Simulação numérica da circulação de ar na câmara de combustão de um recuperador de calor doméstico a biomassa

Abstract

A crescente procura de sistemas de aquecimento residencial, que utilizam biomassa como fonte de energia, fomenta o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e economicamente competitivas. Além disso, as normas europeias aplicadas neste sector de atividade exigem a minimização da emissão de gases poluentes e uma melhoria das condições de combustão. Para se atingirem determinados patamares de qualidade e segurança dos equipamentos, existe um forte interesse na procura de novas formas de apoio ao projeto. Atualmente, a simulação numérica é uma das ferramentas fundamentais para o desenvolvimento e otimização de equipamentos de combustão a lenha. A presente tese foca-se no estudo da circulação do ar no interior de um recuperador de calor de uso doméstico, através de simulações realizadas em computador. Assim, pretende-se contribuir para a criação de metodologias de utilização da DFC (Dinâmica dos Fluidos Computacional) no projeto de recuperadores de calor e evidenciar as suas capacidades de conceção e desenvolvimento de novos equipamentos. O objetivo principal é realizar uma análise global do escoamento do ar e fornecer dados sobre a distribuição do ar primário e secundário no interior da câmara de combustão. Para tal, foi cedido um modelo em CAD de um recuperador de calor doméstico a biomassa e através do software comercial ANSYS CFX® foi modelado e realizada a simulação numérica ao equipamento. Partindo do modelo inicial, realizaram-se simplificações geométricas e a sua discretização em vários elementos de forma a constituir uma malha. De seguida, foram realizadas simulações utilizando o ar como único fluido presente na câmara de combustão e introduziram-se as fontes de energia térmica resultantes da combustão das cavacas de madeira. De modo a determinar os efeitos das flutuações de velocidade do escoamento e as trocas de energia radiativa que ocorrem em qualquer processo de combustão, foi aplicado um modelo de turbulência k-ε e o modelo de radiação de Monte Carlo. Apesar das dificuldades em conseguir-se uma solução precisa, devido às incertezas subjacentes ao processo de transferência de calor e à complexidade dos fenómenos de combustão, os resultados mostraram-se de algum modo fiáveis, demonstrando a capacidade da DFC em fornecer respostas credíveis do comportamento do ar no interior de recuperadores de calor a biomassa. Tornou-se desse modo evidente que no futuro, a capacidade de realizar projetos e conceber novos produtos termicamente mais eficientes e amigos do ambiente, passa pela utilização de ferramentas de apoio, como são exemplo as simulações numéricas. Dada a sua versatilidade, custo e tempo de execução reduzido, esta é uma forma eficaz de dar respostas aos atuais desafios da engenharia.

The increasing demand for residential heating systems using biomass as energy source fosters the development of more efficient and cheaper technologies. Besides, European standards applied in this sector require the minimization of pollutant gas emissions and the improvement of combustion conditions. In order to achieve specific levels of quality and safety there is a strong interest in finding new ways to support projects. Numerical simulation is currently one of the most important tools used in the development and optimization of firewood combustion devices. In this thesis, it is performed a study of the airflow in the domestic insert stove through numerical simulations. Therefore, it is intended to contribute to the establishment of methodologies for the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) in the insert stove project and demonstrate the capabilities in the design and development of new appliances. The main objective is to execute a global analysis of the air flows and provide data about the distribution of primary and secondary air inside the combustion chamber. In order to fulfil this goal, a domestic biomass stove model in CAD was provided and modelled through the use of the commercial ANSYS CFX® software, in order to perform numerical simulation. Starting from an initial model, geometrical simplifications were performed, as well as the discretization over the simplified model in several elements, so that a mesh could be built. Then, simulations were performed using air as the only fluid present in the combustion chamber and thermal energy sources from the firewood combustion were introduced. In order to determine the effects of flow velocity fluctuations and the radiant energy exchanges that occur in any combustion process, a k-ε turbulence model and the Monte Carlo radiation model were applied. Despite the difficulties in obtaining a precise solution due to the underlying uncertainties of the heat transfer process and the complexity of combustion phenomena, the results showed relatively reliable demonstrating the ability of the CFD to provide credible answers of the air behaviour inside biomass heating stove. It became evident that, in the future, the ability to carry out projects and design new products, which are hopefully environment-friendly and more efficient thermally, implies the use of support tools, as exemplified by the numerical simulations. Given their versatility, cost and reduced execution time, they are an effective way to respond to the current challenges of engineering.