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 di abbassare le temperature e migliorare la dissipazione del 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 centrale 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 identificare 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 fresca quando sono aperte, che può causare disagi in inverno.

Sono presenti prese d’aria anche 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, i ventilatori sono posizionati sul tetto, favorendo la fuoriuscita del calore verso l’esterno.

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

Individuare i punti di ingresso dell'aria.

I test del fumo rivelano diversi modelli di circolazione dell’aria nell’edificio. Al piano superiore, l’aria esce dalle finestre aperte, mentre una parte sale sul tetto. In prossimità dei ventilatori, 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 termocamere vengono utilizzate per stabilire una rappresentazione delle zone calde e fredde a supporto degli studi numerici.

Simulazioni CFD

Descrizione del progetto

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 termici 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 in regime 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

Nell’ambito 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.

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

Risultati della simulazione

Gli studi sono stati condotti per analizzare i fenomeni termici presenti nel sito. Sono stati utilizzati due scenari distinti: uno scenario di base simile alle condizioni di audit e uno scenario di ottimizzazione dell’estrazione di calore. L’audit del sito ha rivelato che non c’è aumento termico al piano terra, a differenza del primo piano dove il calore rilasciato dai forni riscalda l’aria ambiente e il tetto. La temperatura del tetto può raggiungere i 50°C e non è causata dalla radiazione solare, ma dai forni e dal preriscaldamento degli stampi. Inoltre, sotto il tetto manca l’estrazione dell’aria, il che significa che l’aria carica di calore rimane intrappolata. È stato condotto uno studio per determinare lo spessore dell’isolamento. Il primo scenario, simile a quello dell’audit, ha confermato le osservazioni fatte durante l’audit, in particolare per quanto riguarda la distribuzione della temperatura.