EOLIOS verificó y mejoró mediante simulación CFD el diseño del sistema de regulación térmica de una fábrica en Canadá, cuyo proceso innovador combina varios hornos de alta temperatura.
El objetivo de este estudio es verificar y mejorar el diseño del sistema de regulación térmica de una fábrica situada en Canadá mediante el modelado numérico CFD. Se trata de comprender y controlar los fenómenos termo-aeráulicos particulares inducidos por las distintas etapas de fabricación de un proceso innovador que combina hornos de alta temperatura.
El estudio se articula en torno a cuatro ejes: la optimización de la difusión del aire exterior, la comprensión de la distribución de temperatura según las estaciones, la evaluación del confort térmico de los operarios y el estudio de la evacuación de los contaminantes, todo ello centrado en la sala de producción.
Las simulaciones se realizaron mediante el método CFD (Computational Fluid Dynamics), que permite analizar y predecir los movimientos de los fluidos como el aire. Este enfoque virtual permite simular los fenómenos termo-aeráulicos en la fábrica teniendo en cuenta las interacciones entre las distintas superficies, las fuentes de calor y los flujos de aire. Gracias a la CFD, resulta posible visualizar y analizar en detalle los flujos y las temperaturas, para una mejor comprensión de los procesos y una optimización del rendimiento y de la seguridad de las instalaciones.
El modelado geométrico es una etapa clave: representa fielmente la geometría del edificio y define las condiciones de contorno (paredes, aberturas hacia el exterior, aportes internos de calor), simplificando a la vez el modelo para facilitar la interpretación de los resultados. Para el modelo 3D de la fábrica, se recogieron todos los volúmenes de aire y las paredes en contacto con el exterior, así como las estancias circundantes — con el fin de tener en cuenta las transferencias térmicas entre locales y los puentes térmicos ligados a los materiales.
La cadena de producción y sus procesos fueron modelados — en particular los hornos — al igual que los sistemas de difusión de la climatización de la nave (ventiladores de alimentación y de extracción en el techo). Tres persianas en altura en la fachada oeste, encañonadas en toda la altura del muro, dejan penetrar el aire exterior por la parte inferior. Se introdujeron las temperaturas, potencias y caudales de las máquinas; al depender el sistema de ventilación de las condiciones exteriores (de −23 °C en invierno a 32 °C en verano), el estudio se centró en estas dos estaciones.
Las primeras simulaciones se realizaron para un funcionamiento estival — el caso más crítico debido a las temperaturas elevadas — con todos los sistemas generadores de calorías a su temperatura máxima, una temperatura exterior de 32 °C y los aportes solares tenidos en cuenta.
La simulación muestra que globalmente las temperaturas son correctas y que el sistema HVAC está bastante bien dimensionado: los movimientos de aire generados por las toberas provocan una circulación de aproximadamente 0,5 m/s en todo el espacio, incluso entre las líneas de producción, asegurando temperaturas homogéneas. Las temperaturas ambiente varían de 36 °C a 42 °C según la altura (delta de aproximadamente 10 °C con el aire impulsado). En cambio, bajo el techo, una parte del aire cargado de calorías cuesta ser evacuada y la temperatura puede alcanzar los 50 °C: las toberas de la parte Norte se sitúan en el eje de las campanas de extracción, creando un bypass; en el centro, las campanas demasiado próximas a los hornos ven su aspiración perturbada, y sus superficies son insuficientes frente al tamaño de los penachos térmicos.
Tras esta primera simulación, EOLIOS recomendó desplazar los conductos de impulsión del muro Norte para impulsar en direcciones más estratégicas y no perturbar la aspiración localizada de las campanas, y suprimir las toberas en los 2 últimos metros de los conductos (el aire frío impulsado a esa altura es directamente recogido por las aspiraciones, creando un bypass inútil para la refrigeración de la parte baja).
Los equipos también reelaboraron las superficies de aspiración de las campanas — para suprimir los espacios entre dos campanas — y, cuando fue posible, tabicar la salida de los hornos y las campanas (en particular al Norte y al Sur). Este tabicado no necesita ser perfectamente hermético: se trata de guiar los penachos térmicos que salen de los hornos.
El tabicado evita que las calorías expulsadas en los extremos de la línea se dispersen en el entorno; el desplazamiento de los conductos hacia el Norte y la reducción de la altura de las toberas distribuyen mejor el aire fresco en las zonas importantes; el aumento de las superficies de aspiración en el centro capta mejor los penachos de los hornos principales. Resultado: temperaturas ambiente de 35 °C a 40 °C a la altura de las líneas, 41 °C a 45 °C bajo el techo (picos de 50 °C en el centro) — es decir, aproximadamente 2 °C menos que con el diseño existente en todo punto.
En condiciones invernales, la temperatura exterior es la más baja y las calorías internas se consideran al mínimo. A pesar de la parada de los dos sistemas de impulsión, el aire permanece en movimiento en todo punto — sin zona muerta problemática. Las temperaturas varían de 15 °C en el suelo a 20 °C en el último nivel de la línea, y de 20 °C a 25 °C bajo el techo (picos ~30 °C en las partes central y Norte, debidos a la reducción del caudal de aspiración de las campanas en invierno).
No obstante, se alcanzan temperaturas muy frías a la altura de las persianas: una impulsa aire a una temperatura inferior a 0 °C, enfriando fuertemente la estancia y creando incomodidad para los operarios próximos. Aconsejamos cerrar esta persiana con frío intenso. Por lo demás, la regulación térmica invernal está bien adaptada: temperatura homogénea e impulsión que alcanza todas las zonas importantes.
Se realizó un estudio de dispersión de los contaminantes para la situación estival. Muestra que las campanas por encima de las cubas de ácido al inicio de la línea captan la totalidad de las emisiones, mientras que una parte de las emisiones de las cubas de pre y post-lavado se evacua peor y corre el riesgo de estancarse bajo el techo, en la zona de baja velocidad bajo los ventiladores de la parte Norte.
Un tercer escenario, que implica el cierre de una lama considerado contraproducente, mostró que este cierre favorece la estratificación del aire caliente, mejorando el tiro térmico y la evacuación del aire cargado de calor. Esto confirma la importancia de la correcta ubicación de las extracciones y de las aberturas de aireación: las recomendaciones fomentan la incorporación de aireadores específicos y el cierre de ciertas aberturas para optimizar la estratificación.
Saber hacer: ventilación industrial, captación de las calorías y calidad del aire
El estudio trata sobre el sistema de regulación térmica de una fábrica de proceso de alta temperatura, verificado y optimizado mediante simulación CFD. Articulado en torno a cuatro ejes — difusión del aire exterior, distribución de temperatura según las estaciones, confort de los operarios y evacuación de los contaminantes — llevó a EOLIOS a proponer una nueva configuración (campanas, conductos de impulsión y toberas) que permite una mejor extracción del calor en verano y una mejor distribución del aire fresco en las zonas importantes.
Lo más sencillo es hablarlo juntos. Nuestros ingenieros te responden con una primera lectura técnica.
