[pt] DESENVOLVIMENTO DE UM MODELO NUMÉRICO PARA ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA DE CALDEIRAS FLAMO-TUBULARES OPERANDO EM REGIME PERMANENTE COM GÁS NATURAL

[en] DEVELOPMENT OF A NUMERICAL MODEL FOR ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF FIRE TUBE BOILERS OPERATING IN PERMANENT REGIME WITH NATURAL GAS

[pt] VANESSA BAUTISTA PAGANELLI

[pt] COMBUSTAO

[pt] FEIXES TUBULARES

[pt] TERMODINAMICA

[pt] TROCA DE CALOR

[pt] PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS

[en] COMBUSTION

[en] TUBE BUNDLES

[en] THERMODYNAMICS

[en] HEAT TRANSFER

[en] EXPERIMENT PLANNING

[pt] Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo termodinâmico para uma caldeira flamotubular, de três passes, operando em regime permanente com gás natural boliviano. Foi testado o impacto no cálculo da temperatura no final de cada passe 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 passe e nos dois passes seguintes, comprimento da caldeira, número de tubos no segundo e terceiro passe 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 que, a partir de 200 divisões em cada passe o impacto do volume não é mais significativo na temperatura. O modelo foi validado com dados experimentais, observando-se que a diferença entre os valores experimentais e teóricos das temperaturas do primeiro e segundo passes é inferior a 22,9 graus C e menor que 43,9 graus C 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 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.

[en] In this work, a thermodynamic model was developed for a three-pass firetube boiler operating in a steady state with Bolivian natural gas. The sensitivity in the temperature profile of various heat exchange correlations found in the literature was tested. A central composite design made it possible to simultaneously evaluate the impact of the variation of six parameters (diameter of tubes in the first and two subsequent passes, boiler length, number of tubes in the second and third passes and percentage of excess air in combustion) and obtain an empirical polynomial model to optimize boiler energy and exergetic efficiencies. A mesh test was performed with temperatures at the end of the flame, combustion chamber, second and third passes and pointed to from 200 divisions in each pass the impact of volume is no longer significant on temperature. The model was validated with data obtained experimentally, observing that the difference between the experimental and theoretical values of the temperatures of the first and second passes is less than 22.9 degrees C and less than 43.9 degrees C in the third pass. With the robust polynomial models obtained with the design of experiments, it was possible to observe the most significant parameters, both for energy and exergetic efficiencies, as well as for exergy destruction. They are, in decreasing order of importance: excess air; the two contributions associated with the length of the caldera; the number of tubes in the second and third passes and the diameter of the tubes in the second and third pass and the diameter of the tube in the first pass. In addition, it was possible to quantify the trade-off between increasing the heat exchange surface and maintaining the flow turbulence level.

JOSE ALBERTO DOS REIS PARISE

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

JOSE ALBERTO DOS REIS PARISE

SERGIO LEAL BRAGA

PAUL ORTEGA SOTOMAYOR

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

LUIZ UMBERTO RODRIGUES SICA

2022-09-27

2022-02-02

[pt] TEXTO

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.60664