Tese: Desenvolvimento de um Modelo Numérico para Análise Energética e Exergética de Caldeiras Flamo-Tubulares Operando em Regime Permanente com Gás Natural
Aluno(a) : Vanessa Bautista PaganelliOrientador(a): José A. Parise e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/02/2022
Link para tese/dissertação: https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.60664
Resumo: Desde os primórdios da Revolução Industrial, caldeiras têm percorrido um longo caminho de desenvolvimento visando melhor segurança e maior eficiência. Em particular, o mercado de caldeiras flamotubulares tem exigido cada vez mais projetos personalizados dos fabricantes, abrindo caminho para o uso de modelos de caldeiras como eficientes ferramentas de projeto. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo termodinâmico para uma caldeira flamotubular, de três passes, operando em regime permanente com gás natural boliviano. Foi testada a sensibilidade no perfil de temperatura de várias correlações de troca de calor encontradas na literatura. Um planejamento composto central permitiu avaliar simultaneamente o impacto da variação de seis parâmetros (diâmetro dos tubos no primeiro, segundo e terceiro passes, comprimento da caldeira, número de tubos nos passes 2 e 3 e porcentagem de excesso de ar na combustão) e obter um modelo polinomial empírico a fim de otimizar as eficiências energética e exergética de caldeira. Um teste de malha foi realizado com temperaturas no final da chama, câmara de combustão, segundo e terceiro passes e apontou para uma divisão suficiente de 200 volumes de controle em cada passe. O modelo foi também validado com dados obtidos experimentalmente, observando-se que a diferença entre os valores experimentais e teóricos das temperaturas do primeiro e segundo passes é inferior a 22,9ºC e menor que 43,9ºC no terceiro passe. Com os modelos polinomiais robustos obtidos com o planejamento de experimentos, foi possível observar os parâmetros mais significativos, tanto para as eficiências energética e exergética, assim como para a destruição de exergia. São eles, por ordem decrescente de importância: o excesso de ar; as duas contribuições associadas ao comprimento da caldeira; o número de tubos nos segundo e terceiro passes e; o diâmetro dos tubos no segundo e terceiro passe e o diâmetro do tubo no primeiro passe. Além disso, foi possível quantificar o trade-off entre o aumento da superfície de troca de calor e a manutenção do nível de turbulência do escoamento.