Studio termo-aeraulico CFD della sostituzione di un forno di fusione di silice con un forno elettrico: mappatura dell'irraggiamento sulle strutture, protezione delle travi e comfort termico degli operatori.
La competenza di EOLIOS in simulazione CFD e in analisi termica delle strutture ha avuto un ruolo determinante nello studio di un forno industriale che genera un irraggiamento intenso sulle travi metalliche, con conseguenti rischi di deformazione. Il nostro saper fare ha permesso di mappare le temperature strutturali e di prevedere le zone di surriscaldamento, valutando al contempo il comfort termico dei dipendenti, per ottimizzare la sicurezza degli impianti e garantire condizioni di lavoro accettabili.
L'essenziale. Per preparare la sostituzione di un forno a gasolio con un forno elettrico più potente, EOLIOS ha condotto uno studio termo-aeraulico CFD del capannone di produzione di silice. Due sfide: proteggere le travi metalliche dall'irraggiamento della colata (fino a 480 °C simulati senza protezione) e preservare il comfort degli operatori. Schermi anti-irraggiamento a U isolati, tende termiche e un'apertura di facciata riportano le travi sotto i 100 °C e mantengono l'aria delle zone di lavoro vicina alle condizioni esterne.
In un sito industriale dedicato alla fabbricazione di silici tecniche, impiegate in settori diversi come gli pneumatici o la cosmetica, il processo si basa sulla fusione di silicato di sodio ad alta temperatura. Una volta portato a circa 1200 °C, il materiale fuso viene diretto verso stampi per lingotti, dove è raffreddato tramite getto d'acqua prima di essere temporaneamente stoccato in fossa.
Nell'ambito di una transizione energetica, il sito prevede la sostituzione di un forno a gasolio esistente con un forno elettrico di nuova generazione, più performante e meno emissivo. Questa evoluzione tecnologica comporta tuttavia nuove sfide, in particolare legate all'aumento della potenza termica, all'innalzamento delle temperature irraggiate e ai rischi di riscaldamento strutturale in un capannone parzialmente aperto.
È in questo contesto che EOLIOS è intervenuta per realizzare uno studio termo-aeraulico completo. L'obiettivo: valutare in modo preciso l'impatto termico del futuro forno sull'ambiente immediato, basandosi su una modellazione numerica avanzata (CFD) e su un audit in situ delle condizioni esistenti. L'analisi ha riguardato due aspetti: una prima fase dedicata alla configurazione attuale dell'impianto, che funge da riferimento di confronto, e una seconda dedicata alla progettazione, integrando simulazioni dettagliate di irraggiamento e di circolazione d'aria.
Lo studio mirava a rispondere a diverse sfide: garantire la tenuta meccanica delle travi esposte all'irraggiamento, preservare il comfort termico degli operatori e anticipare gli eventuali bisogni di adeguamento in materia di ventilazione naturale o meccanica. In un ambiente ad alta inerzia termica, l'ottimizzazione del comportamento aeraulico e delle protezioni passive diventa una leva strategica di performance e di durabilità.
La sostituzione del forno a gasolio con un forno elettrico di maggiore capacità induce un'intensificazione del processo termico, con temperature di fusione sempre prossime ai 1200 °C e una portata raddoppiata. La sfida principale individuata riguarda l'irraggiamento termico generato dal vetro fuso, in particolare all'uscita dei becchi di colata. Questo irraggiamento colpisce direttamente le strutture portanti dell'edificio, e in particolare le travi metalliche situate sopra gli stampi per lingotti. Ora, questi elementi sono dimensionati per temperature limite che possono essere localmente superate, come hanno mostrato i rilievi termografici effettuati durante l'audit iniziale. Il rischio non è soltanto meccanico: riguarda anche la durabilità dei materiali, la tenuta dei fissaggi e l'affidabilità delle apparecchiature situate nelle vicinanze.
L'irraggiamento termico è il trasferimento di calore tramite onde elettromagnetiche, senza contatto né aria interposta. Un corpo molto caldo come il vetro fuso emette un flusso che riscalda a distanza le superfici esposte, qui le travi sopra la colata. Uno schermo anti-irraggiamento riflettente intercetta questo flusso.
Parallelamente a queste problematiche di irraggiamento, il funzionamento del forno genera una potente circolazione d'aria ascendente, legata al rilascio di calore intenso in un edificio ampiamente aperto sull'esterno. La dinamica dei flussi d'aria è complessa: tiraggio termico naturale, velocità del vento, forme dell'edificio, piattaforme sospese e ostacoli meccanici interagiscono per produrre zone di ricircolo o di ristagno di calorie in settori localizzati, spesso critici per l'esercizio. Le simulazioni hanno così evidenziato vene d'aria calda lungo alcune pareti, riscaldamenti residui nelle zone delle fosse o di ventilazione, e forti differenze tra il nord e il sud del capannone.
Infine, questi fenomeni impattano direttamente le condizioni di lavoro negli spazi occupati. L'assenza di un'apertura a sud, l'aggiunta di teli destinati a limitare le polveri o la configurazione delle fosse possono portare a surriscaldamenti localizzati in alcune zone sensibili dell'edificio: piattaforme di colata, zone di circolazione, mezzanini o locali tecnici. In alcuni casi sono stati individuati scarti di temperatura da +10 a +15 °C rispetto all'esterno. Questa situazione può generare un disagio termico per gli operatori, o addirittura vincoli sugli impianti, tanto più nelle condizioni estive modellate.
Prima di ogni modellazione, è stata realizzata sul sito una missione di audit aeraulico e termico dagli ingegneri di EOLIOS. Questa fase iniziale ha permesso di raccogliere dati precisi sulle condizioni di esercizio reali del capannone di produzione. Sono stati effettuati rilievi con telecamera termografica per individuare le zone soggette ad alte temperature, in particolare attorno alle travi portanti, alla colata e alle fosse. In aggiunta, i test fumogeni hanno permesso di visualizzare i flussi d'aria, confermando la presenza di vene ascendenti d'aria calda e di zone di ristagno. L'insieme di queste informazioni, unito a rilievi geometrici realizzati con metro laser, è servito come base per la costruzione del modello 3D.
Il modello CFD è stato sviluppato a partire dai piani forniti, dalle foto scattate durante l'audit e da un rilievo di sito dettagliato. L'obiettivo era rappresentare fedelmente i volumi, le strutture e le apparecchiature che influenzano i flussi d'aria e gli scambi termici. Il modello integra in particolare le piattaforme, le travi, le fosse di raffreddamento, le aperture sull'esterno, le tende, oltre ai futuri impianti previsti attorno al forno elettrico.
La mesh numerica, di tipo ibrido, raggiunge diverse decine di milioni di celle, con un raffinamento locale nelle zone critiche: attorno alla colata, sotto le piattaforme e a livello dei condotti di mandata. Questo livello di dettaglio assicura una restituzione fedele dei gradienti termici e aeraulici, garantendo al contempo la stabilità numerica del calcolo.
Le condizioni al contorno sono state stabilite a partire dai dati dell'audit e dai valori forniti dalla committenza. Le sorgenti termiche principali integrate nel calcolo sono le seguenti:
Il vetro fuso, modellato da 1200 °C a 300 °C lungo lo stampo per lingotti.
Le pareti del forno, attorno agli 80 °C.
Le fosse, da 250 °C a 50 °C secondo la zona.
Le apparecchiature in movimento, come i trasportatori, attorno ai 70 °C.
Gli scambi convettivi con le pareti, la natura dei materiali (acciaio, silice, lana di roccia) e la temperatura esterna di 38 °C sono stati integrati nel calcolo. La simulazione è stata realizzata in regime stazionario, che consente una lettura stabilizzata delle distribuzioni di temperatura e di velocità dell'aria in tutto l'edificio.
Sono state testate configurazioni multiple per confrontare diverse varianti:
Presenza o meno di isolante sotto le piattaforme.
Integrazione di schermi anti-irraggiamento di forme diverse (trapezoidali, piatti, a U).
Aggiunta o meno di ventilatori localizzati.
Modifica dell'apertura delle facciate per migliorare il lavaggio d'aria.
L'insieme delle simulazioni è stato realizzato con un solver CFD industriale basato sulle equazioni di Navier-Stokes, con un modello di turbolenza k-ε standard, particolarmente adatto agli ambienti di ventilazione interna. Questo modello permette di riprodurre i fenomeni di stratificazione, di ricircolo e di accelerazione delle masse d'aria in geometrie complesse come quella del sito studiato.
Una cura particolare è stata dedicata alla convergenza dei calcoli, con una soglia di precisione di 10⁻⁴ sui residui, che garantisce l'affidabilità dei risultati e la stabilità del modello.
Il modello di turbolenza k-ε risolve l'energia cinetica turbolenta e la sua dissipazione; è uno standard robusto per la ventilazione interna. In regime stazionario, il calcolo cerca lo stato di equilibrio delle temperature e delle velocità, senza seguirne l'evoluzione nel tempo.
Le simulazioni realizzate attorno al nuovo forno elettrico hanno evidenziato un innalzamento marcato delle temperature nelle zone situate in prossimità della colata. Le travi metalliche situate sotto la piattaforma raggiungono, in alcune configurazioni, temperature superiori ai 300 °C, in particolare quando l'aria calda irraggiata non può evacuarsi liberamente.
In assenza di dispositivo di protezione, le travi più esposte subiscono direttamente l'irraggiamento termico della colata, con valori massimi misurati tra 320 °C e 480 °C secondo i casi simulati. Queste temperature superano i limiti di progettazione di alcune strutture, generando rischi potenziali di deformazione, di perdita di resistenza meccanica o di dilatazione eccessiva.
Uno schermo anti-irraggiamento è uno schermo, spesso in alluminio lucido con rinforzo isolante, posto tra la sorgente calda e l'elemento da proteggere. Riflette la maggior parte dell'irraggiamento incidente e, a forma di U rovesciata, guida l'aria calda verso zone di dissipazione lontane dalle postazioni di lavoro.
Lo studio ha confrontato diverse varianti di progettazione per limitare questo riscaldamento. Nei casi in cui un isolante è posto sotto la piattaforma, le temperature sotto di essa aumentano, a causa di una minore evacuazione del calore. Al contrario, l'aggiunta di schermi anti-irraggiamento in alluminio con rinforzo isolante, posti tra la colata e le travi, permette di proteggere efficacemente la struttura.
Le configurazioni con schermo anti-irraggiamento orizzontale o a U mostrano una riduzione di temperatura significativa, con travi riportate sotto i 160 °C, e persino 100 °C nelle zone protette.
Inoltre, la forma dello schermo anti-irraggiamento influisce direttamente sull'orientamento dei flussi termici: le versioni a U rovesciata permettono di guidare le masse d'aria calda verso zone di dissipazione, lontano dalle postazioni di lavoro. Le soluzioni che integrano un isolante termico sulla parte superiore degli schermi riducono l'irraggiamento secondario verso le strutture e proteggono efficacemente gli elementi superiori come il grigliato o i bracci dei trasportatori.
Su scala del capannone, le simulazioni hanno rivelato una stratificazione termica importante, con temperature che variano da 38 °C a 52 °C tra il suolo e la copertura. Le zone più colpite sono situate a sud del forno, in settori inizialmente poco ventilati, dove sono stati constatati ristagni di calorie. In queste zone, il delta termico può raggiungere +12 °C rispetto all'esterno, cosa che impatta il comfort e le condizioni di lavoro.
L'aggiunta di un'apertura sulla facciata sud-est, raccomandata da EOLIOS, ha permesso di introdurre un flusso d'aria nuova nelle simulazioni. Questa modifica riduce le temperature nella zona critica a circa 43 °C e migliora nettamente la circolazione d'aria. Inoltre, delle tende termiche posizionate attorno alle zone di colata hanno dimostrato la loro efficacia nel proteggere gli operatori dall'irraggiamento diretto.
La configurazione finale, che integra l'insieme dei dispositivi raccomandati da EOLIOS (schermi anti-irraggiamento a U con isolante, tende termiche, ventilatori localizzati, apertura di facciata), permette di riportare le temperature delle travi a livelli compatibili con il loro uso corrente, garantendo al contempo ambienti accettabili a livello del personale.
I risultati mostrano temperature delle travi inferiori a 100 °C nella maggior parte dei casi, con alcuni picchi tra 115 e 150 °C nelle zone più vicine ai becchi di colata. L'aria ambiente nelle zone di lavoro è globalmente prossima alla temperatura esterna (38-40 °C), e i pennacchi termici sono ben incanalati in copertura, lontano dalle postazioni occupate.
Questa soluzione equilibrata permette di ridurre significativamente i vincoli termici sulle strutture mantenendo al contempo un buon livello di comfort termico nell'ambiente immediato del processo.
Da ricordare. Su un processo a temperatura molto elevata, la protezione passiva viene prima: intercettare l'irraggiamento alla sorgente (schermi anti-irraggiamento) costa meno e protegge meglio che sovra-ventilare tutto il capannone. La CFD serve a posizionare questi schermi nel punto giusto e a verificare che non intrappolino il calore altrove.
Grazie alla sua competenza in ingegneria termo-aeraulica e all'impiego di strumenti di simulazione numerica avanzata (CFD), EOLIOS ha permesso al gestore del sito di produzione di silice di anticipare con precisione gli effetti termici legati all'installazione di un nuovo forno elettrico di alta potenza.
Lo studio condotto ha messo in luce le zone sensibili al riscaldamento e le dinamiche di flusso d'aria complesse all'interno del capannone, individuando al contempo leve di miglioramento concrete per rafforzare la sicurezza strutturale, il comfort degli operatori e la durabilità degli impianti.
Proponendo una soluzione globale che integra schermi anti-irraggiamento ottimizzati, ventilazione naturale e meccanica adeguata e miglioramento delle aperture di facciata, EOLIOS ha contribuito a garantire il successo del progetto in una logica di transizione energetica controllata. Questo intervento illustra la capacità di EOLIOS di accompagnare gli industriali nei loro progetti più esigenti, combinando analisi sul campo, modellazione numerica di alto livello e ingegneria applicata.
Progetto: studio della ventilazione naturale di un'acciaieria Saper fare: i fenomeni termo-aeraulici nell'industria Progetto: dimensionamento di un camino industrialeIrraggiamento della colata, riscaldamento delle strutture e comfort termico in un capannone di produzione ad alta temperatura.
Il vetro fuso a 1200 °C emette un irraggiamento intenso che riscalda a distanza le travi soprastanti, fino a 320 a 480 °C simulati senza protezione, oltre i loro limiti di progettazione. Il rischio è la deformazione e la perdita di resistenza meccanica. Una sfida simile è stata trattata nel nostro progetto ventilazione naturale di un'acciaieria.
Posti tra la colata e le travi, gli schermi anti-irraggiamento in alluminio con rinforzo isolante riflettono l'irraggiamento e proteggono la struttura. Le configurazioni a U riportano le travi sotto i 160 °C, persino 100 °C nelle zone protette, guidando l'aria calda verso zone di dissipazione.
Il capannone presenta una stratificazione da 38 a 52 °C tra suolo e copertura. L'aggiunta di un'apertura sulla facciata sud-est introduce aria nuova e riporta la zona critica a circa 43 °C; tende termiche attorno alla colata proteggono gli operatori dall'irraggiamento diretto.
I rilievi con telecamera termografica localizzano le zone calde (travi, colata, fosse) e i test fumogeni visualizzano i flussi d'aria. Uniti ai rilievi geometrici con metro laser, calibrano il modello CFD sulle condizioni reali del sito.
Il processo funziona in continuo a condizioni quasi costanti; lo stato di equilibrio termico e aeraulico è sufficiente a dimensionare le protezioni. Il regime stazionario, con un modello k-ε e una convergenza dei residui a 10⁻⁴, fornisce una lettura stabilizzata di temperature e velocità.
Esplora le nostre competenze, progetti e dossier tecnici per andare oltre la FAQ.
Lo studio termo-aeraulico condotto da EOLIOS ha permesso di caratterizzare gli effetti del nuovo forno elettrico sull'ambiente del sito, sia sulle strutture sia sul comfort degli operatori. Grazie a una modellazione CFD dettagliata e a un audit approfondito sul campo, sono state individuate le zone di riscaldamento, di ristagno d'aria e di irraggiamento eccessivo. Le soluzioni proposte — schermi anti-irraggiamento, miglioramento della ventilazione e protezioni termiche — garantiscono la sicurezza delle strutture, il controllo degli ambienti di lavoro e la durata degli impianti.
Competenze CFD, progetti realizzati e dossier tecnici: tutto il settore Processo industriale in un unico punto di accesso.
Il modo più semplice è parlarne insieme. I nostri ingegneri ti rispondono con una prima lettura tecnica.
