Dynamic modelling of fire-tube natural gas fed boiler for hot water supply

Fire-tube boilers are conventional devices designed for supplying saturated steam or hot liquid water. The mentioned boilers are traditionally employed in the industrial sector as well as for residential heat supply purposes. In the present work, a detailed physical boiler dynamic model is developed focusing on natural gas fed fire-tube boilers for hot water supply. An extensive review of existing modelling methodologies is initially carried out aiming at selecting the later model constitutive equations. Given the limited requested computational time and the demanded considerable model accuracy, a Finite Element Modelling (FEM) methodology has been selected. Next, a comprehensive modelling phase describes separately the flue gas side from the water side. The flue gas section, in detail models the dynamic behavior of the flue gases in the main blocks through the mentioned geometrical discretization procedure. Furthermore, two synthetic profiles were simulated aiming at assessing the boiler dynamic thermal performances at different operating regimes. The proposed case studies separately simulate a boiler start-up scenario and a step-wise feed water temperature profile. The obtained results indicate a comprehensive coherence with literature and experimental data. The results demonstrate that a functional model for hot water delivery has been achieved. Further explorations ought to be introduced for experimentally validating the proposed model.

Le caldaie a tubi di fumo sono dispositivi tradizionali progettati per la produzione di vapore saturo o acqua calda. Le caldaie menzionate sono tradizionalmente impiegate nel settore industriale e per la fornitura di calore in ambito residenziale. Nel presente lavoro, è stato sviluppato un dettagliato modello fisico dinamico della caldaia, incentrato sulle caldaie a tubi di fumo alimentate a gas naturale per la fornitura di acqua calda. Inizialmente viene effettuata un'ampia revisione delle metodologie di modellazione esistenti con l'obiettivo di selezionare le equazioni costitutive del modello. Date le richieste di un limitato tempo di calcolo e di una considerevole accuratezza del modello, è stata selezionata una metodologia di modellazione agli elementi finiti (FEM). Successivamente, una fase di modellazione descrive il regime dinamico separatamente per la porzione relativa ai gas di scarico dal lato dell'acqua all’interno del recipiente cilindrico. La sezione dei gas di scarico, modella in dettaglio il comportamento dinamico dei gas di scarico nei blocchi principali attraverso la citata procedura di discretizzazione geometrica. Inoltre, sono stati simulati due profili sintetici per valutare le prestazioni termiche-dinamiche della caldaia a diversi regimi di funzionamento. I casi studio proposti simulano separatamente uno scenario di avvio della caldaia e un profilo di temperatura dell'acqua di alimentazione a gradini. I risultati ottenuti indicano una consistente coerenza con i dati presenti in letteratura e i dati sperimentali a disposizione. I risultati dimostrano che è stato raggiunto un modello funzionale per l'erogazione di acqua calda. Ulteriori esplorazioni sono introducibili per convalidare sperimentalmente il modello proposto.