Analisi Numerica della Combustione di Pellet da Biomassa in una Stufa Domestica

Nella descrizione del fenomeno del trasporto intra-particella, la maggior parte dei modelli usano un sistema mono-dimensionale con le seguenti assunzioni: equilibrio termico locale, gas perfetti, energia cinetica e potenziale trascurabili, e trascurabili flussi di entalpia dovuti alla diffusione delle specie.
A volte, si possono considerare trascurabili anche il trasporto diffusivo delle specie all’interno dei pori, l’accumulo di energia in fase gassosa e le variazioni di pressione.
I più avanzati modelli tengono conto dei processi fisici di trasferimento di calore per convezione, conduzione e irraggiamento, trasporto convettivo delle specie volatili, variazioni di velocità e pressione del gas.
Quest’ultime variabili sono descritte a mezzo della legge di Darcy, dove le equazioni di conservazione per il momento della quantità di moto della fase gassosa sono scritte assumendo che le miscele gassose affluiscano attraverso canali individuali (pori) all’interno della particella.
Conduttività termica e permeabilità sono assegnate tra due direzioni così da riprodurre quelle delle fibre di legno parallele e perpendicolari, così da riprodurre gli effetti dell’anisotropia nel trasferimento di calore.
La variazione di volume è modellata in relazione al restringimento della particella.
è assunto che il volume occupato dal solido cresce linearmente con la massa di char, dalla scelta di un fattore di restringimento α in avvio di volatilizzazione.
Il volume occupato dal gas è fatto di due contributi, il primo dovuto al volume iniziale occupato dalle specie volatili e il secondo dalla frazione β di volume lasciato dal solido a seguito del processo di volatilizzazione.
Al fine di tener conto di possibili cambiamenti strutturali durante la volatilizzazione, il volume iniziale dei volatili varia linearmente con la composizione del mezzo degradante, da un valore iniziale, determinato dalla porosità iniziale del solido, a un valore finale preso come una frazione γ di quello iniziale. I parametri α, β, γ che variano da 0 (totale disintegrazione della particella) a 1 (nessun restringimento), sono assegnati. Il restringimento è definito come il rapporto tra la dimensione corrente e quella originale delle celle computazionali del dominio di integrazione monodimensionale.
Nella maggior parte dei modelli di trasporto, conduttività termica, diffusività di massa e permeabilità sono assunte variare linearmente con i valori di solido vergine e char. I calori specifici per il solido vergine e i prodotti di pirolisi, e la viscosità dinamica sono assunti variare con la temperatura.
I risultati di simulazione mostrano che, con un valore costante di diffusività termica, si ottiene un miglior accordo tra i profili di temperatura previsti e misurati. La frazione di vuoto si può assumere costante o variante con la densità del solido.
I processi extra-particellari non sono presi in considerazione. Nel modello semplificato per la pirolisi di particelle di biomassa, gli effetti delle reazioni ambientali sono tenuti conto a mezzo di condizioni al contorno sulla superficie della particella dove il riscaldamento avviene sostanzialmente per convezione.
La temperatura esterna è ottenuta da equazioni di energia che tengono conto del calore trasportato dal flusso di gas e il calore scambiato tra il gas e la superficie della particella. Gli effetti del restringimento sono incorporati nei calcoli dell’altezza della zona di reazione.