Estudo termo-aeráulico CFD da substituição de um forno de fusão de sílica por um forno elétrico: cartografia da radiação sobre as estruturas, proteção das vigas e conforto térmico dos operadores.
A especialidade da EOLIOS em simulação CFD e em análise térmica das estruturas desempenhou um papel determinante no estudo de um forno industrial que gera uma radiação intensa sobre as vigas metálicas, com riscos de deformação. O nosso saber-fazer permitiu cartografar as temperaturas estruturais e prever as zonas de sobreaquecimento, avaliando ao mesmo tempo o conforto térmico dos colaboradores, para otimizar a segurança das instalações e assegurar condições de trabalho aceitáveis.
O essencial. Para preparar a substituição de um forno a fuelóleo por um forno elétrico mais potente, a EOLIOS conduziu um estudo termo-aeráulico CFD da nave de produção de sílica. Dois desafios: proteger as vigas metálicas da radiação do vazamento (até 480 °C simulados sem proteção) e preservar o conforto dos operadores. Ecrãs anti-radiação em U com isolamento, cortinas térmicas e uma abertura de fachada trazem as vigas para menos de 100 °C e o ar das zonas de trabalho para perto da temperatura exterior.
Num local industrial dedicado ao fabrico de sílicas técnicas, utilizadas em setores tão variados como os pneus ou a cosmética, o processo assenta na fusão de silicato de sódio a alta temperatura. Uma vez levado a cerca de 1200 °C, o material em fusão é dirigido para as lingoteiras (moldes de lingote), onde é arrefecido por projeção de água antes de ser armazenado temporariamente em fossa.
No âmbito de uma transição energética, o local prevê a substituição de um forno a fuelóleo existente por um forno elétrico de nova geração, mais eficiente e menos emissivo. Esta evolução tecnológica traz, no entanto, novos desafios, ligados sobretudo ao aumento da potência térmica, à subida das temperaturas radiadas e aos riscos de aquecimento estrutural numa nave parcialmente aberta.
É neste contexto que a EOLIOS interveio para realizar um estudo termo-aeráulico completo. O objetivo: avaliar com precisão o impacto térmico do futuro forno no ambiente imediato, com base numa modelação numérica avançada (CFD) e numa auditoria in situ das condições existentes. A análise incidiu sobre duas vertentes: uma primeira fase dedicada à configuração atual da instalação, que serve de referência de comparação, e uma segunda dedicada à conceção do projeto, integrando simulações finas de radiação e de circulação de ar.
O estudo procurava responder a vários desafios: garantir a resistência mecânica das vigas expostas à radiação, preservar o conforto térmico dos operadores e antecipar as eventuais necessidades de ajuste em matéria de ventilação natural ou mecânica. Num ambiente de forte inércia térmica, a otimização do comportamento aeráulico e das proteções passivas torna-se uma alavanca estratégica de desempenho e de durabilidade.
A substituição do forno a fuelóleo por um forno elétrico de maior capacidade conduz a uma intensificação do processo térmico, com temperaturas de fusão sempre próximas de 1200 °C e um caudal duplicado. O principal desafio identificado diz respeito à radiação térmica gerada pelo vidro em fusão, em especial à saída das bicas de vazamento. Essa radiação afeta diretamente as estruturas portantes do edifício, e em particular as vigas metálicas situadas acima das lingoteiras. Ora, esses elementos estão dimensionados para temperaturas limite que podem ser localmente excedidas, como mostraram os levantamentos termográficos efetuados durante a auditoria inicial. O risco não é apenas mecânico: diz respeito também à durabilidade dos materiais, à resistência das fixações e à fiabilidade dos equipamentos situados na proximidade.
A radiação térmica é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas, sem contacto nem ar interposto. Um corpo muito quente como o vidro em fusão emite um fluxo que aquece à distância as superfícies expostas, aqui as vigas acima do vazamento. Um ecrã anti-radiação interceta esse fluxo.
Em paralelo com estas problemáticas de radiação, o funcionamento do forno gera uma circulação de ar ascendente potente, ligada à libertação de calor intensa num edifício largamente aberto ao exterior. A dinâmica dos fluxos de ar é complexa: tiragem térmica natural, velocidade do vento, formas do edifício, plataformas suspensas e obstáculos mecânicos interagem para produzir zonas de recirculação ou de estagnação de calorias em setores localizados, muitas vezes críticos para a exploração. As simulações evidenciaram assim veios de ar quente ao longo de certas paredes, aquecimentos residuais nas zonas de fossas ou de ventilação, e diferenciações importantes entre o norte e o sul da nave.
Por fim, estes fenómenos têm um impacto direto nas condições de trabalho nos espaços ocupados. A ausência de abertura a sul, a colocação de telas destinadas a limitar as poeiras ou a configuração das fossas podem conduzir a sobreaquecimentos localizados em certas zonas sensíveis do edifício: plataformas de vazamento, zonas de circulação, mezaninos ou locais técnicos. Foram identificados desvios de temperatura de +10 a +15 °C em relação ao exterior em alguns casos. Esta situação pode gerar desconforto térmico para os operadores, e mesmo restrições para os equipamentos, tanto mais nas condições de verão modeladas.
Antes de qualquer modelação, foi realizada no local uma missão de auditoria aeráulica e térmica pelos engenheiros da EOLIOS. Esta fase inicial permitiu recolher dados precisos sobre as condições reais de exploração da nave de produção. Foram efetuados levantamentos com câmara termográfica para identificar as zonas sujeitas a temperaturas elevadas, sobretudo em torno das vigas portantes, do vazamento e das fossas. Em complemento, ensaios de fumo permitiram visualizar os fluxos de ar, confirmando a presença de veios ascendentes de ar quente e de zonas de estagnação. Todo este conjunto de informações, associado a levantamentos geométricos realizados com medidor laser, serviu de base à construção do modelo 3D.
O modelo CFD foi desenvolvido a partir das plantas fornecidas, das fotografias tiradas durante a auditoria e de um levantamento detalhado do local. O objetivo era representar fielmente os volumes, as estruturas e os equipamentos que influenciam os escoamentos de ar e as trocas térmicas. O modelo integra em especial as plataformas, as vigas, as fossas de arrefecimento, as aberturas para o exterior, as cortinas, bem como as futuras instalações previstas em torno do forno elétrico.
A malha numérica, de tipo híbrido, atinge várias dezenas de milhões de células, com um refinamento local nas zonas críticas: em torno do vazamento, sob as plataformas e ao nível das condutas de insuflação. Este nível de detalhe assegura uma restituição fiel dos gradientes térmicos e aeráulicos, garantindo ao mesmo tempo a estabilidade numérica do cálculo.
As condições de fronteira foram estabelecidas a partir dos dados da auditoria e dos valores fornecidos pelo dono de obra. As fontes térmicas principais integradas no cálculo são as seguintes:
O vidro em fusão, modelado de 1200 °C a 300 °C ao longo do comprimento da lingoteira.
As paredes do forno, em torno de 80 °C.
As fossas, de 250 °C a 50 °C conforme a zona.
Os equipamentos em movimento, como os transportadores, em torno de 70 °C.
As trocas convectivas com as paredes, a natureza dos materiais (aço, sílica, lã de rocha) e a temperatura exterior de 38 °C foram integradas no cálculo. A simulação foi realizada em regime estacionário, permitindo uma leitura estabilizada das distribuições de temperatura e de velocidade de ar em todo o edifício.
Foram testadas múltiplas configurações para comparar diferentes variantes:
Presença ou não de isolamento sob as plataformas.
Integração de ecrãs anti-radiação de formas variadas (trapezoidais, planos, em U).
Adição ou não de ventiladores localizados.
Modificação da abertura das fachadas para melhorar a varredura de ar.
O conjunto das simulações foi realizado com um solver CFD industrial baseado nas equações de Navier-Stokes, com um modelo de turbulência k-ε padrão, particularmente adaptado aos ambientes de ventilação interior. Este modelo permite reproduzir os fenómenos de estratificação, de recirculação e de aceleração das massas de ar em geometrias complexas como a do local estudado.
Foi dado um cuidado particular à convergência dos cálculos, com um limite de precisão de 10⁻⁴ nos resíduos, garantindo a fiabilidade dos resultados e a estabilidade do modelo.
O modelo de turbulência k-ε resolve a energia cinética turbulenta e a sua dissipação; é um padrão robusto para a ventilação interior. Em regime estacionário, o cálculo procura o estado de equilíbrio das temperaturas e das velocidades, sem seguir a evolução no tempo.
As simulações realizadas em torno do novo forno elétrico evidenciaram uma subida marcada das temperaturas nas zonas situadas na proximidade do vazamento. As vigas metálicas situadas sob a plataforma atingem, em certas configurações, temperaturas superiores a 300 °C, sobretudo quando o ar quente radiado não pode evacuar-se livremente.
Na ausência de dispositivo de proteção, as vigas mais expostas sofrem diretamente a radiação térmica do vazamento, com valores máximos medidos entre 320 °C e 480 °C conforme os casos simulados. Estas temperaturas excedem os limites de conceção de certas estruturas, gerando riscos potenciais de deformação, de perda de resistência mecânica ou de dilatação excessiva.
Um ecrã anti-radiação é uma barreira, muitas vezes em alumínio polido com reforço isolante, colocada entre a fonte quente e o elemento a proteger. Reflete a maior parte da radiação incidente e, em forma de U invertido, orienta o ar quente para zonas de dissipação afastadas dos postos de trabalho.
O estudo comparou várias variantes de conceção para limitar este aquecimento. Nos casos em que um isolamento é colocado sob a plataforma, as temperaturas por baixo aumentam, devido a uma menor evacuação do calor. Pelo contrário, a colocação de ecrãs anti-radiação em alumínio com reforço isolante, entre o vazamento e as vigas, permite proteger eficazmente a estrutura.
As configurações com ecrã anti-radiação horizontal ou em U mostram uma redução de temperatura significativa, com vigas trazidas para menos de 160 °C, e mesmo 100 °C nas zonas protegidas.
Por outro lado, a forma do ecrã influencia diretamente a orientação dos fluxos térmicos: as versões em U invertido permitem orientar as massas de ar quente para zonas de dissipação, longe dos postos de trabalho. As soluções que integram um isolamento térmico na face superior dos ecrãs reduzem a radiação secundária para as estruturas e protegem eficazmente os elementos superiores, como a grelha metálica ou os braços dos transportadores.
À escala da nave, as simulações revelaram uma estratificação térmica importante, com temperaturas a variar de 38 °C a 52 °C entre o solo e a cobertura. As zonas mais afetadas situam-se a sul do forno, em setores inicialmente pouco ventilados, onde se constataram estagnações de calorias. Nestas zonas, o diferencial térmico pode atingir +12 °C em relação ao exterior, o que tem impacto no conforto e nas condições de trabalho.
A criação de uma abertura na fachada sudeste, recomendada pela EOLIOS, permitiu introduzir um fluxo de ar novo nas simulações. Esta modificação reduz as temperaturas na zona crítica para cerca de 43 °C e melhora nitidamente a circulação de ar. Além disso, cortinas térmicas posicionadas em torno das zonas de vazamento demonstraram a sua eficácia na proteção dos operadores contra a radiação direta.
A configuração final, que integra o conjunto dos dispositivos recomendados pela EOLIOS (ecrãs anti-radiação em U com isolamento, cortinas térmicas, ventiladores localizados, abertura na fachada), permite trazer as temperaturas das vigas para níveis compatíveis com a sua utilização corrente, assegurando ao mesmo tempo ambientes aceitáveis ao nível do pessoal.
Os resultados mostram temperaturas de vigas inferiores a 100 °C na maioria dos casos, com alguns picos de 115 a 150 °C nas zonas mais próximas das bicas de vazamento. O ar ambiente nas zonas de trabalho está globalmente próximo da temperatura exterior (38 a 40 °C) e os penachos térmicos ficam bem canalizados na cobertura, longe dos postos ocupados.
Esta solução equilibrada permite reduzir significativamente as restrições térmicas sobre as estruturas, mantendo um bom nível de conforto térmico no ambiente imediato do processo.
A reter. Num processo a muito alta temperatura, a proteção passiva prevalece: interceptar a radiação na origem (ecrãs anti-radiação) custa menos e protege melhor do que sobreventilar toda a nave. A CFD serve para colocar esses ecrãs no lugar certo e verificar que não retêm o calor noutro ponto.
Graças à sua especialidade em engenharia termo-aeráulica e à utilização de ferramentas de simulação numérica avançada (CFD), a EOLIOS permitiu ao operador do local de produção de sílica antecipar com precisão os efeitos térmicos ligados à instalação de um novo forno elétrico de elevada potência.
O estudo conduzido evidenciou as zonas sensíveis ao aquecimento e as dinâmicas de fluxo de ar complexas no interior da nave, identificando ao mesmo tempo alavancas de melhoria concretas para reforçar a segurança estrutural, o conforto dos operadores e a durabilidade dos equipamentos.
Ao propor uma solução global que integra ecrãs anti-radiação otimizados, ventilação natural e mecânica adaptada, e melhoria das aberturas de fachada, a EOLIOS contribuiu para garantir o êxito do projeto numa lógica de transição energética dominada. Esta intervenção ilustra a capacidade da EOLIOS de acompanhar os industriais nos seus projetos mais exigentes, combinando análise de terreno, modelação numérica de alto nível e engenharia aplicada.
Especialidade: ventilação natural industrial Saber-fazer: os fenómenos termo-aeráulicos na indústria Especialidade: dimensionamento de chaminés industriaisRadiação do vazamento, aquecimento das estruturas e conforto térmico numa nave de produção a alta temperatura.
O vidro em fusão a 1200 °C emite uma radiação intensa que aquece à distância as vigas situadas acima, até 320 a 480 °C simulados sem proteção, além dos seus limites de conceção. O risco é a deformação e a perda de resistência mecânica. Um desafio próximo foi tratado no nosso projeto ventilação natural de uma fábrica siderúrgica.
Colocados entre o vazamento e as vigas, os ecrãs anti-radiação em alumínio com reforço isolante refletem a radiação e protegem a estrutura. As configurações em U trazem as vigas para menos de 160 °C, e mesmo 100 °C nas zonas protegidas, orientando o ar quente para zonas de dissipação.
A nave apresenta uma estratificação de 38 a 52 °C entre o solo e a cobertura. A criação de uma abertura na fachada sudeste introduz ar novo e traz a zona crítica para cerca de 43 °C; cortinas térmicas em torno do vazamento protegem os operadores da radiação direta.
Os levantamentos com câmara termográfica localizam as zonas quentes (vigas, vazamento, fossas) e os ensaios de fumo visualizam os fluxos de ar. Associados aos levantamentos geométricos com medidor laser, calibram o modelo CFD nas condições reais do local.
O processo funciona em contínuo em condições quase constantes; o estado de equilíbrio térmico e aeráulico é suficiente para dimensionar as proteções. O regime estacionário, com um modelo k-ε e uma convergência dos resíduos a 10⁻⁴, dá uma leitura estabilizada das temperaturas e das velocidades.
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O estudo termo-aeráulico conduzido pela EOLIOS permitiu caracterizar os efeitos do novo forno elétrico no ambiente do local, tanto nas estruturas como no conforto dos operadores. Graças a uma modelação CFD detalhada e a uma auditoria de terreno aprofundada, foram identificadas as zonas de aquecimento, de estagnação de ar e de radiação excessiva. As soluções propostas, ecrãs anti-radiação, melhoria da ventilação e proteções térmicas, asseguram a segurança das estruturas, o controlo dos ambientes de trabalho e a longevidade das instalações.
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