Desenvolvimento de uma ferramenta modular para modelagem e simulação de sistemas térmicos

Abstract

O crescimento da demanda global por energia, aliado às crescentes preocupações com as mudanças climáticas, tem estimulado o desenvolvimento de tecnologias energéticas mais eficientes e sustentáveis. Nesse cenário, os sistemas térmicos assumem um papel central, com aplicações que vão desde o aquecimento e a refrigeração residenciais até processos de geração e conversão de energia em grande escala. O desenvolvimento de tais aplicações de forma competitiva requer a utilização de ferramentas de simulação e otimização que permitam a avaliação de diferentes condições de operação e configurações do sistema. Nesse sentido, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional modular e extensível para modelagem e simulação de sistemas térmicos, implementada em Python com programação orientada a objetos. A motivação surgiu da necessidade de unificar os modelos numéricos fragmentados desenvolvidos pelo grupo de pesquisa Polo/UFSC ao longo dos anos, criando uma plataforma comum que facilite a integração entre diferentes linhas de pesquisa e a investigação de novas tecnologias e configurações mais eficientes, permitindo a realização de estudos comparativos de desempenho em diversos contextos. O modelo foi estruturado em três classes principais: Component, responsável por representar equipamentos individuais; Connection, que calcula as propriedades termodinâmicas entre componentes; e System, que coordena o processo de solução através do método de Newton Raphson. Foi implementada uma biblioteca de componentes básicos, incluindo trocadores de calor, turbomáquinas e elementos auxiliares, cada um com suas equações constitutivas específicas. A validação foi realizada através da simulação de dois casos de estudo: uma bomba de calor operando com R134a e um ciclo Rankine com água, ambos baseados nos tutoriais do software TESPy. Os resultados obtidos mostraram correspondência com os valores de referência disponíveis, evidenciando que o modelo simplificado implementado é capaz de reproduzir de forma adequada o comportamento termodinâmico dos sistemas analisados. Foram realizadas análises paramétricas para ambos os casos de estudo, que confirmaram o comportamento físico esperado e mostraram o impacto das variáveis operacionais no desempenho dos ciclos. A ferramenta desenvolvida oferece uma solução simplificada e acessível que mantém a precisão necessária para reproduzir o comportamento termodinâmico dos sistemas, ao mesmo tempo em que facilita a compreensão,a manutenção e a extensão futura dos modelos. Dessa forma, constitui uma base inicial e flexível para estudos na área de engenharia térmica, permitindo a incorporação e análise de tecnologias energéticas emergentes, a comparação de diferentes configurações e a exploração de sistemas híbridos, apoiando o desenvolvimento de sistemas térmicos mais eficientes.

The growing global demand for energy,combined with the increasing concerns about climate change, has driven the development of more efficient and sustainable energy technologies. In this scenario, thermal systems play a central role, with applications ranging from residential heating and cooling to large-scale energy generation and conversion processes. The competitive development of such applications requires the use of simulation and optimization tools that enable the evaluation of different operating conditions and system configurations. In this sense, this work presents the development of a modular and extensible computational tool for modeling and simulation of thermal systems, implemented in Python using object-oriented programming. The motivation arose from the need to unify the fragmented numerical models developed by the Polo/UFSC research group over the years, creating a common platform that facilitates integration among different research lines and the investigation of new and more efficient technologies and configurations, enabling comparative performance studies in multiple contexts. The model was structured into three main classes: Component, responsible for representing individual equipment; Connection, which computes thermodynamic properties between components; and System, which coordinates the solution process through the Newton-Raphson method. A library of basic components was implemented, including heat exchangers, turbomachinery, and auxiliary elements, each with their specific constitutive equations. Validation was performed through the simulation of two case studies: a heat pump operating with R134a and a Rankine cycle with water, both based on TESPy software tutorials. The results obtained showed agreement with the available reference values, demonstrating that the simplified model is capable of adequately reproducing the thermodynamic behavior of the analyzed systems. Parametric analyses were performed for both case studies, confirming the expected physical behavior and illustrating the impact of operating variables on cycle performance. The developed tool offers a simplified and accessible solution that maintains the accuracy required to reproduce the thermodynamic behavior of systems while facilitating understanding, maintenance, and future extension of the models. Thus, it constitutes an initial and flexible foundation for studies in the field of thermal engineering, allowing the incorporation and analysis of emerging energy technologies, the comparison of different configurations, and the exploration of hybrid systems, supporting the development of more efficient thermal systems.