Análise dos fluxos aeráulicos e térmicos da fábrica da Aluminium Dunkerque por modelação 3D e simulações CFD, no âmbito da adição de um 8.º forno.
O estudo centra-se na otimização da colocação dos sistemas de arejamento da fábrica de alumínio de Dunquerque. Foram efetuadas simulações numéricas CFD para analisar os fluxos de fluidos e avaliar as condições aeráulicas e térmicas da fábrica, a fim de propor recomendações precisas para otimizar a colocação dos sistemas de arejamento.
O essencial. A Aluminium Dunkerque pretende acrescentar um 8.º forno a uma fundição arrefecida por ventilação natural (7 fornos a cerca de 750 °C). A auditoria no local (ensaios de fumo, sondas de temperatura, câmara térmica) e os dados meteorológicos de Dunquerque alimentaram um modelo CFD 3D. Resultado: um arejador de carpintaria por cima do forno 8 e o encerramento de uma grelha contraproducente fazem cair a temperatura sob a cobertura, com um caudal de extração praticamente constante.
O estudo realizado incide sobre a colocação dos arejamentos a fim de melhorar o conforto térmico da fábrica da Aluminium Dunkerque, que dispõe de um sistema de arrefecimento por ventilação natural. A fábrica é composta por 7 fornos e uma linha de produção de lingotes e, para aumentar a capacidade de produção, está prevista a criação de um 8.º forno. A temperatura destes fornos situa-se por volta dos 750 °C, sendo por isso gerados movimentos de ar quente importantes no interior da fábrica.
A nave de fundição está equipada com 4 grandes arejadores de carpintaria, 13 arejadores estáticos, bem como persianas em algumas fachadas do edifício. O objetivo deste estudo será, portanto, verificar se o sistema de arejamento atual é suficiente para a adição de um 8.º forno e, caso não seja, encontrar forma de o resolver.
Um arejador de carpintaria é uma clarabóia de exaustão de grande dimensão integrada na estrutura da cobertura. Sem motor, evacua o ar quente por tiragem térmica numa secção ampla, o que o torna eficaz por cima de fontes muito quentes como um forno.
A auditoria realizada tinha por objetivo recolher o máximo de informações sobre o funcionamento do local no que respeita à temperatura e aos movimentos de ar. Foram utilizados diferentes ensaios e instrumentos de medição para atingir esse objetivo. O ensaio de fumo foi realizado com uma máquina de fumo que gerou uma importante quantidade de fumo no volume. Isso permitiu visualizar os movimentos macroscópicos das correntes de ar no interior do local.
Os fumos utilizados eram inofensivos para o ambiente e foram gerados a partir de um líquido à base de água e de glicol não poluente. Foram realizados vídeos durante estes ensaios para analisar os fenómenos observados no local. Foram utilizados aparelhos de medição das temperaturas do ar, tais como sondas telescópicas com certificação de calibração, para registar as temperaturas e as velocidades do ar no local. Os resultados dos ensaios de fumo mostraram que as correntes de ar junto dos fornos são principalmente ascendentes.
Em seguida, foram utilizadas imagens térmicas para evidenciar as principais fontes dos fenómenos térmicos e as diferentes zonas mais ou menos densas em calor.
As temperaturas registadas foram comparadas com os resultados das simulações CFD para verificar a sua coerência.
Foi tida em conta a emissividade das diferentes superfícies para estimar as temperaturas.
Todos os arejamentos, aberturas e passagens de ar no local foram identificados durante a auditoria. Isso permite reproduzir fielmente a fábrica nas simulações, tendo igualmente em conta as plantas fornecidas. Foram identificados quatro tipos de aberturas: portas totalmente abertas, grelhas nas fachadas, arejadores de carpintaria e arejadores estáticos. A auditoria permitiu também identificar a geometria global da fundição e os diferentes volumes que influenciam o escoamento do ar. Estas informações sobre as temperaturas, os movimentos de ar, as aberturas e a geometria do local são essenciais para compreender e reproduzir fielmente a fábrica nas simulações. Servirão igualmente de base para formular recomendações destinadas a otimizar as condições aeráulicas e térmicas no local.
Os dados climatológicos da estação meteorológica de Dunquerque são de importância capital para definir as condições climáticas exteriores necessárias ao estudo das ventilações da fábrica. As informações recolhidas compreendem a velocidade e a direção dos ventos, bem como a temperatura mínima média no inverno e a temperatura máxima média no verão.
Além disso, os picos de temperatura mais extremos registados são igualmente tidos em conta. Estes dados desempenham um papel crucial na adaptação das estratégias de ventilação e de climatização a fim de garantir o conforto ótimo dos operadores da fábrica ao longo de todo o ano.
A mecânica dos fluidos computacional (CFD), ou Computational Fluid Dynamics em inglês, é um método numérico que permite estudar os escoamentos de fluido num dado ambiente. Este método utiliza equações às derivadas parciais para resolver os problemas de escoamento dos fluidos, que muitas vezes não têm solução analítica.
No contexto dos edifícios, um estudo CFD pode fornecer informações sobre as velocidades do ar, as pressões e as temperaturas no interior e em torno dos espaços de construção. Isso permite compreender melhor as condições aeráulicas e térmicas, nomeadamente no âmbito da conceção de sistemas de ventilação e de climatização.
As simulações CFD são particularmente úteis para otimizar o conforto interior, assegurando que os fluxos de ar são adequados e bem distribuídos, o que contribui para melhorar a eficiência energética e o bem-estar dos ocupantes. A modelação geométrica é uma etapa essencial nas simulações CFD. Consiste em representar de maneira fiel a geometria do local ou do edifício estudado. Isso permite definir as condições de fronteira, tais como o tipo de paredes, as superfícies abertas para o exterior, os ganhos internos de calor, etc. A modelação geométrica permite também simplificar o modelo, eliminando os elementos não pertinentes para o estudo aeráulico e térmico, o que facilita a interpretação dos resultados.
Em resumo, as simulações CFD são utilizadas para estudar os escoamentos de fluidos no âmbito da conceção de edifícios. Permitem otimizar as condições aeráulicas e térmicas, melhorar o conforto interior e otimizar a eficiência energética. A modelação geométrica e a malha do modelo são etapas essenciais deste processo, tal como a definição das condições de fronteira e a utilização de modelos de turbulência apropriados.
O objetivo deste estudo era verificar o bom funcionamento aeráulico do local na sequência da adição do novo forno 8. Foram examinados vários cenários para esse efeito. O primeiro cenário era o cenário existente, retomando os sistemas de extração de ar tal como estão atualmente instalados, com condições externas baseadas na análise meteorológica. No entanto, os resultados mostraram um desequilíbrio da distribuição da temperatura entre o lado norte e o lado sul do local, devido à ausência de um exaustor de aspiração para o forno 8 e de um arejador de carpintaria. O segundo cenário incorporou arejadores estáticos suplementares por cima do forno 8. Os resultados demonstraram que a adição destes arejadores permitia uma evacuação mais rápida e dirigida do ar carregado de calor, melhorando assim o funcionamento aeráulico do local.
Na sequência dos resultados do segundo cenário, o terceiro cenário foi estudado implicando o encerramento de uma grelha considerada contraproducente. Este cenário mostrou que o encerramento desta abertura favorecia a estratificação do ar quente, originando uma melhor tiragem térmica e uma evacuação mais eficaz do ar carregado de calor. Estes resultados demonstram, portanto, a importância da boa colocação dos sistemas de extração de ar e das aberturas de arejamento no bom funcionamento aeráulico do local. As recomendações daí decorrentes incentivam a adição de arejadores dirigidos para facilitar uma evacuação mais eficaz do ar carregado de calor e o encerramento de certas aberturas para favorecer uma estratificação ótima do ar quente.
Durante este estudo, foram examinadas duas configurações para avaliar a eficácia da extração de poeira no caso do forno 8 em modo porta aberta. A primeira configuração era a configuração de base, enquanto a segunda configuração incluía a adição de arejadores estáticos e o encerramento da grelha inadequada. Este estudo liga-se à nossa especialidade sobre o estudo da propagação dos pós e das poeiras finas.
A tiragem térmica é o movimento ascendente do ar devido à sua dilatação quando aquece: mais leve, sobe e escapa-se pelas aberturas altas, aspirando ar fresco pela parte baixa. É o motor da ventilação natural. Este fenómeno faz parte do dimensionamento dos arejadores estáticos.
As simulações realizadas incluíram em seguida a instalação de um novo arejador de carpintaria por cima do forno 8. Os resultados das simulações mostraram que o arejador de carpintaria recentemente acrescentado tinha um impacto significativo nos escoamentos de ar. Observa-se um desaparecimento do fluxo dirigido do forno 8 para os pequenos arejadores de carpintaria já existentes.
No que diz respeito à distribuição de temperatura, os resultados indicam uma distribuição semelhante à dos cenários anteriores, mas com uma descida nítida da temperatura sob a cobertura graças à presença do arejador de carpintaria.
A temperatura sob a cobertura desce consideravelmente graças à evacuação rápida do ar quente carregado de calorias pelo arejador de carpintaria. Os resultados sublinham igualmente que o caudal de extração total se mantém globalmente constante, com um ligeiro aumento em relação à configuração existente. Estes resultados demonstram a eficácia do arejador de carpintaria acrescentado por cima do forno 8 para evacuar rapidamente o ar quente carregado de calorias. Esta modificação contribui, portanto, para melhorar os escoamentos de ar e as condições térmicas no edifício.
O estudo radiativo no âmbito da análise termoaeráulica de uma fábrica permite compreender melhor o impacto da radiação térmica, avaliar a interação entre a radiação e a convecção e identificar as zonas onde são necessários ajustes para otimizar as condições térmicas no interior da fábrica. Isso permite melhorar o conforto dos trabalhadores, prevenir os problemas de sobreaquecimento e otimizar a eficiência energética da fábrica.
A radiação térmica é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas, sem contacto nem ar intermediário. Um forno muito quente aquece assim diretamente as paredes que lhe ficam em frente, além do ar: é um contributo distinto da convecção, a tratar separadamente.
Foram, portanto, realizadas simulações para avaliar a transferência radiativa proveniente do forno 8 para as paredes envolventes em dois cenários diferentes. O primeiro cenário corresponde à configuração habitual, com o forno 8 fechado. Os resultados mostraram que fluxos radiativos importantes eram recebidos pela fachada norte, pela parede em frente ao forno e pela cobertura baixa, com temperaturas máximas a atingir cerca de 70 °C. O segundo cenário diz respeito ao forno 8 aberto, com uma temperatura interior de 500 °C para ter em conta o arrefecimento do forno aberto. As mesmas zonas ficam então também sujeitas a importantes fluxos radiativos, com temperaturas máximas da ordem dos 75 °C.
Estes resultados demonstram o impacto significativo da transferência radiativa do forno 8 para as paredes envolventes. Evidenciam as zonas que recebem os fluxos radiativos mais importantes, nomeadamente a fachada norte, a parede em frente ao forno 8 e a cobertura baixa.
A experiência da nossa empresa permitiu encontrar soluções técnicas para a adição de um novo forno na fábrica e melhorar o conforto térmico dos trabalhadores. As modificações efetuadas originaram uma redução significativa das temperaturas sob a cobertura e ao nível das zonas de trabalho, bem como a melhoria do arejamento, reduzindo os fluxos de ar quente em pontos precisos.
A análise radiativa permitiu igualmente identificar três zonas onde a transferência radiativa é mais intensa, podendo representar um perigo para os trabalhadores. Estes resultados contribuem para melhorar a compreensão dos escoamentos de ar e das condições térmicas e permitem formular recomendações para otimizar o arejamento, a temperatura e, de forma mais geral, as condições de trabalho no interior do local.
A reter. Acrescentar uma fonte de calor a uma nave ventilada naturalmente não se resume a abrir mais um vão: é a posição dos arejadores e o encerramento dirigido de certas aberturas que restabelecem uma tiragem térmica eficaz, considerando convecção e radiação em conjunto.
Ventilação natural, arejadores de carpintaria e radiação dos fornos numa fábrica de alumínio.
Sim, desde que se redimensione o arejamento. O estudo mostra que, acrescentando um arejador de carpintaria por cima do forno 8 e fechando uma grelha contraproducente, o local evacua o ar quente do oitavo forno sem ventilador. Uma abordagem semelhante foi conduzida no nosso projeto ventilação natural de uma fábrica siderúrgica.
Uma abertura mal colocada pode curto-circuitar a tiragem térmica, deixando entrar ar onde o ar quente deveria subir. Ao fechá-la, favorece-se a estratificação do ar quente e uma evacuação mais eficaz pelos arejadores na cobertura.
Quantifica a transferência radiativa do forno para as paredes, distinta da convecção. Identificou três zonas (fachada norte, parede em frente ao forno, cobertura baixa) que recebem até 75 °C, podendo representar um risco para os operadores.
Colocado o mais perto possível da fonte quente, evacua por tiragem térmica o ar carregado de calorias antes que este se espalhe sob o telhado. O caudal de extração total mantém-se quase constante, mas o ar quente sai mais depressa e mais perto do forno.
A câmara térmica mede as temperaturas reais das superfícies no local; confrontá-las com os resultados da simulação permite verificar a coerência do modelo e calibrá-lo antes de explorar cenários não realizados.
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O estudo realizado incide sobre a colocação ótima dos arejamentos a fim de melhorar o conforto térmico da fábrica da Aluminium Dunkerque, que utiliza um sistema de arrefecimento por ventilação natural. O objetivo é determinar se o sistema de arejamento atual é suficiente para a adição de um 8.º forno e, se necessário, propor soluções. Foram realizadas diferentes medições preliminares, tais como ensaios de fumo para observar os movimentos de ar, medições de temperatura e imagens térmicas para identificar as fontes de calor. Estes dados foram utilizados para criar um modelo 3D da fábrica no qual foram efetuadas simulações numéricas CFD. As simulações CFD permitem estudar os escoamentos de fluidos e simular as condições aeráulicas e térmicas da fábrica. Os resultados mostraram que a adição de determinados arejadores permitiria uma evacuação mais rápida e dirigida do ar quente, melhorando assim o funcionamento aeráulico do local. Em conclusão, este estudo permitiu determinar a colocação ótima dos arejamentos para melhorar o conforto térmico da fábrica da Aluminium Dunkerque, tendo em vista a adição de um 8.º forno. Os resultados das simulações CFD trouxeram recomendações precisas para otimizar a eficiência energética e o bem-estar dos operadores da fábrica.
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