Object-oriented modelling and simulation of a biomass combustion grid for system studies

The aim of this thesis is to develop a grid combustion model, focusing on the case of wood combustion. The model is one-dimensional to allow for a representation of the along-the-grid phenomena at a level of detail that is adequate for future system studies, with particular reference to control- and optimization-oriented ones. Peculiar to the presented model is however a quite accurate representation of the elementary burning wood element; a validation against literature data in fact shows that if this element is described with fine enough a spatial description, then considering all the elements in a grid cross-section to be equal to one another yields sufficient simulation accuracy while preserving a good computational efficiency. The required material properties are determined by wood species, accounting for chemical, physical and thermal properties, with well assessed literature relationships when necessary. Besides some heuristics well grounded onto previous research, however, the model is entirely first-principle. At present only the grid is described in detail - in the sense above – while the combustion chamber is represented in a very simplified manner, essentially as a boundary condition. Thanks to the modular and object-oriented nature of the model, written in the Modelica language, future extensions are possible and will require an effort comparable to their complexity. The open source OpenModelica translator was used to ease dissemination of results. As anticipated, the thesis also contains a validation campaign referring to data available in the literature; this campaign confirms the validity of the hypotheses set forth in the treatise, and demonstrates the satisfactory operation of the model.

L’ obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello di griglia di combustione, focalizzato in particolare sulla combustione del cippato di legna. Il modello è mono-dimensionale per rappresentare la variazione dei fenomeni legati alla combustione lungo la griglia ad un livello di dettaglio adatto per futuri studi di sistema, orientandosi in particolare a studi di controllo o di ottimizzazione. Il modello sviluppato si contraddistingue per una rappresentazione di dettaglio dell’elemento di combustibile; grazie ad un confronto con dati di letteratura è stato possibile concludere che una descrizione su fficientemente accurata della particella di combustibile permette di considerare le sezioni della griglia occupate da particelle omogenee, ottenendo una buona accuratezza della simulazione con un accettabile carico computazionale. Le caratteristiche del combustibile sono state determinate a partire dalla specie di origine del legno, tenendo conto delle sue proprietà chimico-fisiche basandosi, dove necessario, su correlazioni ricavate dalla letteratura. La struttura del modello nasce da alcune osservazioni empiriche che trovano riscontro in letteratura, per il resto il modello è interamente di primo principio. In questo lavoro viene presentato in dettaglio il solo modello della griglia di combustine, come descritto in precedenza, mentre la camera di combustione è rappresentata in modo semplificato come una condizione al contorno. Grazie ad un approccio modulare ad oggetti il modello, scritto in linguaggio Modelica, rimane aperto a future estensioni che potranno essere implementate con relativa semplicità. E` stato scelto l’ambiente di sviluppo open source OpenModelica per garantire una maggiore fruibilità e accessibilità dei risultati ottenuti. Come accennato in precedenza, la tesi include una validazione eseguita confrontando i risultati ottenuti dal modello con dati di letteratura; la validazione ha confermato le ipotesi considerate nello sviluppo del modello e ha dimostrato che i risultati ottenuti dalle simulazioni sono soddisfacenti.