EOLIOS ha verificato e migliorato tramite simulazione CFD la progettazione del sistema di regolazione termica di un impianto in Canada, il cui processo innovativo associa più forni ad alta temperatura.
L'obiettivo di questo studio è verificare e migliorare la progettazione del sistema di regolazione termica di un impianto situato in Canada mediante la modellazione numerica CFD. Si tratta di comprendere e controllare i particolari fenomeni termo-aeraulici indotti dalle diverse fasi di fabbricazione di un processo innovativo che associa forni ad alta temperatura.
Lo studio si articola attorno a quattro assi: l'ottimizzazione della diffusione dell'aria esterna, la comprensione della distribuzione di temperatura secondo le stagioni, la valutazione del comfort termico degli operatori e lo studio dell'evacuazione degli inquinanti, il tutto concentrato sulla sala di produzione.
Le simulazioni sono state realizzate con il metodo CFD (Computational Fluid Dynamics), che permette di analizzare e prevedere i movimenti dei fluidi come l'aria. Questo approccio virtuale consente di simulare i fenomeni termo-aeraulici nell'impianto tenendo conto delle interazioni tra le diverse superfici, le sorgenti di calore e i flussi d'aria. Grazie alla CFD diventa possibile visualizzare e analizzare in dettaglio i flussi e le temperature, per una migliore comprensione dei processi e un'ottimizzazione delle prestazioni e della sicurezza degli impianti.
La modellazione geometrica è una fase chiave: rappresenta fedelmente la geometria dell'edificio e definisce le condizioni al contorno (pareti, aperture verso l'esterno, apporti interni di calore), semplificando al contempo il modello per facilitare l'interpretazione dei risultati. Per il modello 3D dell'impianto, sono stati ripresi tutti i volumi d'aria e le pareti a contatto con l'esterno, così come i locali circostanti — per tenere conto dei trasferimenti termici tra locali e dei ponti termici legati ai materiali.
La linea di produzione e i suoi processi sono stati modellati — in particolare i forni — così come i sistemi di diffusione della climatizzazione del capannone (ventilatori di alimentazione ed estrazione a soffitto). Tre persiane in alto sulla facciata ovest, incanalate per tutta l'altezza del muro, lasciano penetrare l'aria esterna dalla parte inferiore. Temperature, potenze e portate delle macchine sono state inserite; poiché il sistema di ventilazione dipende dalle condizioni esterne (da −23 °C in inverno a 32 °C in estate), lo studio ha riguardato queste due stagioni.
Le prime simulazioni sono state condotte per un funzionamento estivo — il caso più critico a causa delle temperature elevate — con tutti i sistemi generatori di calorie alla loro temperatura massima, una temperatura esterna di 32 °C e gli apporti solari presi in considerazione.
La simulazione mostra che globalmente le temperature sono corrette e che il sistema HVAC è piuttosto ben dimensionato: i movimenti d'aria generati dagli ugelli inducono una circolazione di circa 0,5 m/s in tutto lo spazio, anche tra le linee di produzione, assicurando temperature omogenee. Le temperature ambiente variano da 36 °C a 42 °C secondo l'altezza (delta di circa 10 °C con l'aria immessa). Invece, sotto la copertura, una parte dell'aria carica di calorie fatica a essere evacuata e la temperatura può raggiungere i 50 °C: gli ugelli della parte Nord si trovano in asse con le cappe di estrazione, creando un by-pass; al centro, le cappe troppo vicine ai forni vedono la loro aspirazione perturbata, e le loro superfici sono insufficienti rispetto alla dimensione dei pennacchi termici.
A seguito di questa prima simulazione, EOLIOS ha raccomandato di spostare i condotti di immissione del muro Nord per immettere in direzioni più strategiche e non perturbare l'aspirazione localizzata delle cappe, e di eliminare gli ugelli sugli ultimi 2 metri dei condotti (l'aria fredda immessa a quell'altezza viene direttamente ripresa dalle aspirazioni, creando un by-pass inutile al raffreddamento della parte bassa).
I team hanno inoltre rielaborato le superfici di aspirazione delle cappe — per eliminare gli spazi tra due cappe — e, quando possibile, compartimentare l'uscita dei forni e le cappe (in particolare a Nord e a Sud). Questa compartimentazione non deve essere perfettamente ermetica: si tratta di guidare i pennacchi termici in uscita dai forni.
La compartimentazione evita che le calorie rilasciate alle estremità della linea si disperdano nell'ambiente; lo spostamento dei condotti verso Nord e la riduzione dell'altezza degli ugelli distribuiscono meglio l'aria fresca nelle zone importanti; l'aumento delle superfici di aspirazione al centro capta meglio i pennacchi dei forni principali. Risultato: temperature ambiente di 35 °C a 40 °C al livello delle linee, 41 °C a 45 °C sotto la copertura (picchi a 50 °C al centro) — ovvero circa 2 °C in meno rispetto alla progettazione esistente in ogni punto.
In condizioni invernali, la temperatura esterna è la più bassa e le calorie interne sono considerate al minimo. Nonostante l'arresto dei due sistemi di immissione, l'aria resta in movimento in ogni punto — nessuna zona morta problematica. Le temperature variano da 15 °C al suolo a 20 °C all'ultimo piano della linea, e da 20 °C a 25 °C sotto la copertura (picchi ~30 °C nelle parti centrale e Nord, dovuti alla riduzione della portata di aspirazione delle cappe in inverno).
Tuttavia, temperature molto fredde vengono raggiunte a livello delle persiane: una immette aria a una temperatura inferiore a 0 °C, raffreddando fortemente il locale e creando disagio per gli operatori nelle vicinanze. Abbiamo consigliato di chiudere questa persiana in caso di grande freddo. Per il resto, la regolazione termica invernale è ben adattata: temperatura omogenea e immissione che raggiunge tutte le zone importanti.
Uno studio di dispersione degli inquinanti è stato condotto per la situazione estiva. Mostra che le cappe sopra le vasche di acido a inizio linea captano la totalità delle emissioni, mentre una parte delle emissioni delle vasche di pre e post-lavaggio è meno ben evacuata e rischia di stagnare sotto la copertura, nella zona a bassa velocità sotto i ventilatori della parte Nord.
Un terzo scenario, che prevede la chiusura di una persiana giudicata controproducente, ha mostrato che questa chiusura favorisce la stratificazione dell'aria calda, migliorando il tiraggio termico e l'evacuazione dell'aria carica di calore. Questo conferma l'importanza del corretto posizionamento delle estrazioni e delle aperture di aerazione: le raccomandazioni incoraggiano l'aggiunta di aeratori mirati e la chiusura di alcune aperture per ottimizzare la stratificazione.
Know-how: ventilazione industriale, captazione delle calorie & qualità dell'aria
Lo studio riguarda il sistema di regolazione termica di un impianto a processo ad alta temperatura, verificato e ottimizzato tramite simulazione CFD. Articolato attorno a quattro assi — diffusione dell'aria esterna, distribuzione di temperatura secondo le stagioni, comfort degli operatori ed evacuazione degli inquinanti — ha portato EOLIOS a proporre una nuova configurazione (cappe, condotti di immissione e ugelli) che permette una migliore estrazione del calore in estate e una migliore distribuzione dell'aria fresca nelle zone importanti.
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