Development and evaluation of a wood furnace for grain drying

Abstract

The use of wood furnaces for thermal energy application in grain dryers is common in Brazil, however, contaminations of the products and environmental effects due to incomplete combustion and its excessive use in drying are major challenges. In this study, a wood furnace was designed, build and its performance was evaluated for mixed and indirect heating of the drying air. The design of the combustion chamber volume, combustion cell, grate area, and heat exchanger were based on the following demands: thermal energy from 15 to 30 kW (12,898 to 25,795 kcal. h -1 ), drying air flow rate from 35 to 45 m³ min -1 and drying air temperature from 50 to 80 °C. Considering experimental data, quadratic regression models were adjusted to describe the temperatures in furnace compartments. These regressions were used to develop a simulation model using Extend TM simulation language to predict the performance of the furnace considering the desired drying air temperature. To determine the efficiency, furnace operation was simulated considering four drying air temperatures 50, 60, 70, and 80 °C, and six combinations of operation times in mixed and indirect heating during 0 and 119 min, 5 and 114 min, 10 and 109 min, 15 and 104 min, 20 and 99 min, and 30 and 89 min, respectively. The simulation result shows that for mixed and indirect heating of 5 and 114 min, respectively, the best outcomes for drying air temperatures of 50, 60, and 70 °C were the efficiency of 32, 44, and 55%, during 99.2, 98.4, and 95.5% of operation time. However, the best outcome was the efficiency of 64% during 93.5% of operating time using the drying air temperature of 80 °C and mixed and indirect heating during 10 and 109 min, respectively. Keywords: Eucalyptus. Combustion. Indirect and mixed heating. Modeling and simulation. Thermal efficiency.A utilização de fornalhas a lenha para aplicação de energia térmica em secadores de grãos é comum no Brasil, porém, contaminações dos produtos e efeitos ambientais devido à combustão incompleta e seu uso excessivo na secagem são grandes desafios. Neste estudo, uma fornalha a lenha que opera em fogo indireto e direto foi projetada, construída e avaliada. O projeto do volume da câmara de combustão, célula de combustão, área da grelha e trocador de calor foram baseados nas seguintes demandas: energia térmica de 15 a 30 kW (12.898 a 25.795 kcal. h -1 ), vazão de ar de secagem de 35 a 45 m³ min -1 e temperatura do ar de secagem de 50 a 80 °C. Considerando os dados experimentais, modelos de regressão quadrática foram ajustados para descrever as temperaturas nos compartimentos da fornalha. Essas regressões foram empregadas na implementação de um modelo de simulação, usando a linguagem de simulação Extend TM , para prever a eficiência térmica da fornalha para uma dada temperatura do ar de secagem. Para determinar a eficiência, a operação da fornalha foi simulada considerando quatro temperaturas do ar de secagem 50, 60, 70 e 80 °C, e seis combinações de tempos de operação com aquecimento misto e indireto do ar conforme os intervalos de 0 e 119 min, 5 e 114 min, 10 e 109 min, 15 e 104 min, 20 e 99 min, e 30 e 89 min, respectivamente. Resultados da simulação demonstraram que para aquecimento misto e indireto de 5 e 114 min, respectivamente, os melhores resultados para temperaturas do ar de secagem de 50, 60 e 70 °C foram a eficiência de 32, 44 e 55%, durante 99,2; 98,4 e 95,5% do tempo de operação. No entanto, o melhor resultado foi a eficiência de 64% durante 93,5% do tempo de operação ao de utilizar a temperatura do ar de secagem igual a 80°C para o aquecimento misto e indireto durante 10 e 109 min, respectivamente. Palavras-chave: Eucalipto. Combustão. Aquecimento misto e indireto. Modelagem e simulação. Eficiência térmica.