Estudio termoaeráulico en Höganäs Belgium: bajar las temperaturas y mejorar la disipación del calor, en particular en la nave de fusión.
EOLIOS realizó una auditoría termo-aeráulica del emplazamiento de Höganäs Belgium. EOLIOS llevó a cabo una auditoría termo-aeráulica en el emplazamiento de Höganäs Belgium, una empresa especializada en la metalurgia de polvos de alta aleación. El objetivo principal de este estudio era bajar las temperaturas y mejorar la disipación del calor, poniendo especial énfasis en la nave de fusión, donde se sitúan los dos hornos.
Esta iniciativa buscaba aumentar el confort de los operarios a lo largo de todo el proceso de producción. El reto central del proyecto era dominar los fenómenos termo-aeráulicos específicos ligados a las diferentes etapas de fabricación a temperaturas extremadamente elevadas.
Lo esencial. EOLIOS auditó el confort térmico de la acería Höganäs Belgium (Ath), especializada en metalurgia de polvos. Localización de las entradas de aire, ensayos de humo y cámara térmica alimentaron un modelo CFD de la nave de fusión (hornos 3T y 5T). Dos escenarios comparados muestran que nuevos extractores en la cubierta, con los ventiladores detenidos, evacuan el calor mucho mejor y bajan la temperatura de trabajo.
Esta auditoría estudia la ventilación y las aberturas para identificar las primeras mejoras posibles.
La auditoría termo-aeráulica combina el levantamiento de las aberturas, ensayos de humo y termografía para cartografiar, in situ, los flujos de aire y las fuentes de calor antes de cualquier modelización. Aporta los datos de una auditoría de humo que alimentan luego la simulación.
Dos grandes puertas en cada extremo del edificio permanecen generalmente abiertas en la planta baja, dejando entrar el aire. Otra puerta, que da a la nave de almacenamiento, está a menudo abierta, permitiendo que el aire salga de la zona de estudio. Todas las puertas de la fábrica funcionan como entradas de aire, provocando una importante infiltración de aire fresco cuando están abiertas, lo que puede causar incomodidad en invierno.
También hay entradas de aire en la planta superior del edificio, y para mejorar el confort de los técnicos que trabajan cerca de los hornos, se han instalado varios ventiladores en la primera planta.
Los hornos generan una importante cantidad de calor que se eleva hacia el techo. Para bajar la temperatura en la planta del edificio, se colocan ventiladores en el techo, facilitando la evacuación del calor hacia el exterior. El techo está equipado con diversos dispositivos de extracción de aire natural.
Un ensayo de humo en un edificio industrial es un método utilizado para evaluar el confort térmico y la calidad del aire en el interior del edificio.
Para evaluar el confort térmico, se utiliza humo para visualizar el movimiento del aire y las corrientes de aire en el interior del edificio. Esto permite detectar las zonas donde hay corrientes de aire excesivas o problemas de circulación del aire, lo que puede provocar zonas de temperaturas incómodas.
En lo que respecta a la calidad del aire, el ensayo de humo permite mostrar los recorridos del aire en el interior del edificio. Permite poner en evidencia las infiltraciones de aire no deseadas, las fugas en la envolvente del edificio, los defectos de estanqueidad y los problemas de ventilación. Al visualizar el desplazamiento del humo, es posible identificar las zonas donde el aire está estancado, donde los contaminantes pueden acumularse y donde la aireación es insuficiente.
Estos ensayos permiten a los ingenieros de EOLIOS identificar los problemas potenciales ligados al confort térmico y a la calidad del aire, y tomar las medidas necesarias para mejorar las condiciones en el interior del edificio. Esto puede incluir ajustes en el sistema de calefacción, ventilación y climatización, reparaciones para mejorar la estanqueidad del edificio o incluso modificaciones en la configuración del espacio interior para optimizar la circulación del aire.
Los ensayos de humo revelan diversos esquemas de circulación del aire en el edificio. En la planta superior, el aire se dirige hacia el exterior por las ventanas abiertas, mientras que una parte sube hacia el techo. Cerca de los ventiladores, el aire caliente es empujado hacia abajo, creando una homogeneización de la temperatura, aunque provocando un aumento del calor en las partes bajas.
Los ventiladores cercanos a los hornos generan movimientos de aire, pero no favorecen una mejor evacuación del calor. En algunas zonas se produce un flujo biflujo, con aire caliente subiendo hacia los bucles de extracción y aire más frío dirigiéndose hacia los hornos. También se producen fenómenos de estratificación térmica, separando las zonas de aire caliente y de aire frío.
Esta sección tiene como objetivo poner en evidencia las principales fuentes de los fenómenos térmicos y las zonas más o menos densas en calor. Los análisis con cámara térmica sirven para establecer una representación de las zonas calientes y frías con vistas a apoyar los estudios numéricos.
La Mecánica de Fluidos Numérica (MFN), o Computational Fluid Dynamics (CFD) en inglés, es un enfoque numérico para analizar los flujos de fluidos en un entorno dado, en particular en el diseño de edificios. Permite obtener información sobre las velocidades del aire, las presiones y las temperaturas en el interior y alrededor de los espacios de construcción. Este método utiliza ecuaciones en derivadas parciales para resolver numéricamente los fenómenos, teniendo en cuenta las condiciones de contorno tales como los efectos aeráulicos del edificio, las ganancias de calor internas y los sistemas de climatización. Las simulaciones CFD son esenciales para optimizar la ventilación y la climatización de los grandes espacios, garantizando un confort óptimo.
Las ecuaciones en derivadas parciales necesitan condiciones de contorno para resolverse. Estas se establecen basándose en los datos de medición in situ y la información de la dirección de obra. Para un estudio en régimen estacionario en un espacio abierto hacia el exterior, hay que definir las características de las paredes (material, propiedades físicas, viscosidad, temperatura) así como las de las superficies expuestas al exterior (sentido del flujo, velocidad, presión, temperatura, coeficientes de superficie). Es crucial garantizar la estabilidad del cálculo al definir estas condiciones, ya que la resolución de las ecuaciones se realiza de manera iterativa para aproximarse a la solución.
El solucionador del código utilizado resuelve de manera aproximada las ecuaciones en cada nodo de la malla, respetando los principios fundamentales de la física (conservación de masa y de energía). Utiliza el modelo de turbulencia k-epsilon estándar, que resuelve dos variables: la energía cinética turbulenta y la tasa de disipación de energía cinética. Este modelo se utiliza ampliamente en las aplicaciones industriales y en HVAC debido a su buena velocidad de convergencia y a sus exigencias de memoria aceptables. Para los estudios termoaeráulicos, se tienen en cuenta el efecto de los intercambios radiativos entre las paredes, la conducción térmica, el tiro térmico y la gravedad. Los estudios se realizan sobre el conjunto del edificio sin establecer un corte de simetría.
El modelo k-epsilon es un modelo de turbulencia de dos ecuaciones (energía cinética turbulenta y su tasa de disipación). Ampliamente utilizado en HVAC y en la industria, ofrece un buen compromiso entre precisión, velocidad de convergencia y necesidades de memoria.
En el marco del estudio CFD, se modelizó la totalidad del edificio con el fin de tener en cuenta las diferentes máscaras aeráulicas creadas por los distintos módulos del emplazamiento.
Los hornos y la configuración interna del edificio de fusión se modelizaron a partir de los datos del emplazamiento, al igual que los ventiladores y las aberturas que afectan a los movimientos de aire. El objetivo es obtener una representación precisa de los movimientos de aire complejos propios de estos locales.
El objetivo de los estudios era poner en evidencia los fenómenos térmicos presentes en el emplazamiento utilizando dos escenarios distintos: un escenario de base con condiciones similares a las de la auditoría y otro escenario con condiciones que permiten una optimización de la extracción de las calorías.
La auditoría reveló una ausencia de elevación térmica en la planta baja, al contrario que en la primera planta, donde los hornos y el precalentamiento de los moldes generan temperaturas elevadas. También puso en evidencia una falta de extracción de aire bajo la cubierta, impidiendo la evacuación eficaz del calor.
Se realizó un estudio de aislamiento, que recomendó un espesor de aislante adecuado. Sin embargo, la temperatura interior depende más de los movimientos de aire y de las fuentes de calor que del aislamiento.
El primer escenario mostró similitudes con la auditoría, revelando masas de aire separadas debido a una extracción insuficiente en la cubierta.
El segundo escenario implementó nuevos sistemas de extracción en la cubierta y detuvo los ventiladores, mejorando significativamente la extracción del calor, reduciendo la difusión del calor y mejorando la calidad del aire. Sin embargo, persisten zonas más calientes alrededor de las fuentes de calor, lo que sugiere un posible aumento del número de sistemas de extracción.
Una isosuperficie de temperatura une todos los puntos del espacio a una misma temperatura (por ejemplo 40 °C). Visualiza de un vistazo el volumen ocupado por el aire caliente y su retroceso entre el escenario de base y el escenario optimizado.
A recordar. En una nave de fusión, el aislamiento cuenta menos que el dominio de los movimientos de aire: es la extracción del aire caliente en la cubierta, más que el espesor de aislante, la que baja la temperatura percibida por los operarios.
Confort térmico, ensayos de humo y extracción del calor en una nave de fusión.
Evacuando el aire caliente lo más arriba posible. El estudio muestra que nuevos extractores en la cubierta, con los ventiladores detenidos, evacuan el calor mucho mejor que la mezcla del aire. Un enfoque similar se aplicó en nuestro proyecto ventilación natural de una acería.
Hace visibles las trayectorias reales del aire mediante un humo trazador no contaminante. Revela las infiltraciones por las puertas, las zonas de estancamiento y la estratificación térmica, imposibles de percibir a simple vista.
Los ventiladores situados cerca de los hornos mezclan el aire sin evacuarlo: empujan el aire caliente hacia abajo y calientan las partes bajas. Al detenerlos y abrir extracciones en la cubierta, el calor sale del edificio por tiro térmico.
No. El estudio de aislamiento recomienda un espesor adecuado, pero la temperatura interior depende sobre todo de los movimientos de aire y de las fuentes de calor. Sin una extracción eficaz, el aislamiento por sí solo no basta.
La cámara térmica cartografía las zonas calientes y frías reales en el sitio; estos registros sirven de datos de entrada y de calibración al modelo CFD, que extiende luego el análisis a todo el volumen y a escenarios no realizados.
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Estudio termo-aeráulico CFD de una acería (Höganäs Belgium, Ath) para la optimización del confort de los operarios: auditoría in situ (localización de las entradas de aire, ensayos de humo, cámara térmica), modelo 3D completo de la nave de fusión (hornos 3T y 5T) y simulaciones CFD que comparan un escenario de base con un escenario optimizado de extracción en la cubierta para evacuar el calor y mejorar la calidad del aire.
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