A EOLIOS verificou e melhorou por simulação CFD a conceção do sistema de regulação térmica de uma fábrica no Canadá, cujo processo inovador associa vários fornos de alta temperatura.
O objetivo deste estudo é verificar e melhorar a conceção do sistema de regulação térmica de uma fábrica situada no Canadá com o apoio da modelação numérica CFD. Trata-se de compreender e dominar os fenómenos termoaeráulicos particulares induzidos pelas diferentes etapas de fabrico de um processo inovador que associa fornos de alta temperatura.
O estudo articula-se em torno de quatro eixos: a otimização da difusão do ar exterior, a compreensão da distribuição de temperatura ao longo das estações, a avaliação do conforto térmico dos operadores e o estudo da evacuação dos poluentes, tudo concentrado na sala de produção.
As simulações foram realizadas pelo método CFD (Computational Fluid Dynamics), que permite analisar e prever os movimentos dos fluidos como o ar. Esta abordagem virtual permite simular os fenómenos termoaeráulicos na fábrica tendo em conta as interações entre as diferentes superfícies, as fontes de calor e os escoamentos de ar. Graças à CFD, torna-se possível visualizar e analisar em detalhe os escoamentos e as temperaturas, para uma melhor compreensão dos processos e uma otimização do desempenho e da segurança das instalações.
A modelação geométrica é uma etapa fundamental: representa fielmente a geometria do edifício e define as condições de fronteira (paredes, aberturas para o exterior, ganhos internos de calor), simplificando ao mesmo tempo o modelo para facilitar a interpretação dos resultados. No modelo 3D da fábrica, foram considerados todos os volumes de ar e as paredes em contacto com o exterior, bem como os espaços envolventes, de modo a ter em conta as transferências térmicas entre locais e as pontes térmicas ligadas aos materiais.
A linha de produção e os seus processos foram modelados, nomeadamente os fornos, assim como os sistemas de difusão da climatização da nave (ventiladores de alimentação e de extração no teto). Três persianas em altura na fachada oeste, encanadas em toda a altura da parede, deixam entrar o ar exterior pela parte inferior. As temperaturas, potências e caudais das máquinas foram registados; como o sistema de ventilação depende das condições exteriores (de −23 °C no inverno a 32 °C no verão), o estudo incidiu sobre estas duas estações.
As primeiras simulações foram conduzidas para um funcionamento estival, o caso mais crítico devido às temperaturas elevadas, com todos os sistemas geradores de calorias à sua temperatura máxima, uma temperatura exterior de 32 °C e os ganhos solares tidos em conta.
A simulação mostra que globalmente as temperaturas estão corretas e que o sistema AVAC está bastante bem dimensionado: os movimentos de ar gerados pelos bocais originam uma circulação de cerca de 0,5 m/s em todo o espaço, incluindo entre as linhas de produção, assegurando temperaturas homogéneas. As temperaturas ambientes variam de 36 °C a 42 °C em função da altura (delta de cerca de 10 °C com o ar insuflado). Em contrapartida, sob a cobertura, uma parte do ar carregado de calorias tem dificuldade em ser evacuada e a temperatura pode atingir 50 °C: os bocais da parte norte encontram-se no eixo dos exaustores de extração, criando um curto-circuito aeráulico; ao centro, os exaustores demasiado próximos dos fornos vêem a sua aspiração perturbada, e as suas superfícies são insuficientes face à dimensão das plumas térmicas.
Após esta primeira simulação, a EOLIOS recomendou deslocar as condutas de insuflação da parede norte para insuflar em direções mais estratégicas e não perturbar a aspiração localizada dos exaustores, e suprimir os bocais nos últimos 2 metros das condutas (o ar frio insuflado a essa altura é diretamente captado pelas aspirações, criando um curto-circuito inútil para o arrefecimento da parte baixa).
As equipas retrabalharam também as superfícies de aspiração dos exaustores, para suprimir os espaços entre dois exaustores, e, quando possível, compartimentar a saída dos fornos e os exaustores (nomeadamente a norte e a sul). Esta compartimentação não precisa de ser perfeitamente hermética: trata-se de guiar as plumas térmicas que saem dos fornos.
A compartimentação evita que as calorias rejeitadas nas extremidades da linha se dispersem no ambiente; a deslocação das condutas para norte e a redução da altura dos bocais distribuem melhor o ar fresco nas zonas importantes; o aumento das superfícies de aspiração ao centro capta melhor as plumas dos fornos principais. Resultado: temperaturas ambientes de 35 °C a 40 °C ao nível das linhas e de 41 °C a 45 °C sob a cobertura (picos de 50 °C ao centro), ou seja, cerca de 2 °C menos do que com a conceção existente em todos os pontos.
Em condições invernais, a temperatura exterior é a mais baixa e as calorias internas são consideradas ao mínimo. Apesar da paragem dos dois sistemas de insuflação, o ar mantém-se em movimento em todos os pontos, sem zona morta problemática. As temperaturas variam de 15 °C ao nível do solo a 20 °C no último piso da linha, e de 20 °C a 25 °C sob a cobertura (picos de ~30 °C nas partes central e norte, devidos à redução do caudal de aspiração dos exaustores no inverno).
No entanto, atingem-se temperaturas muito frias ao nível das persianas: uma delas insufla ar a uma temperatura inferior a 0 °C, arrefecendo fortemente o espaço e criando desconforto para os operadores nas proximidades. Aconselhámos fechar essa persiana em períodos de grande frio. Quanto ao resto, a regulação térmica invernal está bem adaptada: temperatura homogénea e insuflação a alcançar todas as zonas importantes.
Foi conduzido um estudo de dispersão dos poluentes para a situação estival. Mostra que os exaustores acima dos tanques de ácido no início da linha captam a totalidade das emissões, enquanto uma parte das emissões dos tanques de pré e pós-lavagem é menos bem evacuada e corre o risco de estagnar sob a cobertura, na zona de baixa velocidade sob os ventiladores da parte norte.
Um terceiro cenário, envolvendo o fecho de uma grelha considerada contraproducente, mostrou que esse fecho favorece a estratificação do ar quente, melhorando a tiragem térmica e a evacuação do ar carregado de calor. Isso confirma a importância do bom posicionamento das extrações e das aberturas de aeração: as recomendações incentivam a adição de arejadores específicos e o fecho de certas aberturas para otimizar a estratificação.
Saber-fazer: ventilação industrial, captação das calorias & qualidade do ar
O estudo incide sobre o sistema de regulação térmica de uma fábrica com processo de alta temperatura, verificado e otimizado por simulação CFD. Articulado em torno de quatro eixos (difusão do ar exterior, distribuição de temperatura ao longo das estações, conforto dos operadores e evacuação dos poluentes), levou a EOLIOS a propor uma nova configuração (exaustores, condutas de insuflação e bocais) que permite uma melhor extração do calor no verão e uma melhor distribuição do ar fresco nas zonas importantes.
O mais simples é conversarmos. Os nossos engenheiros respondem com uma primeira leitura técnica.
