Officina industriale – Messico
In poche parole :
L’obiettivo dei nostri ingegneri EOLIOS, esperti in modellazione e meccanica dei fluidi, era quello di studiare come ottimizzare il comfort dell’operatore in una linea di produzione, tenendo conto dei vincoli circostanti (temperatura e velocità dell’aria ambiente, evacuazione dei fumi) e in particolare degli archi.
La sfida di un progetto del genere è controllare gli specifici fenomeni termo-aerodinamici indotti dalle varie fasi di produzione ad altissima temperatura dell’area.
In questo contesto, i nostri ingegneri EOLIOS hanno utilizzato studi termo-aerodinamici CFD per esaminare i vari principi aeraulici e termici che regolano il movimento dell’aria nell’impianto, a seconda della configurazione dei sistemi scelti.
Officina industriale
Anno
2023
Cliente
NC
Posizione
Messico
Tipologia
Industria
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Dimensionamento della ventilazione naturale in un'officina industriale
I nostri ingegneri EOLIOS hanno incontrato numerosi vincoli dovuti alle caratteristiche del sito e della costruzione:
- le temperature radianti delle pareti, che hanno un impatto notevole sul comfort termico
- correnti d’aria termica provenienti dai processi di produzione
- pressione del vento e resistenza interna al flusso d’aria verticale
- la posizione e le caratteristiche di resistenza al flusso delle aperture nell’involucro
- il terreno locale e la protezione immediata della struttura dell’edificio dal vento
- la presenza di sistemi meccanici che fanno circolare l’aria intorno agli elementi di produzione, rendendo complesso il design tradizionale
Dato che l’edificio non è climatizzato, l’ unica fonte di raffreddamento è l’apporto di aria fresca attraverso il tiraggio naturale dei ventilatori statici sul tetto o la ventilazione forzata.
Il miglioramento del comfort termico richiede quindi un dimensionamento preciso delle aperture di ventilazione naturale.
I nostri ingegneri hanno risposto a una serie di problemi, tra cui :
- Evacuare il fumo e i gas prodotti dagli archi (in particolare dai bruciatori interni)
- Dimensionamento della ventilazione naturale o meccanica in relazione al nuovo ampliamento dell’edificio del pallettizzatore.
- Proporre soluzioni per ottimizzare il comfort termico e la qualità dell’aria.
- Limita l’infiltrazione di polvere e zanzare.
Problemi di inquinamento atmosferico specifici del workshop
Il laboratorio di produzione ha vincoli specifici legati al processo di ventilazione naturale.
La ventilazione viene utilizzata in diversi modi:
- Combattere il surriscaldamento per mantenere condizioni di lavoro accettabili e garantire un funzionamento regolare senza rischi per le persone o per i materiali.
- Alimentazione dell’aria ai vari ventilatori e sistemi di soffiaggio sulle macchine
In questo contesto, 3 fonti di inquinamento dell’aria esterna causano difficoltà nella gestione della ventilazione:
- Area contenente mosche, zanzare e altri insetti con un diametro prossimo al millimetro.
- Residui di combustione della canna da zucchero (cenere) dell’ordine di un mm, provenienti dallo sfruttamento dei campi della regione.
Questi sono i residui più frequentemente identificati nei sistemi di vagliatura a sabbia dotati di doppi vagli.
-
Polveri sottili provenienti dal terreno circostante.
Il clima secco, combinato con sedimenti molto fini, fa sì che la polvere venga naturalmente sollevata dal vento.
Questo fenomeno è aggravato dalla presenza di attività su questi terreni aridi (traffico di camion, calpestio, ecc.) e dalle cave della regione.
Una volta che le polveri sottili del sito sono state spazzate via, non ricadono e possono essere trasportate per diverse centinaia di metri.
Controllo dei fumi
L’obiettivo è quello di valutare i sistemi presenti, misurare le condizioni di temperatura interna e caratterizzare le principali condizioni termiche e aerauliche dello spazio al fine di redigere una valutazione degli impianti presenti.
Nel settore industriale, possiamo effettuare audit del fumo per calibrare le simulazioni digitali rispetto ai fenomeni reali.
Video dell'audit del fumo
Tra le altre cose, l’audit prevede la misurazione della temperatura e della velocità dell’aria, l’analisi dei movimenti dei generatori di fumo, la produzione di un video e diun rapporto di audit per fornire un feedback a tutte le persone coinvolte.
Sulla base delle varie osservazioni in loco, verranno formulate ulteriori raccomandazioni (uso di ventilatori, porte di accesso alle cantine, ecc.).
Questa pagina illustra il processo di audit e spiega il nostro protocollo di audit.
Movimento d'aria con altri locali a contatto con il laboratorio di produzione
Il laboratorio di produzione è un’area in cui il clima è gestito dalla ventilazione naturale.
In quanto tale, non è dotato di un sistema meccanico e la miscelazione dell’aria dovrebbe essere garantita da un trasferimento naturale tra le prese d’aria in basso e un estrattore naturale sul tetto.
I team del sito hanno avvertito i nostri esperti della presenza di polvere e residui dell’aeratore statico sul pavimento dell’area del processo pulito.
La nostra analisi ha evidenziato il fatto che una quantità significativa di aria viene trasferita all’area di decorazione e poi a quella di imballaggio.
Queste aree sono dotate di ventilatori meccanici a tetto , che contribuiscono a creare una pressione negativa rispetto all’area ventilata naturalmente.
Ventilazione industriale naturale
La ventilazione naturale (per piccole differenze di temperatura) avviene tramite motori termo-aerodinamici con un delta di pressione molto basso.
La presenza di barriere di sabbia, che aumentano la caduta di pressione attraverso le entrate d’aria, lascia l’aeratore statico come zona di trasferimento preferita (semplice orifizio esterno).
In questo contesto, l’ingresso dell’aria attraverso il tetto viene incoraggiato non appena un Fenwick passa verso i locali accessori.
>Quando le porte del Fenwick vengono aperte, l’aria viene aspirata attraverso il ventilatore sul tetto: la velocità dell’aria nella porta è di 1,7 m/s (cioè un trasferimento di circa 100.000 m3/h).
In questo contesto (edificio collegato con ventilazione naturale a edifici con estrazioni meccaniche, che aggiungono significative perdite di carico alle entrate naturali). I nostri ingegneri hanno concluso che non sarà possibile far funzionare questo aeratore statico in modo soddisfacente con l’estrazione naturale.
Aumentando il numero di ingressi d’aria sarebbe possibile limitare leggermente questo fenomeno, ma la caduta di pressione attraverso la sabbia sembra troppo grande per evitare che l’edificio si depressurizzi meccanicamente attraverso il trasferimento d’aria.
Conclusione dell'audit del sito
Il laboratorio di produzione soffre di problemi legati alla sua esposizione al sole e alla presenza di impianti che rilasciano grandi quantità di calore.
Le velocità dell’aria sono leggermente superiori rispetto all’edificio adiacente, dato il rapporto tra le aperture e le dimensioni dell’edificio.
I sistemi contribuiscono inoltre a surriscaldare lo spazio rilasciando un pennacchio di aria surriscaldata all’ingresso e all’uscita, che si disperde nell’atmosfera.
Sono il principale motore del movimento dell’aria nella zona.
Ottimizzare il comfort termo-aerodinamico
Modellazione CFD di processi industriali
Includiamo le caratteristiche termiche delle pareti e del processo. I valori inclusi nel calcolo CFD sono i valori simulati per il progetto.
In un modello digitale, gli elementi sono come sono descritti e solo come sono descritti.
In termini di involucro edilizio, questo porta spesso a una perfezione surreale: i materiali sono perfettamente omogenei e perfettamente installati.
Gli unici ponti termici sono quelli descritti e, nella migliore delle ipotesi, è molto complicato, se non impossibile, prevedere tutti i ponti termici (i ponti termici strutturali e quelli legati al sistema di fissaggio sono generalmente presi in considerazione; i ponti termici dovuti a fori o passaggi di rete non lo sono).
La sfida principale di questa scheda sarà quindi quella di distinguere tra il valore target, derivante dalle prestazioni dei materiali, e il valore simulato, che tiene conto delle inevitabili imperfezioni dell’installazione.
Modellazione CFD di sistemi di ventilazione naturale
I parasabbia sono utilizzati sulla maggior parte delle bocchette dell’aria condizionata che trasferiscono l’aria dall’esterno.
Gli schermi di sabbia sono dotati di zanzariere all’interno.
Nello studio CFD, la stessa sabbia è stata modellata in modo tale da ottenere un flusso d’aria equivalente senza vincoli al modello numerico.
Modello CFD 3D
Lo scopo di questo estratto del capitolo è quello di illustrare il modello 3D prodotto per lo studio CFD di base. Le caratteristiche specifiche dei modelli CFD, legate alla robustezza del loro solutore e alla qualità del modello 3D, fanno sì che il modello geometrico sia stato completamente rimodellato.
Sono state effettuate semplificazioni relative a curve, spigoli, punti e piccoli elementi.
Il modello CAD esterno prodotto mostra la geometria del sito senza i suoi dintorni.
È stato prodotto a partire dai piani di sezione e dal modello Revit del progetto.
Il modello è stato progettato per tenere conto del trasferimento dell’aria e del calore nella sala.
I nostri ingegneri EOLIOS hanno prestato particolare attenzione alla modellazione dei sistemi industriali per garantire la massima precisione.
Poiché i forni sono una delle principali fonti di rilascio di calore, hanno il maggiore impatto sui fenomeni termo-aerodinamici circostanti.
È importante prendere in considerazione le maschere aerauliche per poter descrivere i diversi movimenti d’aria nella zona.
Come descrivi il comfort termico negli spazi caldi?
Il comfort termico è la soddisfazione di un individuo per le condizioni termiche dell’ambiente in cui vive.
Comfort termico significa non desiderare di avere più caldo o più freddo.
È soggettiva e quindi dipende dalle percezioni individuali.
È influenzata dall’attività fisica, dall’abbigliamento e dai livelli e dalle fluttuazioni delle caratteristiche dell’ambiente termico (temperatura dell’aria, radiazioni, contatto, umidità e velocità dell’aria).
Le zone di comfort termico adattate alla velocità dell’aria sono indicate in arancione.
Studio della distribuzione della velocità dell'aria
La prima figura mostra gli effetti della miscelazione dei volumi.
I movimenti aeraulici generali della stanza possono essere descritti in due fasi, indotti dalle zone di immissione dell’aria costituite dalle barriere di sabbia e poi dalle zone di ripresa.
In parole povere, le differenze di pressione sono le forze trainanti delle correnti d’aria.
In altre parole, l’aria fluisce da uno spazio ad alta pressione a uno spazio a bassa pressione quando queste forze sono maggiori delle perdite di carico (attrito).
Nel settore HVAC, la circolazione dell’aria è indotta da due forze motrici:
- La corrente d’aria termica si verifica quando una differenza di temperatura provoca una differenza di densità tra due masse d’aria.
Questo effetto è accentuato da una maggiore altezza del volume.
“L’aria calda tende a salire. - La distribuzione delle pressioni e delle depressioni indotte dai sistemi HVAC nel volume.
In questo caso, i sistemi di ripresa hanno un’influenza minima sulla velocità dell’aria all’interno dell’edificio, poiché i movimenti dell’aria sono regolati dall’aumento della temperatura nelle zone del forno.
Studio della distribuzione della velocità dell'aria
Le velocità dell’aria non sono in linea con gli obiettivi di comfort per questo tipo di attività in estate.
Le velocità dell’aria di spostamento sono inferiori ai valori target per il comfort termico in ambienti caldi.
Le velocità d’aria più elevate si riscontrano nella continuità delle sezioni di sabbia.
Infatti, queste aree sono le principali entrate d’aria nel padiglione.
D’altra parte, la simulazione evidenzia la presenza di una zona a bassa velocità tra gli archi, che potrebbe portare a un aumento della temperatura.
Studio della distribuzione della temperatura dell'aria
In assenza di movimento, o quando il movimento è lento e regolare, l’aria forma strati di temperature omogenee che si sovrappongono e l’aria più calda è a contatto con il soffitto.
Queste sezioni evidenziano il fenomeno della stratificazione spiegato in precedenza.
La temperatura dell’aria nell’edificio è generalmente surriscaldata, anche nella parte inferiore dove la temperatura è ben superiore a 35°C.
Studio dei pennacchi termici surriscaldati
Le viste isosuperficiali dei pennacchi termici possono essere utilizzate per identificare le diverse fonti di calore e il loro impatto sul modello.
La scarsa circolazione dell’aria nei forni, unita alle loro alte temperature, determina la comparsa di zone ad alta temperatura.
La simulazione mostra che l’aria tra i forni aumenta di temperatura e tende a passare sotto il soffitto.
Tuttavia, una volta sotto il controsoffitto, l’aria calda ha difficoltà a essere evacuata verso l’esterno.
Inoltre, i risultati dello studio dimostrano che le cappe di aspirazione dei forni non consentono di estrarre tutta l’aria carica di calorie.
Questo fenomeno è dovuto principalmente a un sottodimensionamento del flusso di aspirazione.
Poiché l’aria che esce dal forno non viene aspirata da una cappa, tende a fluire verso il soffitto.
Questo fenomeno contribuisce all’aumento della temperatura nella stanza.
Un altro fenomeno non considerato, ma che può avere un impatto sull’aeraulica della stanza, è l’inerzia termica dei prodotti, che possono emettere calore nella zona mentre escono dal forno.
Il camino di scarico sul retro del forno, che utilizza la ventilazione naturale, non sembra essere sufficientemente efficiente per recuperare tutto il calore.
Come mostrato sopra, l’aria carica di calorie che esce dal forno tende a fluire verso il soffitto, contribuendo all’aumento della temperatura.
Tuttavia, continua a funzionare in modalità di estrazione (nessun riflusso interno, che potrebbe essere stato causato dalla messa in pressione negativa della stanza).
Simulazione CFD per l'industria
La simulazione numerica offre nuove prospettive ai produttori.
Permette di prevedere una moltitudine di scenari e, di conseguenza, di controllare tutte le conseguenze impreviste di una cattiva progettazione.
Nel caso degli impianti di produzione, la modellazione multifisica permette di prendere in considerazione tutti i fenomeni che causano i flussi di calore e aria lungo la linea di produzione, dal surriscaldamento al comfort dei dipendenti.
Grazie ai suoi server di calcolo, i modelli di EOLIOS possono essere simulati nella loro interezza con un elevato grado di accuratezza in un breve lasso di tempo.
Inoltre, l’esperienza di EOLIOS nel campo dell’aeraulica generale consente al nostro team di proporre soluzioni innovative e pertinenti in caso di problemi di surriscaldamento.
Tuttavia, implementare le simulazioni CFD nel tuo processo di progettazione significa rivolgersi a esperti di meccanica dei fluidi, ingegneria termica e simulazioni numeriche per garantire che non si verifichino problemi in futuro.
I nostri ingegneri EOLIOS vantano una grande esperienza nel campo dell’auditing e mettono a disposizione le loro competenze per ottimizzare la risoluzione dei vari problemi.
Le loro attrezzature all’avanguardia consentono di effettuare misurazioni dirette e distinte, garantendo una valutazione del sito, delle attrezzature e dei materiali e, se necessario, una valutazione termica che include gli impianti, le perdite di calore e la climatizzazione attraverso i sistemi.
