Estudo CFD para o controlo climático em condições extremas de uma fábrica de produção de turbinas eólicas: conforto, qualidade do ar e domínio da higrometria.
Os engenheiros da EOLIOS realizaram os estudos CFD de uma fábrica de produção de turbinas eólicas (oficina de fabrico de pás), na Dinamarca, para assegurar o controlo climático em condições extremas.
O sistema de difusão de ar condiciona o êxito da instalação: influencia a perceção do conforto (calor/frio) e a qualidade do ar interior (evacuação dos poluentes). É também uma das primeiras fontes de consumo de energia. A difusão de ar e o conforto térmico são enquadrados pela norma ISO 7730.
O objetivo: simular por cálculo numérico o comportamento termo-aeráulico dos fenómenos do futuro centro de conceção de turbinas eólicas, limitando as velocidades de ar nas zonas de ocupação a valores inferiores a 0,2 m/s.
O essencial. Estudo CFD do controlo climático de uma fábrica de fabrico de pás de turbinas eólicas na Dinamarca, em condições extremas. A EOLIOS simula o comportamento termo-aeráulico da oficina para assegurar o conforto de difusão no sentido da ISO 7730 (velocidades de ar inferiores a 0,2 m/s a menos de 4 m) e desenvolve uma metodologia dedicada à evaporação e à manutenção da humidade relativa exigida pelo processo.
Uma pá de turbina eólica é uma peça compósita de muito grande comprimento, moldada por infusão de resina sobre reforços em fibra de vidro ou de carbono. A qualidade da estratificação e a polimerização da resina dependem estreitamente da temperatura e da higrometria da oficina: um desvio de alguns graus ou de alguns pontos de humidade altera a viscosidade da resina, o tempo de gel e, no final, as propriedades mecânicas da pá.
A estas exigências de processo acrescentam-se restrições de saúde (emissões de compostos orgânicos voláteis durante a infusão, poeiras de lixagem), de segurança e sobretudo de dimensão: uma nave de pás ultrapassa correntemente várias dezenas de metros de comprimento e de altura. Este volume torna o ambiente muito sensível à estratificação térmica e às correntes de ar, que só ferramentas como a CFD permitem antecipar com finura.
Processo de moldagem sob vácuo em que a resina líquida impregna um empilhamento seco de fibras. O êxito depende de uma viscosidade e de um tempo de gel dominados, logo de uma temperatura e de uma higrometria estáveis na oficina.
Reação química que endurece a resina e fixa as propriedades mecânicas da peça. A sua cinética depende da temperatura: um ambiente não controlado degrada a homogeneidade e a repetibilidade da produção.
A reter. A janela de aplicação de uma resina é estreita. Manter a temperatura e a humidade em toda a nave, apesar da sua altura, condiciona diretamente a qualidade das pás produzidas.
Para responder às exigências ligadas à qualidade do ar, ao conforto térmico, à eficiência energética e ao domínio da higrometria, é preciso compreender os mecanismos que moldam a estrutura do escoamento e dominar os fenómenos físicos na origem das transferências de calor e de humidade.
A CFD traz uma solução numérica das equações que regem a física do escoamento, estudando o comportamento dos fluidos bem como a transferência de calor e de humidade. O conforto de difusão na zona de ocupação caracteriza-se por: a ausência de forte estratificação de temperatura, uma boa qualidade do ar interior, e a ausência de correntes de ar (objetivo < 0,2 m/s a menos de 4 m). A subida do ar quente nestes grandes volumes decorre do efeito de tiragem térmica.
Norma internacional que enquadra o conforto térmico dos ambientes moderados. Relaciona temperatura, humidade, velocidade de ar e atividade com os índices de conforto (PMV/PPD) e fixa os limiares, entre eles o limite de corrente de ar na zona de ocupação.
Os sistemas de difusão de ar (ventiladores de mistura, insuflação) são «submodelados» em CFD a fim de serem integrados fielmente na oficina, e depois a simulação reproduz as condições climáticas na oficina de produção.
Representação simplificada de um equipamento (ventilador de mistura, boca de insuflação) pelos seus efeitos aeráulicos em vez da sua geometria detalhada. Integra fielmente a difusão no modelo global sem sobrecarregar o cálculo.
Modelar uma oficina desta dimensão pressupõe um método rigoroso: cada hipótese (caudais, temperaturas de insuflação, ganhos internos) é registada e validada antes de explorar os resultados. A simulação não substitui o levantamento no terreno, prolonga-o explorando cenários impossíveis de testar à escala real.
Divisão do volume de ar em células de cálculo. Uma malha fina restitui melhor os gradientes perto dos difusores e das paredes, ao custo de um tempo de cálculo mais elevado; toda a arte consiste em refiná-la onde é útil.
Valores impostos nas fronteiras do modelo (caudais, temperaturas, pressões, fluxos de calor). Traduzem o funcionamento real dos sistemas e condicionam diretamente a fidelidade dos resultados.
Manter um nível de humidade relativa específica é indispensável ao processo de fabrico das turbinas eólicas. A EOLIOS desenvolveu uma metodologia dedicada, retomando o cálculo térmico (ganhos / perdas) com os valores simulados do projeto.
Hipóteses: nenhuma outra fonte de humidade além dos sistemas; gradiente de humidade específica nulo (superfícies impermeáveis); paredes opacas à migração de vapor; interface vapor-líquido em equilíbrio termodinâmico (mudança de fase à saturação, 100 % HR). A humidade relativa é calculada a partir da temperatura, da pressão e da humidade específica.
Relação entre o vapor de água contido no ar e a quantidade máxima que ele pode conter a uma dada temperatura. Demasiado baixa, prejudica o processo; demasiado alta, favorece a condensação. A sua manutenção é um objetivo-chave do estudo.
As simulações CFD ajudaram a otimizar a conceção da oficina de produção de pás ao prever as condições climáticas para diferentes cenários de engenharia. Permitiram melhorar a eficiência global dos processos e reduzir os custos, ao visualizar a dinâmica dos fluidos na oficina e ao simular ventilação, arrefecimento e evacuação dos poluentes.
A reter. Num grande volume industrial, manter um conforto de difusão (< 0,2 m/s) dominando ao mesmo tempo a humidade relativa do processo impõe arbítrios. A CFD testa os cenários de difusão antes das obras para conciliar conforto, qualidade do ar e energia.
Aquecer, humidificar e misturar um volume muito grande tem um custo. O desafio não é apenas manter as referências, mas mantê-las com o caudal e a energia estritamente necessários. A CFD, acoplada ao cálculo térmico, permite comparar as alavancas e evitar tanto a sobreventilação como o subdimensionamento.
Ação de quebrar a estratificação térmica de um grande volume para fazer descer o ar quente acumulado sob a cobertura. Homogeneíza a temperatura e reduz as necessidades de aquecimento na zona de ocupação.
Arrefecimento pelo ar exterior quando este é mais fresco do que o ambiente, sem recorrer à produção de frio. Sob um clima nórdico, cobre uma larga parte do ano e reduz fortemente a fatura energética.
A reter. Numa nave de pás, conforto de difusão, domínio da humidade e sobriedade energética decidem-se em conjunto. Objetivar os fluxos pela simulação permite arbitrar sem sobredimensionar.
Conforto de difusão, humidade e eficiência energética: as respostas às perguntas que industriais e donos de obra fazem antes de um estudo CFD.
Numa nave desta dimensão, o ar estratifica-se e as correntes de ar são difíceis de antecipar. A CFD simula velocidades, temperaturas e humidade em qualquer ponto para assegurar o conforto e a qualidade do ar, como no nosso projeto de armazém de material médico.
Enquadra o conforto térmico dos ambientes moderados relacionando temperatura, humidade, velocidade de ar e atividade com os índices PMV/PPD. Fixa nomeadamente o limite de corrente de ar na zona de ocupação, aqui visado em menos de 0,2 m/s a menos de 4 metros.
A EOLIOS desenvolveu uma metodologia dedicada que acopla o cálculo térmico (ganhos e perdas) aos valores simulados, com uma mudança de fase à saturação. A humidade relativa é deduzida da temperatura, da pressão e da humidade específica, para manter o nível exigido pelo processo.
É uma representação simplificada dos ventiladores de mistura e das bocas de insuflação pelos seus efeitos aeráulicos em vez da sua geometria detalhada. Integra fielmente a difusão no modelo global mantendo um cálculo dominado.
Cartografias de velocidades, de temperaturas e de humidade para diferentes cenários de engenharia, permitindo otimizar a conceção da nave, melhorar a eficiência dos processos e reduzir os custos antes da construção.
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Estudo CFD para o controlo climático em condições extremas de uma fábrica de produção de pás de turbinas eólicas: modelação dos sistemas de difusão, metodologia de evaporação e de humidade relativa, e previsão das condições climáticas para diferentes cenários, ao serviço do conforto (ISO 7730), da qualidade do ar e da eficiência energética.
PiscinaCentro Aquático — Hauts-de-Seine
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MuseuGaleria de Paleontologia — MNHN
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