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Officina industriale – Messico

In poche parole:

I nostri ingegneri EOLIOS, esperti di modellazione e meccanica dei fluidi, avevano l’obiettivo di studiare l’ottimizzazione del comfort dell’operatore in tutta una linea di produzione, tenendo conto dei vincoli circostanti (temperatura e velocità dell’aria ambiente, evacuazione dei fumi) e in particolare a livello degli archi.

La sfida di un simile progetto consiste nel controllare gli specifici fenomeni termo-aerodinamici indotti dalle varie fasi di produzione a temperature molto elevate nell’area.

In questo contesto, i nostri ingegneri EOLIOS hanno studiato i vari principi termici e di flusso d’aria che regolano il flusso e il movimento dell’aria nell’impianto in base alla configurazione dei sistemi selezionati, utilizzando uno studio termo-aerodinamico CFD.

Progetto

Officina industriale

Anno

2023

Cliente

NC

Posizione

Città del Messico

Tipologia

Industria

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Dimensionamento della ventilazione naturale di 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 notevole impatto 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 produttivi, rendendo complessa la progettazione tradizionale

Poiché l’edificio non è climatizzato, l’unica fonte di raffreddamento è lapporto di aria fresca tramite corrente naturale ai ventilatori statici sul tetto o tramite ventilazione forzata. Il miglioramento del comfort termico richiede quindi un dimensionamento preciso delle aperture di ventilazione naturale.

I nostri ingegneri hanno risposto a diversi problemi come

  • Evacuare i fumi 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.
  • Limitare l’infiltrazione di polvere e zanzare.

Problemi di inquinamento atmosferico specifici del workshop

Il laboratorio di produzione presenta vincoli specifici legati al processo di ventilazione naturale.

L’uso della ventilazione è vario:

  • Combattere il surriscaldamento per mantenere condizioni di lavoro accettabili e garantire un funzionamento regolare senza rischi per l’uomo o per i materiali
  • Alimentazione dell’aria ai vari ventilatori e sistemi di soffiaggio delle macchine

In questo contesto, 3 fonti di inquinamento dell’aria esterna causano difficoltà nella gestione della ventilazione:

  • Area con mosche, zanzare e altri insetti di diametro prossimo al mm.
Photo d'insectes morts dans un piège à insecte à UV
Illustrazione dei moscerini identificati nelle trappole UV
  • Residui di combustione della canna da zucchero (ceneri) dell’ordine di un millimetro, che provengono dallo sfruttamento dei campi della regione. Questi sono i residui più frequentemente identificati nei sistemi di barriera a sabbia dotati di doppi vagli.
Photo de l'encrassement d'un pare-sable avec moustiquaires
Illustrazione dei moscerini identificati nelle trappole UV
  • Una polvere sottile proveniente dalla terra circostante. Il clima secco, unito alla sedimentazione molto fine del terreno, porta alla formazione di polvere naturale che soffia nel vento. Questo fenomeno è accentuato dalla presenza di attività su questo terreno secco (traffico di camion, calpestio, ecc.) e dalle cave della regione. Le polveri sottili del sito non ricadono e possono essere trasportate per diverse centinaia di metri.

Verifica del fumo

L’obiettivo è quello di effettuare una valutazione degli impianti presenti, misurare le condizioni di temperatura interna e caratterizzare le principali condizioni termo-aerodinamiche dello spazio al fine di stabilire una valutazione degli impianti presenti. Nell’industria, possiamo effettuare audit di fumo al fine di calibrare simulazioni digitali su fenomeni reali.

Video dell'audit del fumo

Tra le altre cose, l’audit consiste nel prendere misurazioni della temperatura e della velocità dell’aria , analizzare il movimento dei fumogeni, produrre un supporto video e un rapporto di audit che consenta il feedback dell’esperienza per tutti gli attori. Ulteriori raccomandazioni (uso di persiane, porte di accesso alla cantina, ecc.) saranno formulate sulla base delle varie osservazioni in loco.

Questa pagina descrive a grandi linee il corso dell’audit al fine di spiegare il nostro protocollo di missione.

Movimento d'aria con altri locali a contatto con la sala 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 circolazione dell’aria dovrebbe essere garantita da un trasferimento naturale tra le prese d’aria nella sezione inferiore e un estrattore naturale nel tetto.

Il personale del sito ha segnalato ai nostri esperti la presenza di polvere e residui dell’aeratore statico sul pavimento dell’area del processo pulito.

La nostra analisi ha evidenziato che una quantità significativa di aria viene trasferita all’area di decorazione e poi a quella di confezionamento. Queste aree sono dotate di ventilatori meccanici sul tetto che contribuiscono alla pressione negativa rispetto all’area ventilata naturalmente.

Photo d'un aérateur statique de toiture vu de l'intérieur du bâtiment
Ventilatore statico sul tetto funzionante come ingresso dell'aria

Ventilazione industriale naturale

La ventilazione naturale (per piccole differenze di temperatura) è assicurata da motori termoaerotermici con un delta di pressione molto basso. La presenza di barriere di sabbia, che aumentano la caduta di pressione attraverso gli ingressi dell’aria, lascia l’aeratore statico come zona di trasferimento preferita (orifizio esterno semplice).

In questo contesto, le prese d’aria attraverso il tetto sono favorite non appena un Fenwick passa in direzione del locale annesso. Quando le porte Fenwick vengono aperte, l’aria viene aspirata attraverso il ventilatore del 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 aggiungendo significative perdite di carico alle entrate naturali). I nostri ingegneri sono giunti alla conclusione che non è possibile utilizzare questo aeratore statico in modo soddisfacente nell’estrazione naturale.

L’aumento del numero di ingressi d’aria consentirebbe di limitare leggermente questo fenomeno, ma la perdita di pressione attraverso la sabbia sembra troppo grande per impedire la depressurizzazione meccanica dell’edificio 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 quantità molto elevate di calorie. Le velocità dell’aria sono leggermente superiori a quelle dell’edificio adiacente a causa del rapporto tra apertura e dimensioni dell’edificio.

I sistemi contribuiscono inoltre al surriscaldamento dello 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 nell’area.

Ottimizzazione del comfort dell'aria termica

Modellazione CFD di processi industriali

Vengono fornite le caratteristiche termiche delle pareti e del processo. I valori inclusi nel calcolo CFD sono i valori simulati del progetto.

In un modello digitale, gli elementi sono come sono descritti, e solo come sono descritti. In termini di involucro, questo porta spesso a una perfezione surreale: i materiali sono perfettamente omogenei e perfettamente applicati. Gli unici ponti termici sono quelli descritti, e nella migliore delle ipotesi è molto complicato, se non impossibile, prevedere tutti i ponti termici (in genere si tiene conto dei ponti termici strutturali e di quelli legati al sistema di fissaggio; non si tiene conto dei ponti termici dovuti a fori o passaggi di rete).

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 per la maggior parte delle bocchette di trasferimento dell’aria dall’esterno.

Le zanzariere sono dotate di zanzariere all’interno.

Nello studio CFD, le sabbie sono state modellate in modo tale da ottenere un flusso d’aria equivalente, senza vincoli per il modello numerico.

Modello 3D CFD

Lo scopo di questo estratto del capitolo è quello di delineare il modello 3D prodotto per lo studio CFD di base. Le caratteristiche specifiche dei modelli CFD, legate alla robustezza del loro solutore in relazione alla qualità del modello 3D, fanno sì che il modello geometrico sia stato interamente rimodellato. Sono state apportate semplificazioni relative a curve, spigoli, punti e piccoli elementi.

Identification des panaches thermiques au dessus d'un four industriel
Ventilatore statico sul tetto funzionante come ingresso dell'aria

Il modello CAD esterno prodotto mostra la geometria del sito senza l’ambiente circostante. È stato realizzato a partire dalle piante sezionali e dal modello rivitalizzato del progetto.

Il modello è stato progettato per tenere conto del trasferimento di aria e 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.

La considerazione delle maschere d’aria è importante per poter descrivere i diversi movimenti d’aria nell’area.

Come qualificare il comfort termico negli spazi caldi?

Il comfort termico è la soddisfazione di un individuo per le condizioni termiche del suo ambiente. Si parla di comfort termico quando la persona non vuole avere più caldo o più freddo.

È soggettivo 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, radiazione, contatto, umidità e velocità dell’aria).

Le confort thermique - schéma des échanges du corps humain
Ventilatore statico sul tetto funzionante come ingresso dell'aria
Diagramme du confort thermique selon Givoni
Diagramma di comfort termico per ambienti caldi secondo Givoni

In arancione sono indicate le zone di comfort termico adattate alle velocità dell’aria.

Studio della distribuzione della velocità dell'aria

La prima figura mostra gli effetti della miscelazione dei volumi.

I movimenti aeraulici generali del locale 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 motrici 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 pressione (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.
Visualisation en tube de courant des effets thermo aéraulique au dessus d'un four industriel
Diagramma di comfort termico per ambienti caldi secondo Givoni

In questo caso, i sistemi di ripresa hanno poca influenza sulle velocità dell’aria all’interno dell’edificio, i movimenti dell’aria sono regolati dall’aumento di temperatura delle zone forno.

Studio della distribuzione della velocità dell'aria

Le velocità dell’aria non sono coerenti 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 dell’aria più elevate si riscontrano nella continuità delle parti sabbiose. 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.

Etude des vitesses d'air pour le rafraichissement naturel dans un bâtiment industriel - optimisation du confort thermique
Mappa della velocità dell'aria al suolo
Etude des vitesses d'air dans un bâtiment industriel en relation avec le tirage thermique
Mappa della velocità dell'aria al suolo

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; 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 al di sopra dei 35°C.

Etude de la stratification thermique dans un bâtiment industriel - simulation CFD - coupe des températures d'air
Diagramma di comfort termico per ambienti caldi secondo Givoni
Etude de la stratification thermique dans un bâtiment industriel - simulation CFD
Diagramma di comfort termico per ambienti caldi secondo Givoni

Studio di 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.

Etude des panaches thermiques rejeté dans un bâtiment industriel en sortie de four
Studio dei pennacchi termici nel forno

La combinazione tra la scarsa circolazione dell’aria nei forni e le loro alte temperature genera zone ad alta temperatura. La simulazione mostra che l’aria tra i forni aumenta di temperatura e tende a scorrere sotto il soffitto. Tuttavia, una volta sotto il controsoffitto, l’aria calda fatica a uscire verso l’esterno.

Inoltre, i risultati dello studio mostrano che le cappe all’ingresso dei forni non consentono di estrarre tutta l’aria carica di calorie. Questo fenomeno è dovuto principalmente a un sottodimensionamento del flusso di aspirazione.

Identification des effets thermiques d'un four industriel - illustration des panaches thermiques
Studio dei pennacchi termici nel forno

L’aria che esce dal forno, non essendo aspirata da una cappa, tende a fluire verso il soffitto. Questo fenomeno contribuisce all’aumento della temperatura dell’ambiente.

Un altro fenomeno non considerato, ma che può avere un impatto sull’aeraulica del locale, è l ‘inerzia termica dei prodotti, che possono emettere calore nella zona all’uscita dal forno.

Identification des effets thermiques d'un four industriel - illustration des panaches thermiques
Studio dei pennacchi termici nel forno

Il camino posteriore del forno, che utilizza la ventilazione naturale, non sembra essere sufficientemente efficiente per recuperare tutto il calore. Infatti, come evidenziato in precedenza, l’aria carica di calorie che esce dal forno tende a fluire verso il soffitto, contribuendo così all’aumento della temperatura.

Tuttavia, è ancora possibile vedere che il sistema funziona in modalità di estrazione (nessun riflusso interno che potrebbe essere causato dalla pressione del locale).

Simulazione CFD per l'industria

La simulazione numerica offre nuove prospettive ai produttori. In questo modo è possibile pianificare una moltitudine di scenari e, di conseguenza, controllare eventuali eventi imprevisti legati a una cattiva progettazione. Nel caso degli impianti di produzione, la modellazione multifisica consente di tenere conto di tutti i fenomeni che causano i flussi di calore e di aria lungo la linea di produzione, dal surriscaldamento al comfort dei dipendenti.

Grazie ai suoi server di calcolo, i modelli EOLIOS possono essere simulati nella loro interezza con un elevato grado di accuratezza in un tempo molto breve. Inoltre, l’esperienza di EOLIOS nella ventilazione generale consente al nostro team di proporre soluzioni innovative e pertinenti in caso di problemi di surriscaldamento. Tuttavia, implementare le simulazioni CFD nel processo di progettazione significa avvalersi di esperti in meccanica dei fluidi, simulazioni termiche e numeriche per garantire che non si verifichino problemi in futuro.

I nostri ingegneri EOLIOS vantano una grande esperienza nel campo dell’audit e mettono direttamente 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, dei materiali e, se necessario, delle competenze termiche, compresi gli impianti, le dispersioni termiche e la climatizzazione attraverso gli impianti.

Video riassuntivo dello studio

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