EOLIOS a vérifié et amélioré par simulation CFD la conception du système de régulation thermique d'une usine au Canada, dont le procédé innovant associe plusieurs fours à haute température.
L'objectif de cette étude est de vérifier et améliorer la conception du système de régulation thermique d'une usine située au Canada à l'aide de la modélisation numérique CFD. Il s'agit de comprendre et maîtriser les phénomènes thermo-aérauliques particuliers induits par les différentes étapes de fabrication d'un procédé innovant associant des fours à haute température.
L'étude s'articule autour de quatre axes : l'optimisation de la diffusion de l'air extérieur, la compréhension de la distribution de température selon les saisons, l'évaluation du confort thermique des opérateurs et l'étude de l'évacuation des polluants, le tout concentré sur la salle de production.
Les simulations ont été réalisées par la méthode CFD (Computational Fluid Dynamics), qui permet d'analyser et de prédire les mouvements des fluides tels que l'air. Cette approche virtuelle permet de simuler les phénomènes thermo-aérauliques dans l'usine en prenant en compte les interactions entre les différentes surfaces, les sources de chaleur et les flux d'air. Grâce à la CFD, il devient possible de visualiser et d'analyser en détail les écoulements et les températures, pour une meilleure compréhension des process et une optimisation des performances et de la sécurité des installations.
La modélisation géométrique est une étape clé : elle représente fidèlement la géométrie du bâtiment et définit les conditions aux limites (parois, ouvertures vers l'extérieur, apports internes de chaleur), tout en simplifiant le modèle pour faciliter l'interprétation des résultats. Pour le modèle 3D de l'usine, tous les volumes d'air et les parois en contact avec l'extérieur ont été repris, ainsi que les pièces environnantes — afin de prendre en compte les transferts thermiques entre locaux et les ponts thermiques liés aux matériaux.
La chaîne de production et ses procédés ont été modélisés — notamment les fours — de même que les systèmes de diffusion de la climatisation du hall (ventilateurs d'alimentation et d'extraction au plafond). Trois persiennes en hauteur sur la façade ouest, gainées sur toute la hauteur du mur, laissent pénétrer l'air extérieur par la partie inférieure. Les températures, puissances et débits des machines ont été renseignés ; le système de ventilation dépendant des conditions extérieures (de −23 °C en hiver à 32 °C en été), l'étude a porté sur ces deux saisons.
Les premières simulations ont été menées pour un fonctionnement estival — cas le plus critique du fait des températures élevées — avec tous les systèmes générateurs de calories à leur température maximale, une température extérieure de 32 °C et les apports solaires pris en compte.
La simulation montre qu'globalement les températures sont correctes et que le système CVC est plutôt bien dimensionné : les mouvements d'air générés par les buses entraînent une circulation d'environ 0,5 m/s dans tout l'espace, y compris entre les lignes de production, assurant des températures homogènes. Les températures ambiantes varient de 36 °C à 42 °C selon la hauteur (delta d'environ 10 °C avec l'air soufflé). En revanche, sous le toit, une partie de l'air chargé de calories peine à être évacuée et la température peut atteindre 50 °C : les buses de la partie Nord se trouvent dans l'axe des hottes d'extraction, créant un by-pass ; au centre, les hottes trop proches des fours voient leur aspiration perturbée, et leurs surfaces sont insuffisantes face à la taille des panaches thermiques.
À la suite de cette première simulation, EOLIOS a recommandé de déplacer les gaines de soufflage du mur Nord pour souffler dans des directions plus stratégiques et ne pas perturber l'aspiration localisée des hottes, et de supprimer les buses sur les 2 derniers mètres des gaines (l'air froid soufflé à cette hauteur étant directement repris par les aspirations, créant un by-pass inutile au refroidissement de la partie basse).
Les équipes ont également retravaillé les surfaces d'aspiration des hottes — pour supprimer les espaces entre deux hottes — et, lorsque possible, cloisonner la sortie des fours et les hottes (notamment au Nord et au Sud). Ce cloisonnement n'a pas besoin d'être parfaitement hermétique : il s'agit de guider les panaches thermiques sortant des fours.
Le cloisonnement évite que les calories rejetées aux extrémités de la ligne ne se dispersent dans l'environnement ; le déplacement des gaines vers le Nord et la réduction de la hauteur des buses distribuent mieux l'air frais dans les zones importantes ; l'augmentation des surfaces d'aspiration au centre capte mieux les panaches des fours principaux. Résultat : des températures ambiantes de 35 °C à 40 °C au niveau des lignes, 41 °C à 45 °C sous le toit (pointes à 50 °C au centre) — soit environ 2 °C de moins qu'avec la conception existante en tout point.
En conditions hivernales, la température extérieure est la plus basse et les calories internes considérées au minimum. Malgré l'arrêt des deux systèmes de soufflage, l'air reste en mouvement en tout point — pas de zone morte problématique. Les températures varient de 15 °C au sol à 20 °C au dernier étage de la ligne, et de 20 °C à 25 °C sous le toit (pics ~30 °C aux parties centrale et Nord, dus à la réduction du débit d'aspiration des hottes en hiver).
Toutefois, des températures très froides sont atteintes au niveau des persiennes : l'une souffle de l'air à une température inférieure à 0 °C, refroidissant fortement la pièce et créant un inconfort pour les opérateurs à proximité. Nous avons conseillé de fermer cette persienne par grand froid. Pour le reste, la régulation thermique hivernale est bien adaptée : température homogène et soufflage atteignant toutes les zones importantes.
Une étude de dispersion des polluants a été menée pour la situation estivale. Elle montre que les hottes au-dessus des cuves d'acide en début de ligne captent la totalité des émissions, tandis qu'une partie des émissions des cuves de pré et post-lessivage est moins bien évacuée et risque de stagner sous le toit, dans la zone basse vitesse sous les ventilateurs de la partie Nord.
Un troisième scénario, impliquant la fermeture d'une ventelle jugée contre-productive, a montré que cette fermeture favorise la stratification de l'air chaud, améliorant le tirage thermique et l'évacuation de l'air chargé en chaleur. Cela confirme l'importance du bon placement des extractions et des ouvertures d'aération : les recommandations encouragent l'ajout d'aérateurs ciblés et la fermeture de certaines ouvertures pour optimiser la stratification.
Savoir-faire : ventilation industrielle, captation des calories & qualité d'air
L'étude porte sur le système de régulation thermique d'une usine à process haute température, vérifié et optimisé par simulation CFD. Articulée autour de quatre axes — diffusion de l'air extérieur, distribution de température selon les saisons, confort des opérateurs et évacuation des polluants — elle a conduit EOLIOS à proposer une nouvelle configuration (hottes, gaines de soufflage et buses) permettant une meilleure extraction de la chaleur en été et une meilleure distribution de l'air frais dans les zones importantes.
Le plus simple, c'est d'en discuter ensemble. Nos ingénieurs vous répondent avec une première lecture technique.
