Analisi dei flussi aeraulici e termici dello stabilimento di Aluminium Dunkerque tramite modellazione 3D e simulazioni CFD, nell'ambito dell'aggiunta di un 8° forno.
Lo studio si concentra sull'ottimizzazione del posizionamento dei sistemi di aerazione per lo stabilimento di alluminio Dunkerque. Sono state effettuate simulazioni numeriche CFD per analizzare i flussi di fluido e valutare le condizioni aerauliche e termiche dello stabilimento al fine di proporre raccomandazioni precise per ottimizzare il posizionamento dei sistemi di aerazione.
L'essenziale. Aluminium Dunkerque vuole aggiungere un 8° forno a una fonderia raffreddata a ventilazione naturale (7 forni a circa 750 °C). Un audit in sito (prove fumogene, sonde di temperatura, termocamera) e i dati meteo di Dunkerque hanno alimentato un modello CFD 3D. Risultato: un aeratore a shed sopra il forno 8 e la chiusura di un'aletta controproducente fanno calare la temperatura sotto il tetto, a portata di estrazione pressoché costante.
Lo studio realizzato riguarda il posizionamento delle aperture per migliorare il comfort termico dello stabilimento di Aluminium Dunkerque, dotato di un sistema di raffreddamento a ventilazione naturale. Lo stabilimento è composto da 7 forni e una linea di produzione di lingotti, e per aumentare la capacità di produzione, è prevista la creazione di un 8° forno. La temperatura di questi forni è di circa 750°C e si generano quindi importanti movimenti d'aria calda all'interno dello stabilimento.
Il capannone di fonderia è dotato di 4 grandi aeratori a shed, 13 aeratori statici, nonché persiane su alcune facciate dell'edificio. L'obiettivo di questo studio sarà quindi studiare se il sistema di aerazione attuale è sufficiente per l'aggiunta di un 8° forno, e in caso contrario trovare come rimediare.
Un aeratore a shed è un lucernario di grande dimensione integrato nella struttura del tetto. Senza motore, evacua l'aria calda per tiraggio termico su un'ampia sezione, il che lo rende efficace sopra fonti molto calde come un forno.
L'audit realizzato aveva l'obiettivo di raccogliere il maggior numero di informazioni sul funzionamento del sito per quanto riguarda la temperatura e i movimenti d'aria. Sono stati utilizzati diversi test e strumenti di misura per raggiungere questo obiettivo. La prova fumogena è stata realizzata con una macchina del fumo che ha generato un'importante quantità di fumo nel volume. Questo ha permesso di visualizzare i movimenti macroscopici delle correnti d'aria all'interno del sito.
I fumi utilizzati erano innocui per l'ambiente e sono stati generati a partire da un liquido a base di acqua e glicole non inquinante. Sono stati realizzati video durante queste prove per analizzare i fenomeni osservati sul posto. Apparecchi di misura delle temperature dell'aria, come sonde telescopiche con certificazione di taratura, sono stati utilizzati per rilevare le temperature e le velocità dell'aria sul sito. I risultati delle prove fumogene hanno mostrato che le correnti d'aria in prossimità dei forni sono principalmente ascendenti.
Successivamente, sono state utilizzate immagini termiche per mettere in evidenza le principali fonti dei fenomeni termici e le diverse zone più o meno dense di calore.
Le temperature rilevate sono state confrontate con i risultati delle simulazioni CFD per verificarne la coerenza.
È stata presa in considerazione l'emissività delle diverse superfici per stimare le temperature.
Tutte le aperture, prese d'aria e passaggi d'aria nel sito sono stati individuati durante l'audit. Questo permette di riprodurre fedelmente lo stabilimento nelle simulazioni, tenendo conto anche delle piante fornite. Sono stati individuati quattro tipi di aperture, tra cui porte completamente aperte, alette sulle facciate, aeratori a shed e aeratori statici. L'audit ha inoltre permesso di rilevare la geometria globale della fonderia e i diversi volumi che influenzano il flusso dell'aria. Queste informazioni su temperature, movimenti d'aria, aperture e geometria del sito sono essenziali per comprendere e riprodurre fedelmente lo stabilimento nelle simulazioni. Serviranno anche da base per formulare raccomandazioni volte a ottimizzare le condizioni aerauliche e termiche sul sito.
I dati climatologici della stazione meteorologica di Dunkerque sono di importanza capitale per definire le condizioni climatiche esterne necessarie allo studio delle ventilazioni dello stabilimento. Le informazioni raccolte comprendono la velocità e la direzione dei venti, nonché la temperatura minima media in inverno e la temperatura massima media in estate.
Inoltre, sono presi in considerazione anche i picchi di temperatura più estremi registrati. Questi dati svolgono un ruolo cruciale nell'adattamento delle strategie di ventilazione e climatizzazione per garantire il comfort ottimale degli operatori dello stabilimento durante tutto l'anno.
La meccanica dei fluidi numerica (CFD), o Computational Fluid Dynamics in inglese, è un metodo numerico che permette di studiare i flussi di fluido in un ambiente dato. Questo metodo utilizza equazioni alle derivate parziali per risolvere i problemi di flusso dei fluidi, che sono spesso irrisolvibili analiticamente.
Nel contesto degli edifici, uno studio CFD può fornire informazioni sulle velocità dell'aria, le pressioni e le temperature all'interno e attorno agli spazi costruiti. Questo permette di comprendere meglio le condizioni aerauliche e termiche, in particolare nell'ambito della progettazione di sistemi di ventilazione e climatizzazione.
Le simulazioni CFD sono particolarmente utili per ottimizzare il comfort interno assicurando che i flussi d'aria siano adeguati e ben distribuiti, il che contribuisce a migliorare l'efficienza energetica e il benessere degli occupanti. La modellazione geometrica è una fase essenziale nelle simulazioni CFD. Consiste nel rappresentare fedelmente la geometria del sito o dell'edificio studiato. Questo permette di definire le condizioni al contorno, come il tipo di pareti, le superfici aperte verso l'esterno, gli apporti interni di calore, ecc. La modellazione geometrica permette anche di semplificare il modello eliminando gli elementi non rilevanti per lo studio aeraulico e termico, il che facilita l'interpretazione dei risultati.
In sintesi, le simulazioni CFD sono utilizzate per studiare i flussi di fluido nell'ambito della progettazione di edifici. Permettono di ottimizzare le condizioni aerauliche e termiche, di migliorare il comfort interno e di ottimizzare l'efficienza energetica. La modellazione geometrica e la mesh del modello sono fasi chiave di questo processo, così come la definizione delle condizioni al contorno e l'utilizzo di modelli di turbolenza appropriati.
L'obiettivo di questo studio era verificare il corretto funzionamento aeraulico del sito a seguito dell'aggiunta del nuovo forno 8. A tal fine sono stati esaminati diversi scenari. Il primo scenario era lo scenario esistente, che riprende i sistemi di estrazione d'aria così come sono attualmente in essere, con condizioni esterne basate sull'analisi meteorologica. Tuttavia, i risultati hanno mostrato uno squilibrio della distribuzione della temperatura tra il lato nord e sud del sito, a causa dell'assenza di una cappa di aspirazione per il forno 8 e di un aeratore a shed. Il secondo scenario ha incorporato aeratori statici aggiuntivi sopra il forno 8. I risultati hanno dimostrato che l'aggiunta di questi aeratori permetteva un'evacuazione più rapida e mirata dell'aria carica di calore, migliorando così il funzionamento aeraulico del sito.
A seguito dei risultati del secondo scenario, il terzo scenario è stato studiato prevedendo la chiusura di un'aletta giudicata controproducente. Questo scenario ha mostrato che la chiusura di questa apertura favoriva la stratificazione dell'aria calda, comportando un migliore tiraggio termico e un'evacuazione più efficace dell'aria carica di calore. Questi risultati dimostrano quindi l'importanza del corretto posizionamento dei sistemi di estrazione d'aria e delle aperture di aerazione nel corretto funzionamento aeraulico del sito. Le raccomandazioni che ne derivano incoraggiano l'aggiunta di aeratori mirati per facilitare un'evacuazione più efficace dell'aria carica di calore e la chiusura di alcune aperture per favorire una stratificazione ottimale dell'aria calda.
Durante questo studio, sono state esaminate due configurazioni per valutare l'efficacia dell'estrazione di polvere nel caso del forno 8 in modalità porta aperta. La prima configurazione era la configurazione di base, mentre la seconda configurazione comprendeva l'aggiunta di aeratori statici e la chiusura dell'aletta inappropriata. Questo studio rientra nella nostra competenza sullo studio della propagazione di polveri e polveri sottili.
Il tiraggio termico è il movimento ascendente dell'aria dovuto alla sua dilatazione quando si riscalda: più leggera, sale e fuoriesce dalle aperture alte, aspirando aria fresca dal basso. È il motore della ventilazione naturale. Questo fenomeno rientra nel dimensionamento degli aeratori statici.
Le simulazioni realizzate hanno poi incluso l'installazione di un nuovo aeratore a shed sopra il forno 8. I risultati delle simulazioni hanno mostrato che l'aeratore a shed appena aggiunto aveva un impatto significativo sui flussi d'aria. Si osserva una scomparsa del flusso diretto dal forno 8 verso i piccoli aeratori a shed già presenti.
Per quanto riguarda la distribuzione di temperatura, i risultati indicano una distribuzione simile a quella degli scenari precedenti, ma con un netto calo della temperatura sotto il tetto grazie alla presenza dell'aeratore a shed.
La temperatura sotto il tetto cala notevolmente grazie all'evacuazione rapida dell'aria calda carica di calore da parte dell'aeratore a shed. I risultati sottolineano anche che la portata di estrazione totale resta globalmente costante, con un lieve aumento rispetto alla configurazione esistente. Questi risultati dimostrano l'efficacia dell'aeratore a shed aggiunto sopra il forno 8 per evacuare rapidamente l'aria calda carica di calore. Questa modifica contribuisce quindi a migliorare i flussi d'aria e le condizioni termiche nell'edificio.
Lo studio radiativo nell'ambito dell'analisi termo-aeraulica di uno stabilimento permette di comprendere meglio l'impatto dell'irraggiamento termico, di valutare l'interazione tra l'irraggiamento e la convezione, e di individuare le zone in cui sono necessari aggiustamenti per ottimizzare le condizioni termiche all'interno dello stabilimento. Questo permette di migliorare il comfort dei lavoratori, di prevenire i problemi di surriscaldamento e di ottimizzare l'efficienza energetica dello stabilimento.
L'irraggiamento termico è il trasferimento di calore mediante onde elettromagnetiche, senza contatto né aria intermedia. Un forno molto caldo riscalda così direttamente le pareti che gli stanno di fronte, oltre all'aria: è un apporto distinto dalla convezione, da trattare separatamente.
Sono state quindi realizzate simulazioni per valutare il trasferimento radiativo proveniente dal forno 8 verso le pareti circostanti in due scenari diversi. Il primo scenario corrisponde alla configurazione abituale in cui il forno 8 è chiuso. I risultati hanno mostrato che flussi radiativi importanti erano ricevuti dalla facciata nord, dal muro di fronte al forno e dalla copertura bassa con temperature massime che raggiungono circa 70°C. Il secondo scenario riguarda il forno 8 aperto con una temperatura interna di 500°C per tenere conto del raffreddamento del forno aperto. Le stesse zone sono allora anch'esse soggette a importanti flussi radiativi con temperature massime dell'ordine di 75°C.
Questi risultati dimostrano l'impatto significativo del trasferimento radiativo del forno 8 verso le pareti circostanti. Mettono in evidenza le zone che ricevono i flussi radiativi più importanti, in particolare la facciata nord, il muro di fronte al forno 8 e la copertura bassa.
La competenza della nostra azienda ha permesso di trovare soluzioni tecniche per l'aggiunta di un nuovo forno nello stabilimento e di migliorare il comfort termico per i lavoratori. Le modifiche effettuate hanno comportato una riduzione significativa delle temperature sotto la copertura e a livello delle zone di lavoro, nonché il miglioramento dell'aerazione riducendo i flussi d'aria calda in punti precisi.
L'analisi radiativa ha inoltre permesso di individuare tre zone in cui il trasferimento radiativo è più intenso, che possono rappresentare un pericolo per i lavoratori. Questi risultati contribuiscono a migliorare la comprensione dei flussi d'aria e delle condizioni termiche, e permettono di formulare raccomandazioni per ottimizzare l'aerazione, la temperatura e più in generale le condizioni di lavoro all'interno del sito.
Da ricordare. Aggiungere una fonte di calore a un capannone ventilato naturalmente non si riduce a praticare un'apertura in più: sono la posizione degli aeratori e la chiusura mirata di alcune aperture a ristabilire un tiraggio termico efficace, convezione e irraggiamento considerati insieme.
Ventilazione naturale, aeratori a shed e irraggiamento dei forni in uno stabilimento di alluminio.
Sì, a condizione di ridimensionare l'aerazione. Lo studio mostra che aggiungendo un aeratore a shed sopra il forno 8 e chiudendo un'aletta controproducente, il sito evacua l'aria calda dell'ottavo forno senza ventilatore. Un approccio analogo è stato adottato nel nostro progetto ventilazione naturale di uno stabilimento siderurgico.
Un'apertura mal posizionata può cortocircuitare il tiraggio termico lasciando entrare aria là dove l'aria calda dovrebbe salire. Chiudendola, si favorisce la stratificazione dell'aria calda e un'evacuazione più efficace attraverso gli aeratori in copertura.
Quantifica il trasferimento radiativo dal forno alle pareti, distinto dalla convezione. Ha individuato tre zone (facciata nord, muro di fronte al forno, copertura bassa) che ricevono fino a 75 °C, potenzialmente a rischio per gli operatori.
Posizionato il più vicino possibile alla fonte calda, evacua per tiraggio termico l'aria carica di calore prima che si diffonda sotto il tetto. La portata di estrazione totale resta pressoché costante, ma l'aria calda esce più in fretta e più vicino al forno.
La termocamera misura le temperature reali delle superfici in sito; confrontarle con i risultati della simulazione permette di verificare la coerenza del modello e di calibrarlo prima di esplorare scenari non realizzati.
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Lo studio realizzato riguarda il posizionamento ottimale delle aperture per migliorare il comfort termico dello stabilimento di Aluminium Dunkerque che utilizza un sistema di raffreddamento a ventilazione naturale. L'obiettivo è determinare se il sistema di aerazione attuale è sufficiente per l'aggiunta di un 8° forno e, se necessario, proporre soluzioni. Sono state realizzate diverse misure preliminari, come prove fumogene per osservare i movimenti d'aria, misure di temperatura e immagini termiche per individuare le fonti di calore. Questi dati sono stati utilizzati per creare un modello 3D dello stabilimento nel quale sono state effettuate simulazioni numeriche CFD. Le simulazioni CFD permettono di studiare i flussi di fluido e di simulare le condizioni aerauliche e termiche dello stabilimento. I risultati hanno mostrato che l'aggiunta di alcuni aeratori permetterebbe un'evacuazione più rapida e mirata dell'aria calda, migliorando così il funzionamento aeraulico del sito. In conclusione, questo studio ha permesso di determinare il posizionamento ottimale delle aperture per migliorare il comfort termico dello stabilimento di Aluminium Dunkerque in vista dell'aggiunta di un 8° forno. I risultati delle simulazioni CFD hanno apportato raccomandazioni precise per ottimizzare l'efficienza energetica e il benessere degli operatori dello stabilimento.
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