Modelagem simplificada e simulação da combustão de uma partícula de biomassa suspensa em escoamento unidimensional

Autor: Navarrete Cereijo, Germán, 1988
Přispěvatelé: Bizzo, Waldir Antônio, 1955, Veras, Carlos Alberto Gurgel, Santos, Marcio Luiz de Souza, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
DOI: 10.47749/t/unicamp.2014.941940
Popis: Orientador: Waldir Antônio Bizzo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho objetivou o desenvolvimento de um modelo simples para a simulação numérica da combustão de uma partícula pequena de bagaço numa fornalha industrial. Com este fim foi feito um estudo das principais etapas na combustão de uma partícula de biomassa: secagem, devolatili- zação, gaseificação e combustão do carvão. Destaca-se os modelos cinéticos para cada etapa e os mecanismos de transferência de calor por radiação em gases e de massa por convecção. Também foi modelada a trajetória vertical da partícula baseando-se nas forças de empuxo, peso e a força de arrasto com o objetivo de desenvolver uma ferramenta para determinar quais partículas são quei- madas em suspensão, quais são queimadas na grelha e quais são arrastradas pelo escoamento de gases. Para a simulação foi desenvolvido um programa em Fortran 90 onde a resolução numérica das equações diferenciais governantes é feita utilizando o método de Runge-Kutta de quarta ordem. As equações governantes para as taxas de consumo da biomassa são determinadas a partir da cinética das reações e do transporte de massa por convecção. A devolatilização é modelada como uma pi- rólise cujo mecanismo de reação é modelado por uma equação cinética de primeira ordem baseada nos parâmetros de Arrhenius. A taxa de consumo de carvão é determinada por duas equações ciné- ticas de primeira ordem baseadas nos parâmetros de Arrhenius que representam a oxidação direta do carbono e a gaseificação do carbono utilizando como reagente o dióxido de carbono. As equa- ções governantes para a temperatura da partícula são determinadas a partir dos balanços de energia para cada etapa. A validação do modelo foi feita em base a outros modelos apresentados na literatura para par- tículas menores a 1 mm obtendo-se resultados consistentes. Nos resultados apresentam-se gráficos de massa, raio, composição e temperatura da partícula, fração molar de oxigênio na superfície da partícula, taxa de consumo da biomassa, e raio do frente de chama em função do tempo tanto para partículas esféricas como cilíndricas. Também apresentam-se gráficas da trajetória e velocidade da partícula variando a forma e tamanho desta e a velocidade do escoamento dos gases dentro da fornalha Abstract: The aim of this work is to develop a simple model for the numerical simulation of the com- bustion of a small particle of bagasse in an industrial furnace. To this end a study of the main stages of the biomass particle combustion was carried out. Thats stages are: drying, devolatiliza- tion, char gasification and char combustion. Kinetics models for each stage and the mechanisms of heat transfer by radiation in gases and convective mass models are presented in details. Also, the vertical trajectory of the particle was modeled based on buoyant force, weight and drag force in order to develop a tool for determine which particles are burned in suspension, which are burned on the grate and which are dragged by the gas flow. It was developed a program in Fortran 90 where the numerical solution of the governing diffe- rential equations is done using a fourth order Runge-Kutta. The governing equations for the bio- mass consumption rates are determined by kinetics equations and convection mass transport. The devolatilization is modeled as a pyrolysis which reaction mechanism is modeled by a first order kinetic equation based on the Arrhenius parameters. The rate of coal consumption is determined by two first-order kinetics equations based on the Arrhenius parameters that represent the direct char oxidation and char gasification using as reagent carbon dioxide. The governing equations for the particle temperature are determined from the energy balance for each stage. Model validation is carried out by comparing the predictions with other models taken from the literature for particles smaller than 1 mm giving consistent results. The results are presented plotting the following variables as a function of time: particle mass, raio, composition and tempe- rature, oxygen concentration on the particle surface, consumption rate of biomass and flame front raio for both spherical and cylindrical particle. Also, graphics of the particle speed and trajectory are presented, varying particle¿s shape and size and gas flow velocity of gases inside the furnace Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica
Databáze: OpenAIRE
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