibilidades de uso prático do modelo, notando que o ótimo encontrado é bastante acentuado, apresentando uma variação de até 400% na produtividade dentro da faixa de valores testados para a altura do fotobiorreator que foi de 1 a 16 metros.

Abstract: This paper proposes a simplified mathematical formulation for modeling and simulation of integrated engineering systems. The modeling and simulation at the component level is widely discussed in the literature. However, modeling at the system level, required for system global optimization, is not well explored, and represents the next frontier to be overcome. A simplified modeling in a mesh imposing an artificial spatial dependence is used here to develop a software capable of representing the behavior of many systems. The system domain is divided into volume elements. For each volume element, representing a volume control of Classical Thermodynamics, are written the conservation equations of mass and energy. Empirical correlations are used for heat and mass transfer. The properties within each element are taken as homogeneous and do not depend on space. The spatial dependence is artificial and imposed by the mesh. In case of flow, this is approximately calculated in advance and then imposed on the system. The representation of a whole system by an element mesh volumes centered volume elements of essentially heterogeneous character is one of the innovative aspects of this work. To demonstrate the applicability of the developed methodology, were modeled and simulated three different systems: i) packaging power electronic type PEBB (Power Electronic Building Block), ii) all-electric ship, and iii) photobioreactor for the production of biomass to be used in biodiesel production. The luminous flux incident on the tubes of the photobioreactor system was evaluated with a innovative ray tracing algorithm. It was conducted a series of laboratory experiments with PEBB packaging. These data adjusted and validated the model. In the case of the ship, unable to perform experiments, an analysis of the transient thermal behavior using the experimentally validated model for PEBB was conducted. The results of the photobioreactor system simulation were compared with experimental results raised from the prototypes that were constructed in the laboratory of NPDEAS/UFPR getting good qualitative and quantitative agreement. The proposed model was able to predict quickly the profiles of temperature, relative humidity and mass fractions of different species growing in photobioreactor. The height of the photobioreactor was optimized demonstrating the possibilities of practical use of the model, noting that the optimum found is quite sharp, having a range of up to 400 % in productivity within the range of values tested for the height of the photobioreactor, 1 up to 16 meters.