[en] NUMERICAL SIMULATION OF FIRE-TUBE BOILERS OPERATING WITH NATURAL GAS: THERMODYNAMIC ANALYSIS

[pt] SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE CALDEIRAS FLAMO-TUBULARES OPERANDO COM GÁS NATURAL E HIDROGÊNIO: ANÁLISE TERMODINÂMICA

[pt] DIEGO KRISTOPHER POSSINHAS UPSHAW

[pt] GAS NATURAL

[pt] CALDEIRA FLAMOTUBULARES

[pt] TERMODINAMICA

[pt] HIDROGENIO

[pt] EFICIENCIA ENERGETICA

[pt] COMBUSTAO

[en] NATURAL GAS

[en] FIRE-TUBE BOILER

[en] THERMODYNAMICS

[en] HYDROGEN

[en] ENERGETIC EFFICIENCY

[en] COMBUSTION

[pt] Este trabalho apresenta uma análise termodinâmica de caldeiras flamotubulares operando com gás natural, com o objetivo de melhorar a eficiência do sistema e reduzir as emissões de gases poluentes. A pesquisa se baseia na simulação numérica dos fenômenos de transporte de calor e massa que ocorrem no interior das caldeiras, buscando aprimorar um modelo existente em EES (Engineering Equation Solver). Assim, o trabalho inclui uma avaliação da influência dos perfis de chama (parabólico, uniforme e exponencial) durante a combustão e como estes afetam o desempenho térmico da caldeira. Adicionalmente, o trabalho aborda as perdas de calor nas caixas de giro, que são responsáveis por redirecionar os gases de combustão ao longo do percurso dentro da caldeira, que afetam diretamente a eficiência térmica do sistema. Um aspecto relevante do trabalho é a aplicação do modelo ao impacto da adição de hidrogênio ao gás natural utilizado como combustível. Essa mistura tem o potencial de reduzir as emissões de CO2, além de aumentar a temperatura dos gases de combustão e, consequentemente, a eficiência energética da caldeira. Os resultados mostraram que o formato da chama tem um impacto muito pequeno tanto na eficiência energética quanto exergética, com uma diferença de temperatura máxima de 33 graus Celsius entre diferentes perfis, mas a adição de hidrogênio ao gás natural aumentou as temperaturas dos gases em todos os passes e elevou a eficiência energética média da caldeira de 77,71 por cento para 80,36 por cento. A modelagem das caixas de giro revelou que a perda térmica contribuiu para uma redução de eficiência média de até 12 por cento.

[en] This work presents a thermodynamic analysis of fire-tube boilers operating with natural gas, aiming to improve system efficiency and reduce pollutant gas emissions. The research is based on numerical simulations of heat and mass transfer phenomena occurring inside the boilers, seeking to enhance an existing model in EES (Engineering Equation Solver). Thus, the work includes an evaluation of the influence of flame profiles (parabolic, uniform, and exponential) during combustion and how these affect the thermal performance of the boiler. Additionally, the study addresses heat losses in turning chambers, which are responsible for redirecting combustion gases along the path inside the boiler and directly affect the system s thermal efficiency. A relevant aspect of the work is the application of the model to assess the impact of adding hydrogen to natural gas as a fuel. This mixture has the potential to reduce CO2 emissions, as well as increase the temperature of the combustion gases and consequently the boiler s energy efficiency. The results showed that the flame profile has a very small impact on both energy and exergy efficiency, with a maximum temperature difference of 33 C between different profiles. However, adding hydrogen to the natural gas increased gas temperatures in all passes and raised the average energy efficiency of the boiler from 77.71 per cent to 80.36 per cent. The modeling of the turning chambers revealed that thermal losses contributed to a reduction in average efficiency of up to 12 per cent.

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

VANESSA BAUTISTA PAGANELLI

2024-12-18

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.68854