Aquecedor e Resfriador¶

Neste tutorial você aquecerá uma corrente de água de 25 °C a 80 °C usando um Heater, e depois resfriará de volta usando um Cooler na GUI Clássica do DWSIM. Você aprenderá sobre correntes de energia e como o DWSIM calcula a carga térmica.

O que você vai aprender

Como inserir e configurar operações unitárias Heater e Cooler na GUI Clássica
Como especificar uma temperatura de saída no Object Editor
Como ler a carga térmica na aba Results
Como verificar o balanço de energia contra um cálculo manual

Pré-requisitos

Concluiu Misturador Básico
Conceito de carga térmica: Q = m * Cp * ΔT

Visão Geral do Processo¶

Aquecedores e resfriadores são as operações de transferência de calor mais simples. Você especifica a temperatura de saída desejada (ou a carga térmica), e o DWSIM calcula a outra. Em uma planta real, um aquecedor pode ser um forno ou um trocador aquecido por vapor; um resfriador pode ser um condensador resfriado a água ou um aerorrefrigerador.

A carga térmica esperada para água de 25 °C a 80 °C é aproximadamente:

Q = m * Cp * ΔT = 1,0 * 4,18 * 55 = 230 kW

Diagrama de Fluxo do Processo¶

graph LR
    COLD["Agua Fria<br/>298,15 K, 1 atm<br/>1 kg/s"] --> H["H-1<br/>(Aquecedor)"]
    H --> HOT["Agua Quente<br/>353,15 K"]
    HOT --> C["C-1<br/>(Resfriador)"]
    C --> COOLED["Agua Resfriada<br/>298,15 K"]

Parâmetros de Projeto¶

Parâmetro	Valor	Unidade
Composto	Water (Água)	-
Pacote Termodinâmico	Steam Tables (IAPWS-IF97)	-
Temperatura de entrada	298,15 (25 °C)	K
Temperatura de saída do aquecedor	353,15 (80 °C)	K
Temperatura de saída do resfriador	298,15 (25 °C)	K
Vazão mássica	1,0	kg/s
Queda de pressão	0	Pa

Passo a Passo na GUI Clássica¶

1. Criar uma nova simulação¶

File > New Chemical Process Model → o assistente abre.

Página Compounds: adicione Water
Página Property Packages: adicione Steam Tables (IAPWS-IF97)
Aceite os padrões nas demais páginas, clique em Finish

2. Adicionar a corrente de água fria¶

Arraste uma Material Stream para o canvas, renomeie para Agua-Fria, e no Object Editor insira:

Temperature: 25 °C (DWSIM converte para 298,15 K internamente)
Pressure: 1 atm
Mass Flow: 1 kg/s
Composition: Water = 1,0

3. Inserir o Aquecedor¶

Arraste um Heater da Object Palette para o canvas, renomeie para H-1. Clique duas vezes para abrir o Object Editor.

Configure os parâmetros de cálculo:

Calculation Mode: selecione Outlet Temperature
Outlet Temperature: 80 °C
Pressure Drop: 0 Pa
Efficiency: 100 %

Especificações do aquecedor

4. Adicionar a corrente de saída e conectar¶

Arraste uma segunda Material Stream, renomeie Agua-Quente, deixe vazia.

No Object Editor do Heater → painel Connections:

Inlet: Agua-Fria
Outlet: Agua-Quente

O DWSIM também requer uma Energy Stream para a carga térmica. Clique no menu ao lado de Energy no painel Connections; se ainda não houver corrente de energia, o menu mostra [Click here to create] - selecione essa opção, e o DWSIM cria ES-1 (ou similar) automaticamente.

Por que uma corrente de energia?

Aquecedores e resfriadores expõem Q (carga térmica) como uma corrente de energia. Conectar uma permite que o solver reporte Q automaticamente, sem que você precise calcular a partir de H_saida - H_entrada manualmente, e possibilita acoplar a carga depois a outro equipamento (por exemplo, um forno ou um circuito de refrigeração).

Aquecedor totalmente conectado com corrente de energia

5. Inserir o Resfriador¶

Arraste um Cooler para o canvas, renomeie C-1. Clique duas vezes para abrir o editor e configure:

Calculation Mode: Outlet Temperature
Outlet Temperature: 25 °C
Pressure Drop: 0 Pa
Efficiency: 100 %

6. Adicionar a saída resfriada e conectar¶

Arraste outra Material Stream, renomeie Agua-Resfriada, deixe vazia.

No painel Connections do Cooler:

Inlet: Agua-Quente
Outlet: Agua-Resfriada
Energy: selecione [Click here to create] para gerar outra corrente de energia

Flowsheet completo com aquecedor + resfriador

7. Resolver¶

Certifique-se de que F6 (Calculator Active) está LIGADO, clique em Solve.

Todos os seis objetos (3 correntes + 2 operações unitárias + 2 correntes de energia) ficam verdes.

8. Ler as cargas térmicas¶

Clique duas vezes em Heater H-1 e mude para a aba Results. Procure por Heat Added (ou similar) - deve ser aproximadamente 230 kW.

Repita para o Cooler C-1: o valor Heat Removed também deve ser aproximadamente 230 kW.

Você também pode clicar em cada corrente de energia e verificar seu valor Energy Flow.

Cargas térmicas de ambas as unidades

Resultados e Validação¶

Variável	Esperado	Unidade
Temperatura Água-Quente	353,15	K
Carga térmica do aquecedor	~230	kW
Temperatura Água-Resfriada	298,15	K
Calor removido pelo resfriador	~230	kW

Resultados esperados

Ambas as cargas devem ser aproximadamente iguais (~230 kW), confirmando a conservação de energia. O cálculo manual Q = 1,0 * 4,18 * 55 = 229,9 kW concorda de perto com o cálculo rigoroso Steam Tables.

Entendendo os Resultados¶

A carga térmica é calculada rigorosamente como:

Q = m * (H_saida - H_entrada)

onde H_saida e H_entrada são as entalpias específicas nas condições de saída e entrada. Para água líquida longe do ponto de ebulição, isso é muito próximo de Q = m * Cp * ΔT, mas o DWSIM sempre usa a diferença exata de entalpia.

A carga do resfriador deve corresponder à do aquecedor porque estamos retornando a água à mesma temperatura. Esta é uma verificação útil: se você aquece e depois resfria a mesma corrente de volta ao seu estado original, a troca líquida de energia deve ser zero.

Automatizando Este Tutorial¶

Arquivos neste repositório

Script Python: examples/beginner/03_heater_cooler.py
Simulação pré-construída: examples/saved/heater_cooler.dwxmz

FluentAPI (Python)MCP Server (JSON-RPC)Prompt LLM

Veja examples/beginner/03_heater_cooler.py no repositório DWSIM.Tutorials.

Sequência padrão com dwsim.unitop.add para Heater e Cooler:

{"jsonrpc":"2.0","id":6,"method":"tools/call","params":{
  "name":"dwsim.unitop.add",
  "arguments":{
    "flowsheet_id":"<ID>","type":"Heater","name":"H-1",
    "outlet_temperature_K":353.15,"pressure_drop_Pa":0,
    "efficiency_percent":100
  }
}}

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "TutorialAquecedorResfriador"
- Adicione Água (Water) como único composto e configure o pacote
  termodinâmico como "SteamTables"
- Adicione uma corrente material chamada "Agua-Fria" a 298,15 K e
  101325 Pa, com vazão mássica de 1,0 kg/s
- Adicione uma corrente material vazia chamada "Agua-Quente" e uma
  corrente de energia chamada "ES-Aquecedor"
- Adicione um aquecedor (Heater) chamado "H-1" no modo "Outlet
  Temperature" com temperatura de saída 353,15 K, queda de pressão
  0 Pa e eficiência 100%; conecte "Agua-Fria" como entrada,
  "Agua-Quente" como saída e "ES-Aquecedor" como corrente de energia
- Adicione uma corrente material vazia chamada "Agua-Resfriada" e
  uma corrente de energia chamada "ES-Resfriador"
- Adicione um resfriador (Cooler) chamado "C-1" no modo "Outlet
  Temperature" com temperatura de saída 298,15 K, queda de pressão
  0 Pa e eficiência 100%; conecte "Agua-Quente" como entrada,
  "Agua-Resfriada" como saída e "ES-Resfriador" como corrente de
  energia
- Resolva o flowsheet
- Reporte a carga térmica (kW) do aquecedor e do resfriador, e a
  temperatura final (K) da corrente "Agua-Resfriada"

Exercícios

Mude a saída do aquecedor para 100 °C (a água atinge seu ponto de ebulição a 1 atm). O que acontece com a fração de vapor da Água-Quente nos Results? A carga aumenta linearmente?
Defina a saída do aquecedor para 200 °C. A água se torna vapor. Compare a carga - o calor latente de vaporização a torna dramaticamente maior.
Adicione uma queda de pressão de 50000 Pa ao aquecedor. Como isso afeta as condições de saída?

Leitura Complementar¶

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

J. P. Holman. (2010). Heat Transfer. McGraw-Hill
W.L. McCabe, J. Smith & P. Harriott. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill Education
Joseph Smith. (1996). Intro to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Companies

Próximos Passos¶

Agora você entende aquecedores, resfriadores e balanços de energia. Em Vaso Flash Simples, você separará uma mistura bifásica em produtos vapor e líquido.