A EOLIOS efectuou uma auditoria termo-aerodinâmica nas instalações da Höganäs Belgium, uma empresa especializada na metalurgia de pós de alta liga. O principal objetivo deste estudo erabaixar as temperaturas emelhorar a dissipaçãodo calor, com especial ênfase na sala de fusão, onde se encontram os dois fornos.

O objetivo desta iniciativa era aumentar o conforto do operador durante todo o processo de produção. O desafio central do projeto consistia em controlar os fenómenos térmicos e aeroeléctricos específicos associados às diferentes fases de fabrico a temperaturas extremamente elevadas.

Auditoria do sítio

Localizar os pontos de entrada de ar.

Esta auditoria analisa a ventilação e as aberturas para identificar as primeiras melhorias possíveis.

No rés do chão, duas grandes portas situadas em cada extremidade do edifício são normalmente deixadas abertas, permitindo a entrada de ar. Uma outra porta, que dá para a sala de armazenamento, está frequentemente aberta, permitindo a saída de ar da área de estudo. Todas as portas da fábrica funcionam como entradas de ar, provocando uma infiltraçãosignificativa de ar frescoquando estão abertas, o que pode causardesconforto no inverno.

Existem também entradas de ar no piso superior do edifício e, para melhorar o conforto dos técnicos que trabalham perto dos fornos, foram instalados vários ventiladores no primeiro andar.

Os fornos geram uma grande quantidade de calor, que sobe em direção ao telhado. Para baixar a temperatura nos pisos superiores do edifício, são colocados ventiladores no telhado, que ajudam o calor a sair para o exterior.

O telhado está equipado com vários dispositivos de extração de ar natural.

Ensaios de fumos efectuados

Um ensaio de fumos num edifício industrial é um método utilizado para avaliar o conforto térmico e a qualidade do ar no interior do edifício.

Para avaliar o conforto térmico, o fumo é utilizado para visualizar o movimento do ar e as correntes de ar no interior do edifício. Este detecta áreas onde existem correntes de ar excessivas ou problemas de circulação de ar, que podem levar a zonas de temperatura desconfortável.

Teste de fumo à volta de um forno

No que diz respeito à qualidade do ar, o teste de fumo é utilizado para demonstrar as trajectórias do ar no interior do edifício. Destaca as infiltrações de ar indesejadas, as fugas na envolvente do edifício, as infiltrações e os problemas de ventilação. Ao visualizar o movimento do fumo, é possível identificar as zonas de estagnação do ar, de acumulação de contaminantes e de ventilação insuficiente.

Estes testes permitem aos engenheiros da EOLIOS identificar os problemas potenciais relacionados com o conforto térmico e a qualidade do ar, e tomar as medidas necessárias para melhorar as condições no interior do edifício. Isto pode incluir ajustamentos ao sistema de aquecimento, ventilação e ar condicionado, reparações para melhorar a estanquidade do edifício ou alterações à configuração do espaço interior para otimizar a circulação do ar.

Teste de fumo perto de uma entrada de ar

Os testes de fumo revelam vários padrões de circulação de ar no edifício. No andar de cima, o ar sai pelas janelas abertas, enquanto uma parte sobe para o teto. Nas proximidades das ventoinhas, o ar quente é forçado para baixo, criando uma temperatura mais uniforme, embora provoque a acumulação de calor nas zonas mais baixas.

As ventoinhas junto aos fornos geram movimento de ar, mas não promovem uma melhor dissipação do calor. Em algumas áreas, ocorre um bifluxo, com o ar quente a subir para os circuitos de extração e o ar mais frio a fluir para os fornos. A estratificação térmica também ocorre, separando zonas de ar quente e frio.

Estudo do local com câmara térmica

O objetivo desta secção é destacar as principais fontes de fenómenos térmicos e as zonas mais ou menos densas em calor. As análises das câmaras térmicas são utilizadas para estabelecer uma representação das zonas quentes e frias para apoiar os estudos numéricos.

Câmara térmica à volta de um forno de 5 toneladas

Câmara térmica de um forno de fusão

Simulação CFD

O que é a simulação CFD?

A Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) é uma abordagem numérica para analisar os fluxos de fluidos num determinado ambiente, particularmente na conceção de edifícios. Fornece informações sobre as velocidades, pressões e temperaturas do ar dentro e à volta dos espaços do edifício. Este método utiliza equações diferenciais parciais para resolver numericamente os fenómenos, tendo em conta as condições de fronteira, tais como os efeitos aeroeléctricos do edifício, os ganhos de calor internos e os sistemas de ar condicionado. As simulações CFD são essenciais para otimizar a ventilação e a climatização de grandes espaços, garantindo um conforto ótimo.

As equações diferenciais parciais requerem condições de fronteira para serem resolvidas. Estes são estabelecidos com base nos dados de medição no local e nas informações fornecidas pelo gestor do projeto. Para um estudo em estado estacionário num espaço aberto ao exterior, é necessário definir as características das paredes (material, propriedades físicas, viscosidade, temperatura) e as das superfícies expostas ao exterior (direção do escoamento, velocidade, pressão, temperatura, coeficientes de superfície). É crucial garantir a estabilidade do cálculo ao definir estas condições, uma vez que as equações são resolvidas iterativamente para se aproximar da solução.

O solver do código utilizado resolve as equações em cada nó da malha de forma aproximada, respeitando os princípios fundamentais da física (conservação da massa e da energia). Utiliza o modelo padrão de turbulência k-epsilon, que resolve duas variáveis: energia cinética turbulenta e a taxa de dissipação de energia cinética. Este modelo é amplamente utilizado em aplicações industriais e de AVAC devido à sua boa velocidade de convergência e requisitos de memória aceitáveis. Para os estudos térmico-ar, são tidos em conta os efeitos das trocas radiativas entre paredes, a condução térmica, a tiragem térmica e a gravidade. Os estudos são efectuados sobre o conjunto do edifício sem estabelecer uma secção simétrica.

Modelo 3D do sítio

No âmbito do estudo CFD, todo o edifício foi modelado para ter em conta as diferentes máscaras aeroeléctricas criadas pelos diferentes módulos no local.

Os fornos e a configuração interna do edifício de fusão foram modelados com base nos dados do local, bem como os ventiladores e as aberturas que afectam a circulação do ar. O objetivo é obter uma representação exacta dos complexos movimentos de ar específicos destas instalações.

Resultados da simulação

O objetivo dos estudos era evidenciar os fenómenos térmicos presentes no local através de dois cenários distintos: um cenário de base com condições semelhantes às da auditoria e outro cenário com condições que permitem otimizar a extração de calor.

A auditoria revelou que não havia acumulação de calor no rés do chão, ao contrário do primeiro andar, onde os fornos e o pré-aquecimento dos moldes geram temperaturas elevadas. Revelou também uma falta de extração de ar sob o telhado, impedindo uma dissipação eficiente do calor.

Foi efectuado um estudo de isolamento que recomendou uma espessura de isolamento adequada. No entanto, a temperatura interior depende mais do movimento do ar e das fontes de calor do que do isolamento.

O primeiro cenário mostrou semelhanças com a auditoria, revelando massas de ar separadas devido a uma extração insuficiente do telhado.

O segundo cenário implementou novos sistemas de extração no telhado e parou os ventiladores, melhorando significativamente a extração de calor, reduzindo a difusão de calor e melhorando a qualidade do ar. No entanto, persistem zonas mais quentes em torno das fontes de calor, o que sugere um possível aumento do número de sistemas de extração.