Influência do acúmulo de incrustações no comportamento dinâmico de trocadores de calor

Abstract

RESUMO: A predição de importantes propriedades de controle é uma tarefa desafiadora para o projeto de trocadores de calor do tipo casco e tubo. Os modelos dinâmicos, que incluem efeitos de incrustação, ainda são pouco investigados na literatura recente. Para estudar o comportamento de condições variáveis no tempo e sua influência no aspecto dinâmico do sistema, foi proposta uma abordagem de projeto de trocadores de calor baseado nos padrões da Associação de Fabricantes de Trocadores de Calor Tubulares (TEMA), visando analisar a dinâmica do processo em um equipamento o mais realista possível. Em seguida, o modelo considerado neste trabalho é baseado na ideia de células trocadoras de calor como elementos básicos de modelagem (modelo a parâmetros concentrados). Este tipo de abordagem possui algumas vantagens sobre o modelo a parâmetros distribuídos, como variáveis contínuas no tempo e discretas no espaço, levando a um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO) e também proporcionando a possibilidade de controlar a complexidade do modelo através do ajuste do número de células de modelagem. A combinação da razão entre os sinais de saída e entrada em cada célula gera oito funções de transferência que descrevem o sistema dinâmico. A influência da incrustação no comportamento dinâmico do processo é avaliada considerando a resistência térmica da incrustação (Rf ) como função de tempo. O modelo foi implementado em MATLAB/Simulink e simulações foram realizadas para diferentes valores de Rf com perturbações degrau em três variáveis de entrada. Os resultados mostraram que conforme Rf aumenta, a qualidade da resposta é prejudicada e o sistema sofre principalmente com a inércia e com a diminuição da eficiência de troca térmica

ABSTRACT: The prediction of important control properties is a challenging task for shell and tube heat exchangers design. Dynamic models, which include fouling effects, are still poorly investigated in the recent literature. In order to study the behavior of variable conditions over time and its influence on the dynamic aspect of the system, it was proposed a design approach based on TEMA standards, aiming to analyze the process in a more realistic equipment. To study the behavior of timevarying conditions and its influence in the dynamic conditions, the model considered in this work is based on the idea of heat exchanger cells as the basic modeling element. This kind of approach has some advantages over the distributed model, such as continuous variables in time and discrete in space, leading to ordinary differential equations (ODE) and also providing the possibility of controlling the model complexity by adjusting the number of modeling cells. The ratio between output and input signals in each cell generates eight operator transmittances that describe the dynamic system. The influence of fouling in the dynamic behavior is evaluated by considering the thermal resistance of fouling (Rf ) as a function of time. The model was implemented in MATLAB/Simulink and simulations have been carried out for different Rf values with a step change in three input variables. The open-loop results showed that as Rf increases, the quality of response is deteriorated and the system is affected mainly with the inertia and inefficiency of the thermal exchange