EOLIOS ha effettuato un audit termo-aerodinamico sul sito di Höganäs Belgium, un’azienda specializzata nella metallurgia delle polveri ad alta lega. L’obiettivo principale di questo studio era quello diabbassare le temperature emigliorare la dissipazionedel calore, con particolare attenzione alla sala di fusione, dove si trovano i due forni.

L’obiettivo di questa iniziativa era quello di aumentare il comfort dell’operatore durante tutto il processo produttivo. La sfida principale del progetto è stata quella di controllare gli specifici fenomeni termici e aeraulici associati alle varie fasi di produzione a temperature estremamente elevate.

Audit del sito

Individuare i punti di ingresso dell'aria.

Questo audit esamina la ventilazione e le aperture per individuare i primi miglioramenti possibili.

Due grandi porte alle due estremità dell’edificio sono solitamente lasciate aperte al piano terra, per consentire l’ingresso dell’aria. Un’altra porta, che conduce al magazzino, è spesso aperta, permettendo all’aria di uscire dall’area di studio. Tutte le porte dell’impianto funzionano come prese d’aria, causando una notevole infiltrazione di aria frescaquando sono aperte, che può causaredisagi in inverno.

Ci sono anche prese d’aria al piano superiore dell’edificio e, per migliorare il comfort dei tecnici che lavorano vicino ai forni, sono stati installati diversi ventilatori al primo piano.

I forni generano una grande quantità di calore che sale verso il tetto. Per abbassare la temperatura ai piani superiori dell’edificio, sono stati posizionati dei ventilatori sul tetto, che aiutano il calore a fuoriuscire verso l’esterno.

Il tetto è dotato di vari dispositivi di estrazione naturale dell’aria.

Test del fumo effettuati

Il test del fumo in un edificio industriale è un metodo utilizzato per valutare il comfort termico e la qualità dell’aria all’interno dell’edificio.

Per valutare il comfort termico, il fumo viene utilizzato per visualizzare il movimento dell’aria e le correnti d’aria all’interno dell’edificio.
In questo modo è possibile individuare le aree in cui ci sono correnti d’aria eccessive o problemi di circolazione dell’aria, che possono portare a zone di temperatura non confortevoli.

Prova del fumo in un forno

Per quanto riguarda la qualità dell’aria, il test del fumo viene utilizzato per dimostrare i percorsi dell’aria all’interno dell’edificio.
Evidenzia le infiltrazioni d’aria indesiderate, le falle nell’involucro dell’edificio, le perdite e i problemi di ventilazione.
Visualizzando il movimento del fumo, è possibile identificare le aree in cui l’aria ristagna, in cui si possono accumulare contaminanti e in cui la ventilazione è inadeguata.

Questi test permettono agli ingegneri di EOLIOS di identificare potenziali problemi relativi al comfort termico e alla qualità dell’aria e di prendere le misure necessarie per migliorare le condizioni all’interno dell’edificio.
Ciò può includere aggiustamenti al sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento, riparazioni per migliorare l’ermeticità dell’edificio o modifiche alla configurazione degli spazi interni per ottimizzare la circolazione dell’aria.

Test del fumo in prossimità di una presa d'aria

I test del fumo rivelano vari modelli di circolazione dell’aria nell’edificio. Al piano superiore, l’aria esce dalle finestre aperte, mentre una parte sale sul tetto. In prossimità delle ventole, l’aria calda viene spinta verso il basso, creando una temperatura più uniforme, anche se ciò provoca un accumulo di calore nelle zone più basse.

Le ventole vicino ai forni generano movimento d’aria, ma non favoriscono una migliore dissipazione del calore. In alcune aree si verifica un biflusso, con l’aria calda che sale verso i circuiti di estrazione e l’aria più fredda che scorre verso i forni. Si verifica anche la stratificazione termica, che separa zone di aria calda e fredda.

Studio con termocamera del sito

L’obiettivo di questa sezione è quello di evidenziare le principali fonti di fenomeni termici e le aree più o meno dense di calore. Le analisi delle telecamere termiche vengono utilizzate per stabilire una rappresentazione delle zone calde e fredde a supporto degli studi numerici.

Telecamera termica intorno a un forno da 5 tonnellate

Telecamera termica di un forno fuso

Simulazioni CFD

Che cos'è la simulazione CFD?

La fluidodinamica computazionale (CFD) è un approccio numerico per analizzare i flussi di fluidi in un determinato ambiente, in particolare nella progettazione di edifici. Fornisce informazioni su velocità, pressioni e temperature dell’aria all’interno e all’esterno degli edifici. Questo metodo utilizza equazioni differenziali parziali per risolvere numericamente i fenomeni, tenendo conto delle condizioni al contorno come gli effetti aeraulici dell’edificio, i guadagni di calore interni e i sistemi di condizionamento. Le simulazioni CFD sono essenziali per ottimizzare la ventilazione e la climatizzazione di grandi spazi, garantendo un comfort ottimale.

Le equazioni differenziali parziali richiedono condizioni al contorno per essere risolte. Questi vengono stabiliti sulla base dei dati di misurazione in loco e delle informazioni fornite dal responsabile del progetto. Per uno studio allo stato stazionario in uno spazio aperto all’esterno, è necessario definire le caratteristiche delle pareti (materiale, proprietà fisiche, viscosità, temperatura) e quelle delle superfici esposte all’esterno (direzione del flusso, velocità, pressione, temperatura, coefficienti di superficie). È fondamentale garantire la stabilità del calcolo quando si definiscono queste condizioni, poiché le equazioni vengono risolte iterativamente per avvicinarsi alla soluzione.

Il solutore del codice utilizzato risolve le equazioni in ogni nodo della maglia in modo approssimativo, rispettando i principi fondamentali della fisica (conservazione della massa e dell’energia). Utilizza il modello standard di turbolenza k-epsilon, che risolve due variabili: l’energia cinetica turbolenta e il tasso di dissipazione dell’energia cinetica. Questo modello è ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali e HVAC grazie alla sua buona velocità di convergenza e ai requisiti di memoria accettabili. Per gli studi termo-aria, si tiene conto dell’effetto degli scambi radiativi tra le pareti, della conduzione termica, del tiraggio termico e della gravità. Gli studi vengono condotti sull’intero edificio senza stabilire una sezione simmetrica.

Modello 3D del sito

Come parte dello studio CFD, l’intero edificio è stato modellato per tenere conto delle diverse maschere aerauliche create dai diversi moduli presenti sul sito.

I forni e la configurazione interna dell’edificio di fusione sono stati modellati utilizzando i dati del sito, così come i ventilatori e le aperture che influenzano il movimento dell’aria. L’obiettivo è ottenere una rappresentazione accurata dei complessi movimenti d’aria specifici di questi locali.

Risultati della simulazione

L’obiettivo degli studi è stato quello di evidenziare i fenomeni termici presenti nel sito utilizzando due scenari distinti: uno scenario di base con condizioni simili a quelle dell’audit e un altro scenario con condizioni che consentono di ottimizzare l’ estrazione di calore.

L’audit ha rivelato una mancanza di rialzo termico al piano terra, a differenza del primo piano dove i forni e il preriscaldamento degli stampi generano temperature elevate.
Inoltre, è emersa una mancanza di estrazione dell’aria sotto il tetto, che impedisce un’efficiente rimozione del calore.

È stato effettuato uno studio sull’isolamento che ha raccomandato uno spessore adeguato.
Tuttavia, la temperatura interna dipende più dal movimento dell’aria e dalle fonti di calore che dall’isolamento.

Il primo scenario ha mostrato analogie con la verifica, rivelando masse d’aria separate a causa dell’insufficiente estrazione dal tetto.

Il secondo scenario ha implementato nuovi sistemi di estrazione dal tetto e ventilatori fermi, migliorando significativamente l’estrazione del calore, riducendo la diffusione del calore e migliorando la qualità dell’aria.
Tuttavia, sono rimaste zone più calde intorno alle fonti di calore, il che suggerisce un possibile aumento del numero di sistemi di estrazione.