Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

As caldeiras são equipamentos de extrema importância na maioria das indústrias portuguesas. É prática frequente os projectos de caldeiras possuírem apenas cálculos de materiais ou estruturais, nunca abordando as questões térmicas das mesmas. Neste contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o comportamento térmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal. A caldeira em estudo é uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a biomassa e com pressão de funcionamento de 10 bar. A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informação relativa aos aspectos construtivos da caldeira e as condições de operação da mesma, através da consulta do seu projecto. O estudo do comportamento térmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelação do comportamento térmico na ante-fornalha seguido da modelação do comportamento térmico do feixe tubular. Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gás para as paredes da mesma por convecção e por radiação, tendo-se utilizado o Método de Hottel para modelar a transferência de calor por radiação. No feixe tubular a transferência de calor por radiação foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferência de calor por condução e convecção entre os gases quentes e a água. Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potência transferida por radiação (96%) é muito superior à potência transferida por convecção (4%), tendo-se obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potência térmica transferida por radiação e por convecção, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potência térmica transferida por convecção foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240ºC para a temperatura de exaustão dos gases pela chaminé. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %. O balanço global de energia à caldeira indicou um peso para a potência transferida por convecção de 86,3% e para a potência transferida por radiação de 13,6%. O rendimento da caldeira foi calculado pelo método das perdas tendo-se obtido o valor de 39%.

The boilers are extremely important equipment in most Portuguese industries. It is common practice projects boilers having only calculations of material or structural, never addressing the thermal issues affecting them. In this context arises the present work had as main objective to study and model the thermal behavior of a forest biomass fired boiler. The boiler in question is a boiler fire tubes with preliminary furnace fed with biomass and operating pressure 10 bar. The first part of the work was done in all the information to the constructive aspects of boiler and the operating conditions thereof, through consultation of your project. The study of the thermal behavior of the boiler was divided into 2 parts: the modeling of the thermal behavior followed ante-furnace modeling the thermal behavior of the tube bundle. In the furnace before it was assumed that the heat would be transferred from the gas to the walls thereof by convection and radiation, having Hottel method used to model the heat transfer by radiation. In tube bundle heat transfer by radiation is neglected, and it is considered only heat transfer by conduction and convection between the hot gases and the water. The results show that in the outer furnace, the weight of the power transferred by radiation (96%) is much higher than the power transferred by convection (4%), yielding the values of 384,8 kW and 16,0 kW for thermal power transferred by radiation and convection, respectively. The value obtained for the gas temperature in the outer furnace was 1085 K. The tube bundle thermal power transferred by convection was 2559 kW having obtained the 240°C value for the exhaust gas temperature by the fireplace. The losses to the exterior has been estimated at 1,5%. The global balance of power to the boiler indicated a weight to power transferred by convection 86,3% and the power transferred by radiation of 13,6%. The boiler efficiency was calculated by the method of loss yielding a value of 39%.