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Atelier Industriel – Mexique

En quelques mots :

Nos ingénieurs EOLIOS expert en modélisation et en mécanique des fluides ont eu pour objectif l’étude d’optimisation du confort des opérateurs tout au long d’une chaîne de production en prenant en compte les contraintes environnante (température et vitesse d’air ambiant, évacuation des fumées) et en particulier au niveau des arches.

L’enjeu d’un tel projet étant la maîtrise des phénomènes thermoaérauliques particuliers induits par les différentes étapes de fabrication à très haute température dans la zone.

Dans ce cadre nos ingénieurs EOLIOS ont étudié par étude thermo-aéraulique CFD les différents principes aérauliques et thermiques régissant l’aéraulique le déplacement d’air dans l’usine selon la configuration des systèmes retenus.

Projet

Atelier Industriel

Année

2023

Client

NC

Localisation

Mexico

Typologie

Industrie

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Dernière actualité :

Dimensionner la ventilation naturelle d'un atelier industriel

Nos ingénieurs EOLIOS ont rencontré de nombreuses contraintes dues aux caractéristiques du site et de la construction :

  • les températures radiantes des parois influençant fortement le confort thermique
  • le tirage thermique issu des procédés de fabrication
  • la pression du vent et la résistance interne à l’écoulement d’air vertical 
  • l’emplacement et les caractéristiques de résistance à l’écoulement des ouvertures de l’enveloppe 
  • le terrain local et la protection immédiate de la structure du bâtiment au vent 
  • la présence de systèmes mécaniques brassant de l’air autour des éléments de production rendant la conception traditionnelle complexe

Le bâtiment n’étant pas climatisé, l’apport d’air frais par tirage naturel vers les aérateurs statiques en toiture, ou par ventilation forcée est la seule source de rafraîchissement. L’amélioration du confort thermique nécessite donc un dimensionnement précis des ouvrants de ventilation naturelle.

Nos ingénieurs ont répondu à diverses problématiques tels que :

  • Évacuer les fumées et gaz produits par les arches (notamment par les brûleurs internes)
  • Dimensionner la ventilation naturelle ou mécanique en relation avec la nouvelle extension du bâtiment palettiseur.
  • Proposer des solutions d’optimisation du confort thermique et d’optimisation de la qualité de l’air.
  • Limiter l’infiltration des poussières et des moustiques.

Problématique de pollution de l'air spécifique à l'atelier

L’atelier de production dispose de contrainte spécifique liée aux process de ventilation naturelle.

L’usage de la ventilation est divers :

  • Lutte contre les surchauffes afin de maintenir des conditions de travail acceptable et assurer un bon fonctionnement sans risque humain et matériel
  • Alimentation en air des différents ventilateurs et systèmes de soufflage des machines

Dans ce cadre, 3 sources de pollutions de l’air extérieur entraînent des difficultés pour la gestion de la ventilation :

  • Zone comportant des mouches, moustiques, et autres insectes d’un diamètre proche du mm.
Photo d'insectes morts dans un piège à insecte à UV
Illustration des moucherons identifiés dans les pièges à ultraviolet
  • Des résidus de combustion de cannes à sucre (cendres) de l’ordre du mm dont l’origine est l’exploitation de champs dans la région. Il s’agit des résidus les plus fréquemment identifiés dans les systèmes de pare-sables équipés de doubles moustiquaires.
Photo de l'encrassement d'un pare-sable avec moustiquaires
Illustration des moucherons identifiés dans les pièges à ultraviolet
  • Une poussière fine provenant des terrains environnants. Le climat sec conjugué à un terrain dont les sédiments sont très fins entraîne l’envol naturel de poussières en présence de vent. Ce phénomène est accentué par la présence d’activité sur ces terrains secs (passage de camions, piétinement…) et des carrières dans la région. Les fines poussières du site une fois envolées ne retombent pas est peuvent se transporter sur plusieurs centaines de mètres.

Audit fumigènes

L’objectif est de réaliser un bilan des systèmes mis en place, de mesurer les conditions de températures intérieures et de caractériser les principales condition thermo aéraulique de l’espace afin d’établir un bilan des installations en place. En industrie, nous pouvons réaliser des audits fumigènes de manière à calibrer les simulations numériques vis-à-vis des phénomènes réels.

 

Vidéos de l'audit fumigènes

Entre autres, l’audit consiste en la prise de mesures de températures d’air et vitesse d’air, l’analyse de déplacements des fumigènes, la réalisation d’un support vidéo et d’un compte rendu d’audit permettant un retour d’expérience pour l’ensemble des acteurs. Des préconisations complémentaires (usages des ventelles, des portes d’accès caves, autres…) seront réalisées en fonction des différentes observations sur site.

Cette page détails dans les grandes lignes le déroulement de l’audit en vue d’expliquer notre protocole de mission.

Mouvement d'air avec les autres locaux en contact avec l'atelier de production

L’atelier de production est une zone dont le climat est géré par ventilation naturelle. À ce titre, elle n’est pas équipée de système mécanique et le brassage d’air est censé être assuré par un transfert naturel entre les entrées d’air en partie basses et un extracteur naturel en toiture.

Les équipes du site ont alerté nos experts de la présence de poussière et de résidus de long de l’aérateur statique au sol dans la zone process propre.

Notre analyse a permis de mettre en lumière, le fait qu’un transfert d’air important s’exécute en direction de la zone décor puis vers la zone packaging. En effet, ces zones sont équipées d’aérateurs mécaniques de toiture contribuant à la dépression par rapport à la zone en ventilation naturelle.

Photo d'un aérateur statique de toiture vu de l'intérieur du bâtiment
Aérateur statique de toiture fonctionnant en entrée d'air

La ventilation naturelle industrielle

La ventilation naturelle (pour de faibles différences de température) s’exécute via des moteurs thermo aérauliques de très faible delta de pressions. La présence de pare-sables, qui augmente la perte de charge des entrées d’air, laisse l’aérateur statique comme zone de transfert privilégiée (simple orifice extérieur).

Dans ce cadre, les entrées d’air via la toiture sont favorisées dès le passage d’un Fenwick en direction du local annexe. L’ouverture des portes de Fenwick entraîne une aspiration de l’air via l’aérateur de toiture : vitesse d’air en embrasure de porte >1,7 m/s (soit environ 100 000 m3/h de transfert).

Dans ce contexte (bâtiment relié en ventilation naturelle à des bâtiments sous extractions mécaniques en ajoutant des pertes de charge importantes aux entrées naturelles). Nos ingénieurs ont conclu qu’il ne sera pas possible de faire fonctionner de manière satisfaisante en extraction naturelle cet aérateur statique.

L’augmentation des entrées d’air permettrait de limiter légèrement ce phénomène, mais la perte de charge pare sable semble trop importante pour s’opposer à la mise ne dépression mécanique du bâtiment via transfert aéraulique.

Conclusion de l'audit de site

L’atelier de production souffre de problématiques liées à son exposition au soleil et à la présence de systèmes dégagement de très grandes quantités de calories. Les vitesses d’air y sont légèrement plus élevées que pour le bâtiment adjacent compte tenu de ratio d’ouverture par rapport à la taille du bâtiment.

Les systèmes participent également à surchauffer l’espace par un dégagement de panache d’air surchauffé en entrée et sortie qui s’y dissipe dans l’ambiance. Elles sont le principal moteur des déplacements d’air de la zone.

Optimisation du confort thermo aéraulique

Modélisation CFD des process industriels

Nous reprenons les caractéristiques thermique des parois et du process. Les valeurs intégrées au calcul CFD étant les valeurs simulées du projet.

Dans un modèle numérique, les éléments sont tels qu’on les décrit, et uniquement comme on les décrit. En matière d’enveloppe, cela conduit souvent à une perfection surréaliste : les matériaux sont parfaitement homogènes et parfaitement mis en œuvre. Les seuls ponts thermiques sont ceux qui sont décrits, et il est au mieux très compliqué, sinon impossible d’anticiper tous les ponts thermiques (les ponts thermiques structurels et ceux liés au système d’attache sont généralement pris en compte ; les ponts thermiques dus à des percements ou passages de réseaux ne le sont généralement pas.)

Le principal enjeu de cet onglet sera donc de distinguer la valeur cible, résultante des performances des matériaux, et la valeur simulée, prenant en compte les inévitables imperfections de mise en œuvre.

Modélisation CFD des systèmes de ventilation naturelle

Les pare-sables équipent la majeure partie des ouvrants aéraulique de transfert d’air depuis l’extérieur.

Les pares sable sont équipés de moustiquaires sur leurs faces intérieures.

Dans l’étude CFD les pare sable ont modélisé de manière à obtenir un débit d’air équivalent sans contraindre le modèle numérique.

Modèle 3D CFD

Cet extrait de chapitre a pour objectif de présenter les grandes lignes du modèle 3D réalisé pour l’étude CFD de base. Les spécificités des modèles CFD liées à la robustesse de leur solveur en relation avec la qualité du modèle 3D font que le modèle géométrie a entièrement été remodélisé. Des simplifications, liées aux courbes, arrêtes, points et petits éléments ont été réalisés.

Identification des panaches thermiques au dessus d'un four industriel
Aérateur statique de toiture fonctionnant en entrée d'air

Le modèle CAO externe réalisé reprend la géométrie du site sans son environnement. Il a été réalisé à partir des plans coupes et le modèle revit du projet.

Le modèle est réalisé afin de prendre en compte les transferts d’air et de chaleur dans le hall.

Nos ingénieurs EOLIOS ont porté une attention particulière à la modélisation des systèmes industriel afin de s’assurer d’un maximum de précision. En effet les fours étant l’une des principales sources dégagement calorifique, ce sont elles qui ont le plus gros impact sur les phénomènes thermo-aéraulique environnants.

La prise en compte des masques aéraulique est importante afin de pouvoir décrire les différents mouvements d’air de la zone.

Comment qualifier le confort thermique dans les espaces chauds ?

Le confort thermique est la satisfaction d’un individu vis-à-vis des conditions thermiques de son environnement. On parle de confort thermique lorsque la personne ne souhaite avoir ni plus chaud ni plus froid.

Il est subjectif et dépend donc des perceptions individuelles. Il est influencé par l’activité physique, l’habillement et les niveaux et fluctuations des caractéristiques de l’ambiance thermique (température de l’air, de rayonnement, de contacts, humidité et vitesse de l’air).

Le confort thermique - schéma des échanges du corps humain
Aérateur statique de toiture fonctionnant en entrée d'air
Diagramme du confort thermique selon Givoni
Diagramme du confort thermique pour les ambiances chaudes selon Givoni

En orange sont représentées les zones confort thermiques adaptées en fonction des vitesses d’air

Étude de la distribution des vitesses d'air

La première figure ci-après présente les effets de brassage du volume.

Les mouvements aérauliques généraux de la salle peuvent être décrits en deux étapes induites par les zones d’amenée d’air constituées des pare sable puis par les zones de reprises.

De manière simplifiée, les différences de pression sont les forces motrices des courants d’air. En d’autres termes, l’air s’écoule d’un espace de forte pression vers un espace de faible pression, lorsque ces forces sont supérieures aux pertes de charge (frottement).

En génie climatique, la circulation de l’air est induite par deux forces motrices :

  • Le tirage thermique a lieu lorsqu’une différence de température engendre une différence de densité entre deux masses d’air. Cet effet est accentué par une plus grande hauteur dans le volume. « L’air chaud a tendance à monter ».
  • La répartition des pressions et dépressions induites par les systèmes CVC dans le volume.
Visualisation en tube de courant des effets thermo aéraulique au dessus d'un four industriel
Diagramme du confort thermique pour les ambiances chaudes selon Givoni

Ici, les systèmes de reprise n’influencent que très peu les vitesses d’air à l’intérieur du bâtiment, les mouvements d’air sont régis par l’élévation en température des zones fours.

Étude de la distribution des vitesses d'air

Les vitesses d’air ne sont pas cohérentes avec les objectifs de confort pour ce type d’activité en été. Les vitesses d’air de déplacement sont inférieures aux valeurs cibles pour le confort thermique des ambiances chaudes.

Les vitesses d’air les plus élevé se trouvent dans la continuité des parts sable. En effet, ces zones sont les principales entrées d’air du hall.

En revanche, la simulation met en évidence la présence d’une zone a faible vitesse entre les arches pouvant donner lieu à une hausse de température.

Etude des vitesses d'air pour le rafraichissement naturel dans un bâtiment industriel - optimisation du confort thermique
Plan des vitesses d’air au sol
Etude des vitesses d'air dans un bâtiment industriel en relation avec le tirage thermique
Plan des vitesses d’air au sol

Étude de la distribution des températures d'air

En l’absence de mouvement, ou lorsque les mouvements sont lents et réguliers, l’air forme des couches ayant des températures homogènes qui se superposent, l’air le plus chaud étant au contact du plafond.

Ces coupes mettent en avant ce phénomène de stratification explicité plutôt.

La température d’air dans le bâtiment est globalement surchauffée, cela, même en partie basse où la température est nettement supérieure à 35°C

Etude de la stratification thermique dans un bâtiment industriel - simulation CFD - coupe des températures d'air
Diagramme du confort thermique pour les ambiances chaudes selon Givoni
Etude de la stratification thermique dans un bâtiment industriel - simulation CFD
Diagramme du confort thermique pour les ambiances chaudes selon Givoni

Etude des panaches thermiques surchauffés

La vision des panaches thermique en iso surface permet d’identifier les différentes sources de fortes chaleurs et leur impact dans le modèle.

Etude des panaches thermiques rejeté dans un bâtiment industriel en sortie de four
Etude des panaches thermiques au niveau du four

Le faible brassage d’air au niveau des fours conjuguées à leurs hautes températures a pour conséquences l’apparition de zones à haute température. La simulation met en évidence que l’air entre les fours monte en température et a tendance à se diriger sous plafond. Cependant, une fois sous faux plafond l’air chaud peine à être évacué vers l’extérieur.

De plus, les résultats de l’étude mettent en évidence que les hottes en entrée de fours ne permettent pas l’aspiration de la totalité de l’air chargé en calorie. Ce phénomène est principalement dû à un sous dimensionnement du débit d’aspiration.

Identification des effets thermiques d'un four industriel - illustration des panaches thermiques
Etude des panaches thermiques au niveau du four

L’air en sortie de four, n’étant pas aspiré par une hotte, a tendance à se diriger vers le plafond. Ce phénomène contribue à la montée en température du local.

Autre phénomènes non pris en compte, mais pouvant impacter l’aéraulique du local est l’inertie thermique des produits qui peuvent émettre des calories en sortie de four dans la zone.

Identification des effets thermiques d'un four industriel - illustration des panaches thermiques
Etude des panaches thermiques au niveau du four

La cheminée d’évacuation arrière du four fonctionnant en ventilation naturelle n’apparait pas suffisamment efficace pour récupérer l’intégralité des calories. En effet, comme mis en évidence ci-dessus, l’air en sortie de four, chargé en calorie, a tendance à se diriger vers le plafond contribuant ainsi à l’élévation des températures.

Cependant, on note tout de même un fonctionnement en extraction (pas de reflux interne qui aurait pu être causé par la mise en dépression du local).

La simulation CFD pour l'industrie

La simulation numérique offre de nouvelles perspectives pour les industriels. Cela permet de prévoir une multitude de scénarios et par conséquent de maitriser tous les imprévus liés à une mauvaise conception. Dans le cas des usines de production, la modélisation multiphysique permet de prendre en compte la totalité des phénomènes à l’origine des flux thermo-aérauliques qui surviennent le long de la chaîne en allant des surchauffes au confort des collaborateurs.

Grâce à ses serveurs de calculs, les modèles d’EOLIOS peuvent être simulés dans leur intégralité avec une grande précision en un laps de temps restreint. Par ailleurs, l’expérience d’EOLIOS en aéraulique général permet à notre équipe de proposer des solutions innovantes et pertinentes dans le cas de problème de surchauffe. Néanmoins, implémenter des simulations CFD dans votre processus de conception c’est faire appel à des experts en mécanique des fluides, thermique et simulations numériques pour s’assurer qu’aucun problème n’interviennent dans le futur.

Nos ingénieurs EOLIOS profitent d’une forte expérience dans l’audit en apportant directement leur expertise afin d’optimiser la résolution des différentes problématiques. Leurs équipements de pointes permettent une prise de mesure directe et distinct garantissant une évaluation du site, équipement, matériel et au besoin une expertise thermique comprenant les systèmes, déperdition et la maitrise climatique par les systèmes.

Synthèse vidéo de l'étude

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