Heat Transfer Modelling in a Combustion Chamber and Smoke Tubes of a Biomass Boiler

Abstract

O objetivo desta dissertação resume se ao desenvolvimento de um modelo de transferência de calor para uma caldeira de tubos de fumo de 3 passes a biomassa com uma potência térmica de 578 kW. Para modelar numericamente o processo intrínseco à caldeira, recorreu se ao MATLAB onde se considerou várias correlações necessárias ao desenvolvimento de um modelo de combustão. Este modelo determina vários parâmetros de saída, como a temperatura adiabática de chama e o caudal mássico de gases, que serão essenciais para a criação do modelo seguinte. O modelo de transferência de calor prevê a energia total transferida dos gases de combustão para as superfícies internas da caldeira. Um balanço energético foi estabelecido em cada secção principal da caldeira para avaliar a energia gerada pelos gases de combustão e a quantidade que é efetivamente libertada para as paredes circundantes do sistema.Explicou se o efeito e influência da radiação na zona da fornalha e a grande importância que as temperaturas altas têm ao promover enormes quantidades de calor radiativo. Nas zonas de convecção que incluem os tubos de fumo, o calor transferido por convecção é muito mais relevante pelas menores temperaturas dos gases de combustão. Posteriormente, para validar o modelo criado, foram avaliados os resultados da simulação tais como as temperaturas de saída da fornalha e da chaminé, e ainda a potência térmica da caldeira. Estes valores foram seguidamente comparados com valores experimentais obtidos através de seis caldeiras com potências térmicas diferente em condições estacionárias. Por fim, os resultados do modelo demonstraram estar de acordo com todos os testes feitos às seis caldeiras.

The objective of this dissertation is to develop a heat transfer model for a 3-pass fire-tube 578 kW boiler using biomass as fuel. To fully characterize this biomass boiler, a numerical program was created in MATLAB where several thermodynamic correlations were needed to develop a combustion model which predicts several important output parameters such as the adiabatic flame temperature and the flue gases mass flow rate that will be used in the following model. The heat transfer model predicts the boiler’s total energy transferred from flue gases to the surrounding surfaces. An energy balance was established in each boiler section to evaluate the amount of energy generated by the combustion gases and the amount of heat transferred to the inner walls of the system. It was also studied and further explained the influence of radiation in the furnace zone (1st boiler pass), and the extreme importance of the flue gases high temperatures which promote large amount of radiative values. In the convection sections which includes the smoke tubes, the convective heat is much more prominent due to the lower flue gas temperatures. Then, to validate this custom model, simulated results were evaluated, such as furnace and chimney outlet temperatures, as well as, the boiler’s thermal output power which values were then compared to experimental data gathered from six different output power boilers in steady-state conditions. Finally, the model results showed good agreement with all the six boiler tests.