O estudo do desempenho de equipamentos de combustão é fundamental, abordando aspetos cruciais como a eficiência energética, sustentabilidade ambiental e economia operacional. Melhorar a eficiência destes equipamentos reduz o consumo de combustível, diminui as emissões de poluentes e contribui para a mitigação das alterações climáticas. O objetivo principal deste estágio é desenvolver e validar melhorias no desempenho da salamandra a lenha da Solzaima, utilizando ferramentas de análise CFD. Além disso, o estágio visa auxiliar na escolha da ferramenta de CFD adequada, avaliar o seu potencial no desenvolvimento de produtos, demonstrar a sua utilidade em situações concretas e analisar a viabilidade de expandir o seu uso para toda a gama de produtos da Solzaima. Para atingir estas metas, foi desenvolvido um modelo numérico de uma salamandra em escala real, calibrado e validado com base em ensaios experimentais realizados em ambiente controlado com um erro de 5%, abaixo do limiar estabelecido pela empresa de 10%. Utilizando o Ansys Fluent, foram realizadas simulações para diagnosticar o funcionamento da salamandra e melhorar o seu design. Numa primeira fase do estudo, avaliou-se o impacto individual de diferentes melhorias, nomeadamente: (i) a redução para 5 mm da distância entre o vidro e a pala defletora, (ii) a supressão da entrada de ar lateral e (iii) a redução da secção das áreas de entrada na dorsal da salamandra, com diâmetros de 5,5 mm e 2,75 mm. Na segunda fase do estudo, efetuou-se uma avaliação combinando as medidas de melhoria identificadas na fase 1. Após a combinação das medidas, foi necessário realizar um estudo paramétrico, aumentando o número de entradas de ar para a dorsal, totalizando 7, com diâmetros de 5,5 mm,8 mm e 9 mm de diâmetro em cada iteração. Além disso, foi avaliado o desempenho da salamandra em condições isotérmicas e não isotérmicas, testando duas metodologias para introduzir a fonte de calor: (i) a superfície dos toros de lenha e (ii) uma secção acima da lenha, designada por pluma. Concluiu-se que a redução da distância entre a pala defletora e o vidro aumenta a velocidade média nessa zona e melhora o efeito de varrimento. A supressão das entradas laterais de ar e o aumento do número de entradas de ar também aumentam a velocidade média do ar entre a pala e o vidro. Em contrapartida, a diminuição das entradas de ar na dorsal do equipamento reduziu o caudal e a velocidade no vidro. O modelo que apresentou melhorias significativas foi o cenário melhorado 2.2 (CM2.2), onde foram implementadas as seguintes modificações: redução da distância entre a pala defletora e o vidro, supressão das entradas de ar laterais e aumento do número e diâmetro das entradas de ar na dorsal (7 furos de 8 mm de diâmetro). Além disso, ao simular em condições não isotérmicas, o cenário 5.2 mostrou uma diminuição de 5% na temperatura de saída, geralmente associada a melhorias no desempenho do equipamento. A parametrização permitiu aumentar as velocidades nos pontos de análise e a percentagem de caudal que se desloca até à dorsal, atingindo a meta de distribuição de caudal.

The study of combustion equipment performance is crucial, addressing key aspects such as energy efficiency, environmental sustainability, and operational economy. Enhancing the efficiency of these devices reduces fuel consumption, decreases pollutant emissions, and contributes to mitigating climate change. The main objective of this internship is to develop and validate performance improvements for the Solzaima wood stove, utilizing CFD analysis tools. Additionally, the internship aims to assist in selecting the appropriate CFD tool, assess its potential in product development, demonstrate its utility in concrete situations, and analyze the feasibility of expanding its use across Solzaima’s entire product range. To achieve these goals, a numerical model of a full-scale wood stove was developed, calibrated, and validated based on experimental tests conducted in a controlled environment with an error margin of 5%, below the company’s established threshold of 10%. Using Ansys Fluent, simulations were performed to diagnose the stove’s operation and improve its design. In the initial phase of the study, the individual impact of different improvements was evaluated, namely: (i) reducing the distance between the glass and the baffle to 5 mm, (ii) eliminating the side air inlet, and (iii) reducing the cross-sectional area of the dorsal air inlets, with diameters of 5.5 mm and 2.75 mm. In the second phase of the study, an evaluation was conducted by combining the improvement measures identified in phase 1. Following the combination of the measures, a parametric study was necessary, increasing the number of air inlets to the dorsal, totaling 7, with diameters of 5,5 mm, 8 mm, and 9 mm in each iteration. Additionally, the stove’s performance was evaluated under both isothermal and non-isothermal conditions, testing two methodologies for introducing the heat source: (i) the surface of the wood logs and (ii) a section above the wood, designated as the plume. It was concluded that reducing the distance between the baffle and the glass increases the average velocity in that area and improves the sweeping effect. Eliminating the side air inlets and increasing the number of dorsal air inlets also increases the average air velocity between the baffle and the glass. Conversely, reducing the dorsal air inlets decreased the flow rate and velocity at the glass. The model that exhibited significant improvements was the enhanced scenario 2.2 (CM2.2), where the following modifications were implemented: reduction of the distance between the baffle and the glass, elimination of the side air inlets, and increase in the number and diameter of the dorsal air inlets (7 holes of 8 mm diameter). Moreover, under non-isothermal condi- tions, scenario 5.2 showed a 5% reduction in outlet temperature, generally associated with performance improvements. The parameterization allowed for increased velocities at the analysis points and the percentage of flow reaching the dorsal, achieving the target flow distribution.

Mestrado em Engenharia Mecânica