Estudo da ventilação natural – Siderurgia
Análise termo-aerodinâmica de um telhado de escritório
O estudo diz respeito às torres de arrefecimento situadas no telhado de um edifício de escritórios. Estes sistemas de arrefecimento são essenciais para a climatização das pessoas e das salas técnicas das zonas informáticas. É por isso que é essencial que funcionem da melhor forma. Durante este estudo, foi estudado o princípio dos sistemas de looping e foram recomendadas soluções para remediar a situação.
Estudo da ventilação natural - Siderurgia
Ano
2025
Cliente
NC
Localização
Alemanha
Tipologia
Indústria
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Um desafio industrial: controlar o fluxo e a dissipação de calor
Um sítio industrial muito limitado
No coração de uma siderurgia que funciona 24 horas por dia, sujeita a temperaturas extremas e a emissões maciças de fumos metalúrgicos. Neste gigantesco pavilhão industrial, o calor gerado pelos conversores, pelas panelas de metal fundido e pelo vazamento contínuo exige uma gestão rigorosa dos fluxos de ar.
Os processos de transformação do ferro fundido em aço geram igualmente emissões significativas de poluentes atmosféricos, nomeadamente monóxido de carbono (CO), poeiras metálicas finas, bem como compostos de manganês, crómio, zinco e sílica cristalina. Estes fumos, muitas vezes invisíveis a olho nu, são tanto mais problemáticos quanto podem concentrar-se localmente na ausência de uma extração eficaz. Para além dos riscos deexposição crónica dos operadores, estes poluentes são regidos por limites de exposição profissional (LEO) rigorosos, o que exige um controlo rigoroso da qualidade do ar. Neste contexto, a ventilação desempenha um papel crucial na evacuação rápida dos gases nocivos e na diluição das partículas em suspensão, a fim de manter um ambiente de trabalho que respeite as exigências sanitárias e regulamentares.
Com temperaturas próximas dos 1.600°C e volumes de ar que se deslocam a um ritmo de várias dezenas de milhares de metros cúbicos por hora,a ventilação das instalações assenta num equilíbrio complexo entre a extração de fumos e o fornecimento de ar fresco. Qualquer perturbação neste sistema pode ter um impacto na qualidade do ar, na segurança dos operadores e naeficiência energética das instalações.
O processo de fabrico do aço e o seu impacto no ambiente aeraúlico
A produção de aço baseia-se numa série de processos industriais intensivos em energia, que geram grandes volumes de calor, gases e partículas. Embora cada instalação siderúrgica tenha as suas caraterísticas específicas, o princípio geral baseia-se nas seguintes fases:
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Os conversores são carregados com uma mistura de ferro fundido líquido (proveniente do alto-forno) e sucata reciclada.
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Injeção de oxigénio puro no banho de metal, permitindo que o excesso de carbono seja eliminado por oxidação, uma reação que liberta uma grande quantidade de calor e fumos metalúrgicos.
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A metalurgia secundária, que consiste em ajustar a composição química do aço através da adição de elementos de liga (crómio, manganês, níquel, etc.).
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Fundição contínua, em que o aço líquido é vertido em moldes e arrefecido gradualmente com água para formar placas sólidas.
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Corte e acabamento, eventualmente por plasma ou laser, de acordo com as especificações finais.
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Cada fase contribui para uma produção localizada de calor e poluentes, frequentemente concentrada em torno de conversores, áreas de transferência de panelas, fundição contínua ou equipamento de deslagging. As temperaturas de trabalho podem ultrapassar os 1.600°C, gerando fluxos ascendentes de ar quente, emanações gasosas (CO, CO₂), partículas finas e poeiras metálicas. Estes fenómenos têm um impacto direto na estratificação térmica, no comportamento do fluxo de ar e na dispersão de poluentes.
A compreensão destes mecanismos é essencial para a conceção de um sistema de ventilação adequado, capaz de renovar o ar de forma eficiente, remover o excesso de calor e limitar a exposição do operador.
A qualidade do ar e o ambiente de trabalho
As torres de arrefecimento arrefecidas a ar são sistemas de arrefecimento que utilizamo ar ambiente para dissipar o calor. Funcionam segundo o princípio da evaporação da água. Uma torre de arrefecimento é geralmente constituída por uma estrutura em forma de torre com painéis ou almofadas. A água quente dos sistemas de arrefecimento é bombeada para o topo da torre, onde é distribuída uniformemente sobre os painéis ou almofadas. Ao mesmo tempo,o ar exterior é aspirado para a torre através de ventiladores. Quando o ar entra em contacto com a água espalhada sobre os painéis ou almofadas, evapora-se parcialmente, provocando uma troca de calor. Esta evaporação da água absorve o calor do ar e, por conseguinte, arrefece a água que circula na torre.
O ar, agora carregado de humidade, sai da torre através de ventiladores no topo. A água arrefecida é recolhida num tanque na parte inferior da torre e bombeada de volta para o sistema de arrefecimento. Este processo ocorre continuamente, garantindo um arrefecimento eficiente e a manutenção de uma temperatura estável no interior do edifício. O principal objetivo é garantir um arrefecimento eficiente dos escritórios, validando o dimensionamento e a instalação dos sistemas TAR no telhado. Pretende-se tambémmelhorar o desempenho global e a eficiência energética dos sistemas RAC, de modo a minimizar o consumo de energia. Oobjetivo deste estudo é validar o dimensionamento e a implementação dos sistemas de RAC na cobertura do edifício. Para tal, serão utilizados três parâmetros: temperaturas, velocidades e humidades em torno das RTAs.
Simulação numérica das condições em torno das TARs
Modelação do edifício do ICPE
O estudo foi efectuado com recurso à simulação CFD. Este método pode ser utilizado para modelar e analisar o fluxo de fluidos para dentro e para fora dos TARs. No âmbito deste estudo, foi desenvolvido um modelo 3D do edifício em causa. Este modelo fornece uma representação detalhada da estrutura do edifício e da sua envolvente num raio de 400 metros. Baseia-se num desenho em corte do projeto e num modelo 3D fornecido.
Ao ter em conta os edifícios circundantes, podemos ser mais precisos quanto à forma como o vento evolui no local. Como o local é denso em infra-estruturas, estas formam um grande número de máscaras aeraúlicas que têm uma grande influência na evolução do ar. O edifício em estudo foi modelado com exatidão. Os ARTs do telhado foram modelados de acordo com as fichas técnicas fornecidas pelo cliente. Há 6 TARs no telhado.
Simulação CFD: uma ferramenta precisa para analisar as condições ambientais dos RAT
A simulação CFD fornece resultados precisos e detalhados, tendo em conta uma vasta gama de factores como a geometria do edifício, as condições ambientais e as propriedades dos materiais utilizados. Graças à simulação CFD, os engenheirosda EOLIOS podem fornecer soluções técnicas e recomendações adaptadas a este projeto. Isto permite aos clientes tomar decisões informadas e otimizar o dimensionamento e o posicionamento das RATs no telhado do edifício.
Modelo 3D de TARs
Resultados do estudo termo-aerodinâmico
Influência do vento no edifício
O vento é um fenómeno extremamente variável, tanto em termos de direção como de velocidade. Enquanto os valores máximos da velocidade do vento são essenciais para os cálculos de estabilidade estrutural, os valores médios da velocidade e direção do vento são mais adequados para estudos termo-aerodinâmicos. No nosso estudo, o vento é considerado constante com uma direção perpendicular ao local.
Os primeiros resultados mostram que o vento tem uma forte influência nas correntes de ar em torno do edifício, criando três zonas de perturbação, na frente do edifício, nas traseiras e mais para fora na esteira do edifício. As descargas TAR são dirigidas para cima e seguem o vento. Uma parede a montante limita o fluxo de ar para os TARs, criando zonas de baixa velocidade a montante e a jusante.
TAR looping: um desafio para um arrefecimento ótimo
Os resultados da temperatura mostram variações nas entradas de ar das unidades de recuperação de calor. O fenómeno de looping que afecta estas unidades é claramente visível, em particular nas duas RTA centrais (A) e nas duas da direita (B e C), que captam ar a uma temperatura superior à do ambiente, o que também acontece com as RTA laterais (D e E).
As RAT na posição A encontram uma zona onde a temperatura é mais elevada, devido a uma redução do fornecimento de ar fresco causada pela proximidade dos pontos de aspiração. Entre os TARs nas posições B e E, observa-se um fenómeno semelhante a uma temperatura ligeiramente inferior, graças à maior distância entre estas unidades. Em particular, as RAT na posição B e especialmente na C, devido à sua proximidade das paredes das salas onde estão localizadas as entradas de ar, captam ar a uma temperatura significativamente mais elevada do que o ar ambiente. Estas RATs estão confinadas entre duas paredes, o que reduz o fornecimento de ar fresco. Esta análise sublinha a importância de otimizar a conceção das entradas de ar para garantir um fornecimento suficiente de ar fresco e evitar problemas de sobreaquecimento.
A planta mostra as condições de humidade nas entradas de ar do TAR. Existe um fenómeno de looping em que várias unidades de tratamento de ar (A, B, C, D e E) aspiram ar com um elevado nível de humidade. As TARs centrais (A) e as da direita (B e C) atraem ar particularmente húmido, enquanto as dos lados (D e E) também captam ar húmido, embora em menor grau. Este padrão de looping para a humidade corresponde ao observado para as temperaturas e deve-se a factores semelhantes. Foram também observados níveis de humidade mais elevados entre os RAT de A, bem como entre os de B e E.
A simulação mostra que os TAR expulsam o ar húmido, que é depois aspirado de novo, criando um fenómeno de looping. Este problema é agravado quando as entradas de ar de um TAR estão viradas para outro TAR ou para um obstáculo, como uma parede. Isto impede o acesso ao ar fresco à temperatura ambiente e humidade moderada. Consequentemente, as TAA tendem a atrair o ar das alturas, que é mais quente e mais húmido.
Aextensão do looping e oefeito dos obstáculos na evacuação da humidade são prejudiciais para a eficiência dos sistemas. A disposição atual dos sistemas de ventilação no telhado parece inadequada. Estas observações sublinham a necessidade de rever a conceção e de introduzir alterações para melhorar o desempenho dos TAR e garantir uma eficiência óptima.
Melhorar a eficiência das RAT: recomendações do EOLIOS para limitar o looping
Na sequência destas observações, o EOLIOSpropõe várias soluções para reduzir o looping das TAR.
Uma das principais propostas, com base nos resultados do estudo, seria ainstalação de grelhas no lugar da parede acústica em torno das RAT. O objetivo desta medida é atenuar o efeito de máscara aeraúlica criado pela parede acústica, que limita a entrada de ar fresco e cria zonas de baixa velocidade do ar no fundo das RAT. As grelhas promoverão um melhor fluxo de ar, proporcionando um fornecimento mais eficiente de ar fresco e reduzindo os problemas de estagnação do ar.
Se a instalação de respiradouros se revelar insuficiente e os sistemas continuarem a fazer um looping sobre si próprios, recomendamos a instalação de capotas horizontais ao nível das descargas dos sistemas para limitar o movimento descendente das plumas em direção à entrada.
Se se revelar demasiado complicado instalar uma tampa horizontal completa, uma opção éinstalar várias tampas horizontais na entrada de ar dos RAT.
A instalação de tampas verticais nas saídas dos TAR permitiria igualmente aumentar a distância entre a descarga e a aspiração dos TAR, limitando assim os efeitos de looping. Esta solução continua a ser menos eficaz do que um compartimento horizontal.
Este estudo demonstra aimportância da utilização da simulação CFD para compreender e otimizar o desempenho dos ARTs. Graças a este método, foi possível analisar em pormenor os fluxos de ar, as temperaturas e a humidade em torno dos TAR, revelando zonas de perturbação e fenómenos como o looping dos fluxos de ar. A simulação CFD oferece vantagens como resultados precisos, poupança de custos e de tempo e uma melhor compreensão dos factores que influenciam o funcionamento dos TAR. Com base nestes conhecimentos, foram formuladas recomendações, como a instalação de grelhas em vez de paredes, para promover um melhor fornecimento de ar fresco e melhorar o desempenho das RAT.
Reduzir a propagação da legionela graças ao CFD
Estudar a propagação da legionelose em instalações de arrefecimento evaporativo, como os RAC, é essencial para prevenir a transmissão desta doença respiratória potencialmente fatal. A bactéria Legionella, que causa a legionelose, desenvolve-se em ambientes de água quente, como as estações de tratamento de água.
Quando a água contaminada com a bactéria é pulverizada no ar pelos ventiladores dos RATs, cria-se uma pluma húmida que pode conter gotículas infectadas. Quando estas gotículas são inaladas por pessoas que se encontram nas proximidades de TARs, podem causar infecções respiratórias, incluindo a legionelose.
Os estudos CFD desempenham um papel crucial na compreensão e gestão da propagação da legionelose. Os estudos CFD podem ser utilizados para visualizar o fluxo de ar e a dispersão de plumas húmidas geradas por TARs. Graças aos resultados das simulações CFD, é possível identificar as zonas de risco e tomar medidas para evitar a propagação da Legionella. Estas medidas podem incluir a adaptação da conceção das RAT, a modificação do funcionamento dos ventiladores, o ajuste dos parâmetros de pulverização da água ou a implementação de sistemas mais eficientes de monitorização e tratamento da água. Os estudos CFD ajudam assim a melhorar a segurança e a fiabilidade das instalações de arrefecimento evaporativo, minimizando os riscos de propagação da legionela. São utilizados para avaliar a eficácia das medidas preventivas aplicadas e para otimizar a conceção e o funcionamento das RAT, a fim de reduzir os riscos para a saúde pública.
Resumo em vídeo do estudo
Resumo do estudo
O estudo realizado pela EOLIOS diz respeito ao dimensionamento e à implementação de torres de arrefecimento nos telhados dos escritórios do ICPE. Os ARTs são sistemas de arrefecimento que utilizam o ar exterior para dissipar o calor, oferecendo uma alternativa mais eficiente em termos energéticos ao ar condicionado tradicional. O estudo utiliza a simulação CFD para modelar e analisar os fluxos de fluido que entram e saem das ARTs.
Os resultados do estudo evidenciam a influência do vento nas correntes de ar em torno do edifício e mostram o fenómeno do looping TAR, que afecta a temperatura e a humidade do ar aspirado.
Estes resultados permitem otimizar o dimensionamento e a localização dos CCR para assegurar um arrefecimento eficaz dos escritórios.
Resumo em vídeo da missão
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