Studio CFD per il controllo climatico in condizioni estreme di una fabbrica di produzione di turbine eoliche : comfort, qualità dell'aria e controllo dell'igrometria.
Gli ingegneri di EOLIOS hanno realizzato gli studi CFD di una fabbrica di produzione di turbine eoliche (officina di fabbricazione di pale), in Danimarca, per assicurare il controllo climatico in condizioni estreme.
Il sistema di diffusione dell'aria condiziona la riuscita dell'impianto : influenza la percezione del comfort (caldo/freddo) e la qualità dell'aria interna (evacuazione degli inquinanti). È anche una delle prime fonti di consumo di energia. La diffusione dell'aria e il comfort termico sono regolati dalla norma ISO 7730.
L'obiettivo : simulare tramite il calcolo numerico il comportamento termo-aeraulico dei fenomeni del futuro centro di progettazione di turbine eoliche, limitando le velocità dell'aria nelle zone di occupazione a valori inferiori a 0,2 m/s.
L'essenziale. Studio CFD del controllo climatico di una fabbrica di pale di turbine eoliche in Danimarca, in condizioni estreme. EOLIOS simula il comportamento termo-aeraulico dell'officina per tenere il comfort di diffusione ai sensi della ISO 7730 (velocità dell'aria inferiori a 0,2 m/s sotto 4 m) e sviluppa una metodologia dedicata all'evaporazione e al mantenimento dell'umidità relativa richiesta dal processo.
Una pala di turbina eolica è un pezzo composito di grandissima lunghezza, stampato per infusione di resina su rinforzi in fibra di vetro o di carbonio. La qualità della laminazione e la polimerizzazione della resina dipendono strettamente dalla temperatura e dall'igrometria dell'officina : una deriva di qualche grado o punto di umidità modifica la viscosità della resina, il tempo di gelificazione e, in ultima analisi, le proprietà meccaniche della pala.
A queste esigenze di processo si aggiungono vincoli di salute (emissioni di composti organici volatili durante l'infusione, polveri di levigatura), di sicurezza e soprattutto di dimensione : un capannone di pale supera comunemente diverse decine di metri di lunghezza e altezza. Questo volume rende l'ambiente molto sensibile alla stratificazione termica e alle correnti d'aria, che solo strumenti come la CFD permettono di anticipare finemente.
Processo di stampaggio sotto vuoto in cui la resina liquida impregna una pila secca di fibre. La riuscita dipende da una viscosità e da un tempo di gelificazione controllati, quindi da una temperatura e un'igrometria stabili nell'officina.
Reazione chimica che indurisce la resina e fissa le proprietà meccaniche del pezzo. La sua cinetica dipende dalla temperatura : un ambiente non controllato degrada l'omogeneità e la ripetibilità della produzione.
Da ricordare. La finestra di lavorazione di una resina è stretta. Tenere temperatura e umidità in tutto il capannone, nonostante l'altezza, condiziona direttamente la qualità delle pale prodotte.
Per rispondere alle esigenze legate alla qualità dell'aria, al comfort termico, all'efficienza energetica e al controllo dell'igrometria, occorre comprendere i meccanismi che plasmano la struttura del flusso e padroneggiare i fenomeni fisici all'origine dei trasferimenti di calore e di umidità.
La CFD apporta una soluzione numerica delle equazioni che governano la fisica del flusso, studiando il comportamento dei fluidi nonché il trasferimento di calore e di umidità. Il comfort di diffusione nella zona di occupazione è caratterizzato da : l'assenza di forte stratificazione di temperatura, una buona qualità dell'aria interna e l'assenza di correnti d'aria (obiettivo < 0,2 m/s sotto 4 m). La salita dell'aria calda in questi grandi volumi rientra nell'effetto stack termico.
Norma internazionale che regola il comfort termico negli ambienti moderati. Collega temperatura, umidità, velocità dell'aria e attività agli indici di comfort (PMV/PPD) e fissa le soglie, tra cui il limite di corrente d'aria nella zona di occupazione.
I sistemi di diffusione dell'aria (agitatori, mandata) sono « sotto-modellati » in CFD per essere integrati fedelmente all'officina, poi la simulazione riproduce le condizioni climatiche nell'officina di produzione.
Rappresentazione semplificata di un'apparecchiatura (agitatore, bocchetta di mandata) tramite i suoi effetti aeraulici anziché la sua geometria dettagliata. Integra fedelmente la diffusione nel modello globale senza appesantire il calcolo.
Modellare un'officina di queste dimensioni richiede un metodo rigoroso : ogni ipotesi (portate, temperature di mandata, apporti interni) è tracciata e validata prima di sfruttare i risultati. La simulazione non sostituisce il rilievo sul campo, lo prolunga esplorando scenari impossibili da testare in vera grandezza.
Suddivisione del volume d'aria in celle di calcolo. Una mesh fine restituisce meglio i gradienti vicino a diffusori e pareti, al prezzo di un tempo di calcolo più elevato ; l'arte sta nel raffinarla dove serve.
Valori imposti ai confini del modello (portate, temperature, pressioni, flussi di calore). Traducono il funzionamento reale dei sistemi e condizionano direttamente la fedeltà dei risultati.
Mantenere un livello di umidità relativa specifico è indispensabile per il processo di fabbricazione delle turbine eoliche. EOLIOS ha sviluppato una metodologia dedicata, riprendendo il calcolo termico (apporti / dispersioni) con i valori simulati del progetto.
Ipotesi : nessun'altra fonte di umidità oltre ai sistemi ; gradiente di umidità specifica nullo (superfici impermeabili) ; pareti opache alla migrazione di vapore ; interfaccia vapore-liquido all'equilibrio termodinamico (cambiamento di fase a saturazione, 100 % UR). L'umidità relativa è calcolata a partire dalla temperatura, dalla pressione e dall'umidità specifica.
Rapporto tra il vapore acqueo contenuto nell'aria e la quantità massima che essa può contenere a una data temperatura. Troppo bassa nuoce al processo; troppo alta favorisce la condensa. Il suo mantenimento è un obiettivo chiave dello studio.
Le simulazioni CFD hanno aiutato a ottimizzare la progettazione dell'officina di produzione di pale prevedendo le condizioni climatiche per diversi scenari di ingegneria. Hanno permesso di migliorare l'efficienza globale dei processi e di ridurre i costi, visualizzando la dinamica dei fluidi nell'officina e simulando ventilazione, raffreddamento ed evacuazione degli inquinanti.
Da ricordare. In un grande volume industriale, tenere un comfort di diffusione (< 0,2 m/s) controllando al contempo l'umidità relativa del processo impone compromessi. La CFD testa gli scenari di diffusione prima dei lavori per conciliare comfort, qualità dell'aria ed energia.
Riscaldare, umidificare e miscelare un volume molto grande ha un costo. La sfida non è solo tenere i set-point, ma tenerli con la portata e l'energia strettamente necessarie. La CFD, accoppiata al calcolo termico, permette di confrontare le leve ed evitare sia la sovraventilazione sia il sottodimensionamento.
Azione di rompere la stratificazione termica di un grande volume per riportare in basso l'aria calda accumulata sotto il tetto. Omogeneizza la temperatura e riduce il fabbisogno di riscaldamento nella zona di occupazione.
Raffrescamento tramite aria esterna quando è più fresca dell'ambiente, senza ricorrere alla produzione di freddo. Sotto un clima nordico, copre gran parte dell'anno e riduce fortemente la bolletta energetica.
Da ricordare. In un capannone di pale, comfort di diffusione, controllo dell'umidità e sobrietà energetica si decidono insieme. Oggettivare i flussi tramite la simulazione permette di arbitrare senza sovradimensionare.
Comfort di diffusione, umidità ed efficienza energetica : le risposte alle domande che si pongono industriali e committenti prima di uno studio CFD.
In un'officina di queste dimensioni, l'aria si stratifica e le correnti d'aria sono difficili da anticipare. La CFD simula velocità, temperature e umidità in ogni punto per tenere comfort e qualità dell'aria, come nel nostro progetto di magazzino medicale.
Regola il comfort termico negli ambienti moderati collegando temperatura, umidità, velocità dell'aria e attività agli indici PMV/PPD. Fissa in particolare il limite di corrente d'aria nella zona di occupazione, qui mirato a meno di 0,2 m/s sotto 4 metri.
EOLIOS ha sviluppato una metodologia dedicata che accoppia il calcolo termico (apporti e dispersioni) ai valori simulati, con un cambiamento di fase a saturazione. L'umidità relativa è dedotta da temperatura, pressione e umidità specifica, per tenere il livello richiesto dal processo.
È una rappresentazione semplificata degli agitatori e delle bocchette di mandata tramite i loro effetti aeraulici anziché la loro geometria dettagliata. Integra fedelmente la diffusione nel modello globale mantenendo un calcolo gestibile.
Mappe di velocità, temperature e umidità per diversi scenari di ingegneria, che permettono di ottimizzare la progettazione dell'officina, migliorare l'efficienza dei processi e ridurre i costi prima della costruzione.
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Studio CFD per il controllo climatico in condizioni estreme di una fabbrica di produzione di pale di turbine eoliche : modellazione dei sistemi di diffusione, metodologia di evaporazione e di umidità relativa, e previsione delle condizioni climatiche per diversi scenari, al servizio del comfort (ISO 7730), della qualità dell'aria e dell'efficienza energetica.
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