Síntese automática de redes de trocadores de calor por análise pinch acoplada ao simulador de processo DWSIM

Este trabalho apresenta a fundamentação teórica, a formulação matemática e a metodologia computacional do aplicativo PinchCraft, uma ferramenta de síntese automatizada de redes de trocadores de calor (HEN, Heat Exchanger Networks) destinada a fluxogramas modelados no simulador de processos de código aberto DWSIM. Para garantir a possibilidade e realidade de simulação com correntes bifásicas, o sistema extrai perfis de temperatura-entalpia rigorosos diretamente do pacote termodinâmico do simulador, eliminado o uso de capacidade calorífica. A representação rigorosa é convertida em segmentos lineares por meio do algoritmo Ramer–Douglas–Peucker (RDP), com tolerância de afastamento perpendicular controlada pelo usuário, e os segmentos resultantes alimentam a biblioteca OpenPinch, que executa o algoritmo da tabela-problema e produz os alvos termodinâmicos da análise pinch. Sobre essa base, dois algoritmos heurísticos hierárquicos sintetizam a rede física: uma primeira camada constrói pares fixos a partir de preferências explícitas, calculando o calor máximo termodinamicamente permutável por varredura numérica das curvas T–H respeitando ΔTmín ponto a ponto, e uma segunda camada amplia a recuperação por cross-match ganancioso sobre as utilidades residuais da primeira. A topologia resultante é traduzida em um novo fluxograma DWSIM, gravado em formato .dwxmz com layout otimizado por força bruta para minimizar cruzamentos visuais, recarregado e resolvido em subprocesso isolado para a validação ponto-a-ponto das temperaturas-alvo. A ferramenta foi validada em cinco estudos de caso de complexidades variáveis. Em todos, o fluxograma DWSIM gerado convergiu com erro inferior a 0,1 K em relação às temperaturas-alvo, e a comparação entre os alvos de utilidade calculados pelo OpenPinch e os consumos efetivamente sintetizados pelas duas camadas heurísticas evidenciou que a estratégia adotada produz topologias coerentes com ganho de recuperação de até 5,4% entre as camadas 1 e 2. Os casos também evidenciaram as limitações da metodologia atual, apenas heurística, e quais os próximos passos de melhoria.

Resumo (inglês)

This work presents the theoretical foundation, mathematical formulation, and computational methodology of the PinchCraft application, an automated synthesis tool for heat exchanger networks (HENs) developed from flowcharts modeled in the opensource process simulator DWSIM. To ensure the possibility and realism of simulation with two-phase streams, the system extracts temperature-enthalpy profiles directly from the simulator's used thermodynamic package, eliminating the need for heat capacity. The rigorous representation is converted into linear segments using the Ramer–Douglas–Peucker (RDP) algorithm, with user-controlled perpendicular exclusion tolerance, and the resulting segments feed into the OpenPinch library, which executes the problem-table algorithm and produces the thermodynamic targets for the Pinch analysis. Based on this foundation, two hierarchical heuristic algorithms synthesize the physical network: a first layer built from fixed pairs derived from explicit specifications, calculating the maximum thermodynamically interchangeable heat by numerically scanning the T–H curves respecting ΔTmin point by point, and a second layer extending the retrieval by greedy cross-matching over the residual utilities from the first layer. The resulting topology is translated into a new DWSIM flowchart, saved in .dwxmz format with a brute-force optimized layout to minimize visual intersections, reloaded, and resolved in an isolated subprocess for point-by-point validation of the target temperatures. The tool was validated in five case studies of varying complexities. In all cases, the DWSIM flowchart generated convergence with an error of less than 0.1 K in relation to the target temperatures, and the comparison between the usability targets calculated by OpenPinch and the consumption synthesized by the two heuristic layers showed that the implementation strategy produces consistent topologies with a recovery gain of up to 5.4% between layers 1 and 2. The cases also highlighted the limitations of the current, purely heuristic methodology, and the next steps for improvement.

Palavras-chave

Engenharia química Software gratuito Recuperação do calor Entalpia Linearização

Idioma

Português

Citação

FRAMBA, N.A.O. Síntese automática de redes de trocadores de calor por análise pinch acoplada ao simulador de processo DWSIM. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara, 2026.