Estudo termoaeráulico na Höganäs Belgium: baixar as temperaturas e melhorar a dissipação do calor, em particular na nave de fusão.
A EOLIOS realizou uma auditoria termoaeráulica do local da Höganäs Belgium. A EOLIOS conduziu uma auditoria termoaeráulica no local da Höganäs Belgium, uma empresa especializada na metalurgia dos pós altamente ligados. O objetivo principal deste estudo era baixar as temperaturas e melhorar a dissipação do calor, com uma atenção particular à nave de fusão, onde se situam os dois fornos.
Esta iniciativa visava aumentar o conforto dos operadores ao longo de todo o processo de produção. O desafio central do projeto era dominar os fenómenos termoaeráulicos específicos ligados às diferentes etapas de fabrico a temperaturas extremamente elevadas.
O essencial. A EOLIOS auditou o conforto térmico da aciaria Höganäs Belgium (Ath), especializada em metalurgia dos pós. Levantamento das entradas de ar, ensaios de fumo e câmara térmica alimentaram um modelo CFD da nave de fusão (fornos 3T e 5T). Dois cenários comparados mostram que novos extratores na cobertura, com os ventiladores parados, evacuam muito melhor o calor e baixam a temperatura de trabalho.
Esta auditoria estuda a ventilação e as aberturas para identificar as primeiras melhorias possíveis.
A auditoria termoaeráulica combina levantamento das aberturas, ensaios de fumo e termografia para cartografar, no local, os fluxos de ar e as fontes de calor antes de qualquer modelação. Fornece os dados de uma auditoria ao fumo que alimentam depois a simulação.
Duas grandes portas em cada extremidade do edifício permanecem geralmente abertas no rés do chão, deixando entrar o ar. Outra porta, que dá para a nave de armazenamento, está frequentemente aberta, permitindo que o ar saia da zona de estudo. Todas as portas da fábrica funcionam como entradas de ar, provocando uma importante infiltração de ar fresco quando estão abertas, o que pode causar desconforto no inverno.
Existem também entradas de ar no piso superior do edifício e, para melhorar o conforto dos técnicos que trabalham junto dos fornos, foram instalados vários ventiladores no primeiro piso.
Os fornos geram uma importante quantidade de calor que sobe em direção à cobertura. Para baixar a temperatura no piso do edifício, foram colocados ventiladores na cobertura, facilitando a evacuação do calor para o exterior. A cobertura está equipada com diversos dispositivos de extração natural de ar.
Um ensaio de fumo num edifício industrial é um método utilizado para avaliar o conforto térmico e a qualidade do ar no interior do edifício.
Para avaliar o conforto térmico, o fumo é utilizado para visualizar o movimento do ar e as correntes de ar no interior do edifício. Isso permite detetar as zonas onde existem correntes de ar excessivas ou problemas de circulação do ar, o que pode originar zonas de temperatura desconfortáveis.
No que diz respeito à qualidade do ar, o ensaio de fumo permite demonstrar os percursos do ar no interior do edifício. Permite evidenciar as infiltrações de ar indesejadas, as fugas na envolvente do edifício, os defeitos de estanquidade e os problemas de ventilação. Ao visualizar o deslocamento do fumo, é possível identificar as zonas onde o ar está estagnado, onde os contaminantes se podem acumular e onde o arejamento é insuficiente.
Estes ensaios permitem aos engenheiros da EOLIOS identificar os problemas potenciais ligados ao conforto térmico e à qualidade do ar, e tomar as medidas necessárias para melhorar as condições no interior do edifício. Isso pode incluir ajustes no sistema de aquecimento, ventilação e climatização, reparações para melhorar a estanquidade do edifício ou ainda alterações na configuração do espaço interior para otimizar a circulação do ar.
Os ensaios de fumo revelam diversos esquemas de circulação do ar no edifício. No piso superior, o ar dirige-se para o exterior pelas janelas abertas, enquanto uma parte sobe em direção à cobertura. Junto dos ventiladores, o ar quente é empurrado para baixo, criando uma homogeneização da temperatura, embora provocando um aumento do calor nas partes baixas.
Os ventiladores próximos dos fornos geram movimentos de ar, mas não favorecem uma melhor evacuação do calor. Em certas zonas produz-se um escoamento bifluxo, com ar quente a subir para as saídas de extração e ar mais frio a dirigir-se para os fornos. Ocorrem igualmente fenómenos de estratificação térmica, que separam as zonas de ar quente e de ar frio.
Esta secção tem por objetivo evidenciar as principais fontes dos fenómenos térmicos e as zonas mais ou menos densas em calor. As análises com câmara térmica servem para estabelecer uma representação das zonas quentes e frias com vista a apoiar os estudos numéricos.
A Mecânica dos Fluidos Computacional, ou Computational Fluid Dynamics (CFD) em inglês, é uma abordagem numérica para analisar os escoamentos de fluidos num dado ambiente, nomeadamente na conceção de edifícios. Permite obter informações sobre as velocidades do ar, as pressões e as temperaturas no interior e em torno dos espaços de construção. Este método utiliza equações às derivadas parciais para resolver numericamente os fenómenos, tendo em conta as condições de fronteira tais como os efeitos aeráulicos do edifício, os ganhos de calor internos e os sistemas de climatização. As simulações CFD são essenciais para otimizar a ventilação e a climatização dos grandes espaços, garantindo um conforto ótimo.
As equações às derivadas parciais precisam de condições de fronteira para serem resolvidas. Estas são estabelecidas com base nos dados de medição no local e nas informações da direção de obra. Para um estudo em regime estacionário num espaço aberto para o exterior, é preciso definir as características das paredes (material, propriedades físicas, viscosidade, temperatura) bem como as das superfícies expostas ao exterior (sentido do fluxo, velocidade, pressão, temperatura, coeficientes de superfície). É crucial garantir a estabilidade do cálculo ao definir estas condições, pois a resolução das equações faz-se de maneira iterativa para se aproximar da solução.
O solver do código utilizado resolve de forma aproximada as equações em cada nó da malha, respeitando os princípios fundamentais da física (conservação de massa e de energia). Utiliza o modelo de turbulência k-epsilon padrão, que resolve duas variáveis: a energia cinética turbulenta e a taxa de dissipação de energia cinética. Este modelo é largamente utilizado nas aplicações industriais e em AVAC, devido à sua boa velocidade de convergência e às suas exigências de memória aceitáveis. Para os estudos termoaeráulicos, são tidos em conta o efeito das trocas radiativas entre as paredes, a condução térmica, a tiragem térmica e a gravidade. Os estudos são efetuados sobre a totalidade do edifício, sem estabelecer qualquer corte de simetria.
O modelo k-epsilon é um modelo de turbulência de duas equações (energia cinética turbulenta e a sua taxa de dissipação). Largamente utilizado em AVAC e na indústria, oferece um bom compromisso entre precisão, velocidade de convergência e necessidades de memória.
No âmbito do estudo CFD, a totalidade do edifício foi modelada a fim de ter em conta as diferentes máscaras aeráulicas criadas pelos diversos módulos do local.
Os fornos e a configuração interna do edifício de fusão foram modelados a partir dos dados do local, tal como os ventiladores e as aberturas que afetam os movimentos de ar. O objetivo é obter uma representação precisa dos movimentos de ar complexos próprios destes espaços.
O objetivo dos estudos era evidenciar os fenómenos térmicos presentes no local utilizando dois cenários distintos: um cenário de base com condições semelhantes às da auditoria e outro cenário com condições que permitem uma otimização da extração das calorias.
A auditoria revelou uma ausência de elevação térmica no rés do chão, ao contrário do primeiro piso, onde os fornos e o pré-aquecimento dos moldes geram temperaturas elevadas. Evidenciou igualmente uma falta de extração de ar sob a cobertura, impedindo a evacuação eficaz do calor.
Foi realizado um estudo de isolamento, que recomenda uma espessura de isolante adequada. No entanto, a temperatura interior depende mais dos movimentos de ar e das fontes de calor do que do isolamento.
O primeiro cenário mostrou semelhanças com a auditoria, revelando massas de ar separadas devido a uma extração insuficiente na cobertura.
O segundo cenário implementou novos sistemas de extração na cobertura e parou os ventiladores, melhorando significativamente a extração do calor, reduzindo a difusão do calor e melhorando a qualidade do ar. Contudo, subsistem zonas mais quentes em torno das fontes de calor, o que sugere um possível aumento do número de sistemas de extração.
Uma isosuperfície de temperatura liga todos os pontos do espaço à mesma temperatura (por exemplo 40 °C). Visualiza de imediato o volume ocupado pelo ar quente e o seu recuo entre o cenário de base e o cenário otimizado.
A reter. Numa nave de fusão, o isolamento conta menos do que o controlo dos movimentos de ar: é a extração do ar quente na cobertura, mais do que a espessura do isolante, que baixa a temperatura sentida pelos operadores.
Conforto térmico, ensaios de fumo e extração do calor numa nave de fusão.
Evacuando o ar quente pelo ponto mais alto. O estudo mostra que novos extratores na cobertura, com os ventiladores parados, evacuam muito melhor o calor do que a mistura de ar. Uma abordagem semelhante foi conduzida no nosso projeto ventilação natural de uma aciaria.
Torna visíveis as trajetórias reais do ar através de um fumo traçador não poluente. Revela as infiltrações pelas portas, as zonas de estagnação e a estratificação térmica, impossíveis de percecionar a olho nu.
Os ventiladores colocados junto dos fornos misturam o ar sem o evacuar: empurram o ar quente para baixo e aquecem as partes baixas. Ao pará-los e ao abrir extrações na cobertura, o calor sai do edifício por tiragem térmica.
Não. O estudo de isolamento recomenda uma espessura adequada, mas a temperatura interior depende sobretudo dos movimentos de ar e das fontes de calor. Sem extração eficaz, o isolamento por si só não chega.
A câmara térmica cartografa as zonas quentes e frias reais no local; esses registos servem de dados de entrada e de calibração ao modelo CFD, que prolonga depois a análise a todo o volume e a cenários não realizados.
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Estudo termoaeráulico CFD de uma aciaria (Höganäs Belgium, Ath) para a otimização do conforto dos operadores: auditoria no local (levantamento das entradas de ar, ensaios de fumo, câmara térmica), modelo 3D completo da nave de fusão (fornos 3T e 5T) e simulações CFD que comparam um cenário de base com um cenário otimizado de extração na cobertura para evacuar o calor e melhorar a qualidade do ar.
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