Dimensionamento caldeira biomassa

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Dimensionamento de uma caldeira com produção de água
quente queimando peletes de biomassa
Potência térmica global de 40 kW

Arlindo José Pinto dos Santos

Relatório do projecto final do MIEM
Orientador: Professor Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares Pinho

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Julho de 2009

Dimensionamento deuma caldeira com produção de água quente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

i

Dimensionamento de uma caldeira com produção de água quente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

A meus pais

i

Dimensionamento de uma caldeira com produção de água quente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

ii Dimensionamento de uma caldeira com produção de água quente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

Resumo
A dependência mundial dos combustíveis fósseis como principal fonte energética tem
provocado inúmeros problemas ambientais e económicos. Portugal em particular é um país
com escassos recursos energéticos, nomeadamente, aqueles que asseguram a generalidade dasnecessidades energéticas do país (petróleo, gás natural e carvão). A biomassa surge assim
como uma alternativa para reduzir a dependência do petróleo, nomeadamente em sistemas de
aquecimento que apresentam rendimentos que podem chegar aos 95%.
O presente trabalho teve como objectivo principal o dimensionamento de uma caldeira
com produção de água quente para aquecimento central, queimandopeletes de madeira.
Como tal, foi desenvolvido um modelo matemático que descreve a combustão das peletes e a
transferência de calor dos gases de combustão para a água, permitindo assim o
dimensionamento dos principais componentes térmicos da caldeira.
Numa primeira fase, calculou-se o caudal real de peletes necessário para conseguir a
potência térmica global desejada, determinando a carga depeletes a introduzir na fornalha e o
tempo de queima da carga. O modelo de combustão permite determinar os caudais de ar
primário e secundário a introduzir na fornalha e a temperatura dos gases que transmitem calor
para a água por radiação e convecção. Por fim, determinaram-se as temperaturas em jogo e
dimensionaram-se as condutas de água e as áreas de transferência de calor necessárias paraelevar a temperatura da água de 40 a 60 ºC.
Os resultados obtidos com o modelo da combustão, permitiram definir os caudais de ar
primário e secundário para cada fase de combustão e chegou-se a uma temperatura dos
produtos de combustão de 1215 ºC. Com o modelo de transferência de calor determinaram-se
as áreas de transferência de calor na fornalha e no permutador de calor, o peso de cada fase detransferência de calor, bem como o peso da radiação e convecção na transferência de calor
para a água. Desta forma são transferidos 40% da potência térmica global por radiação na
fornalha e 60% por convecção na fornalha e no permutador, sendo que a convecção na
fornalha é apenas responsável por 7% da transferência total de calor.

iii

Dimensionamento de uma caldeira com produção de águaquente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

iv

Dimensionamento de uma caldeira com produção de água quente queimando peletes de biomassa.
Potência térmica global de 40 kW

Design of a hot water boiler burning biomass pellets and with 40 kW
of thermal power
Abstract

The global dependence on fossil fuels as the main source of energy has caused manyenvironmental and economic problems for the planet. Portugal in particular is a country with
scarce energy resources, in particular those that provide most of its energy needs (oil, natural
gas and coal). Biomass is an alternative to reduce dependence on oil, particularly in heating
systems that have efficiencies up to 95%.
The objective of the present work was the design of a boiler to produce hot...
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