Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura

Uma abordagem matricial para modelagem e simulação de redes de trocadores de calor com aplicações para o gerenciamento da deposição

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor

Otimização da programação das limpezas em redes de trocadores de calor utilizando técnicas de programação matemática

Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários.

A geração de energia a partir do biogás do lixo em aterros sanitários é uma maneira de produzir energia elétrica renovável e limpa, reduzindo os impactos globais provocados pela queima dos resíduos sólidos urbanos. A contribuição ambiental mais relevante é a redução de emissões dos gases de efeito estufa (GEE), por meio da conversão do metano em dióxido de carbono, visto que o metano possui um potencial de aquecimento global cerca de 21 vezes maior, quando comparado ao dióxido de carbono (através da combustão do mesmo). De acordo com o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), os países ricos podem comprar créditos de carbono (CERs) dos países em desenvolvimento (que possuam projetos sustentáveis) para cumprir suas metas ambientais. O objetivo é transformar um passivo ambiental (destinação final dos resíduos sólidos urbanos) em um recurso energético, além do estudo da alternativa de obtenção de recursos financeiros através dos CERs. São analisadas as tecnologias de conversão energética (tecnologia de gás de lixo, incineração, entre outras), com a seleção da melhor alternativa para a geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários. A metodologia utilizada é a recomendada pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos - USEPA (2005). Serão apresentadas outras duas metodologias de cálculo da geração de metano: a do Banco Mundial e a do IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). São apresentados estudos comparativos demonstrando quando as turbinas a gás, motores de combustão interna (ciclos Otto ou Diesel) ou outras tecnologias de conversão energética serão viáveis na área técnica e econômica para implantação de Unidades Termoelétricas a biogás. No caso do Aterro de Gramacho, o projeto é viável com a utilização de motores a combustão interna e a obtenção de receitas com a venda da produção de energia e créditos de carbono. Por fim, será apresentada a alternativa do uso do biogás como substituto do gás natural para fins energéticos ou outros fins industriais.

Um Sistema de Informações Geográficas para Gestão de Energia Elétrica Móvel - SIGGENELM

Um problema que as empresas distribuidoras de energia elétrica convivem são as quedas repentinas no fornecimento, causando inúmeros prejuízos tanto para essas empresas quanto para seus consumidores. Essa dissertação apresentará uma ferramenta que utilizará conhecimentos de sistemas de informações geográficas junto com o uso de inferência nebulosa para orientar a disposição de veículos híbridos (elétricos e à combustão) que podem operar como mini-usinas elétricas no abastecimento de localidades que esteja necessitando de energia em um determinado momento. Para isso, será levantada uma base de dados com características dos veículos híbridos e locais necessitados, dados esses que alimentarão um sistema nebuloso agregado à ferramenta MapServer e a um SIG (Sistema de Informações Geográficas) para, dessa forma, mostrar como saída do sistema qual veículo estará mais apto naquele instante para abastecer o local da demanda de energia.

Um problema inverso na modelagem da difusão do calor

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas.

Privatização, desestruturação organizacional e da força de trabalho: o caso de uma empresa de energia

Este trabalho tem como objetivo caracterizar o processo de privatização, como parte do projeto da reestruturação produtiva e de reforma do Estado, no contexto da crise do setor energético brasileiro nos anos 90. Para isto, é tomado, como caso exemplar, uma empresa do setor elétrico, para investigação das implicações ocorridas para a organização e para os seus trabalhadores. Entende-se aqui que a reforma do setor elétrico é parte integrante de mudanças mais amplas, remetidas à reforma do Estado, a qual adotou como ideologia as políticas neoliberais a partir dos anos 1990 no Brasil. É neste contexto que entendemos a privatização das empresas de utilidade pública no Programa Nacional de Desestatização (PND). Tomamos para o estudo de caso uma empresa do setor elétrico, tendo em vista que a energia representa um insumo essencial para o desenvolvimento de um país. Foi a partir também do desenvolvimento das formas de energia que ocorreram as revoluções industriais e, com isso, o desenvolvimento do capitalismo industrial. Além de revisão teórica e bibliográfica, o estudo contou com pesquisa documental dos relatórios anuais, do planejamento estratégico e da pesquisa de clima organizacional realizados pela empresa investigada. Contribuiu, para a análise, ainda, o processo de observação da autora como participante do cotidiano organizacional, na medida em que é trabalhadora e assistente social da empresa. A pesquisa revela que o período de sete anos em que a empresa permaneceu incluída no PND, acarretou a sua des/reestruturação tanto para a identidade empresarial da empresa quanto para os seus recursos humanos. Diante, da reestruturação, a empresa elaborou seu Planejamento Estratégico, buscando, segundo os padrões empresariais vigentes, ser referência mundial, ter excelência empresarial e rentabilidade. Ao mesmo tempo, estabeleceu abstratamente a valorização das pessoas, a transparência, a ética e a responsabilidade sócio-ambiental. Porém, ao analisar o seu Planejamento Estratégico e a pesquisa de Clima Organizacional, constatamos as contradições existentes na empresa. Entre as contradições, verificamos ser a gestão de recursos humanos, o principal desafio a ser superado nesse processo de reestruturação.

Políticas de provisão de serviços de utilidade pública na Ilha Grande: o fornecimento de energia elétrica na Vila Dois Rios

Esta dissertação é apresenta como tema central o fornecimento de energia elétrica em áreas protegidas como é caso da Ilha Grande , distrito de Angra dos Reis e situada no litoral sul do Estado do Rio de Janeiro. Os diferentes usos de energia elétrica estão relacionados às diferentes funções da ilha ao longo de cinco séculos de ocupação em que destaca-se a função de segurança pública com o complexo presidiário, a função de proteção ambiental com as categorias da APA , PARQUE, RESERVA BIOLÓGICA e com a função mais recente que é de atrativo turístico.

Detecção e classificação de VTCDs em sistemas de distribuição de energia elétrica usando redes neurais artificiais.

O objetivo deste trabalho é conhecer e compreender melhor os imprevistos no fornecimento de energia elétrica, quando ocorrem as variações de tensão de curta duração (VTCD). O banco de dados necessário para os diagnósticos das faltas foi obtido através de simulações de um modelo de alimentador radial através do software PSCAD/EMTDC. Este trabalho utiliza um Phase-Locked Loop (PLL) com o intuito de detectar VTCDs e realizar a estimativa automática da frequência, do ângulo de fase e da amplitude das tensões e correntes da rede elétrica. Nesta pesquisa, desenvolveram-se duas redes neurais artificiais: uma para identificar e outra para localizar as VTCDs ocorridas no sistema de distribuição de energia elétrica. A técnica aqui proposta aplica-se a alimentadores trifásicos com cargas desequilibradas, que podem possuir ramais laterais trifásicos, bifásicos e monofásicos. No desenvolvimento da mesma, considera-se que há disponibilidade de medições de tensões e correntes no nó inicial do alimentador e também em alguns pontos esparsos ao longo do alimentador de distribuição. Os desempenhos das arquiteturas das redes neurais foram satisfatórios e demonstram a viabilidade das RNAs na obtenção das generalizações que habilitam o sistema para realizar a classificação de curtos-circuitos.

Nos bastidores da criação da Comissão Nacional de Energia Nuclear: disputas políticas e interesses econômicos

O objetivo desta dissertação de mestrado é analisar o processo de criação e regulamentação da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), desde o governo Juscelino Kubitschek (1956-1961) até sua efetiva regulamentação em 1962. A iniciativa inscreveu-se no conjunto de medidas visando dar solução à crise que atravessava o Conselho Nacional de Pesquisas (CNPq), e que levariam à instauração, na Câmara dos Deputados, em 1956, de Comissão Parlamentar de Inquérito para investigar o problema da energia atômica no país. Como sinônimo de desenvolvimento e progresso, a energia nuclear também seria incluída no Programa de Metas de JK. São investigadas as disputas políticas e os interesses econômicos que marcaram o processo de implantação da CNEN e o desenvolvimento de suas atividades na etapa inicial de seu funcionamento.

Efeitos de raios-X de baixa energia em células mamárias

Doses de radiação de baixa energia podem induzir quebras de dupla fita no DNA assim como também produzir perfis alterados de expressão de genes relacionados a estas lesões. Os danos não reparados ou mal reparados levam a uma maior suscetibilidade à transformação oncogênica já que os efeitos biológicos mais importantes causados pela radiação ionizante são mutação e carcinogênese. As lesões no DNA provocadas pela radiação podem também ocasionar o surgimento micronúcleos e as células podem ser induzidas à apoptose. O objetivo deste trabalho é estudar in vitro a presença de micronúcleos e a apoptose ocasionados por Raios-X de baixa energia. Pretende-se analisar estes efeitos biológicos em relação à energia equivalente à utilizada em exames mamográficos usando duas linhagens estabelecias de células de mama: a MCF-7 (tumoral) e a HB-2 (não-tumoral). As células, em crescimento exponencial, foram irradiadas no equipamento de arranjo experimental de mamografia do LCR/UERJ. A dose de 5Gy na energia de 30 kV foi aplicada com taxa de 0,1 Gy/seg utilizando filtro de 0,03 mm de molibdênio. As irradiações foram realizadas duas vezes, após as irradiações, as células foram incubadas por 4, 24 ou 48 horas e posteriormente coradas com o corante Hoechst33258 para análise em microscopia de fluorescência. Para cada análise, 1000 células foram categorizadas pela morfologia do núcleo. Os resultados mostraram que a HB-2, utilizada neste estudo como célula mamária normal, apresentou maior sensibilidade aos efeitos da radiação, com 37 % das células em apoptose após 4 hs de incubação, enquanto a MCF-7 apresentou 6,5 %. Nas análises após 24 hs foi possível confirmar a radioresistência da MCF-7 tendo sido observadas 11% de células em apoptose no grupo irradiado. Houve um aumento crescente de micronúcleos radioinduzidos nas duas linhagens de acordo com os tempos de incubação. Na análise de 4 hs a HB-2 apresentou 3%, em 24 hs, 8,5% e 48 hs, 11,5 %. Diante destes resultados, foi possível concluir que a energia do feixe de raios-X utilizada na mamografia pode ser capaz de ocasionar aumento de ocorrência de apoptose e geração de micronúcleos nas duas linhagens estudadas

Condições de contorno albedo para cálculos globais de reatores nucleares térmicos com o modelo de ordenadas discretas a dois grupos de energia

Como eventos de fissão induzida por nêutrons não ocorrem nas regiões nãomultiplicativas de reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais, essas regiões não geram potência e a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares pode portanto ser aumentada eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas em torno do núcleo ativo. É discutida nesta dissertação a eficiência computacional de condições de contorno aproximadas tipo albedo na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definido como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta palavra latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e nesta dissertação este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Este albedo SN nãoconvencional substitui aproximadamente a região refletora em torno do núcleo ativo do reator, pois os termos de fuga transversal são desprezados no interior do refletor. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta dissertação, são exatas. Por eficiência computacional entende-se analisar a precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos para dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Aplicação do algoritmo SEBAL para estimativa da evapotranspiração na mesorregião do sul goiano.

As preocupações com o uso da terra têm permeado inúmeros estudos científicos, no âmbito nacional e internacional, voltados para a avaliação dos impactos ambientais causados pelas atividades agropecuárias. Alguns processos do ciclo hidrológico, a exemplo da evapotranspiração apresentam modificações consideráveis, devido às constantes mudanças nos usos dos solos. Desta forma, o presente trabalho busca destacar o problema das rápidas e intensas mudanças no uso do solo oriundas da expansão da atividade agropecuária e seus impactos ao meio ambiente, especialmente sobre o processo da evapotranspiração regional, na mesorregião do Sul Goiano, região típica de cerrado, localizada no centro-oeste brasileiro. A aplicação do algoritmo Surface Energy Balance Algorithm for Land - SEBAL consistiu o cerne da metodologia utilizada, com vista à estimativa dos fluxos de energia e da evapotranspiração em escala regional, obtidos com base no equacionamento do balanço de energia à superfície, complementado por dados de temperatura do ar e velocidade do vento adquiridos em estações meteorológicas (PCDs) instaladas na área de estudo. Foram utilizados dados do sensor MODIS/TERRA dos anos 2006, 2007, 2008, 2009 e 2010. O algoritmo foi testado em sua forma clássica e modificado por alterações nos critérios de seleção dos pixels âncoras, utilizados no procedimento da estimativa do fluxo de calor sensível. Pode-se concluir que a alteração dos critérios influenciou positivamente os resultados obtidos e que os valores da evapotranspiração, na região estudada, indicaram a potencialidade da metodologia empregada para o monitoramento sistemático dos componentes do balanço de energia em escala regional.

A territorialização da produção de biodiesel no Brasil: energia e ordem ambiental internacional

O presente trabalho tem por intento principal evidenciar relação entre a produção brasileira de biodiesel e seus motivadores gerados na ordem ambiental internacional. Esta ordem possui em seu contexto as questões ambientais e energéticas contemporâneas, as quais têm evidenciado o ideário do Desenvolvimento Sustentável como possível solução para as incongruências entre a produção capitalista do espaço e as leis da termodinâmica. Destarte, faz-se a análise da territorialização da produção brasileira de biodiesel e os (re)arrajos promovidos no espaço agrário, tendo como fito a inserção da agricultura familiar no complexo agroindustrial do biodiesel, dado que o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel a preconiza como alvo das ações de inclusão social. Diante disso, torna-se fundamental analisar o papel de Petrobras Biocombustível enquanto principal promotor dessa inserção, sobretudo na região Nordeste.