Studio termo-aeraulico presso Höganäs Belgium: abbassare le temperature e migliorare la dissipazione del calore, in particolare nel capannone di fusione.
EOLIOS ha realizzato un audit termo-aeraulico del sito di Höganäs Belgium. EOLIOS ha condotto un audit termo-aeraulico sul sito di Höganäs Belgium, un'azienda specializzata nella metallurgia delle polveri altamente legate. L'obiettivo principale di questo studio era abbassare le temperature e migliorare la dissipazione del calore, ponendo un accento particolare sul capannone di fusione, dove si trovano i due forni.
Questa iniziativa mirava ad accrescere il comfort degli operatori lungo tutto il processo di produzione. La sfida centrale del progetto era padroneggiare i fenomeni termo-aeraulici specifici legati alle diverse fasi di fabbricazione a temperature estremamente elevate.
L'essenziale. EOLIOS ha auditato il comfort termico dell'acciaieria Höganäs Belgium (Ath), specializzata in metallurgia delle polveri. Individuazione degli ingressi d'aria, prove fumogene e termocamera hanno alimentato un modello CFD del capannone di fusione (forni 3T e 5T). Due scenari confrontati mostrano che nuovi estrattori in copertura, con i ventilatori fermi, evacuano il calore molto meglio e abbassano la temperatura di lavoro.
Questo audit studia la ventilazione e le aperture per individuare i primi miglioramenti possibili.
L'audit termo-aeraulico combina il rilievo delle aperture, prove fumogene e termografia per mappare, in sito, i flussi d'aria e le fonti di calore prima di ogni modellazione. Fornisce i dati di una verifica del fumo che alimentano poi la simulazione.
Due grandi porte a ciascuna estremità dell'edificio restano generalmente aperte al piano terra, lasciando entrare l'aria. Un'altra porta, che conduce al capannone di stoccaggio, è spesso aperta, permettendo all'aria di uscire dalla zona di studio. Tutte le porte dello stabilimento funzionano come ingressi d'aria, provocando una significativa infiltrazione d'aria fredda quando sono aperte, il che può causare discomfort in inverno.
Ingressi d'aria sono presenti anche al piano superiore dell'edificio e, per migliorare il comfort dei tecnici che lavorano in prossimità dei forni, sono stati installati diversi ventilatori al primo piano.
I forni generano un'importante quantità di calore che sale verso il tetto. Per abbassare la temperatura al piano dell'edificio, dei ventilatori sono posizionati sul tetto, facilitando l'evacuazione del calore verso l'esterno. Il tetto è dotato di vari dispositivi di estrazione naturale dell'aria.
Una prova fumogena 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. Questo permette di individuare le zone in cui ci sono correnti d'aria eccessive o problemi di circolazione dell'aria, il che può comportare zone di temperatura sgradevoli.
Per quanto riguarda la qualità dell'aria, la prova fumogena permette di evidenziare i percorsi dell'aria all'interno dell'edificio. Permette di mettere in evidenza le infiltrazioni d'aria indesiderate, le fughe nell'involucro dell'edificio, i difetti di tenuta e i problemi di ventilazione. Visualizzando il movimento del fumo, è possibile individuare le zone in cui l'aria è stagnante, dove i contaminanti possono accumularsi e dove l'aerazione è insufficiente.
Queste prove permettono agli ingegneri EOLIOS di individuare i problemi potenziali legati al comfort termico e alla qualità dell'aria, e di adottare le misure necessarie per migliorare le condizioni all'interno dell'edificio. Questo può includere regolazioni del sistema di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione, riparazioni per migliorare la tenuta dell'edificio o modifiche della configurazione dello spazio interno per ottimizzare la circolazione dell'aria.
Le prove fumogene rivelano diversi schemi di circolazione dell'aria nell'edificio. Al piano, l'aria si dirige verso l'esterno attraverso le finestre aperte, mentre una parte sale verso il tetto. In prossimità dei ventilatori, l'aria calda viene spinta verso il basso, creando un'omogeneizzazione della temperatura, pur provocando un aumento del calore nelle parti basse.
I ventilatori in prossimità dei forni generano movimenti d'aria, ma non favoriscono una migliore evacuazione del calore. In alcune zone si produce un flusso bidirezionale, con aria calda che sale verso i circuiti di estrazione e aria più fredda che si dirige verso i forni. Si producono anche fenomeni di stratificazione termica, che separano le zone d'aria calda e d'aria fredda.
Questa sezione ha lo scopo di mettere in evidenza le principali fonti dei fenomeni termici e le zone più o meno dense di calore. Le analisi con termocamera servono a stabilire una rappresentazione delle zone calde e fredde per supportare gli studi numerici.
La Meccanica dei Fluidi Numerica (MFN), o Computational Fluid Dynamics (CFD) in inglese, è un approccio numerico per analizzare i flussi di fluido in un ambiente dato, in particolare nella progettazione di edifici. Permette di ottenere informazioni sulle velocità dell'aria, le pressioni e le temperature all'interno e attorno agli spazi costruiti. Questo metodo utilizza equazioni alle derivate 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 climatizzazione. Le simulazioni CFD sono essenziali per ottimizzare la ventilazione e la climatizzazione dei grandi spazi, garantendo un comfort ottimale.
Le equazioni alle derivate parziali necessitano di condizioni al contorno per essere risolte. Queste sono stabilite basandosi sui dati di misura sul sito e sulle informazioni della direzione lavori. Per uno studio in regime stazionario in uno spazio aperto verso l'esterno, occorre definire le caratteristiche delle pareti (materiale, proprietà fisiche, viscosità, temperatura) nonché quelle delle superfici esposte all'esterno (verso del flusso, velocità, pressione, temperatura, coefficienti di superficie). È cruciale garantire la stabilità del calcolo nella definizione di queste condizioni, poiché la risoluzione delle equazioni avviene in modo iterativo per avvicinarsi alla soluzione.
Il solver del codice utilizzato risolve in modo approssimato le equazioni in ogni nodo della mesh, rispettando i principi fondamentali della fisica (conservazione della massa e dell'energia). Utilizza il modello di turbolenza k-epsilon standard, che risolve per due variabili: l'energia cinetica turbolenta e il tasso di dissipazione dell'energia cinetica. Questo modello è ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali e nell'HVAC per la sua buona velocità di convergenza e per i suoi requisiti di memoria accettabili. Per gli studi termo-aeraulici, si tiene conto dell'effetto degli scambi radiativi tra le pareti, della conduzione termica, del tiraggio termico e della gravità. Gli studi sono effettuati sull'intero edificio senza stabilire un piano di simmetria.
Il modello k-epsilon è un modello di turbolenza a due equazioni (energia cinetica turbolenta e il suo tasso di dissipazione). Ampiamente utilizzato nell'HVAC e nell'industria, offre un buon compromesso tra precisione, velocità di convergenza e requisiti di memoria.
Nell'ambito dello studio CFD, l'intero edificio è stato modellato per tenere conto delle diverse maschere aerauliche create dai diversi moduli del sito.
I forni e la configurazione interna dell'edificio di fusione sono stati modellati a partire dai dati del sito, così come i ventilatori e le aperture che influenzano i movimenti d'aria. L'obiettivo è ottenere una rappresentazione precisa dei complessi movimenti d'aria propri di questi locali.
L'obiettivo degli studi era mettere in evidenza i fenomeni termici presenti sul sito utilizzando due scenari distinti: uno scenario di base con condizioni simili a quelle dell'audit e un altro scenario con condizioni che permettono un'ottimizzazione dell'estrazione del calore.
L'audit ha rivelato un'assenza di innalzamento termico al piano terra, a differenza del primo piano dove i forni e il preriscaldamento degli stampi generano temperature elevate. Ha inoltre messo in evidenza una carenza di estrazione d'aria sotto la copertura, impedendo l'evacuazione efficace del calore.
È stato realizzato uno studio di isolamento, raccomandando uno spessore di isolante adeguato. Tuttavia, la temperatura interna dipende più dai movimenti d'aria e dalle fonti di calore che dall'isolamento.
Il primo scenario ha mostrato analogie con l'audit, rivelando masse d'aria separate a causa di un'estrazione insufficiente in copertura.
Il secondo scenario ha implementato nuovi sistemi di estrazione in copertura e fermato i ventilatori, migliorando significativamente l'estrazione del calore, riducendo la diffusione del calore e migliorando la qualità dell'aria. Tuttavia, persistono zone più calde attorno alle fonti di calore, suggerendo un possibile aumento del numero di sistemi di estrazione.
Un'isosuperficie di temperatura collega tutti i punti dello spazio a una stessa temperatura (ad esempio 40 °C). Visualizza a colpo d'occhio il volume occupato dall'aria calda e il suo arretramento tra lo scenario di base e lo scenario ottimizzato.
Da ricordare. In un capannone di fusione, l'isolamento conta meno della padronanza dei movimenti d'aria: è l'estrazione dell'aria calda in copertura, più dello spessore di isolante, a far scendere la temperatura percepita dagli operatori.
Comfort termico, prove fumogene ed estrazione del calore in un capannone di fusione.
Evacuando l'aria calda il più in alto possibile. Lo studio mostra che nuovi estrattori in copertura, con i ventilatori fermi, evacuano il calore molto meglio del rimescolamento dell'aria. Un approccio analogo è stato adottato nel nostro progetto ventilazione naturale di un'acciaieria.
Rende visibili le traiettorie reali dell'aria grazie a un fumo tracciante non inquinante. Rivela le infiltrazioni dalle porte, le zone di stagnazione e la stratificazione termica, impossibili da percepire a occhio nudo.
I ventilatori posti vicino ai forni rimescolano l'aria senza evacuarla: respingono l'aria calda verso il basso e riscaldano le parti basse. Fermandoli e aprendo estrazioni in copertura, il calore esce dall'edificio per tiraggio termico.
No. Lo studio di isolamento raccomanda uno spessore adeguato, ma la temperatura interna dipende soprattutto dai movimenti d'aria e dalle fonti di calore. Senza un'estrazione efficace, il solo isolamento non basta.
La termocamera mappa le zone calde e fredde reali sul sito; questi rilievi servono da dati di ingresso e di calibrazione al modello CFD, che estende poi l'analisi a tutto il volume e a scenari non realizzati.
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Studio termo-aeraulico CFD di un'acciaieria (Höganäs Belgium, Ath) per l'ottimizzazione del comfort degli operatori: audit sul sito (individuazione degli ingressi d'aria, prove fumogene, termocamera), modello 3D completo del capannone di fusione (forni 3T e 5T) e simulazioni CFD che confrontano uno scenario di base con uno scenario ottimizzato di estrazione in copertura per evacuare il calore e migliorare la qualità dell'aria.
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