camel-pro™: un software modulare per la simulazione di

Ing. Mario Ruotolo
Altran Italia
CAMEL-PRO™: UN SOFTWARE
Ing. Claudia Toro
Dipartimento di Meccanica e
Aeronautica
Università di Roma “La Sapienza”
MODULARE PER LA SIMULAZIONE
DI PROCESSI DI CONVERSIONE
DELL’ENERGIA
Sommario
1. Introduzione
Nell’ambito dell’attività di ricerca condotta dal
gruppo CIRCUS [1], Centro Internazionale di
Ricerca e Calcolo Universitario Scientifico del
Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica
dell’Università di Roma “La Sapienza”, è stato
sviluppato un codice di calcolo modulare per la
simulazione dei processi di conversione
dell’energia. Il codice sviluppato, denominato
CAMEL-Pro™ (acronimo di CAlcolo Modulare ad
ELementi), è caratterizzato dall’essere stato
concepito ab initio come programma Object
Oriented e risulta, pertanto, composto da un corpo
centrale, che esegue esclusivamente le operazioni
generali comuni a qualsiasi simulatore (lettura
dell’input, interazione grafica con l’utente,
assemblaggio di un impianto energetico,
presentazione dei risultati), e da una libreria di
“elementi”, espandibile ad libitum, contenente
strutture indipendenti, ciascuna delle quali
rappresenta un oggetto o un componente,
modularmente interfacciabile con alcuni o tutti gli
altri. Questa modularità distingue CAMEL-Pro™
da molti dei codici di calcolo commerciali e ne fa un
versatile strumento di analisi. Il codice include la
possibilità di svolgere analisi energetiche,
exergetiche e termoeconomiche, consentendo di
affiancare, alla tradizionale analisi termodinamica,
un altro tipo di analisi molto importante per una
completa valutazione ingegneristica dell’impianto.
Esiste una crescente domanda di strumenti capaci di assistere i progettisti nella loro ricerca di miglioramento dell’affidabilità, flessibilità e sicurezza
degli impianti. Di qui la necessità della simulazione numerica del comportamento dell’impianto in condizioni nominali, ma anche in condizioni di offdesign, al fine di verificare la bontà delle scelte operate ed ottimizzare, per
esempio, i diversi parametri dei sistemi di controllo.
CAMEL-Pro™ è un software per la simulazione dei processi di conversione
di energia, che consente di effettuare una valutazione energetica, exergetica1 e termoeconomica2 dell’impianto, in modo da poter effettuare assessment tecnici e valutare l’influenza delle caratteristiche dei componenti
sulle prestazioni dell’impianto in esame. Offre la possibilità di modellare un
processo usufruendo di un editor grafico, attraverso la semplice connessione dei vari componenti dell’impianto con i flussi, e di risolvere matematicamente il processo così costruito.
Un codice di questo tipo facilita l’analisi di differenti tipologie di impianti di
conversione di energia rendendo, il più possibile user friendly, la parte “di
routine” inerente alla redazione di bilanci di massa e di energia, al calcolo
dei valori della composizione di miscele multicomponente, dell’exergia, ecc.
con lo scopo di fornire, all’ingegnere di processo, la possibilità di rappresentare i risultati dell’analisi in modo compatto e completo.
Grazie all’approccio modulare del software e all’evolversi delle esigenze dei
clienti che attualmente lo utilizzano, CAMEL-Pro™ viene costantemente
arricchito di nuove funzionalità, al cui sviluppo gli autori sono stati, e sono
tutt’ora, coinvolti in prima persona.
Nei paragrafi seguenti vedremo nel dettaglio l’approccio utilizzato, l’architettura e le principali caratteristiche di CAMEL-Pro™.
2. CAMEL-Pro™ e la simulazione
di processo
2.1 L’approccio modulare
Un impianto può essere rappresentato da una rete di flussi (materiali ed
immateriali) e da un insieme di componenti che interagiscono tra di loro
1
L'exergia rappresenta il massimo lavoro ottenibile da un sistema quando esso viene riportato in
equilibrio con l’ambiente circostante, attraverso trasformazioni reversibili [2]: in altre parole, l’exergia è una misura della qualità dell’energia del sistema stesso. L’analisi exergetica è basata sulla
seconda legge della termodinamica e sul concetto di produzione di entropia. Il consumo di exergia di un processo è proporzionale alla produzione di entropia dovuta all’irreversibilità del processo
stesso.
2
L’analisi termoeconomica è una disciplina dell’ingegneria nata dalla combinazione delle analisi exergetica ed economica [3], in quanto integra i principi della termodinamica e dei concetti dell’economia (in particolare il concetto di costo). Lo scopo della termoeconomia è quello di fornire un criterio oggettivo e termodinamicamente corretto per la determinazione dei costi dei prodotti di un
sistema multiprodotto.
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Figura 1. Esempio di connessione delle componenti.
(Figura 1). La corretta caratterizzazione di queste due tipologie di
elementi garantisce la modularità del software. In CAMEL-Pro™,
infatti, il flusso è visto come un vettore di informazione del processo o, meglio, come un elemento che subisce delle trasformazioni e ne conserva memoria ed è, contemporaneamente, parte
dell’input e dell’output dell’impianto; i parametri del flusso rappresentano le incognite del problema. Il componente è, invece, schematizzato come l’elemento agente che altera le condizioni
termodinamiche del flusso, in corrispondenza di un particolare processo. Per esempio, una turbina è un componente che applica una
trasformazione adiabatica al flusso secondo le caratteristiche specificate tra le proprietà del componente. La schematizzazione non
permette di descrivere in dettaglio il processo che avviene all’interno del componente, ma, piuttosto, realizza un modello blackbox che ha il solo scopo di descrivere le modifiche che il
componente impone sul flusso che evolve al suo interno. Il modello
del componente può essere di qualunque tipo, sia per dettaglio che
per complessità. Differenti modelli possono, infatti, risultare validi; la loro complessità determina il grado di precisione della soluzione e la possibilità di simulare differenti condizioni operative, in
particolare per quanto riguarda la descrizione del funzionamento
fuori progetto.
In definitiva, come il flusso rappresenta l’insieme delle variabili del
processo, così il modello black-box del componente rappresenta il
sistema di equazioni da risolvere per ottenere la soluzione del problema.
2.2 Descrizione dell’algoritmo
solutore del problema stazionario
Il solutore utilizzato è basato su di un algoritmo del tipo equation
system, nel quale la soluzione viene ottenuta come unico insieme
di valori che soddisfa contemporaneamente le condizioni di tutti i
componenti [4]. Questo solutore permette di simulare sia impianti
con comportamenti lineari, sia impianti caratterizzati da una non linearità strutturale.
La soluzione del problema è iterativa: il suo successo è, dunque,
strettamente legato al punto di partenza dell’iterazione. L’algoritmo
adottato per risolvere il sistema di equazioni non lineare è un algoritmo di tipo Newton-Raphson ottimizzato, che permette di ri-
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Figura 2. Sistema di equazioni.
solvere iterativamente il sistema tramite una successione di approssimazioni lineari.
Procedere alla risoluzione di un impianto seguendo la metodologia
dell’equation system significa cercare una funzione di trasferimento
che sia caratteristica non più del singolo componente dell’impianto,
ma dell’impianto nella sua totalità. Ad ogni componente è associato un determinato sistema di equazioni che ne caratterizza il
funzionamento: quando si costruisce un impianto costituito da più
componenti, si assemblano tra loro questi sistemi di equazioni al
fine di creare un unico sistema caratteristico dell’impianto stesso.
In Figura 2 è mostrato un sistema di equazioni associato all’impianto schematizzato in Figura 1, dove aij rappresentano i coefficienti delle equazioni che descrivono i singoli componenti
dell’impianto, mentre xj le incognite che caratterizzano i flussi
L’algoritmo di CAMEL-Pro™ rappresenta il sistema di equazioni
tramite il vettore dei residui F3. Assumiamo, ad esempio, un sistema di due equazioni, rappresentato dal vettore dei residui F =
{F1, F2} e dalle due variabili x1, x2. Il valore iniziale di F è F0 = {F1,0,
F2,0}. Il sistema di equazioni viene linearizzato mediante la matrice
Jacobiana4 associata al sistema di equazioni dell’impianto e le condizioni iniziali x0 = {x1,0, x2,0} imposte per le variabili. La matrice
Si consideri ad esempio la funzione x+3y+z3=q: il vettore dei residui F è definito come
F=x+3y+z3-q ed è uguale a zero quando l’equazione è risolta.
4
La matrice Jacobiana è la matrice di tutte le derivate parziali prime di una funzione (che
ha dominio e codominio in uno spazio euclideo) e rappresenta la migliore approssimazione lineare di una funzione differenziabile nell’intorno di un punto dato.
3
Jacobiana del sistema, calcolata nel punto iniziale, è:
soluzione del sistema lineare da quella precedente rappresenta la direzione verso cui la ricerca della soluzione deve muoversi: questa direzione è completamente definita dalla coppia costituita dal punto di
partenza, il vettore X0, e dalla soluzione corrente del sistema lineare
Xn+1. Questa procedura permette di ottimizzare la convergenza.
Dopo aver calcolato la soluzione ottimale del sistema di equazioni, il
punto di partenza X0 è aggiornato con la soluzione ottenuta e la procedura viene ripetuta fino alla convergenza. Il raggiungimento della
convergenza viene accertato tramite i tre differenti criteri descritti nel
seguito:
e il sistema lineare associato è:
1. Il primo verifica se il vettore dei residui è minore di un prefissato
ε: se questa condizione è soddisfatta, il sistema è giunto a convergenza e la procedura iterativa viene interrotta.
La soluzione del sistema lineare è relativamente semplice ed è ottenuta tramite procedure standard.
Una volta determinata la soluzione del problema linearizzato, si verifica se questa sia anche soluzione del sistema di equazioni; in caso
negativo, si procede nuovamente alla linearizzazione del problema iniziale, utilizzando come condizione iniziale la soluzione del sistema linearizzato nell’iterazione precedente. Il diagramma di flusso è
descritto nella Figura 3.
Questo procedimento può richiedere un elevato numero di iterazioni
per raggiungere la convergenza. E’ per questo motivo che è stato introdotto un algoritmo per “accelerare” la convergenza: CAMEL-Pro™
utilizza un metodo a gradiente5 ottimizzato.
Si consideri la funzione f, definita come:
Questa funzione è positiva e presenta un minimo quando il vettore
dei residui è risolto (F=0).
La dimensione del passo di iterazione è determinato in base alla minimizzazione della funzione f. In questo modo, la distanza della “nuova”
5
Il gradiente rappresenta la direzione verso cui la funzione tende a un minimo.
2. Il secondo criterio confronta l’errore relativo tra le soluzioni delle
due ultime iterazioni:
se l’errore è inferiore ad una certa percentuale che rappresenta la
soglia di tolleranza scelta (tol), la procedura iterativa viene conclusa.
3. Il terzo controllo verifica che la funzione f raggiunga un minimo: se
questa condizione è verificata, ma non lo sono né la condizione 1,
né la condizione 2, è stata raggiunta una soluzione non valida e appare sullo schermo un messaggio di errore. La principale causa di
tale situazione è una scelta non corretta del valore delle condizioni
iniziali.
La Figura 4 illustra il diagramma di flusso appena descritto.
Per aiutare l’utente a definire correttamente i valori iniziali del vettore delle incognite X0, CAMEL-Pro™ possiede un algoritmo “pre-solutore”, basato su un set di equazioni lineari approssimate, specifiche
Figura 3. Descrizione dell’ottimizzazione della dimensione del passo.
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per ogni componente, che viene risolto prima dell’avvio della procedura iterativa.
Quella che CAMEL-Pro™ implementa è una simulazione stazionaria: non tiene, cioè, conto del fattore tempo. Da circa un anno, si
sta sviluppando un nuovo simulatore che permetta di eseguire simulazioni dinamiche che descrivono l’andamento dei parametri
dell’impianto al variare del tempo. L’algoritmo si può schematizzare come una sequenza di simulazioni statiche a diversi istanti
di tempo. L’andamento nel tempo di alcuni parametri è stabilito
dall’utente attraverso l’interfaccia grafica (Boundary Conditions),
mentre gli altri vengono calcolati dal simulatore. Attraverso il metodo di Runge-Kutta6 del quardo ordine si calcolano i valori delle incognite nell’istante successivo (Figura 5).
3. Architettura del software
CAMEL-Pro™ è sviluppato con tecnologia Microsoft .NET e linguaggio di programmazione C#. Questa scelta è stata fatta per un
duplice motivo:
• Usufruire di una moderna tecnologia. Questo ci garantisce lo
sviluppo di un’applicazione sempre aggiornata con le evoluzioni
tecnologiche di hardware e software.
• L’utilizzo del framework .Net garantisce una semplice portabilità
su altri sistemi operativi che non siano quelli Microsoft™.
CAMEL-Pro™ è costituito da quattro moduli (Figura 6):
• CAMEL-Pro™ Wizard: è l’applicazione che permette di creare un
database di componenti e flussi, che verranno utilizzati da
CAMEL-Pro™ Simulator per la simulazione degli impianti. Il wizard permette di impostare sia il modello fisico/matematico che
l’aspetto grafico di ogni singolo componente e flusso. L’aspetto
grafico, i parametri, le porte e tutte le parti che costituiscono il
componente o il flusso vengono impostate attraverso un’interfaccia grafica. La parte relativa al modello matematico del componente, invece, viene descritta dall’utente attraverso
l’implementazione di alcuni metodi in C#, con l’ausilio di strumenti che ne facilitano la scrittura. Il componente così creato
viene compilato e trasformato in un Assembly. A tal fine è utilizzata la tecnologia CodeDOM (Data Object Model) che permette di creare dinamicamente gli Assembly (file di tipo .dll).
Figura 4. Diagramma di flusso del solutore.
• CAMEL-Pro™ Simulator: è l’applicazione che permette di disegnare il layout di un impianto, di impostare i valori per la simulazione e le condizioni operative dell’impianto stesso, e di
eseguirne la simulazione, calcolando tutti i parametri relativi ad
ogni flusso e ad ogni componente. Il layout di un impianto è rappresentato da un insieme di componenti che interagiscono traFigura 5. Rappresentazione grafica di Runge - Kutta 4.
6
I metodi di Runge-Kutta sono una classe di metodi numerici che forniscono un'approssimazione della soluzione di un'equazione differenziale in un insieme discreto di punti.
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Figura 6. Architettura di CAMEL-Pro™.
Figura 7. Descrizione di CAMEL-Pro™ Database.
mite dei flussi presenti nel database di CAMEL-Pro™. Attraverso la tecnologia Reflection7, CAMEL-Pro™ Simulator carica
dinamicamente i singoli Assembly ed esegue la simulazione. La
creazione del layout dell’impianto avviene utilizzando un’interfaccia grafica user friendly.
ponenti e flussi (DBCamel.dbc) e una collezione degli Assembly
associati ai componenti dell’impianto (Figura 7).
• CAMEL-Pro™ Thermodynamic Library: è la libreria delle pro-
• CAMEL-Pro™ Database: è il database che contiene le informazioni di tutti i componenti e i flussi, le funzioni globali e le costanti globali. Fisicamente, è costituito da due parti: un file che
contiene tutte le informazioni relative all’aspetto grafico di com7
La tecnologia Reflection permette di ottenere informazioni relative ai tipi contenuti in un
Assembly a run-time. Il Framework .Net fornisce una serie di API (Application Programming Interface) per analizzare gli Assembly, consentendo di istanziare oggetti, invocare metodi di una classe o di accedere alle proprietà.
prietà termodinamiche utilizzate nei modelli dei vari componenti
presenti nel database, richiamabili dall’utente in fase di creazione di componenti e flussi con il wizard. La libreria inclusa all’interno del software CAMEL-Pro™ è il pacchetto FluidProp,
sviluppato da P. Colonna e T.P. van der Stelt dell’Energy Technology Section, dell’Università di Delft [5]: essa contiene più
di 50 specie e miscele, suddivise in 4 librerie principali (Figura
8), che si differenziano per le specie ed i modelli con cui vengono calcolate le proprietà. Maggiori dettagli riguardo i modelli
utilizzati in FluidProp si possono trovare in [5].
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Figura 8. Architettura di CAMEL-Pro™ Thermodynamic Library.
Questo tipo di architettura rende CAMEL-Pro™ un prodotto estremamente flessibile e customizzabile. Infatti, grazie all’applicazione
CAMEL-Pro™ Wizard, l’utente può creare il proprio database di
componenti e flussi, inserendo i modelli dei componenti specifici
che costituiscono l’impianto/processo da simulare.
Attualmente, CAMEL-Pro™ viene usato per simulare impianti di
conversione dell’energia (turbogas, impianti a vapore, ecc.), ma le
sue applicazioni sono molteplici: flussi economici, flussi produttivi,
processi evolutivi, ecc. Nei paragrafi seguenti sono descritte in
dettaglio le caratteristiche delle due applicazioni CAMEL-Pro™ Wizard e CAMEL-Pro™ Simulator.
3.1 Camel-ProTM Wizard
Questa applicazione permette di creare nuovi componenti e flussi
o di modificare quelli già presenti nel database.
La finestra principale si presenta come in Figura 9. Nella parte alta
troviamo la toolbar che permette di eseguire le operazioni principali, sulla sinistra è presente una treeview contenente l’albero dei
componenti, dei flussi, delle funzioni e delle costanti presenti nel
database caricato. Ogni componente è associato a un sotto-albero
che permette di accedere velocemente a tutte le fasi di scrittura
del componente stesso.
Vediamo gli aspetti salienti per la creazione di un componente. Le
informazioni di base che l’utente deve inserire sono il nome del
componente e il nome della classe. Il nome del componente è il
nome che viene visualizzato in fase di simulazione e identifica il
componente in maniera univoca all’interno del database. Il nome
della classe, invece, è il nome dell’oggetto C# che il wizard crea dinamicamente e che viene istanziato durante la simulazione. Ogni
componente è caratterizzato da un insieme di parametri e attributi che possono essere inseriti accedendo, tramite il menu a sinistra nella Figura 9, ai pannelli Parameters (mostrato in Figura
10) e Attributes, rispettivamente. Ogni parametro ha una serie di
proprietà tra cui, valore di default, range ammissibile, descrizione,
unità di misura. Questi valori possono essere inseriti e modificati
in qualsiasi momento.
I componenti interagiscono con i flussi tramite le porte (ports),
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Figura 9. Finestra principale di
CAMEL-Pro™ Wizard.
quindi è necessario definire un certo numero di porte per ogni componente. Ogni porta può essere di input o di output, ha una descrizione, un nome, e può essere disposta in qualunque punto sul
perimetro del componente.
Per identificare univocamente i tipi di flussi che entrano o escono
dalle porte precedentemente assegnate al componente, si definiscono le configurazioni (configurations). Attraverso questa sezione
è possibile creare tante configurazioni e, per ognuna, impostare la
famiglia di flussi collegabili a ogni porta. Durante la simulazione di
un impianto, si deve specificare la configurazione con cui si vuole
utilizzare quel componente.
Per impostare il modello fisico, ovvero scrivere il sistema di equazioni che descrive il funzionamento del componente, si utilizza il
pannello Assembly (Figura 11). E’ necessario rispettare una sintassi ben precisa nella scrittura del modello, affinché funzioni correttamente durante la simulazione. Il wizard si comporta come un
vero e proprio compilatore, che genera l’Assembly (il file di tipo
.dll) del componente, che viene caricato dinamicamente durante
la simulazione (per fare ciò è stata utilizzata la tecnologia Microsoft .NET CodeDOM).
Infine, è possibile definire l’aspetto grafico del componente accedendo al pannello Graphics.
Figura 12. Pannello Parameters dei flussi.
Figura 10. Pannello Parameters dei componenti.
Figura 11. Pannello Assembly.
Vediamo cosa comporta l’inserimento di un flusso nel database e
come bisogna procedere per la sua realizzazione. Esiste un flusso
generico (Generic Stream) predefinito, che contiene i principali parametri di un flusso materiale o energetico (massa, temperatura,
pressione, potenza, ecc.), tutte le specie chimiche e tutte le proprietà termodinamiche. L’utente può modificare il flusso generico
per creare uno specifico flusso, selezionando i parametri necessari a definirlo, ivi incluse le specie chimiche e le proprietà termodinamiche. Ogni parametro ha una serie di proprietà tra cui, valore
di default, range ammissibile, descrizione, unità di misura. Questi
valori possono essere inseriti e modificati in qualsiasi momento. Infine, come per la creazione del componente, è necessario specificare il nome del flusso (Brine dell’esempio in Figura 12), che lo
identifica univocamente tra tutti i flussi del database. Sulla sinistra della Form si presenta una treeview (così come accadeva per
i componenti) che contiene la lista di tutti i flussi presenti del database. Ogni flusso ha un sotto-albero che permette di accedere
velocemente a tutte le fasi di progettazione dello stesso. Riguardo
l’aspetto grafico del flusso, è possibile impostare colore, tratto,
spessore, ecc.
Grazie al CAMEL-Pro™ Wizard possono essere creati con facilità
database di componenti e flussi che vengono successivamente caricati da CAMEL-Pro™ Simulator. E’ possibile avere più database
sulla medesima utenza e selezionare quello che si vuole utilizzare.
Il wizard permette, inoltre, di esportare componenti e flussi verso
un altro database o su file. Questa funzionalità agevola lo scambio
di componenti e flussi tra gli utenti, aumentando così la condivisione di parti di database.
3.2 CAMEL-Pro™ Simulator
Questa applicazione di CAMEL-Pro™ permette di simulare un impianto costituito da componenti e flussi presenti nel database caricato (e creati utilizzando CAMEL-Pro™ Wizard).
All’avvio dell’applicazione è possibile selezionare il database che si
vuole utilizzare per il progetto dell’impianto. Questo rende CAMELPro™ Simulator un contenitore vuoto, che all’avvio viene riempito di
un certo numero di componenti che vengono utilizzati dall’utente per
progettare un impianto, eseguire delle simulazioni, generare dei file
di output, ecc.
Vediamo brevemente quali sono i passi da seguire per simulare un
impianto con CAMEL-Pro™ Simulator. In particolare, analizziamo il
caso di un impianto turbogas per la produzione di energia elettrica
con turbina a gas.
Il primo step per la simulazione dell’impianto è la “costruzione”
del layout dell’impianto stesso sul foglio di lavoro di CAMEL-Pro™ Simulator. L’utente può scegliere i componenti che costituiscono l’impianto dal pannello sulla sinistra e trascinarli sul foglio di lavoro
(Figura 13). Nel caso in esame è necessario inserire i seguenti componenti:
• compressore,
• camera di combustione,
• turbina a gas,
• riduttore - splitter di potenza (power splitter).
Figura 13. Finestra principale
di Camel-Pro™ Simulator.
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Simbolo
CAMEL-PRO™
Componente
Compressore
Turbina a gas
Camera di combustione
Figura 14. Selezione della configurazione del
componente compressore.
Power splitter
Tabella 1. Alcuni componenti e simboli
di Camel-Pro™ Simulator.
In Tabella 1 sono riportati, accanto ai componenti, i relativi simboli.
Un impianto turbogas presenta due flussi di input, l’aria in ingresso
al compressore e il combustibile in ingresso alla camera di combustione, e due flussi di output, i gas in uscita dalla turbina e la potenza
meccanica netta prodotta.
Per ogni flusso di input e di output dall’impianto è necessario inserire
nel layout, rispettivamente, un sink (pozzo, in Figura 13 rappresentato da una freccia blu) e un source (sorgente, rappresentato da una
freccia rossa in Figura 13). Si tratta di componenti ausiliari che non
agiscono “fisicamente” sui flussi ma che rappresentano l’input e l’output dell’impianto stesso.
Dopo aver inserito i componenti, è necessario definire le configurazioni
con cui si vogliono simulare i componenti stessi, la scelta della configurazione identifica in maniera univoca la tipologia di flussi entranti
ed uscenti dal componente stesso. La Figura 14 mostra che per il
compressore si è scelta la configurazione Gas: essa impone l’utilizzo
del flusso gas (che rappresenta l’aria, ovvero una miscela di ossigeno, anidride carbonica, vapore acqueo e azoto) in input ed output
(Figura 15, flussi numero 1 e 2) e un flusso shaft power (potenza
meccanica) per l’altro input (flusso numero 7), che rappresenta la
potenza necessaria per il funzionamento del compressore. Questi
flussi, gas e shaft power, sono rappresentati rispettivamente con un
tratto grigio continuo e uno tratteggiato (Figura 15).
L’operazione di scelta della configurazione va ripetuta per ogni componente che costituisce l’impianto. In particolare, in questo esempio
scegliamo:
• camera di combustione: configurazione HC Fuel (individua il tipo di
combustibile con cui è alimentata),
• turbina a gas: configurazione Gas,
• power splitter: configurazione Shaft Power,
• due source e due sink.
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Figura 15. Esempio di un impianto.
Una volta definite le configurazioni di tutti i componenti (inclusi sink e
source), è possibile procedere al collegamento dei componenti con i
relativi flussi: è sufficiente passare il cursore sulla porta di un componente, visualizzare il flusso ammesso e cliccare sulle porte dei
componenti che si vuole collegare. Ad esempio, cliccando sul sink e
sulla porta di input del compressore, i due verranno collegati da un
flusso gas come scelto precedentemente.
In Figura 15 vediamo il layout dell’impianto, completo di flussi e componenti: si può notare come ad ogni tipologia di flusso sia associata
una grafica diversa (in rosso l’HC fuel, in grigio il gas e tratteggiato
il flusso shaft power) e come ogni flusso venga identificato univocamente con un indice numerico.
Costruito il layout si passa alle impostazioni dei parametri di flussi e
componenti. Cliccando con il tasto destro del mouse su ogni componente è possibile accedere al relativo pannello proprietà, in cui è
possibile impostare parametri e attribuiti (Figura 16.a).
Inoltre, cliccando con il tasto destro del mouse sui flussi, si accede
al pannello delle proprietà dei flussi stessi, che ne visualizza tutti pa-
Figura 16.a. Pannello dei parametri di un componente.
Figura 16.b. Pannello dei parametri di un flusso.
Figura 16. Pannello dei parametri.
rametri (Figura 16.b): essi costituiscono le variabili del sistema e
l’utente ne può impostare il valore o lo stato iniziali. Un parametro
può avere tre differenti stati:
stata sviluppata una versione del database di CAMEL specifica per la
simulazione di questa tipologia d’impianti [14].
• set: rappresenta una condizione al contorno del sistema; è fissato
4. Conclusioni
dall’utente e rimane costante durante la simulazione.
• estimate: l’utente assegna al parametro un valore che ritiene sufficientemente vicino al valore reale e che costituisce il valore di
partenza per la soluzione del sistema; il valore di un parametro
estimate viene variato nel corso della simulazione dal simulatore
stesso.
• none: il parametro è “libero” e viene calcolato dal simulatore in
fase di soluzione.
L’utente deve quindi impostare su set un numero sufficiente di parametri per “chiudere” matematicamente il problema. Una volta definiti
tutti i parametri necessari, è possibile lanciare la simulazione dell’impianto. A questo punto, il simulatore controlla che il numero delle condizioni al contorno impostate sia uguale al numero delle equazioni del
sistema; in caso contrario, non procede alla simulazione. Dopo aver avviato la simulazione, si apre un pannello con le informazioni relative
alla simulazione in corso, che visualizza anche il raggiungimento della
soluzione. A seguito della simulazione, tutti i parametri dei flussi e dei
componenti si aggiornano automaticamente, dando la possibilità all’utente di visualizzare i risultati ottenuti.
Il software è stato testato ed utilizzato per simulare diverse tipologie
di sistemi di conversione dell’energia come impianti turbogas [6], impianti per la dissalazione [7, 8, 9], impianti innovativi per la cattura
della CO2 [10], impianti con celle a combustibile [11, 12] e anche per
lo studio di particolari soluzioni nel campo aeronautico [13]. In particolare, per quanto riguarda la dissalazione, nell’ambito della collaborazione con il MEDRC (Middle East Desalination Research Center), è
L’utilizzo di software per la simulazione di processi di conversione
dell’energia costituisce sempre più una necessità per l’ingegnere di
processo per analizzare e ottimizzare il processo stesso. Infatti, la
via della simulazione conduce a risultati in maniera più rapida ed
economica, se confrontata con tecniche di prototipazione e sperimentazione. La simulazione consente non solo di poter analizzare attentamente una configurazione dell’impianto, ma anche, e
soprattutto, suggerisce quali potrebbero essere nuove soluzioni di
layout, potendo testarle senza un grande dispendio di energia (in
termini di tempi e costi). Questo permette di variare molti parametri scegliendo tra un numero potenzialmente infinito: ciò è del
tutto improponibile da un punto di vista sperimentale. In definitiva,
i vantaggi connessi all’utilizzo delle simulazioni si legano:
• alla sostanziale riduzione dei tempi e dei costi necessari alla realizzazione di nuovi impianti,
• alla possibilità di studiare fenomeni e sistemi dove l’approccio
sperimentale non sempre è possibile o è molto difficoltoso,
• alla possibilità di studiare i sistemi in condizioni critiche ed al limite delle loro prestazioni.
Il software CAMEL-Pro™, appena descritto, per le sue peculiari caratteristiche modulari e con la possibilità di ampliare il database di
componenti e flussi, risponde pienamente a queste esigenze e costituisce, dunque, un utile strumento per l’analisi e l’ottimizzazione
dei processi di conversione dell’energia.
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V. Amati, A. Calabrò, P.U. Foscolo, E. Sciubba,
S. Stendardo, “Modeling and simulation of a
fluidized bed reactor for syngas production
with in-situ CO2 capture”, Proceedings of
ECOS 2008.
V. Amati, L. Andreassi, E. Sciubba, C. Toro,
“Modeling and simulation of a hybrid solid oxide
fuel cell coupled with a gas turbine power
plant”, International Journal of
Thermodynamics, Volume 12, n 3, 2009.
V. Amati, E. Sciubba, C. Toro, “Exergy analysis
of a solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid
power plant”, Proceedings of IMECE 2009.
V. Amati, C. Bruno, E. Sciubba, D.Simone
“Exergy analysis of hypersonic propulsion
systems: performance comparison of two
different scramjet configurations at cruise
conditions”, Proceedings of ECOS 2006.
The Middle East Desalination Research Center,
http://www.medrc.org/
> Altran Italia Technology Review n° 4 - Settembre 2010
Mario Ruotolo si è laureato in Ingegneria Elettronica, presso l’Università di Roma "La Sapienza" nel 2001. Attualmente lavora presso Altran Italia come
Professional Consultant, nella divisione Telecomunicazione Elettronica e Media (TEM).
Ha maturato un'ampia e diversificata conoscenza sulle tecnologie Microsoft, sia in ambito civile che in quello militare. I progetti che lo hanno visto coinvolto hanno riguardato: Fraud Management, Business Intelligence,
Knowledge Management e varie versioni della piattaforma
di posta elettronica di Alice. Collabora con il dipartimento
di Meccanica ed Aeronautica della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Roma “La Sapienza” per lo sviluppo software del simulatore di processo CAMEL-Pro™
e del sistema esperto per il progetto ottimizzato di reti
di scambiatori di calore HENEA (Heat Exchanger Network Expert Assistant).
[email protected]
Claudia Toro si è laureata in Ingegneria Meccanica, presso l’Università
di Roma “Tor Vergata”
nel 2007. Attualmente, è al terzo anno del
dottorato di ricerca in
Energetica presso il dipartimento di Meccanica ed Aeronautica della
Facoltà di Ingegneria
dell’Università di Roma “La Sapienza”. La sua attività di
ricerca si focalizza principalmente su modellazione, simulazione e analisi di sistemi energetici complessi, con
particolare attenzione riguardo gli impianti innovativi che
utilizzano celle a combustibile ad alta temperatura per
la produzione di energia elettrica ad alta efficienza. E’ coinvolta nello sviluppo ed implementazione del simulatore di
processo CAMEL-Pro™ per l’analisi energetica, exergetica
e termoeconomica dei processi di conversione dell’energia. Ha pubblicato articoli su riviste e atti di conferenze internazionali.