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La preoccupazione mondiale sul riscaldamento globale e sulla limitata disponibilità di combustibili fossili hanno aumentato l'uso della biomassa per la produzione di energia. La combustione di biomasse è ampiamente vista come una delle aree chiave nello sviluppo di energia sostenibile.
Le caldaie a biomassa a letto fisso sono opzioni diffuse per i piccoli sistemi; tuttavia, l'efficienza di combustione e le emissioni inquinanti sono ancora questioni aperte per il loro design.
Gli avanzamenti tecnologici potrebbero trarre vantaggio dagli strumenti di calcolo (CFD) per la loro capacità di risolvere un gran numero di equazioni in geometrie complesse; tuttavia, a causa delle strette interazioni tra i processi di trasferimento di massa e di calore, essi hanno bisogno di convalida con dati sperimentali.
Questo lavoro descrive un'attività di modellazione sperimentale e CFD congiunta volta a indagare la combustione di biomasse in una caldaia a letto fisso di piccola taglia situata presso il centro di ricerca del CRIBE (Centro Interuniversitario di Ricerca sulle Biomasse da Energia) a Pisa.
La caldaia a biomassa a letto fisso è stata dotata di un sistema di controllo e misurazione per eseguire misure di temperatura e composizione di gas sia sopra il letto di biomassa (in sei diverse posizioni) sia allo scarico della caldaia. Diverse condizioni di funzionamento, cioè rapporto di equivalenza e rapporto di flusso d'aria primario e secondario, sono stati utilizzati per indagare il loro effetto sulle prestazioni del processo di combustione.
Le misure di cui sopra sono state utilizzate per sviluppare e convalidare un modello numerico della caldaia. In particolare, il modello CFD è stato basato su un modello di flusso reattivo turbolento monofase nella camera di combustione accoppiato ad un modello del letto di biomasse off-line.
Quest'ultimo è stato trattato prima come un reattore in cui la biomassa subisce evaporazione, devolatilizzazione e ossidazione del carbonio, Approccio comunemente usato in letteratura. I prodotti rilasciati costituiscono le condizioni di ingresso del modello CFD. La procedura è iterativa per tener conto del trasferimento radiativo tra il letto di biomassa e la camera di combustione.
Si è notato come il campo termochimico risultante fosse fortemente dipendente dal livello di turbolenza in ingresso, che deve quindi essere attentamente valutato.
Tuttavia questo approccio è incapace di tener conto della variazione spaziale dei valori misurati, evidenti dalle prove sperimentali.
Quindi è stato suggerito di rappresentare il letto di biomassa con un mezzo poroso con sorgenti positive di alcune specie chimiche (Volatili, CO2, H2O) ed energia e negative di O_2.
Tale modello risulta anche promettente se si incontrano discrepanze in alcune posizioni che possono essere ulteriormente indagate.