Estudo termoaeráulico de um local siderúrgico: otimizar a ventilação, melhorar o conforto térmico e reforçar a qualidade do ar das zonas de produção.
Num ambiente industrial sujeito a fortes emissões de calor e de poluentes, a ventilação natural mostra os seus limites. Graças a uma análise que combina levantamentos no local e simulação CFD, a EOLIOS estudou o comportamento real dos fluxos de ar e propôs soluções concretas para otimizar a ventilação, melhorar o conforto térmico e reforçar a qualidade do ar nas zonas de produção.
No coração de um local que funciona 24 h/24, sujeito a temperaturas extremas e a emissões maciças de fumos metalúrgicos, o calor gerado pelos conversores, pelas panelas de metal em fusão e pelo vazamento contínuo impõe uma gestão rigorosa dos fluxos aeráulicos.
Com temperaturas próximas dos 1 600 °C e dezenas de milhares de m³/h em movimento, o arejamento assenta num equilíbrio complexo entre extração dos fumos e admissão de ar novo.
O essencial. Num local siderúrgico em produção 24 h/24, o aço em fusão (cerca de 1 600 °C) liberta calor, fumos metálicos, CO e poeiras finas. A auditoria no local (anemometria, ensaios de fumo, imagem infravermelha) e um modelo CFD 3D calibrado, resolvido em regimes estacionário e transitório, revelaram estratificação sob a cobertura e extração insuficiente. A reabertura de grelhas a barlavento, os arejadores na cobertura e uma melhor distribuição das aberturas fazem subir os caudais extraídos e baixar as temperaturas e os tempos de residência dos poluentes, sem obras pesadas.
No coração de um local siderúrgico que funciona 24 h/24, sujeito a temperaturas extremas e a emissões maciças de fumos metalúrgicos. Nesta gigantesca nave industrial, o calor gerado pelos conversores, pelas panelas de metal em fusão e pelo vazamento contínuo impõe uma gestão rigorosa dos fluxos aeráulicos.
Os processos de transformação do ferro fundido em aço geram importantes emissões de poluentes atmosféricos: monóxido de carbono (CO), poeiras metálicas finas, compostos de manganês, de crómio, de zinco ou de sílica cristalina. Estes fumos, muitas vezes invisíveis a olho nu, podem concentrar-se localmente na ausência de uma extração eficaz. Além dos riscos de exposição crónica para os operadores, estes poluentes são enquadrados por Valores Limite de Exposição profissional (VLE) estritos. A ventilação desempenha um papel crucial para evacuar rapidamente os gases nocivos e diluir as partículas em suspensão, a fim de preservar um ambiente de trabalho conforme às exigências sanitárias e regulamentares.
Com temperaturas próximas dos 1 600 °C e volumes de ar em movimento de várias dezenas de milhares de metros cúbicos por hora, o arejamento do local assenta num equilíbrio complexo entre extração dos fumos e admissão de ar novo. Qualquer perturbação pode afetar a qualidade do ar, a segurança dos operadores e a eficiência energética das instalações.
A tiragem térmica é o movimento ascendente do ar quente, mais leve, que se escapa pelas aberturas altas aspirando ar fresco pela parte baixa. Numa aciaria, as fontes a 1 600 °C fazem dela um motor de ventilação natural muito potente.
A produção de aço assenta numa sequência de processos de forte intensidade energética, que geram importantes volumes de calor, de gases e de partículas. O princípio geral assenta nas seguintes etapas:
Cada etapa contribui para uma produção localizada de calor e de poluentes, frequentemente concentrados em torno dos conversores, das zonas de transferência de panelas, do vazamento contínuo ou dos equipamentos de decapagem. As temperaturas de trabalho podem ultrapassar os 1 600 °C, gerando fluxos de ar quente ascendentes, emanações de gases (CO, CO₂), partículas finas e poeiras metálicas. Estes fenómenos têm um impacto direto na estratificação térmica, no comportamento dos fluxos de ar e na dispersão dos poluentes. A caracterização destas emissões liga-se à nossa especialidade sobre a medição e o estudo de impacto da poluição atmosférica.
Compreender estes mecanismos é essencial para dimensionar um sistema de ventilação capaz de renovar o ar eficazmente, de evacuar o calor excedentário e de limitar a exposição dos operadores.
O processo siderúrgico gera uma grande variedade de poluentes atmosféricos, em ligação direta com as altas temperaturas e as reações químicas que ocorrem nos conversores e durante os tratamentos metalúrgicos. Os principais compostos emitidos são:
Estas substâncias, por vezes invisíveis a olho nu, podem acumular-se nos volumes altos ou dispersar-se lentamente se não estiver implementado um mecanismo de extração eficaz.
A regulamentação impõe Valores Limite de Exposição profissional (VLE) para enquadrar a exposição a substâncias perigosas. Estes limiares, expressos em mg/m³ ou ppm, visam limitar os efeitos a curto e a longo prazo na saúde (perturbações respiratórias, intoxicações, doenças crónicas).
Os compostos presentes nos fumos, como o CO ou as partículas metálicas, são estritamente regulamentados. A ultrapassagem destes limiares impõe medidas corretivas imediatas: captação na fonte, ventilação localizada ou uso de proteções individuais (EPI) adequadas.
Os Valores Limite de Exposição profissional fixam as concentrações máximas de poluentes toleradas no ar respirado pelos operadores, ao longo de 8 horas ou em períodos curtos. Servem de critério para dimensionar a extração e a captação na fonte.
Uma exposição crónica a concentrações demasiado elevadas de poluentes pode originar patologias respiratórias, perturbações neurológicas ou efeitos sistémicos. Entre os riscos reconhecidos na indústria siderúrgica:
O controlo da qualidade do ar interior é, portanto, uma questão de saúde pública e de responsabilidade para o operador.
Durante a auditoria, medições pontuais permitiram caracterizar os poluentes, nomeadamente as partículas finas. Algumas zonas, como as situadas sob a cobertura ou junto dos equipamentos, permanecem, no entanto, inacessíveis. Para as completar, a EOLIOS implementou uma modelação escalar CFD, reproduzindo virtualmente:
Esta abordagem permite identificar os setores de risco que necessitam de ações corretivas dirigidas.
O conjunto dos dados recolhidos, enriquecido pela simulação CFD, constitui uma base sólida para acompanhar os procedimentos regulamentares, nomeadamente:
Ao contrário de outros ambientes industriais equipados com ventilação mecânica controlada, este local assenta principalmente numa ventilação natural. Esta baseia-se em dois princípios físicos: a diferença de temperatura entre o interior e o exterior (que cria uma tiragem térmica vertical) e a pressão do vento sobre as fachadas.
O ar quente, mais leve, sobe e escapa-se pelos arejadores na cobertura, enquanto o ar fresco entra pelas aberturas baixas. Esta abordagem passiva, sem sistema motorizado, tira partido das condições naturais para assegurar a renovação do ar. Robusto e económico, este modo de funcionamento levanta, no entanto, várias problemáticas importantes em contexto industrial intensivo:
Se a ventilação natural assegura uma parte da renovação geral do ar, não pode, por si só, garantir a evacuação rápida e localizada dos poluentes gerados nos postos de produção. O local assenta, por isso, num sistema de ventilação mecânica dirigida, concebido para aspirar as emissões críticas logo no seu ponto de origem.
Este princípio assenta em exaustores de aspiração, captadores e dispositivos de captação posicionados o mais perto possível das fontes (conversores, fornos, panelas cheias, vazamento contínuo, zonas de decapagem). Captam fumos, gases e partículas antes da sua dispersão, limitando a sua propagação na nave e mantendo as concentrações abaixo dos limiares VLE.
Este tipo de instalação implica várias condicionantes técnicas: um dimensionamento preciso dos caudais de extração consoante a intensidade das emissões, uma eficácia fortemente dependente da configuração dos equipamentos e da proximidade dos captadores, e um consumo energético não negligenciável. Daí o interesse em associá-lo inteligentemente à ventilação natural, para conceber um sistema híbrido equilibrado, simultaneamente eficaz e económico.
Para responder a estes desafios, a EOLIOS conduziu um estudo termoaeráulico completo, associando levantamentos no local e simulações numéricas CFD. Esta análise permitiu:
Antes de equacionar qualquer otimização, é essencial compreender com precisão como o ar circula no local. A EOLIOS aplicou uma metodologia rigorosa de auditoria aeráulica, combinando levantamentos no local e modelação numérica. Durante vários dias, os engenheiros analisaram o comportamento das massas de ar e as interações entre a ventilação natural e as emissões industriais, para obter uma visão completa dos movimentos de ar e identificar os eixos de melhoria.
Com um anemómetro calibrado, as velocidades do ar foram registadas nos pontos de entrada e de saída do edifício, bem como no interior das naves de produção, a fim de quantificar os fluxos aeráulicos e de avaliar a intensidade da renovação natural do ar.
Em paralelo, foram realizados registos de temperatura a diferentes alturas. Evidenciaram uma estratificação térmica marcada: o ar quente acumula-se em altura, enquanto o ar mais fresco permanece junto ao solo. Estes gradientes verticais traduzem um movimento lento das massas de ar quente, por vezes retidas sob a cobertura na ausência de uma tiragem eficaz.
Esta análise detalhada permitiu identificar as zonas de desconforto térmico e os setores mal ventilados, onde a extração natural é insuficiente.
Os ensaios de fumo permitem visualizar em tempo real a direção e a velocidade dos escoamentos de ar. A EOLIOS utilizou uma máquina de fumo frio, adaptada aos ambientes industriais: ao difundir um fumo fino e leve em diferentes zonas, foi possível traçar o percurso do ar, localizar as zonas de estagnação ou de recirculação e identificar as correntes dominantes. Os resultados revelaram vários fenómenos assinaláveis:
Estas observações visuais constituíram uma base valiosa para a modelação CFD, permitindo validar as hipóteses e ajustar os parâmetros de simulação.
Para uma visão global do balanço térmico, a EOLIOS utilizou a imagem infravermelha. Com uma câmara térmica de alta resolução, os engenheiros analisaram as superfícies dos equipamentos e das infraestruturas em interação direta com o ar, o que permitiu identificar:
Estes registos foram essenciais para definir as condições de fronteira do modelo CFD: as temperaturas de superfície serviram para calibrar os fluxos térmicos, garantindo uma simulação fiel ao comportamento real do local. Os resultados confirmaram a necessidade de uma ventilação otimizada, capaz de evacuar o calor excedentário assegurando ao mesmo tempo uma renovação de ar suficiente.
A auditoria permitiu inventariar e caracterizar todas as aberturas do local: portas de serviço, grelhas laterais, arejadores estáticos na cobertura, exaustores de extração da despoeiração. Cada abertura foi georreferenciada e medida para quantificar o seu contributo para a renovação global do ar.
As medições de velocidade do ar à entrada e à saída revelaram importantes disparidades: algumas entradas são fortemente solicitadas, outras permanecem pouco ativas por falta de posição favorável ou de diferencial de pressão. Em particular, as portas expostas ao vento dominante apresentam velocidades do ar elevadas, gerando correntes localmente desconfortáveis. Estas observações sublinham a necessidade de uma distribuição mais homogénea das aberturas e de uma regulação mais fina.
Os levantamentos e os ensaios de fumo permitiram traçar uma cartografia detalhada dos escoamentos aeráulicos nas naves, evidenciando várias zonas de estagnação onde o ar se renova mais lentamente e onde os fumos tendem a acumular-se. Uma zona de vigilância particular diz respeito ao espaço sob a cobertura, onde calor e fumos se concentram sem serem evacuados eficazmente, um fenómeno acentuado pela estratificação térmica.
O estudo confirmou o impacto maior dos processos de fabrico na dinâmica aeráulica. As transferências de metal em fusão, as sequências de decapagem e as operações de vazamento contínuo geram fortes emissões de calor e de fumos, alterando profundamente os escoamentos de ar. Estes fenómenos devem ser integrados desde a conceção dos dispositivos de ventilação natural, para favorecer a evacuação dos fumos e reduzir a exposição dos operadores.
Para transformar as observações da auditoria em recomendações concretas, a EOLIOS apoia-se na simulação CFD (Computational Fluid Dynamics), que reproduz numericamente o comportamento do ar e do calor com uma precisão inigualável. A primeira etapa consiste em modelar em 3D todo o local: a partir dos levantamentos de terreno, das plantas do cliente e da imagem de satélite, os engenheiros reconstituíram um modelo geométrico completo, integrando as naves de produção e o seu ambiente próximo.
Todas as estruturas que influenciam os fluxos de ar (paredes, aberturas, estruturas de cobertura, equipamentos, arejadores) foram fielmente integradas, enquanto os elementos secundários foram simplificados para otimizar a potência de cálculo. As fontes de calor internas foram cuidadosamente modeladas: cada equipamento com forte contributo térmico (conversores, panelas, placas, secadores) foi parametrizado a partir das temperaturas de superfície medidas no local.
Por fim, os dispositivos de ventilação existentes (grelhas, arejadores, exaustores) foram integrados como condições de fronteira, com caudais ou velocidades provenientes da auditoria. Este modelo permite avaliar o desempenho atual do sistema, mas também testar virtualmente diferentes configurações para orientar as escolhas de conceção.
A EOLIOS utiliza uma abordagem numérica baseada no método dos elementos finitos, que resolve as equações que regem os movimentos do ar e as trocas térmicas no volume simulado. Foi gerada uma malha híbrida 3D muito fina, com um refinamento específico em torno das zonas de calor intenso e das aberturas. Uma primeira série de cálculos foi realizada em regime estacionário, sobre as condições nominais observadas durante a auditoria, para validar os desempenhos do sistema existente e identificar as zonas críticas. As simulações evidenciaram:
Uma das grandes vantagens da simulação é dar acesso a dados inacessíveis por medição direta: caudais que atravessam os arejadores na cobertura, não instrumentáveis em segurança, e velocidades do ar por cima dos equipamentos a mais de 1 200 °C. Em complemento dos cálculos estacionários, algumas zonas críticas foram objeto de uma análise dinâmica em regime transitório, para compreender melhor a evolução dos fluxos e a dispersão dos poluentes ao longo do tempo. Com recurso a traçadores escalares ou a linhas de emissividade, estas visualizações permitem antecipar os picos de exposição, os tempos de residência dos fumos ou as zonas de recirculação prolongada.
Um cálculo estacionário fixa o escoamento num estado médio de equilíbrio; um cálculo transitório segue a sua evolução no tempo. O primeiro valida os caudais de conjunto, o segundo revela os picos de exposição e os tempos de residência dos fumos.
Um trunfo maior da CFD é permitir uma exploração rápida de cenários de melhoria, testando virtualmente diferentes modificações sem perturbar a exploração. A EOLIOS simulou várias configurações, atuando na abertura ou no fecho de grelhas existentes, na adição de arejadores suplementares e na modificação do seu posicionamento ou orientação. Para garantir a robustez das soluções, as simulações integraram vários cenários extremos:
Estas simulações permitiram identificar as configurações mais eficazes. Entre as soluções eficazes: a reabertura de grelhas nas fachadas expostas ao vento dominante, a adição dirigida de arejadores estáticos na cobertura nas zonas de estagnação e uma melhor distribuição das aberturas entre as naves. Os benefícios puderam ser quantificados: aumento dos caudais extraídos, redução das temperaturas ambientes, melhoria do conforto térmico e diminuição do tempo de residência dos poluentes. Os resultados, exploráveis sob a forma de mapas de temperatura, de velocidades do ar, de linhas de corrente ou de balanços comparativos, permitem justificar tecnicamente as escolhas de conceção.
A CFD permite não só compreender o funcionamento atual da instalação, mas também projetar a sua evolução e o seu potencial de melhoria. É uma ferramenta de apoio à decisão valiosa para operadores, gabinetes de estudos e responsáveis de segurança. Ao identificar com precisão as zonas críticas, as disfunções aeráulicas e as oportunidades de otimização, permite:
Graças aos cálculos realizados, a EOLIOS traçou uma cartografia detalhada dos fluxos de ar, das linhas de corrente, das zonas de estagnação e dos caudais que atravessam todo o volume estudado. As zonas de forte tiragem térmica, junto dos conversores, das panelas cheias ou das placas quentes, traduzem-se em ascensões rápidas de ar quente, parcialmente canalizadas para os arejadores. Foram, no entanto, identificadas várias zonas críticas:
Para assegurar a robustez das soluções, as simulações foram prolongadas com o estudo de vários cenários desfavoráveis, para além das condições nominais:
Embora pontuais, estas situações permitem testar a resiliência do sistema de ventilação e dimensionar as aberturas para garantir uma renovação de ar mínima em todas as circunstâncias.
A partir destas análises, a EOLIOS testou e comparou vários cenários de otimização, ajustando virtualmente os dispositivos de ventilação: reabertura de grelhas inativas nas fachadas ao vento dominante, adição de arejadores estáticos nas zonas de estagnação, distribuição mais homogénea das aberturas entre naves e recalibração de certas extrações mecânicas ou sistemas de captação na fonte.
Um dos cenários mais eficazes consistiu em aumentar a superfície de entrada de ar nas fachadas a barlavento e em implantar novos arejadores na cobertura. Esta configuração permitiu um aumento significativo dos caudais de ar extraídos, uma descida notável das temperaturas ambientes e uma redução marcada do tempo de presença dos poluentes, sem investimentos pesados nem interrupção significativa da produção.
A reter. Numa aciaria, a ventilação mais eficaz não é a mais dispendiosa: atuar na posição e na abertura dos arejadores existentes basta muitas vezes para restabelecer a tiragem térmica e fazer baixar temperaturas e poluentes, sem obras pesadas nem paragem de produção.
O estudo permitiu caracterizar a qualidade do ar interior e antecipar a exposição dos operadores aos poluentes do processo siderúrgico (monóxido de carbono, poeiras finas e ultrafinas metálicas, fumos de decapagem e de oxidação das placas). A simulação integrou estudos escalares CFD que reproduzem a dispersão dos poluentes segundo vários cenários de ventilação. Os resultados evidenciaram:
Cruzadas com os resultados da auditoria e as referências regulamentares, estas análises permitiram determinar as necessidades de proteções individuais (EPI), as necessidades de captação na fonte e os reforços dirigidos de ventilação. Constituem também um apoio valioso para um processo de conformidade ambiental, se necessário.
Combinando os dados de terreno, as simulações numéricas e as exigências de segurança, a EOLIOS propôs uma estratégia global de ventilação adaptada às especificidades do local:
Esta estratégia pode ser implementada progressivamente, através de ações simples e pragmáticas, para construir um sistema de ventilação robusto, duradouro e compatível com as evoluções futuras do local.
Saber-fazer: a conceção da ventilação natural industrialVentilação natural, VLE e simulação CFD numa aciaria.
Assegura a renovação geral do ar por tiragem térmica, mas não basta sozinha junto das fontes: é completada por uma captação mecânica o mais perto possível dos conversores e do vazamento. Uma abordagem semelhante foi conduzida no nosso projeto ventilação natural de uma aciaria.
Os Valores Limite de Exposição profissional fixam as concentrações máximas admissíveis de poluentes (CO, poeiras metálicas) no ar respirado. Ultrapassá-los impõe medidas corretivas: captação na fonte, ventilação localizada ou EPI.
A ventilação natural é robusta e económica, mas pouco controlável; a captação mecânica visa as emissões logo na fonte, mas consome energia. Associá-las dá um sistema híbrido simultaneamente eficaz e sóbrio.
Dá acesso a dados inacessíveis à medição: caudais que atravessam os arejadores na cobertura, velocidades do ar por cima de equipamentos a mais de 1 200 °C. Permite também testar cenários (verão sem vento, inverno com vento contrário) sem perturbar a produção.
Reabertura de grelhas nas fachadas ao vento dominante, adição dirigida de arejadores estáticos nas zonas de estagnação e melhor distribuição das aberturas entre naves. Resultado: caudais extraídos em alta, temperaturas e tempos de residência dos poluentes em baixa, sem obras pesadas.
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Estudo termoaeráulico CFD de uma aciaria: auditoria no local (anemometria, ensaios de fumo, imagem infravermelha), modelo 3D completo calibrado sobre as fontes de calor, simulações estacionárias e transitórias dos fluxos e dos poluentes, e cenários de otimização dos arejadores para um melhor conforto térmico e uma qualidade do ar conforme aos VLE.
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