Development and analysis of a furnace for both direct- and indirect air heating by using polydispersive biomass

Foi desenvolvido e avaliado um sistema de geração de calor com opção de aquecimento direto e indireto do ar, visando à secagem de produtos agrícolas ou ao aquecimento de instalações zootécnicas. A fornalha desenvolvida possui um trocador de calor tubo concêntrico, com fluxo contracorrente, e foi alimentada, por transporte pneumático, com biomassa polidispersa e, manualmente, com lenha. Para analisar o desempenho da fornalha, foram realizados testes utilizando lenha como combustível (5, 10 e 15 kg h-1), palha de café associada a lenha, serragem associada a lenha e apenas serragem. Como resultado, a fornalha desenvolvida, quando se utilizou apenas lenha como combustível, apresentou eficiências térmicas variando entre 68,9 e 74,2 % para o aquecimento indireto do ar e 89,8 % para o sistema direto de aquecimento do ar. Ao utilizar palha de café associada a lenha e serragem associada a lenha, as eficiências foram de 58,6 % e 62,9 %, respectivamente, para o aquecimento indireto do ar. No sistema, no qual se utilizou apenas serragem como combustível, a eficiência média foi de 73,3 % para o aquecimento indireto do ar. As eficiências foram consideradas excelentes quando comparadas com fornalhas de fogo indireto, citadas na literatura. As perdas pelos gases de exaustão foram as maiores dentre as perdas medidas, variando entre, aproximadamente, 18% e 30 %. A fornalha apresentou bom isolamento térmico, com perdas por arrefecimento entre 1 % e 3 %. As perdas de calor pela combustão química incompleta (CO) ficaram abaixo de 4%, com exceção dos testes utilizando palha de café, que em média foram de, aproximadamente, 7%. A efetividade do trocador de calor, considerando a temperatura inicial dos gases igual à temperatura teórica da chama, apresentou valores próximos aos da eficiência térmica da fornalha, variando de 0,624 a 0,797. Os sistemas de alimentação por transporte pneumático e de distribuição da biomassa apresentaram-se eficazes, de fácil operação e manutenção. A combustão da serragem com fluxo superior a 10 kg h-1 e teor de água abaixo de 15 % b.u., proporcionou chama contínua, dispensando o uso de chama piloto com lenha. O custo total da fornalha, dimensionada para atender a uma demanda energética de, aproximadamente, 140,0 MJ h-1, foi de R$ 3.615,60, em que um terço deste valor se deve ao sistema de alimentação por transporte pneumático. O custo de produção de energia térmica é menor quanto maior a taxa de liberação de energia e o tempo de funcionamento anual da fornalha. Custos de aquisição da lenha, em R$ ton-1, inferiores a 27,00, 12,00 e 5,00, tornam menos atrativas a utilização da palha de café associada a lenha, da serragem associada a lenha e apenas da serragem como combustível, respectivamente, que o uso de apenas lenha. Por fim, conclui-se que a fornalha desenvolvida é um equipamento útil para geração de calor, podendo ser utilizada em diversos setores agrícolas e agroindustriais, por proporcionar ar aquecido limpo para fins diversos, a custos acessíveis a agroindústrias e aos produtores rurais, além de utilizar combustíveis que promovem o desenvolvimento sustentável.A heat-generation system with option to direct or indirect heating of the air, that could be used in drying agricultural products or heating zootechnical facilities was developed and evaluated. The developed furnace has a heat changer with concentric countercurrent-flux tube, and it was fed polydispersive biomass by pneumatic transport or manually with biomass by firewood. Some tests were accomplished to analyze the performance of the furnace, by using firewood as fuel (5, 10 and 15 kg h-1), coffee straw together with firewood, sawdust associated with firewood and sawdust only. When using only firewood as fuel, the developed furnace showed thermal efficiency varying from 68.9 to 74.2% for indirect heating of the air and 89.8% for the direct heating system. When using coffee straw associated to firewood and the sawdust associated to firewood, the efficiencies 58.6% and 62.9% were respectively obtained for the indirect air heating. In the system using only sawdust as fuel, an average efficiency of 73.3% was reached for the indirect air heating. The efficiencies showed to be excellent, compared to those indirect-fire furnaces mentioned in the available literature. The losses through exhaustion gases varied around 18% to 30%, as showing to be the highest ones. The furnace showed satisfactory thermal isolation, as the losses by cooling varied from 1% to 3%. The heat losses by the incomplete chemical combustion (CO) were lower than 4%, except for the tests using coffee straw, when they reached about 7%. When considering the initial gas temperatures as equal to the theoretical flame temperature, the values for effectiveness of the heat changer varied from 0.624 to 0.797, therefore close to that of the furnace. Both the pneumatic feeding system and the biomass distribution system showed to be efficient, easily operated and maintained. The sawdust combustion with flow above 10 kg h-1 and water content below 15% w.b. provided continuous flame, as dispensing the use of pilot flame with firewood. The total cost of the furnace to supply an energy demand around 140.0 MJ h-1 was R$ 3.615,60, a third from which is due to the pneumatic feeding system. The cost of the thermal-energy production is lower as higher is the energy release rate and the time of the annual furnace operation. The purchasing firewood costs (R$ ton-1) that are inferior to 27,00, 12,00 and 5,00 make less attractive the use of the coffee straw associated with firewood, the firewood-associated sawdust and the sawdust as fuel only, respectively than using only firewood. Thus, the developed furnace is an useful equipment for heat generation, and could be used in several agricultural and agroindustry sectors, since it provides clean heated air for several purposes at costs accessible to the agroindustries and rural producers, besides using fuels promoting the sustainable development.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic