Desenvolvimento, modelagem e simulação de um sistema incinerador de resíduos sólidos com emissões tratadas por microalgas

Abstract

Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta um modelo matemático do sistema de incineração de resíduos sólidos urbanos e um modelo matemático adimensional do trocador de calor localizados no laboratório Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável (NPDEAS) da Universidade Federal do Paraná (UFPR). O modelo combina os princípios da termodinâmica e da transferência de calor e massa, aplicando-os aos componentes do sistema. Assumindo-se volumes de controle termodinâmico para cada componente. O modelo matemático está explicado por um sistema de equações diferenciais ordinárias integradas com o tempo, com precisão e baixo tempo computacional. Um grupo adimensional adequado para o trocador de calor foi identificado. Os resultados apresentados para o sistema completo na forma de gráficos com aplicação geral para os sistemas semelhantes. O incinerador de resíduos sólidos e o trocador de calor já estão construídos e instrumentados para obter dados reais das temperaturas na câmara de combustão e na câmara de pós-combustão do incinerador. Assim, o modelo foi ajustado a partir de um conjunto de dados experimentais e, então, o modelo matemático e a simulação são validadas experimentalmente usando outro conjunto de dados experimentais. A seguir, estuda-se a otimização da alocação de área total de transferência de calor no trocador de calor. Na determinação da distribuição de área de transferência de calor deve-se considerar as mudanças de fase do lado frio (superaquecido, ebulição e líquida). Assim, é determinada a relação ótima dos fluxos. A configuração ideal que promove, em estado quase estacionário, a máxima eficiência da segunda lei termodinâmica também é investigada. Portanto, os resultados utilizando emissões da combustão de madeira (CH1,44O0,66) e como fluido frio a água, mostram-se que a distribuição ideal da área total de transferência de calor se obtém quando a relação entre os fluidos (emissões/água) é Mopt = 0,20, sendo o tamanho determinado para o trocador de calor de N = 9. Entretanto, com esta configuração de área de transferência de calor tem-se que a máxima eficiência de segunda lei é ?II = 0,54 %. Assim, consegue-se representar o modelo físico do sistema de tratamento térmico de resíduos sólidos com geração de vapor utilizando a modelagem matemática apresentada nesta dissertação.

Abstract: This dissertation presents a mathematical model of the urban solid waste incineration system, and a dimensionless mathematical model of the heat exchanger, located in the laboratory Nucleus of Research and Development of Energy Autossustentavél (NPDEAS) of the Federal University of Paraná (UFPR). The model combines the principles of thermodynamics, heat and mass transfer, applying them to the system components, assuming thermodynamics control volumes for each component. The mathematical model is explained by a system of ordinary differential equations integrated on time, with precision and low computational time. A suitable dimensionless group for the heat exchanger was identified; the results presented for the complete system in the form of graphs with general application for similar systems. The solid waste incineration and the heat exchanger are already built and instrumented to obtain real data on the temperatures in the first combustion chamber and the second combustion chamber. Therefore, the model was adjusted, from a set of experimental data and then the mathematical model and simulation are validated experimentally using another set of experimental data. Furthermore, the study analyzes the optimization of distribution of the total area of heat transfer in the heat exchanger. In determining the distribution of the heat transfer area, the phase changes on the cold side of the heat exchanger (overheating, boiling and liquid) must be considered; therefore, the ideal cold-water flow capacity is determined. The ideal configuration that promotes, in the quasi-stationary state, the maximum efficiency of the second thermodynamic law is also investigated. The results, using wood burning emissions (CH1,4400,66), show that the ideal distribution of the heat transfer area is obtained when the ratio of fluids is Mopt = 0.20, the size being determined for the heat exchanger of heat of N = 9. However, with this configuration of the heat transfer area, it is obtained that the efficiency of the second thermodynamic law has a maximum in ?II = 0.54%. Thus, it is possible to perform the mathematical modeling of the thermal treatment system of solid waste with steam generation.