A montagem completa da caldeira levou mais de um ano em cálculos, desenhos, cotações, usinagens e fabricação dos itens descritos neste capítulo 4. Todo esse processo teve início logo após a qualificação do doutorando em 17/11/2015 e culminou com a finalização da montagem da caldeira e sua liberação para o início dos testes no início de dezembro de 2016. O desenho da montagem pode ser visto na Figura 139 e a caldeira completa montada no laboratório do NEST/IEM/UNIFEI pode ser vista na Figura 140.
Figura 139: Desenho da montagem completa da caldeira.
Capítulo 5
TESTES REALIZADOS E SEUS RESULTADOS
No início do mês de dezembro de 2016 o laboratório e os equipamentos estavam prontos para o início dos testes. Foram realizados sete testes com operação da caldeira de 14/12/2016 a 06/01/2017, cada um deles com seus objetivos específicos e resultados. Neste capítulo apresenta-se cada um dos testes realizados e sua evolução até a realização dos testes cujos resultados foram analisados para a avaliação da intensificação acústica no processo de combustão de eucalipto.
5.1 TESTE 1: 14/12/2016
Segundo os cálculos apresentados no capítulo 3, a vazão volumétrica de ar (primário mais secundário) seria de 4,0073 [Nm3/kgbiomassa] de acordo com a equação 14, considerando a temperatura de 20 [°C], 4,3 [m3/kgbiomassa]. Ao se considerar a máxima vazão mássica de biomassa, 51 [kg/h], segundo informação do fabricante da caldeira, a vazão volumétrica de ar total seria de 219,3 [m3/h] para a queima estequiométrica. Considerando um excesso de ar α de 1,3 se obtém a vazão total de ar de 285,09 [m3/h].
Os testes seriam realizados com alimentação de cavacos de eucalipto de forma contínua através de um alimentador com rosca sem fim.
Antes do início dos testes com operação da caldeira, foram realizados testes no alimentador com o cavaco de eucalipto, que mostrou dificuldade de escoamento, enroscando e travando o motor por várias vezes nas diversas frequências testadas.
Foram realizados também testes de escoamento de serragem de eucalipto no alimentador, com mais sucesso que o cavaco. A serragem escoou mais estavelmente e, apesar de também apresentar travamentos no escoamento, isso ocorreu somente em algumas frequências e apenas ocasionalmente.
Definiu-se com base nestes testes do alimentador que se usaria serragem e não mais o cavaco de eucalipto como combustível da caldeira.
Também segundo o planejamento apresentado no capítulo 3, deveria se controlar as vazões de ar primário e secundário, para a realização dos testes.
Este teste 1 foi então realizado com o objetivo de testar a operação da caldeira com a alimentação de serragem e definir a vazão mássica de biomassa a ser alimentada, além das vazões volumétricas de ar primário e secundário.
Este teste foi realizado com a grelha plana posicionada conforme descrito no item 4.2 e mostrada na Figura 96.
O ar fornecido pelo soprador foi dividido entre primário e secundário por uma bifurcação com um damper do tipo abre e fecha no sentido do ar primário e outro no sentido do ar secundário, conforme mostrado na Figura 141.
Figura 141: Soprador e bifurcação de ar em primário e secundário com dampers tipo “abre e fecha”.
Percebeu-se durante o teste 1 que não seria possível controlar a vazão do ar através desses dampers em função do tipo dos mesmos.
Optou-se então, por usar determinadas posições físicas dos dampers em 0%, 50% e 100% aberto e se medir as vazões nos manômetros U das placas de orifício.
A vazão nos escoamentos de ar primário e secundário foi calculada conforme equação 81.
[ ] (81)
Onde:
Qar = Vazão volumétrica do ar na tubulação [m3ar/h]
Var = Velocidade média do escoamento de ar na tubulação [m/s] Cd = Coeficiente de descarga
A = Área da seção transversal do orifício [m2]
E: √ √ [ ] (82) Onde:
β = Relação do diâmetro interno da tubulação pelo diâmetro do orifício g = Velocidade média do escoamento de ar na tubulação [m/s]
h = Coeficiente de descarga
= Massa específica da água [kg/m3] = Massa específica do ar [kg/m3]
Montou-se uma relação das posições dos dampers e das respectivas vazões nos escoamentos de ar primário e secundário, com e sem a grelha conforme mostra a Tabela 29. Além disso, se estimou a vazão mássica de biomassa para cada vazão considerando o cálculo da equação 14, considerando a conversão de [Nm3] para [m3] para uma temperatura de 20 [°C] e α=1,3.
Tabela 29: Relação entre h, Q e ṁ.
Como a avaliação da intensificação acústica ocorre no escoamento de ar primário, optou-se por posições de dampers que resultassem em vazões totais aproximadas e que privilegiassem o escoamento no ar primário, como nas configurações em destaque na Tabela 29.
Montou-se também a Tabela 30, que relaciona as frequências de acionamento do motor que impulsiona a rosca sem fim do alimentador com as vazões mássicas fornecidas pelo alimentador à câmara de combustão. Os valores em destaque nesta tabela foram obtidos por interpolação.
ṁbio [kg/h]
Primário Secundário Primário Secundário Primário Secundário Total
100 100 30 23 220,82 86,06 306,88 54,90 100 0 38 0 248,52 0 248,52 44,46 0 100 0 32 0 101,51 101,51 18,16 50 50 25 8 201,58 50,75 252,33 45,14 50 100 23 26 193,35 91,5 284,85 50,96 100 50 ṁbio [kg/h]
Primário Secundário Primário Secundário Primário Secundário Total
100 100 29 21 217,11 96,63 313,74 56,13 100 0 33 0 231,59 0 231,59 41,43 0 100 0 31 0 99,91 99,91 17,87 50 50 19 10 175,73 56,74 232,47 41,59 50 100 21 25 184,75 89,72 274,47 49,10 100 50 27 10 116,12 47,31 163,43 29,24 EM VAZIO Relação ar primário/secundário % de abertura no Damper Δh [mmH2o] Q ar [m3/h SOMENTE C A GRELHA Relação ar primário/secundário % de abertura no Damper Δh [mmH2o] Q ar [m3/h
Tabela 30: Curva de alimentação para a serragem considerando os dois minutos do teste.
Justifica-se assim a configuração determinada para a operação da caldeira na realização do teste 1, que pode ser vista na Tabela 31.
Tabela 31: Parâmetros operacionais do Teste 1.
Um resumo da operação realizada no teste 1 pode ser visto na Tabela 32.
Tabela 32: Operação do Teste 1.
A Figura 142 mostra a serragem no silo, enquanto a Figura 143 mostra a sequência de ignição da caldeira. Enquanto a caldeira se aquecia, percebeu-se na meia hora seguinte ao acionamento do alimentador que as temperaturas não apresentavam acréscimo como seria de se esperar dentro da câmara de combustão.
Abriu-se então a porta da câmara de combustão para verificação das condições da combustão e verificou-se que não se conseguiu promover a combustão.
Hr Minuto do
teste Item 12:40 0 ignição da caldeira
12:46 6 Abertura de 100 % do damper do ar secundário 13:01 21 Acionado o alimentador (18,9 Hz) 13:31 51 Desligado o alimentador
Não foi possível operar a caldeira com a serragem em alimentação contínua através do alimentador de rosca sem fim. A serragem se acumulou na entrada da câmara de combustão na parte anterior da grelha. O escoamento de ar aconteceu pela parte posterior da grelha e não ocorreu a mistura do ar com a biomassa, não acontecendo assim a combustão. Criou-se um ambiente de pirólise na câmara de combustão, que pôde ser verificado com o alcatrão que escorreu do sistema de exaustão sobre a câmara de combustão e pode ser visto na Figura 144. A Figura 145 mostra a distribuição das cinzas na grelha dentro da câmara de combustão após o teste 1 e a Figura 146 mostra a distribuição das cinzas na grelha já fora da câmara de combustão também após o teste 1.
Figura 143: Sequência de ignição na câmara de combustão.
Figura 145: Distribuição das cinzas na grelha dentro da câmara de combustão após teste 1.
Figura 146: Distribuição das cinzas na grelha fora da câmara de combustão após teste 1.
Uma ideia para aumentar a chance de sucesso com a alimentação contínua de serragem foi utilizar uma grelha inclinada ao invés da plana que foi utilizada neste teste 1. Essa ideia foi testada no teste 3. Enquanto a grelha inclinada foi calculada, seus suportes dobrados e a chapa furada foi cortada na nova medida, foi realizado o teste 2, descrito a seguir.