Análisis CFD de los vahos saturantes en una línea de colada continua en acería: auditoría de campo, modelización 3D y optimización de la captación para suprimir las fugas y las paradas de producción.
La pericia de EOLIOS en simulación CFD (Computational Fluid Dynamics) y en la optimización de los sistemas industriales de captación y de ventilación se movilizó para responder a los retos ligados a la gestión de los vahos saturantes en una línea de colada continua en acería. Inherentes a los procesos de alta temperatura, estos fenómenos representan fuertes exigencias en términos de seguridad, de condiciones de trabajo y de continuidad de producción.
EOLIOS se apoya en una experiencia reconocida en el estudio de los flujos complejos en entorno industrial, fruto de numerosas misiones de campo y de simulaciones CFD aplicadas a instalaciones con fuertes exigencias operativas. Esta pericia permite aportar respuestas fiables, pragmáticas y económicamente optimizadas, al servicio de una toma de decisiones informada.
Lo esencial. En una línea de colada continua en acería (Brandeburgo, en Alemania), unos vahos saturantes cargados de humedad y calor se escapaban bajo el forjado de la primera planta, provocando corrosión, pérdida de visibilidad y paradas de producción. EOLIOS llevó a cabo una auditoría in situ (mediciones, ensayos de humo, termografía) y después construyó un modelo CFD 3D calibrado de las líneas y de la nave. Las simulaciones localizan las fugas, las entradas de aire parásitas y las zonas de estancamiento, y demuestran que unas mejoras estructurales sencillas, sin aumento de la potencia de aspiración, incrementan la depresión de las cabinas e invierten la tendencia aeráulica. Una configuración avanzada lleva el control de los vahos hasta cerca del 100%.
Los vahos industriales son un reto pluridisciplinar importante, en el cruce entre la seguridad de los operarios, el confort y la calidad del aire, pero también la continuidad de los procesos y la durabilidad de las instalaciones.
Los vahos saturantes son penachos de aire cargado de vapor de agua en saturación, generados en el contacto con los planchones calientes. Al enfriarse, este vapor condensa en finas gotitas visibles que reducen la visibilidad, favorecen la corrosión de las superficies metálicas y se dispersan por la nave.
En primer lugar, la presencia de vahos, cargada de humedad — un motor esencial de la corrosión electroquímica — provoca riesgos de degradación material de la instalación. Cuando se deposita sobre las superficies metálicas, forma una película de agua que permite que se produzcan reacciones químicas entre el metal y el oxígeno. Este ataque suele acelerarse por las impurezas disueltas en el vaho, como sales, ácidos o polvos, que aumentan su conductividad. La exposición repetida conlleva así efectos acumulativos: corrosión uniforme, picaduras localizadas y degradación de los revestimientos o de las juntas, lo que reduce la durabilidad y la integridad de los equipos metálicos.
Este aspecto de degradación material constituye un riesgo importante para la explotación de la instalación. Pero más allá de ello, el vaho presenta también un riesgo para la seguridad y la salud de los trabajadores. La combinación de humedad y calor genera penachos que pueden degradar la visibilidad, perturbar los flujos de aire y modificar las condiciones térmicas alrededor de las zonas de trabajo y de los equipos. Estos fenómenos pueden aumentar los riesgos de accidentes (visibilidad reducida, dificultades para manipular los equipos) y generar trastornos sanitarios (irritaciones, problemas respiratorios).
La presencia de vahos actúa así como un factor de perturbación global, capaz de reducir la seguridad, el rendimiento y la durabilidad de las infraestructuras industriales.
Un reto de seguridad. Más allá de los daños materiales, la combinación de humedad y calor reduce la visibilidad y puede provocar irritaciones y problemas respiratorios. Dominar los vahos significa, ante todo, proteger a los operarios que intervienen cerca de la línea.
Fue en el marco de una instalación de colada continua de una acería situada en la región de Brandeburgo, en Alemania, donde EOLIOS fue contratada. En esta instalación, disfunciones del sistema de captación existente provocaban una acumulación significativa de vahos bajo el forjado de la primera planta, lo que conllevaba paradas de producción regulares. EOLIOS intervino para analizar en detalle el funcionamiento real del dispositivo, identificar las causas de estos defectos y proponer soluciones eficaces y duraderas.
Para dominar los retos ligados a los vahos industriales, hoy se privilegia un enfoque que combina mediciones in situ (mediante una auditoría) y modelización numérica de los flujos (CFD, Computational Fluid Dynamics). La CFD aporta una visión tridimensional y dinámica de los flujos, indispensable para identificar con precisión las zonas críticas de acumulación de calor y de vapor, las recirculaciones de aire, los déficits de captación en la fuente y las interacciones entre penachos térmicos y sistemas de ventilación. Permite así evaluar cuantitativamente la eficacia de los dispositivos existentes y comprender sus límites en condiciones reales de explotación.
Una de las principales ventajas de la CFD reside en su capacidad para probar virtualmente distintos escenarios de disposición o de modificación de las instalaciones: reposicionamiento o dimensionamiento de los puntos de captación, ajuste de los caudales, adición de deflectores, modificación de las geometrías o de las estrategias de ventilación. Esta exploración numérica, rápida y no intrusiva, permite comparar objetivamente varias soluciones, optimizar su rendimiento antes de su ejecución y reducir significativamente los riesgos técnicos y financieros asociados a los ensayos in situ.
Además, la CFD constituye una herramienta de ayuda a la decisión particularmente pertinente para conciliar rendimiento aeráulico y eficiencia energética. Permite anticipar los impactos de las soluciones previstas sobre los consumos de energía, los equilibrios térmicos del edificio y el confort de los operarios, contribuyendo así a un diseño más sobrio y sostenible de los sistemas de ventilación.
Saber más: ¿qué es la simulación CFD?El estudio presentado tenía los siguientes objetivos principales:
comprender los fenómenos térmicos y aeráulicos en el origen de las fugas de vahos;
analizar el funcionamiento real de la red de captación existente;
evaluar la eficacia de diferentes configuraciones de mejora;
identificar soluciones técnicamente eficientes y pertinentes.
Para ello se implementó un enfoque que combina auditoría in situ, análisis de las redes de conductos y simulación CFD.
Se llevó a cabo una auditoría exhaustiva directamente en la línea de colada continua para caracterizar con precisión los fenómenos en condiciones reales de explotación. Se realizaron campañas de mediciones alrededor de la máquina para cuantificar las velocidades del aire, las temperaturas y la higrometría, obteniendo un estado inicial fiable y representativo. También se llevaron a cabo ensayos de humo para visualizar cualitativamente las trayectorias de los flujos de aire y los caminos de fuga de los vahos, y así identificar las zonas de escape prioritarias y las disfunciones de los dispositivos de captación existentes.
Más allá de la recogida de datos, la auditoría in situ es una etapa clave para captar el funcionamiento real de la instalación, en un entorno a menudo complejo y cambiante. Permite confrontar los esquemas teóricos y los planos existentes con la realidad del terreno e integrar los efectos de las prácticas de explotación, de las restricciones de acceso, de las situaciones transitorias y de las condiciones meteorológicas — todos ellos elementos rara vez documentados por completo. Este conocimiento detallado del emplazamiento es indispensable para interpretar correctamente los fenómenos observados y evitar hipótesis de modelización simplificadoras y alejadas de la realidad.
Las observaciones de campo de la auditoría constituyeron así una base esencial para alimentar, calibrar y validar el modelo numérico CFD. Garantizan la coherencia entre la simulación y el comportamiento real del sistema, reforzando la fiabilidad de los resultados y la pertinencia de las soluciones propuestas. La auditoría in situ aparece por tanto como un requisito ineludible para todo enfoque de análisis y de optimización duradera de las problemáticas de vahos industriales.
La modelización CFD 3D se apoya en una base geométrica rigurosa, elaborada a partir de los planos existentes, completados con levantamientos y observaciones realizados durante la auditoría in situ. Esta etapa es determinante, porque la calidad y la representatividad del modelo condicionan directamente la pertinencia de los resultados obtenidos. El objetivo es reproducir de forma realista los caminos del aire, las vías de aspiración, las redes de conductos y sus interfaces con las zonas de generación de los vahos, para reflejar lo mejor posible el funcionamiento real de la instalación. Este modelo calibrado es un gemelo digital industrial: una réplica virtual de la instalación que permite probar los escenarios de mejora y predecir sus efectos antes de las obras.
Sobre la base de los datos recogidos y de los documentos aportados, EOLIOS desarrolló un modelo CFD 3D detallado que integra la geometría de la máquina estudiada, su entorno próximo y todos los equipos que influyen en la aeráulica del emplazamiento. Esto incluye en particular los sistemas de ventilación, las fuentes de calor, las máquinas vecinas y todos los elementos que obstaculizan o guían los flujos, como las máscaras aeráulicas, las pantallas o las estructuras metálicas.
El nivel de detalle geométrico se elige con cuidado para representar fielmente los elementos con una influencia significativa sobre los campos de velocidad, de temperatura y de concentración de vapor, racionalizando a la vez los detalles secundarios cuyo impacto sobre los flujos es despreciable. Este equilibrio entre precisión y simplificación permite controlar los tiempos de cálculo, asegurar la robustez numérica de las simulaciones y garantizar resultados aprovechables para el análisis de los fenómenos y la ayuda a la decisión.
En la práctica, el enfoque CFD sigue un proceso iterativo estructurado en varias etapas sucesivas: construcción del modelo geométrico, definición de las condiciones de contorno y de las propiedades, resolución numérica, y después análisis detallado de los campos de flujo, de temperatura y de humedad. Este ciclo se completa con una fase de calibración a partir de las mediciones de campo, antes de emprender las iteraciones dedicadas al estudio de configuraciones de mejora.
La fase de calibración es una etapa clave del enfoque, porque garantiza la coherencia entre los resultados de la simulación y el comportamiento real del sistema. Su objetivo es ajustar las condiciones de contorno y las hipótesis de modelización para obtener una concordancia satisfactoria entre las magnitudes calculadas y las mediciones tomadas in situ durante la auditoría, así como los datos aportados por la dirección de obra.
Esta calibración se basa en la elaboración de un modelo numérico que reproduce fielmente los principales fenómenos físicos en juego, en particular el flujo del aire, las transferencias térmicas y la evolución de la humedad en el volumen estudiado. El modelo integra tanto las fuentes internas ligadas a los procesos y a los equipos como los intercambios con el entorno exterior, teniendo en cuenta parámetros clave como los caudales de aspiración, las temperaturas de superficie de los elementos, las condiciones meteorológicas y los mecanismos de generación de vapor.
Una vez calibrado y validado, el modelo puede utilizarse como herramienta predictiva fiable para estudiar el impacto de diferentes modificaciones (evolución de los caudales, geometrías, dispositivos de captación o de ventilación) y analizar las nuevas dinámicas de flujo dentro del sistema, en apoyo de la decisión técnica.
El análisis de las pérdidas de carga en el seno de las redes de conductos de aspiración es una etapa fundamental para la determinación fiable de los caudales realmente disponibles en los puntos de captación. En instalaciones industriales complejas, las pérdidas de carga totales resultan de la combinación de pérdidas lineales ligadas a las longitudes de los conductos y de pérdidas singulares inducidas por los cambios de sección, codos, tés, injertos, órganos de regulación, así como por el estado de ensuciamiento de las paredes internas. Estos efectos acumulados pueden conducir a pérdidas de carga netamente superiores a las hipótesis de diseño iniciales o a los valores nominales utilizados en la explotación.
La pérdida de carga designa la caída de presión que sufre el aire cuando atraviesa una red de conductos: rozamientos a lo largo de las paredes, codos, tés, injertos, ensuciamiento. Si supera la presión disponible del ventilador, el caudal de aspiración se desploma y la captación en la fuente deja de estar garantizada.
Una caracterización detallada de la red permite confrontar las curvas teóricas de los ventiladores con las condiciones reales de funcionamiento, identificar los desequilibrios de reparto de los caudales entre las diferentes ramas y cuantificar las diferencias entre los caudales de captación esperados y los realmente alcanzables. Este enfoque es indispensable para establecer un balance aeráulico coherente, evaluar los márgenes de funcionamiento de los equipos de ventilación y poner de manifiesto las limitaciones estructurales de la red existente.
En el marco de las simulaciones CFD, este análisis permite definir condiciones de contorno realistas y físicamente representativas, acordes con las capacidades efectivas de aspiración del sistema. Constituye así un requisito esencial para asegurar la validez de los resultados numéricos, interpretar correctamente los fenómenos observados y fundamentar las recomendaciones técnicas en una evaluación rigurosa y cuantitativa del rendimiento de la red de aspiración.
El estudio puso de manifiesto que la eficacia de un sistema de captación no se limita únicamente al caudal de aspiración disponible, sino que depende también de la dinámica de los flujos de aire y de su origen. En ciertas configuraciones, una parte significativa del aire aspirado puede provenir de zonas periféricas o no críticas. Este aporte de aire externo, poco cargado de vaho o de contaminantes, reduce la eficacia global de captación al movilizar una parte de la capacidad de aspiración sin contribuir a la eliminación de las emisiones procedentes de las zonas realmente afectadas.
Estos resultados subrayan la importancia de un diseño y de un dimensionamiento precisos de los sistemas de captación, que integren no solo los caudales sino también la circulación efectiva del aire en el entorno de producción. Un control específico de los flujos permite concentrar la aspiración en las zonas generadoras de vahos, mejorar el rendimiento global del dispositivo y limitar las pérdidas energéticas, garantizando al mismo tiempo condiciones de trabajo seguras y optimizadas para los operarios.
A la altura de la cabina de los vahos, las simulaciones revelan que la depresión generada es relativamente baja. En consecuencia, una parte de los vahos producidos en el contacto con los planchones calientes se escapa entre los segmentos, formando penachos ascendentes que se acumulan bajo el forjado de la primera planta.
El aire cargado de vahos se ve entonces obligado a circular rodeando el forjado, colándose por las aberturas como las escaleras y los pasos de conductos. Este recorrido explica el estancamiento significativo observado bajo la plataforma y la presencia de vahos visibles en zonas alejadas de su fuente inicial.
Los resultados de las simulaciones CFD reproducen fielmente estos fenómenos, tanto en términos de velocidades del aire como de estratificación térmica y distribución de la humedad, confirmando así la pertinencia y la fiabilidad de la modelización para analizar los flujos y guiar la optimización de los sistemas de captación.
Tras las primeras simulaciones, pudieron proponerse varias mejoras estructurales sencillas, que no requieren ninguna modificación del sistema de captación de vahos. Su objetivo es disminuir las salidas de vahos en la nave y, en consecuencia, mejorar la captación de vahos de la máquina. De ellas se derivaron varios efectos beneficiosos.
En primer lugar se constata un aumento de la depresión en las cabinas. El refuerzo de la depresión mejora la eficacia de la captación en la fuente al favorecer la aspiración de los flujos cargados de vapor antes de su dispersión en la nave. Esta acción contribuye a limitar las fugas hacia las zonas adyacentes, a reducir las acumulaciones bajo los forjados y a mejorar la visibilidad y las condiciones de trabajo de los operarios. No obstante, debe dimensionarse con cuidado para asegurar un equilibrio aeráulico óptimo y evitar impactos indeseados sobre el confort, la estabilidad de los flujos o los consumos energéticos.
Esta depresión se acompaña de una inversión de la tendencia aeráulica por encima de las cabinas de los vahos. El paso de venas de aire caliente ascendentes a venas de aire fresco descendentes permite contrarrestar el ascenso natural de los vahos y contener su dispersión hacia los niveles superiores. Esta inversión aeráulica favorece el arrastre de los flujos cargados de vapor hacia las zonas de captación, mejora el control de los penachos térmicos y contribuye a estabilizar las condiciones de flujo alrededor de la cabina. Participa así en una mejora notable de la visibilidad, del confort térmico y de la seguridad en las zonas de trabajo adyacentes.
En suma, estos dos elementos permiten que lo esencial de los caudales de vapor difundidos en la nave sea captado por el sistema de aspiración. La cabina es entonces capaz de interceptar la mayoría de los vahos antes de su dispersión en el entorno. Esto mejora significativamente la eficacia global del sistema, limita las fugas hacia las zonas vecinas y reduce las solicitaciones de los dispositivos de ventilación general. Contribuye así a un mejor control de los penachos de vapor, a una mejora duradera de las condiciones de trabajo y a una reducción de las pérdidas energéticas asociadas.
Además, el mejor control de los flujos de calor y de vahos permite limitar la estratificación térmica del aire caliente bajo la cubierta. Esta reducción de las temperaturas en la parte alta contribuye a preservar las estructuras y los equipos, a limitar los fenómenos de condensación y de corrosión y a mejorar el confort térmico global del edificio. Participa también en una mejor estabilidad aeráulica y puede conducir a una disminución de las necesidades de ventilación y de los consumos energéticos asociados.
A pesar de estas mejoras, permanece un ligero escape de vahos a la altura de la parte vertical de la colada. No obstante, sigue siendo limitado y no cuestiona la eficacia global del dispositivo, ya que los flujos residuales se diluyen rápidamente y no provocan ninguna degradación significativa de las condiciones de explotación o de seguridad.
También se estudió una configuración más avanzada, que combina las mejoras estructurales sencillas con la adición de nuevos dispositivos de captación. Esta solución permite un control casi total de los vahos, incluida la parte vertical de la colada, con una eficacia global próxima al 100%. Aporta un nivel máximo de rendimiento y una fuerte robustez frente a las variaciones de funcionamiento, eliminando casi todo riesgo de escape residual.
No obstante, este enfoque debe ponerse en perspectiva frente a la solución más sencilla estudiada anteriormente, que ya permitía reducir muy significativamente las emisiones de vahos y mejorar notablemente las condiciones de explotación, con un coste de inversión y una complejidad de ejecución claramente inferiores. Esta primera solución ofrecía así un compromiso particularmente pertinente entre rendimiento, sencillez y coste, respondiendo al mismo tiempo a los principales retos de seguridad y de confort.
La adición de dispositivos complementarios se justifica por tanto principalmente en una lógica de rendimiento máximo o de fuerte exigencia operativa, cuando el objetivo es eliminar casi toda emisión residual o asegurar la instalación frente a condiciones de funcionamiento muy variables. La elección entre estos dos enfoques responde así a un arbitraje técnico-económico, siendo la solución sencilla una respuesta eficaz y optimizada, mientras que la solución reforzada aporta un nivel de control superior al precio de una inversión y una complejidad mayores.
Los resultados del estudio permitieron identificar soluciones a la vez sencillas, robustas y económicamente optimizadas, poniendo el acento en el control de los flujos de aire y en la supresión de las entradas parásitas antes de plantear cualquier aumento de la potencia de ventilación. Este enfoque privilegia la eficacia de las intervenciones, minimiza los costes y mejora de inmediato el rendimiento del dispositivo existente.
Paralelamente, análisis complementarios pusieron de manifiesto soluciones más complejas, que ofrecen un control aún más fino de los flujos y una eficacia máxima, pero que requieren una inversión mayor. Estas opciones permiten alcanzar un control casi total de los vahos y una optimización duradera de las condiciones ambientales en la nave de producción.
La intervención de EOLIOS proporcionó así al promotor una comprensión completa de los fenómenos físicos en juego, las palancas de acción prioritarias y las ganancias esperadas. Este enfoque estructurado contribuye directamente a la mejora de las condiciones de trabajo, a la fiabilidad y a la seguridad de la explotación, reforzando al mismo tiempo el rendimiento global de la instalación. Ofrece además una sólida herramienta de decisión para elegir entre soluciones inmediatas y económicas u optimizaciones más ambiciosas y duraderas.
Vahos saturantes, la aportación de la CFD y el método EOLIOS en una línea de colada continua.
Cargados de humedad y calor, los vahos favorecen la corrosión de los equipos metálicos, degradan la visibilidad y las condiciones de trabajo de los operarios y perturban los flujos de aire. En la instalación estudiada, su acumulación bajo el forjado de la primera planta provocaba paradas de producción regulares.
La CFD ofrece una visión tridimensional y dinámica de los flujos: localiza las zonas de acumulación de calor y de vapor, las recirculaciones, las entradas de aire parásitas y los déficits de captación en la fuente. Permite probar virtualmente varias configuraciones de mejora antes de cualquier obra, algo que un cálculo global no puede hacer.
La auditoría aporta un estado inicial fiable: velocidades del aire, temperaturas e higrometría medidas alrededor de la máquina, y visualización de las trayectorias de fuga mediante ensayos de humo. Estos datos sirven para calibrar y validar el modelo numérico de modo que refleje el comportamiento real de la instalación.
Sí. Las simulaciones muestran que unas mejoras estructurales sencillas bastan para aumentar la depresión en las cabinas e invertir la tendencia aeráulica por encima de ellas, empujando los vahos hacia los puntos de captación. Primero se suprimen las entradas de aire parásitas, antes de plantear cualquier aumento de la potencia de los ventiladores.
La solución sencilla reduce en gran medida los escapes de vahos con un coste y una complejidad bajos. La solución compleja, que combina mejoras estructurales con nuevos dispositivos de captación, alcanza un control casi total (próximo al 100%) pero supone una inversión mayor. La elección es un arbitraje técnico-económico.
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Resumen del estudio
El estudio llevado a cabo por EOLIOS permitió comprender con detalle los mecanismos de generación, de dispersión y de captación de los vahos saturantes dentro de una instalación de colada continua. Apoyándose en un análisis de las condiciones reales de explotación y en simulaciones CFD representativas de lo existente, se identificaron las principales disfunciones del sistema de captación.
Los trabajos pusieron de manifiesto que unas mejoras estructurales específicas, sin un aumento significativo de los caudales de aspiración, podían conducir ya a una reducción muy importante de los escapes de vahos y a una notable mejora de las condiciones de explotación. También se evaluaron soluciones más avanzadas para alcanzar un nivel de control máximo, permitiendo al promotor disponer de elementos objetivos para arbitrar entre rendimiento, sencillez e inversión.
Este enfoque desembocó en recomendaciones técnicas robustas y adaptadas al contexto industrial, que contribuyen a la seguridad de los operarios, a la fiabilidad de las instalaciones y al rendimiento global del sitio.
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