Publicação: Avaliação da eficiência térmica de caldeiras em regime de carga parcial e plena por métodos direto e indireto via modelagem computacional
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::TERMODINAMICA, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA
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Resumo
Este trabalho tem como objetivo analisar, por meio de modelagem computacional, a influência
da carga de operação sobre a eficiência térmica de uma caldeira a biomassa, avaliando esse
comportamento tanto pelo método direto quanto pelo método indireto de determinação de
eficiência. Para isso, foi desenvolvido um modelo em software EES (Engineering Equation
Solver), fundamentado em balanços de energia, em balanço estequiométrico de combustão a
partir da análise elementar do combustível, e nas formulações consagradas na literatura para os
métodos direto e indireto de cálculo de eficiência de caldeiras. Foram simulados quatro
patamares de carga (100%, 60%, 30% e 10% da capacidade nominal), onde os parâmetros
operacionais, como excesso de ar, temperatura de exaustão e teor de CO nos gases, foram
obtidos de dados experimentais publicados para uma caldeira de grelha a biomassa, de modo a
garantir maior aderência do modelo a condições reais de operação. Os resultados demonstraram
que a eficiência térmica sofre degradação acentuada em condições de baixa carga,
especialmente abaixo de 30% da capacidade nominal, e que essa relação não é estritamente
monotônica, apresentando comportamento não linear nas cargas intermediárias devido à
interação entre o aumento do excesso de ar e a variação da temperatura de exaustão. A
comparação entre os métodos evidenciou boa concordância numérica entre si, além de reforçar
que o método indireto é mais adequado para combustíveis sólidos como a biomassa, por
dispensar a medição direta da vazão de combustível e por permitir identificar individualmente
qual mecanismo de perda é responsável pela degradação da eficiência em cada condição de
carga, constatando-se que a perda por radiação e convecção é o mecanismo mais sensível à
redução da carga. Por fim, identificou-se uma lacuna na literatura quanto à variação quantitativa
de parâmetros operacionais de combustão em função da carga para caldeiras a biomassa,
sugerindo-se como proposta de trabalho futuro a realização de uma campanha experimental de
medição em uma caldeira real, de modo a validar e aprimorar as relações adotadas neste estudo.
Abstract
This work aims to analyze, through computational modeling, the influence of boiler operating
load on the thermal efficiency of a biomass-fired boiler, evaluating this behavior using both the
direct and indirect methods of efficiency determination. To this end, a model was developed in
EES (Engineering Equation Solver) software, based on energy balances, a stoichiometric
combustion balance derived from the fuel's elemental analysis, and the formulations established
in the literature for the direct and indirect methods of boiler efficiency calculation. Four load
levels were simulated (100%, 60%, 30%, and 10% of nominal capacity), with operating
parameters, excess air, flue gas temperature, and CO contente, obtained from published
experimental data for a biomass grate boiler, ensuring greater adherence of the model to real
operating conditions. The results showed that thermal efficiency undergoes significant
degradation under low-load conditions, particularly below 30% of nominal capacity, and that
this relationship is not strictly monotonic, exhibiting non-linear behavior at intermediate loads
due to the interaction between increasing excess air and varying flue gas temperature. The
comparison between methods showed good numerical agreement between them, while also
reinforcing that the indirect method is more suitable for solid fuels such as biomass, since it
does not require direct measurement of fuel flow rate and allows individual identification of
which loss mechanism is responsible for efficiency degradation under each load condition, with
radiation and convection losses identified as the mechanism most sensitive to load reduction.
Finally, a gap was identified in the literature regarding the quantitative variation of operational
combustion parameters as a function of load for biomass boilers, suggesting as a proposal for
future work the conduction of an experimental measurement campaign on a real boiler, in order
to validate and refine the relationships adopted in this study.
Palavras-chave
Caldeira a biomassa, Eficiência Térmica, Carga de Operação, Método Direto, Método Indireto, Modelagem Computacional
Citação
GONÇALVES, Vitor dos Santos. Avaliação da eficiência térmica de caldeiras em regime de carga parcial e plena por métodos direto e indireto via modelagem computacional. 2026. 44 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026.
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