Thermo-aeraulische CFD-Studie des Ersatzes eines Silizium-Schmelzofens durch einen Elektroofen: Kartografie der Strahlung auf die Strukturen, Schutz der Träger und thermischer Komfort der Bediener.
Die Expertise von EOLIOS in CFD-Simulation und thermischer Analyse der Strukturen spielte eine entscheidende Rolle bei der Studie eines Industrieofens, der eine intensive Strahlung auf die Metallträger erzeugt und Verformungsrisiken verursacht. Unser Know-how ermöglichte es, die strukturellen Temperaturen zu kartografieren und die Überhitzungszonen vorherzusagen, bei gleichzeitiger Bewertung des thermischen Komforts der Mitarbeiter, um die Sicherheit der Anlagen zu optimieren und akzeptable Arbeitsbedingungen zu gewährleisten.
Das Wesentliche. Zur Vorbereitung des Ersatzes eines Heizölofens durch einen leistungsstärkeren Elektroofen führte EOLIOS eine thermo-aeraulische CFD-Studie der Siliziumproduktionshalle durch. Zwei Herausforderungen: die Metallträger vor der Strahlung des Gusses schützen (bis zu 480 °C ohne Schutz simuliert) und den Komfort der Bediener bewahren. Isolierter U-förmiger Strahlungsschutz, thermische Vorhänge und eine Fassadenöffnung bringen die Träger unter 100 °C und halten die Luft der Arbeitszonen nahe der Außenbedingungen.
An einem Industriestandort, der der Herstellung technischer Silicas gewidmet ist, die in verschiedenen Branchen wie Reifen oder Kosmetik verwendet werden, beruht der Prozess auf dem Schmelzen von Natriumsilikat bei hoher Temperatur. Auf etwa 1200 °C gebracht, wird das schmelzflüssige Material zu Kokillen geleitet, wo es durch Wasserbesprühung abgekühlt wird, bevor es vorübergehend in einer Grube gelagert wird.
Im Rahmen einer Energiewende plant der Standort, einen bestehenden Heizölofen durch einen Elektroofen der neuen Generation zu ersetzen, der leistungsfähiger und emissionsärmer ist. Diese technologische Entwicklung bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, insbesondere im Zusammenhang mit der Erhöhung der thermischen Leistung, dem Anstieg der abgestrahlten Temperaturen und den Risiken struktureller Erwärmung in einer teilweise offenen Halle.
In diesem Zusammenhang ist EOLIOS eingeschritten, um eine vollständige thermo-aeraulische Studie durchzuführen. Das Ziel: die thermische Auswirkung des künftigen Ofens auf seine unmittelbare Umgebung präzise zu bewerten, gestützt auf eine fortgeschrittene numerische Modellierung (CFD) und ein Vor-Ort-Audit der bestehenden Bedingungen. Die Analyse umfasste zwei Teile: eine erste Phase, die der aktuellen Konfiguration der Anlage gewidmet war und als Vergleichsreferenz diente, und eine zweite, die der Projektierung gewidmet war und feine Simulationen von Strahlung und Luftzirkulation einbezog.
Die Studie zielte darauf ab, mehrere Herausforderungen zu beantworten: die mechanische Beständigkeit der Träger zu gewährleisten, die der Strahlung ausgesetzt sind, den thermischen Komfort der Bediener zu bewahren und einen etwaigen Anpassungsbedarf bei der natürlichen oder mechanischen Belüftung zu antizipieren. In einer Umgebung mit hoher thermischer Trägheit wird die Optimierung des aeraulischen Verhaltens und der passiven Schutzmaßnahmen zu einem strategischen Hebel für Leistung und Nachhaltigkeit.
Der Ersatz des Heizölofens durch einen Elektroofen mit höherer Kapazität verstärkt den thermischen Prozess, mit Schmelztemperaturen weiterhin nahe 1200 °C und einem verdoppelten Durchsatz. Die wichtigste identifizierte Herausforderung betrifft die vom schmelzflüssigen Glas erzeugte Wärmestrahlung, insbesondere am Austritt der Gießschnauzen. Diese Strahlung betrifft direkt die tragenden Strukturen des Gebäudes und insbesondere die Metallträger oberhalb der Kokillen. Diese Elemente sind für Grenztemperaturen ausgelegt, die lokal überschritten werden können, wie die während des ersten Audits durchgeführten thermografischen Aufnahmen gezeigt haben. Das Risiko ist nicht nur mechanisch: Es betrifft auch die Haltbarkeit der Materialien, die Festigkeit der Befestigungen und die Zuverlässigkeit der in der Nähe befindlichen Anlagen.
Die Wärmestrahlung ist die Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen, ohne Kontakt und ohne dazwischenliegende Luft. Ein sehr heißer Körper wie schmelzflüssiges Glas gibt einen Fluss ab, der die exponierten Flächen aus der Ferne erwärmt, hier die Träger oberhalb des Gusses. Ein reflektierender Strahlungsschutz fängt diesen Fluss ab.
Parallel zu diesen Strahlungsproblemen erzeugt der Betrieb des Ofens eine starke aufsteigende Luftzirkulation, verbunden mit der intensiven Wärmeabgabe in einem weitgehend nach außen offenen Gebäude. Die Dynamik der Luftströme ist komplex: natürlicher thermischer Zug, Windgeschwindigkeit, Gebäudeformen, aufgehängte Plattformen und mechanische Hindernisse wirken zusammen und erzeugen Rezirkulationszonen oder Wärmestagnation in lokalisierten, für den Betrieb oft kritischen Bereichen. Die Simulationen haben so heiße Luftadern entlang bestimmter Wände, Restwärme in den Gruben- oder Belüftungszonen und erhebliche Unterschiede zwischen dem Norden und dem Süden der Halle aufgezeigt.
Schließlich wirken sich diese Phänomene direkt auf die Arbeitsbedingungen in den belegten Bereichen aus. Das Fehlen einer Öffnung nach Süden, das Anbringen von Planen zur Begrenzung des Staubs oder die Konfiguration der Gruben können zu lokalisierten Überhitzungen in bestimmten sensiblen Zonen des Gebäudes führen: Gussplattformen, Verkehrszonen, Zwischengeschosse oder Technikräume. Temperaturunterschiede von +10 bis +15 °C gegenüber dem Außenbereich konnten in einigen Fällen festgestellt werden. Diese Situation kann eine thermische Belästigung für die Bediener oder sogar Einschränkungen an den Anlagen hervorrufen, umso mehr unter den modellierten Sommerbedingungen.
Vor jeder Modellierung wurde von den Ingenieuren von EOLIOS ein aeraulisches und thermisches Audit vor Ort durchgeführt. Diese erste Phase ermöglichte es, präzise Daten über die realen Betriebsbedingungen der Produktionshalle zu sammeln. Aufnahmen mit der Wärmebildkamera wurden durchgeführt, um die hohen Temperaturen ausgesetzten Zonen zu identifizieren, insbesondere rund um die tragenden Träger, den Guss und die Gruben. Ergänzend ermöglichten Rauchversuche, die Luftströme sichtbar zu machen und die aufsteigenden Adern heißer Luft sowie die Stagnationszonen zu bestätigen. All diese Informationen dienten zusammen mit geometrischen Aufnahmen mit dem Lasermessgerät als Grundlage für den Aufbau des 3D-Modells.
Das CFD-Modell wurde aus den gelieferten Plänen, den während des Audits aufgenommenen Fotos und einer detaillierten Standortaufnahme entwickelt. Ziel war es, die Volumina, Strukturen und Anlagen, die die Luftströmungen und den Wärmeaustausch beeinflussen, getreu abzubilden. Das Modell integriert insbesondere die Plattformen, Träger, Kühlgruben, Öffnungen nach außen, Vorhänge sowie die um den Elektroofen geplanten künftigen Anlagen.
Das numerische Netz vom hybriden Typ erreicht mehrere zehn Millionen Zellen, mit lokaler Verfeinerung in den kritischen Zonen: rund um den Guss, unter den Plattformen und an den Zuluftkanälen. Dieser Detaillierungsgrad gewährleistet eine getreue Wiedergabe der thermischen und aeraulischen Gradienten und sichert zugleich die numerische Stabilität der Berechnung.
Die Randbedingungen wurden aus den Audit-Daten und den vom Bauherrn gelieferten Werten festgelegt. Die in die Berechnung integrierten wichtigsten Wärmequellen sind die folgenden:
Das schmelzflüssige Glas, modelliert von 1200 °C bis 300 °C über die Länge der Kokille.
Die Ofenwände, um 80 °C.
Die Gruben, von 250 °C bis 50 °C je nach Zone.
Die beweglichen Anlagen, wie die Förderbänder, um 70 °C.
Der konvektive Austausch mit den Wänden, die Art der Materialien (Stahl, Silica, Steinwolle) und die Außentemperatur von 38 °C wurden in die Berechnung einbezogen. Die Simulation wurde im stationären Zustand durchgeführt, was eine stabilisierte Ablesung der Temperatur- und Luftgeschwindigkeitsverteilungen im gesamten Gebäude ermöglicht.
Mehrere Konfigurationen wurden getestet, um verschiedene Varianten zu vergleichen:
Vorhandensein oder Fehlen von Isolierung unter den Plattformen.
Integration von Strahlungsschutz in verschiedenen Formen (trapezförmig, flach, U-förmig).
Hinzufügen oder Weglassen von lokalisierten Ventilatoren.
Änderung der Fassadenöffnungen zur Verbesserung der Luftspülung.
Alle Simulationen wurden mit einem industriellen CFD-Solver auf Basis der Navier-Stokes-Gleichungen und einem Standard-k-ε-Turbulenzmodell durchgeführt, das besonders für Umgebungen mit interner Belüftung geeignet ist. Dieses Modell gibt die Phänomene der Schichtung, der Rezirkulation und der Beschleunigung der Luftmassen in komplexen Geometrien wie der des untersuchten Standorts wieder.
Besondere Sorgfalt wurde auf die Konvergenz der Berechnungen verwendet, mit einer Genauigkeitsschwelle von 10⁻⁴ für die Residuen, was die Zuverlässigkeit der Ergebnisse und die Stabilität des Modells gewährleistet.
Das k-ε-Turbulenzmodell löst die turbulente kinetische Energie und ihre Dissipation; es ist ein robuster Standard für die interne Belüftung. Im stationären Zustand sucht die Berechnung das Gleichgewicht der Temperaturen und Geschwindigkeiten, ohne deren zeitliche Entwicklung zu verfolgen.
Die rund um den neuen Elektroofen durchgeführten Simulationen haben einen deutlichen Temperaturanstieg in den Zonen nahe des Gusses aufgezeigt. Die Metallträger unter der Plattform erreichen in bestimmten Konfigurationen Temperaturen über 300 °C, insbesondere wenn die abgestrahlte heiße Luft nicht frei entweichen kann.
Ohne Schutzvorrichtung sind die am stärksten exponierten Träger direkt der Wärmestrahlung des Gusses ausgesetzt, mit gemessenen Höchstwerten zwischen 320 °C und 480 °C je nach simuliertem Fall. Diese Temperaturen überschreiten die Auslegungsgrenzen bestimmter Strukturen und erzeugen potenzielle Risiken von Verformung, Verlust der mechanischen Festigkeit oder übermäßiger Ausdehnung.
Ein Strahlungsschutz ist ein Schirm, häufig aus poliertem Aluminium mit isolierender Verstärkung, der zwischen der heißen Quelle und dem zu schützenden Element angebracht wird. Er reflektiert den größten Teil der einfallenden Strahlung und lenkt in umgekehrter U-Form die heiße Luft zu Dissipationszonen fern der Arbeitsplätze.
Die Studie hat mehrere Auslegungsvarianten verglichen, um diese Erwärmung zu begrenzen. In den Fällen, in denen eine Isolierung unter der Plattform angebracht ist, steigen die Temperaturen darunter aufgrund einer geringeren Wärmeabfuhr. Umgekehrt schützt das Hinzufügen von Strahlungsschutz aus Aluminium mit isolierender Verstärkung, zwischen Guss und Trägern platziert, die Struktur wirksam.
Die Konfigurationen mit horizontalem oder U-förmigem Strahlungsschutz zeigen eine deutliche Temperaturreduzierung, mit Trägern, die unter 160 °C, ja sogar 100 °C in den geschützten Zonen gebracht werden.
Darüber hinaus beeinflusst die Form des Strahlungsschutzes direkt die Ausrichtung der thermischen Ströme: Die Ausführungen in umgekehrter U-Form lenken die heißen Luftmassen zu Dissipationszonen fern der Arbeitsplätze. Die Lösungen mit thermischer Isolierung auf der Oberseite des Strahlungsschutzes verringern die Sekundärstrahlung zu den Strukturen und schützen wirksam die oberen Elemente wie den Gitterrost oder die Förderarme.
Auf der Ebene der Halle haben die Simulationen eine bedeutende thermische Schichtung aufgezeigt, mit Temperaturen, die zwischen dem Boden und dem Dach von 38 °C bis 52 °C variieren. Die am stärksten betroffenen Zonen liegen südlich des Ofens, in anfangs schlecht belüfteten Bereichen, in denen Wärmestagnation festgestellt wurde. In diesen Zonen kann der thermische Delta +12 °C gegenüber dem Außenbereich erreichen, was den Komfort und die Arbeitsbedingungen beeinträchtigt.
Das Hinzufügen einer Öffnung in der Südostfassade, von EOLIOS empfohlen, hat es ermöglicht, in den Simulationen einen Frischluftstrom einzuführen. Diese Änderung senkt die Temperaturen in der kritischen Zone auf etwa 43 °C und verbessert die Luftzirkulation deutlich. Zudem haben thermische Vorhänge, rund um die Gusszonen positioniert, ihre Wirksamkeit beim Schutz der Bediener vor direkter Strahlung bewiesen.
Die finale Konfiguration, die alle von EOLIOS empfohlenen Vorrichtungen integriert (U-förmiger Strahlungsschutz mit Isolierung, thermische Vorhänge, lokalisierte Ventilatoren, Fassadenöffnung), ermöglicht es, die Trägertemperaturen auf Werte zu bringen, die mit ihrer gewöhnlichen Nutzung vereinbar sind, und zugleich akzeptable Atmosphären auf Personalebene zu gewährleisten.
Die Ergebnisse zeigen Trägertemperaturen unter 100 °C in der Mehrzahl der Fälle, mit einigen Spitzen bei 115 bis 150 °C in den Zonen, die den Gießschnauzen am nächsten liegen. Die Umgebungsluft in den Arbeitszonen liegt weitgehend nahe der Außentemperatur (38 bis 40 °C), und die thermischen Fahnen werden gut zum Dach geleitet, fern der belegten Arbeitsplätze.
Diese ausgewogene Lösung ermöglicht es, die thermischen Belastungen der Strukturen erheblich zu verringern und zugleich ein gutes Niveau an thermischem Komfort in der unmittelbaren Umgebung des Prozesses aufrechtzuerhalten.
Zum Merken. Bei einem Prozess mit sehr hoher Temperatur hat der passive Schutz Vorrang: die Strahlung an der Quelle abzufangen (Strahlungsschutz) kostet weniger und schützt besser als die gesamte Halle zu überlüften. Die CFD dient dazu, diese Schirme an der richtigen Stelle zu platzieren und zu prüfen, dass sie die Wärme nicht anderswo einschließen.
Dank ihrer Expertise in thermo-aeraulischer Ingenieurskunst und dem Einsatz fortgeschrittener Werkzeuge der numerischen Simulation (CFD) hat EOLIOS es dem Betreiber des Siliziumproduktionsstandorts ermöglicht, die mit der Installation eines neuen leistungsstarken Elektroofens verbundenen thermischen Effekte präzise zu antizipieren.
Die durchgeführte Studie hat die gegenüber Erwärmung empfindlichen Zonen und die komplexe Dynamik der Luftströme innerhalb der Halle beleuchtet und zugleich konkrete Verbesserungshebel identifiziert, um die strukturelle Sicherheit, den Komfort der Bediener und die Haltbarkeit der Anlagen zu stärken.
Durch den Vorschlag einer Gesamtlösung, die optimierten Strahlungsschutz, angepasste natürliche und mechanische Belüftung sowie verbesserte Fassadenöffnungen integriert, hat EOLIOS dazu beigetragen, den Erfolg des Projekts im Rahmen einer beherrschten Energiewende zu gewährleisten. Dieser Einsatz veranschaulicht die Fähigkeit von EOLIOS, Industrieunternehmen bei ihren anspruchsvollsten Projekten zu begleiten, indem sie Feldanalyse, hochkarätige numerische Modellierung und angewandte Ingenieurskunst kombiniert.
Projekt: Studie der natürlichen Belüftung eines Stahlwerks Know-how: die thermo-aeraulischen Phänomene in der Industrie Projekt: Dimensionierung eines IndustrieschornsteinsStrahlung des Gusses, Erwärmung der Strukturen und thermischer Komfort in einer Produktionshalle mit hoher Temperatur.
Das schmelzflüssige Glas bei 1200 °C gibt eine intensive Strahlung ab, die die darüberliegenden Träger aus der Ferne erwärmt, bis zu 320 bis 480 °C ohne Schutz simuliert, jenseits ihrer Auslegungsgrenzen. Das Risiko ist Verformung und Verlust der mechanischen Festigkeit. Eine verwandte Herausforderung wurde in unserem Projekt natürliche Belüftung eines Stahlwerks behandelt.
Zwischen Guss und Trägern platziert, reflektiert der Strahlungsschutz aus Aluminium mit isolierender Verstärkung die Strahlung und schützt die Struktur. Die U-förmigen Konfigurationen bringen die Träger unter 160 °C, ja sogar 100 °C in den geschützten Zonen, indem sie die warme Luft zu Dissipationszonen leiten.
Die Halle zeigt eine Schichtung von 38 bis 52 °C zwischen Boden und Dach. Das Hinzufügen einer Öffnung in der Südost-Fassade führt Frischluft ein und bringt die kritische Zone auf etwa 43 °C; thermische Vorhänge rund um den Guss schützen die Bediener vor der direkten Strahlung.
Erfassungen mit der Wärmebildkamera lokalisieren die heißen Zonen (Träger, Guss, Gruben) und Rauchtests visualisieren die Luftströme. Verbunden mit geometrischen Erfassungen per Lasermessgerät kalibrieren sie das CFD-Modell auf die realen Bedingungen des Standorts.
Der Prozess läuft kontinuierlich unter nahezu konstanten Bedingungen; das thermische und aeraulische Gleichgewicht genügt, um die Schutzvorrichtungen zu dimensionieren. Das stationäre Regime, mit einem k-ε-Modell und einer Konvergenz der Residuen bei 10⁻⁴, liefert eine stabilisierte Ablesung der Temperaturen und Geschwindigkeiten.
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Die von EOLIOS durchgeführte thermo-aeraulische Studie ermöglichte es, die Auswirkungen des neuen Elektroofens auf die Umgebung des Standorts zu charakterisieren, sowohl auf die Strukturen als auch auf den Komfort der Bediener. Dank einer detaillierten CFD-Modellierung und eines gründlichen Feldaudits wurden die Zonen von Erwärmung, Luftstagnation und übermäßiger Strahlung identifiziert. Die vorgeschlagenen Lösungen — Strahlungsschutz, Verbesserung der Belüftung und thermische Schutzvorrichtungen — gewährleisten die Sicherheit der Strukturen, die Beherrschung der Arbeitsumgebungen und die Dauerhaftigkeit der Anlagen.
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