Desenvolvimento de um sistema gerador de calor com opção para aquecimento direto e indireto de ar

Abstract

Um sistema gerador de calor, com opção para aquecimento direto e indireto de ar, foi desenvolvido e avaliado para uso em secadores de grãos ou na desidratação de produtos que requeiram ar “puro”, como frutas e hortaliças. O sistema foi composto por uma fornalha a carvão vegetal, um trocador de calor compacto e uma pequena caldeira horizontal, com opção para funcionamento a lenha ou a carvão. Para avaliar a fornalha no aquecimento direto do ar, nas vazões de 25, 40, 55 e 70 m 3 .min -1 , foram testados quatro tamanhos de células de queima. A temperatura máxima atingida pelo ar foi de 120 °C na vazão máxima do sistema. A potência térmica máxima, liberada na câmara de combustão, foi de 113,4 kW e a carga térmica volumétrica de 567 kW.m -3 . O rendimento da fornalha variou entre 72,6 e 92,8 %, em função da carga térmica solicitada para o aquecimento do ar. A fornalha apresentou as seguintes características: alimentação constante de combustível na célula de queima, queima contínua e regular do combustível na câmara de combustão, manutenção da temperatura do ar aquecido e facilidade do controle da combustão. No aquecimento indireto do ar, utilizou-se vapor d’água saturado úmido como fluido térmico para transferência de energia para o ar, via trocador de calor. Utilizou-se lenha como fonte de energia na fornalha interna da caldeira (tiragem natural) e carvão vegetal na fornalha externa (tiragem induzida). A eficiência térmica com carvão foi de 45,2 % no aquecimento de 94,1 m 3 .min -1 de ar com temperatura ambiente de 30,5 °C e UR de 47,8 % para 62,1 °C, com consumo de 14,6 kg.h -1 de carvão vegetal. A eficiência térmica com lenha foi de 86,5 % no aquecimento de 94,9 m 3 .min -1 de ar com temperatura ambiente de 20,1 °C e UR de 87,1 % para 55,5 °C, com consumo de 17,7 kg.h -1 de lenha. Apesar da menor eficiência com o uso de carvão vegetal, o sistema com este combustível permite economia de mão-de-obra na operação de secadores de produtos agrícolas e a possibilidade de aproveitamento da entalpia dos gases de escape, para utilização em aquecimento direto de ar.

A heat generator system with direct and indirect air heating option was developed and evaluated for use in grains dryers and dehydration of fruits and vegetables which request "pure" drying air. The system was composed by a charcoal furnace, a compact heat exchange and a small horizontal boiler, able to operate with firewood or charcoal. To evaluate the furnace with direct air heating option, whit airflows rates of 25, 40, 55 and 70 m 3 .min -1 were tested four sizes burning cells. The maximum temperature reached by the air was 120 °C in the maximum airflow rate. The maximum thermal potency liberated in the combustion chamber, was 113,4 kW and the volumétric thermal load 567 kW.m -3 . The furnace thermal efficiency varied between 72,6 and 92,8%, due to the thermal load needed to heat the air. The furnace presented the following characteristics: constant fuel feeding in the burning cell, continuous and regular fuel burning in the combustion chamber, maintenance of the heated air temperature and easy combustion control. For the indirect air heating, humid saturated water vapor was used as medium to heat the air, through a heat exchange. Firewood was used as energy source in the internal furnace (natural draft chimney) and charcoal in the external furnace by induced draft fan. The thermal efficiency with charcoal was 45,2% for an airflow of 94,1 m 3 .min -1 , an ambient air temperature of 30,5 °C, a relative humidity of 47,8%, with a final air temperature of 62,1 °C and charcoal consumption of 14,6 kg.h -1 . The thermal efficiency with firewood was 86,5% for an airflow of 94,9 m 3 .min -1 , ambient air temperature of 20,1°C, relative humidity 87,1%, final air temperature of 55,5 °C and firewood consumption of 17,7 kg.h -1 . In spite of the smallest efficiency with the use of charcoal, the burning of this material reduces labor in the operation of agricultural dryers and make possible the use of the exaust gases enthalpy, for direct air heating.