Estudio termo-aeráulico CFD de la sustitución de un horno de fusión de sílice por un horno eléctrico: cartografía de la radiación sobre las estructuras, protección de las vigas y confort térmico de los operarios.
La pericia de EOLIOS en simulación CFD y en análisis térmico de las estructuras desempeñó un papel determinante en el estudio de un horno industrial que genera una radiación intensa sobre las vigas metálicas, con el consiguiente riesgo de deformación. Nuestro saber hacer permitió cartografiar las temperaturas estructurales y prever las zonas de sobrecalentamiento, evaluando a la vez el confort térmico de los empleados, para optimizar la seguridad de las instalaciones y garantizar unas condiciones de trabajo aceptables.
Lo esencial. Para preparar la sustitución de un horno de fuelóleo por un horno eléctrico más potente, EOLIOS realizó un estudio termo-aeráulico CFD de la nave de producción de sílice. Dos retos: proteger las vigas metálicas de la radiación de la colada (hasta 480 °C simulados sin protección) y preservar el confort de los operarios. Pantallas antirradiación en U aisladas, cortinas térmicas y una abertura de fachada dejan las vigas por debajo de 100 °C y mantienen el aire de las zonas de trabajo próximo a las condiciones exteriores.
En un sitio industrial dedicado a la fabricación de sílices técnicas, empleadas en sectores variados como los neumáticos o la cosmética, el proceso se basa en la fusión de silicato de sodio a alta temperatura. Una vez llevado a unos 1200 °C, el material fundido se dirige hacia unas lingoteras, donde se enfría por proyección de agua antes de almacenarse temporalmente en fosa.
En el marco de una transición energética, el sitio prevé la sustitución de un horno de fuelóleo existente por un horno eléctrico de nueva generación, de mayor rendimiento y menos emisivo. Esta evolución tecnológica conlleva sin embargo nuevos retos, en particular ligados al aumento de la potencia térmica, a la elevación de las temperaturas radiadas y a los riesgos de calentamiento estructural en una nave parcialmente abierta.
Es en este contexto en el que EOLIOS intervino para realizar un estudio termo-aeráulico completo. El objetivo: evaluar de manera precisa el impacto térmico del futuro horno sobre su entorno inmediato, apoyándose en una modelización numérica avanzada (CFD) y en una auditoría in situ de las condiciones existentes. El análisis se centró en dos vertientes: una primera fase dedicada a la configuración actual de la instalación, que sirve de referencia de comparación, y una segunda dedicada al diseño del proyecto, integrando simulaciones detalladas de radiación y de circulación de aire.
El estudio buscaba responder a varios retos: garantizar la resistencia mecánica de las vigas expuestas a la radiación, preservar el confort térmico de los operarios y anticipar las eventuales necesidades de ajuste en materia de ventilación natural o mecánica. En un entorno de alta inercia térmica, la optimización del comportamiento aeráulico y de las protecciones pasivas se convierte en una palanca estratégica de rendimiento y de durabilidad.
La sustitución del horno de fuelóleo por un horno eléctrico de mayor capacidad induce una intensificación del proceso térmico, con temperaturas de fusión siempre próximas a 1200 °C y un caudal duplicado. El principal reto identificado afecta a la radiación térmica generada por el vidrio fundido, en particular a la salida de las boquillas de colada. Esta radiación afecta directamente a las estructuras portantes del edificio, y en especial a las vigas metálicas situadas sobre las lingoteras. Ahora bien, estos elementos están dimensionados para temperaturas límite que pueden superarse localmente, como mostraron las mediciones termográficas efectuadas durante la auditoría inicial. El riesgo no es solo mecánico: también afecta a la durabilidad de los materiales, a la resistencia de las fijaciones y a la fiabilidad de los equipos situados en las inmediaciones.
La radiación térmica es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas, sin contacto ni aire interpuesto. Un cuerpo muy caliente como el vidrio fundido emite un flujo que calienta a distancia las superficies expuestas, aquí las vigas sobre la colada. Una pantalla antirradiación reflectante intercepta este flujo.
Paralelamente a estas problemáticas de radiación, el funcionamiento del horno genera una potente circulación de aire ascendente, ligada al desprendimiento de calor intenso en un edificio muy abierto al exterior. La dinámica de los flujos de aire es compleja: tiro térmico natural, velocidad del viento, formas del edificio, plataformas suspendidas y obstáculos mecánicos interactúan para producir zonas de recirculación o de estancamiento de calorías en sectores localizados, a menudo críticos para la explotación. Las simulaciones pusieron así de manifiesto venas de aire caliente a lo largo de ciertas paredes, calentamientos residuales en las zonas de fosas o de ventilación, y diferencias importantes entre el norte y el sur de la nave.
Por último, estos fenómenos impactan directamente en las condiciones de trabajo en los espacios ocupados. La ausencia de abertura al sur, la incorporación de lonas destinadas a limitar el polvo o la configuración de las fosas pueden conducir a sobrecalentamientos localizados en ciertas zonas sensibles del edificio: plataformas de colada, zonas de circulación, entreplantas o locales técnicos. En algunos casos se identificaron diferencias de temperatura de +10 a +15 °C respecto al exterior. Esta situación puede generar una molestia térmica para los operarios, o incluso restricciones sobre los equipos, tanto más en las condiciones estivales modelizadas.
Antes de cualquier modelización, los ingenieros de EOLIOS realizaron en el sitio una misión de auditoría aeráulica y térmica. Esta fase inicial permitió recopilar datos precisos sobre las condiciones de explotación reales de la nave de producción. Se efectuaron mediciones con cámara termográfica con el fin de identificar las zonas sometidas a altas temperaturas, en particular en torno a las vigas portantes, a la colada y a las fosas. De forma complementaria, unos ensayos de humo permitieron visualizar los flujos de aire, confirmando la presencia de venas ascendentes de aire caliente y de zonas de estancamiento. El conjunto de esta información, unido a mediciones geométricas realizadas con medidor láser, sirvió de base para la construcción del modelo 3D.
El modelo CFD se desarrolló a partir de los planos facilitados, de las fotos tomadas durante la auditoría y de una medición de sitio detallada. El objetivo era representar fielmente los volúmenes, estructuras y equipos que influyen en los flujos de aire y en los intercambios térmicos. El modelo integra en particular las plataformas, vigas, fosas de enfriamiento, aberturas al exterior, cortinas, así como las futuras instalaciones previstas en torno al horno eléctrico.
La malla numérica, de tipo híbrido, alcanza varias decenas de millones de celdas, con un refinamiento local en las zonas críticas: en torno a la colada, bajo las plataformas y a nivel de los conductos de impulsión. Este nivel de detalle asegura una restitución fiel de los gradientes térmicos y aeráulicos, garantizando al mismo tiempo la estabilidad numérica del cálculo.
Las condiciones de contorno se establecieron a partir de los datos de la auditoría y de los valores facilitados por la propiedad. Las fuentes térmicas principales integradas en el cálculo son las siguientes:
El vidrio fundido, modelizado de 1200 °C a 300 °C a lo largo de la lingotera.
Las paredes del horno, en torno a los 80 °C.
Las fosas, de 250 °C a 50 °C según la zona.
Los equipos en movimiento, como los transportadores, en torno a los 70 °C.
Los intercambios convectivos con las paredes, la naturaleza de los materiales (acero, sílice, lana de roca) y la temperatura exterior de 38 °C se integraron en el cálculo. La simulación se realizó en régimen estacionario, lo que permite una lectura estabilizada de las distribuciones de temperatura y de velocidad de aire en todo el edificio.
Se probaron configuraciones múltiples con el fin de comparar diferentes variantes:
Presencia o no de aislante bajo las plataformas.
Integración de pantallas antirradiación de formas variadas (trapezoidales, planas, en U).
Adición o no de ventiladores localizados.
Modificación de la abertura de las fachadas para mejorar el barrido de aire.
El conjunto de las simulaciones se realizó con un solver CFD industrial basado en las ecuaciones de Navier-Stokes, con un modelo de turbulencia k-ε estándar, especialmente adaptado a los entornos de ventilación interna. Este modelo permite reproducir los fenómenos de estratificación, de recirculación y de aceleración de las masas de aire en geometrías complejas como la del sitio estudiado.
Se prestó una atención especial a la convergencia de los cálculos, con un umbral de precisión de 10⁻⁴ sobre los residuos, que garantiza la fiabilidad de los resultados y la estabilidad del modelo.
El modelo de turbulencia k-ε resuelve la energía cinética turbulenta y su disipación; es un estándar robusto para la ventilación interna. En régimen estacionario, el cálculo busca el estado de equilibrio de las temperaturas y las velocidades, sin seguir su evolución en el tiempo.
Las simulaciones realizadas en torno al nuevo horno eléctrico pusieron de manifiesto una elevación marcada de las temperaturas en las zonas situadas cerca de la colada. Las vigas metálicas situadas bajo la plataforma alcanzan, en ciertas configuraciones, temperaturas superiores a 300 °C, en particular cuando el aire caliente radiado no puede evacuarse libremente.
En ausencia de dispositivo de protección, las vigas más expuestas sufren directamente la radiación térmica de la colada, con valores máximos medidos entre 320 °C y 480 °C según los casos simulados. Estas temperaturas superan los límites de diseño de ciertas estructuras, generando riesgos potenciales de deformación, de pérdida de resistencia mecánica o de dilatación excesiva.
Una pantalla antirradiación es una pantalla, a menudo de aluminio pulido con refuerzo aislante, colocada entre la fuente caliente y el elemento a proteger. Refleja la mayor parte de la radiación incidente y, en forma de U invertida, guía el aire caliente hacia zonas de disipación alejadas de los puestos de trabajo.
El estudio comparó varias variantes de diseño para limitar este calentamiento. En los casos en los que se coloca un aislante bajo la plataforma, las temperaturas bajo esta aumentan, debido a una menor evacuación del calor. A la inversa, la incorporación de pantallas antirradiación de aluminio con refuerzo aislante, colocadas entre la colada y las vigas, permite proteger eficazmente la estructura.
Las configuraciones con pantalla antirradiación horizontal o en U muestran una reducción de temperatura significativa, con vigas devueltas por debajo de los 160 °C, e incluso 100 °C en las zonas protegidas.
Además, la forma de la pantalla antirradiación influye directamente en la orientación de los flujos térmicos: las versiones en U invertida permiten guiar las masas de aire caliente hacia zonas de disipación, lejos de los puestos de trabajo. Las soluciones que integran un aislante térmico sobre la parte superior de las pantallas reducen la radiación secundaria hacia las estructuras y protegen eficazmente los elementos superiores como el enrejado o los brazos de los transportadores.
A escala de la nave, las simulaciones revelaron una estratificación térmica importante, con temperaturas que varían de 38 °C a 52 °C entre el suelo y la cubierta. Las zonas más afectadas se sitúan al sur del horno, en sectores inicialmente poco ventilados, donde se constataron estancamientos de calorías. En estas zonas, el delta térmico puede alcanzar +12 °C respecto al exterior, lo que impacta en el confort y en las condiciones de trabajo.
La incorporación de una abertura en la fachada sureste, recomendada por EOLIOS, permitió introducir un flujo de aire nuevo en las simulaciones. Esta modificación reduce las temperaturas en la zona crítica a unos 43 °C y mejora notablemente la circulación de aire. Además, unas cortinas térmicas posicionadas en torno a las zonas de colada demostraron su eficacia para proteger a los operarios de la radiación directa.
La configuración final, que integra el conjunto de los dispositivos recomendados por EOLIOS (pantallas antirradiación en U con aislante, cortinas térmicas, ventiladores localizados, abertura de fachada), permite devolver las temperaturas de las vigas a niveles compatibles con su uso corriente, garantizando al mismo tiempo ambientes aceptables a nivel del personal.
Los resultados muestran temperaturas de vigas inferiores a 100 °C en la mayoría de los casos, con algunos picos de 115 a 150 °C en las zonas más próximas a las boquillas de colada. El aire ambiente en las zonas de trabajo es globalmente próximo a la temperatura exterior (38 a 40 °C), y los penachos térmicos quedan bien canalizados en la cubierta, lejos de los puestos ocupados.
Esta solución equilibrada permite reducir significativamente las restricciones térmicas sobre las estructuras manteniendo al mismo tiempo un buen nivel de confort térmico en el entorno inmediato del proceso.
A recordar. En un proceso a muy alta temperatura, la protección pasiva es prioritaria: interceptar la radiación en la fuente (pantallas antirradiación) cuesta menos y protege mejor que sobreventilar toda la nave. La CFD sirve para colocar estas pantallas en el punto adecuado y comprobar que no atrapan el calor en otro lugar.
Gracias a su pericia en ingeniería termo-aeráulica y a la puesta en marcha de herramientas de simulación numérica avanzada (CFD), EOLIOS permitió al explotador del sitio de producción de sílice anticipar con precisión los efectos térmicos ligados a la instalación de un nuevo horno eléctrico de alta potencia.
El estudio realizado puso de relieve las zonas sensibles al calentamiento y las dinámicas de flujo de aire complejas en el interior de la nave, identificando al mismo tiempo palancas de mejora concretas para reforzar la seguridad estructural, el confort de los operarios y la durabilidad de los equipos.
Al proponer una solución global que integra pantallas antirradiación optimizadas, ventilación natural y mecánica adaptada, y mejora de las aberturas de fachada, EOLIOS contribuyó a garantizar el éxito del proyecto en una lógica de transición energética controlada. Esta intervención ilustra la capacidad de EOLIOS para acompañar a los industriales en sus proyectos más exigentes, combinando análisis de campo, modelización numérica de alto nivel e ingeniería aplicada.
Proyecto: estudio de la ventilación natural de una acería Saber hacer: los fenómenos termo-aeráulicos en la industria Proyecto: dimensionamiento de una chimenea industrialRadiación de la colada, calentamiento de las estructuras y confort térmico en una nave de producción a alta temperatura.
El vidrio fundido a 1200 °C emite una radiación intensa que calienta a distancia las vigas situadas encima, hasta 320 a 480 °C simulados sin protección, por encima de sus límites de diseño. El riesgo es la deformación y la pérdida de resistencia mecánica. Un reto similar se trató en nuestro proyecto ventilación natural de una acería.
Colocadas entre la colada y las vigas, las pantallas antirradiación de aluminio con refuerzo aislante reflejan la radiación y protegen la estructura. Las configuraciones en U dejan las vigas por debajo de 160 °C, incluso 100 °C en las zonas protegidas, guiando el aire caliente hacia zonas de disipación.
La nave presenta una estratificación de 38 a 52 °C entre el suelo y la cubierta. La incorporación de una abertura en la fachada sureste introduce aire nuevo y reduce la zona crítica a unos 43 °C; unas cortinas térmicas en torno a la colada protegen a los operarios de la radiación directa.
Las mediciones con cámara termográfica localizan las zonas calientes (vigas, colada, fosas) y los ensayos de humo visualizan los flujos de aire. Unidos a las mediciones geométricas con medidor láser, calibran el modelo CFD con las condiciones reales del sitio.
El proceso funciona en continuo en condiciones casi constantes; el estado de equilibrio térmico y aeráulico basta para dimensionar las protecciones. El régimen estacionario, con un modelo k-ε y una convergencia de los residuos de 10⁻⁴, ofrece una lectura estabilizada de temperaturas y velocidades.
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El estudio termo-aeráulico llevado a cabo por EOLIOS permitió caracterizar los efectos del nuevo horno eléctrico sobre el entorno del sitio, tanto en las estructuras como en el confort de los operarios. Gracias a una modelización CFD detallada y a una auditoría de campo exhaustiva, se identificaron las zonas de calentamiento, de estancamiento de aire y de radiación excesiva. Las soluciones propuestas — pantallas antirradiación, mejora de la ventilación y protecciones térmicas — garantizan la seguridad de las estructuras, el control de los ambientes de trabajo y la durabilidad de las instalaciones.
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