Estudo da radiação e da ventilação de um molde de lingote industrial
Estudo da radiação e da ventilação num molde de lingote industrial
Ano
2025
Cliente
NC
Localização
França
Tipologia
Processo industrial
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A missão da EOLIOS ingénierie: competência em simulação CFD e ventilação industrial
Os engenheiros da EOLIOS são especializados na análise das temperaturas estruturais e na otimização do conforto térmico.
A experiência da EOLIOS na simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) e na análise térmica de estruturas desempenhou um papel decisivo no estudo de um forno industrial que gerava radiações intensas sobre vigas metálicas, levando a riscos de deformação. A nossa experiência permitiu-nos mapear as temperaturas estruturais e prever as zonas de sobreaquecimento, avaliando simultaneamente o conforto térmico dos empregados. Esta abordagem contribuiu para otimizar a segurança das instalações e garantir condições de trabalho aceitáveis na fábrica.
Projeto termoaerulico para otimizar as condições térmicas e aerulicas de uma unidade industrial de produção de sílica
Estudo da radiação e da ventilação em torno de um novo forno elétrico
Numa unidade industrial dedicada ao fabrico de sílicas técnicas utilizadas em vários sectores, como os pneus e os cosméticos, o processo baseia-se na fusão do silicato de sódio a alta temperatura. Uma vez aquecido a cerca de 1200°C, o material fundido é transferido para moldes de lingotes, onde é arrefecido por pulverização com água antes de ser temporariamente armazenado num poço.
No âmbito de uma transição energética, o local pretende substituir um forno a óleo existente por um forno elétrico de nova geração, mais eficiente e com menos emissões. No entanto, este desenvolvimento tecnológico traz consigo novos desafios, nomeadamente em termos deaumento da potência térmica,de temperaturas de radiação mais elevadas e do risco de sobreaquecimento estrutural num pavilhão parcialmente aberto.
Foi neste contexto que a EOLIOS foi convidada a efetuar um estudo completo sobre o ar térmico. O objetivo era avaliar com precisão o impacto térmico do futuro forno sobre o ambiente imediato, utilizando uma modelação numérica avançada (CFD) e uma auditoria in situ das condições existentes. A análise foi realizada em duas fases: uma primeira fase dedicada à configuração atual da instalação, que serviu de referência para comparação, e uma segunda fase dedicada à conceção do projeto, incorporando simulações detalhadas da radiação e da circulação do ar.
O estudo foi concebido para responder a um conjunto de desafios: garantir a resistência mecânica das vigas expostas à radiação, manter o conforto térmico dos operadores e antecipar eventuais necessidades de adaptação em termos de ventilação natural ou mecânica. Num ambiente com uma inércia térmica elevada, a otimização do comportamento do fluxo de ar e da proteção passiva torna-se uma alavanca estratégica de desempenho e de sustentabilidade.
Estudo térmico e aeraúlico em torno do forno de sílica
Aquecimento estrutural devido à radiação da fundição
A substituição do forno a óleo por um forno elétrico de maior capacidade intensificou o processo térmico, com temperaturas de fusão ainda próximas dos 1200°C e duplicação do rendimento. O principal problema identificado diz respeito à radiação térmica gerada pelo vidro fundido, particularmente à saída dos bicos de vazamento. Esta radiação afecta diretamente as estruturas de suporte do edifício e, em particular, as vigas de aço por cima das formas. No entanto, estes elementos foram concebidos para limites de temperatura que podem ser ultrapassados localmente, como demonstram os levantamentos termográficos efectuados durante a auditoria inicial. O risco não é apenas mecânico: diz também respeito à durabilidade dos materiais, à resistência das fixações e à fiabilidade do equipamento próximo.
Imagens térmicas das vigas à volta da fundição
Circulação do ar e estagnação térmica no pavilhão
Para além destes problemas de radiação, o funcionamento do forno gera uma forte circulação ascendente de ar, associada à libertação de um calor intenso num edifício em grande parte aberto ao exterior. A dinâmica dos fluxos de ar é complexa: as correntes de ar térmico naturais, a velocidade do vento, a forma do edifício, as plataformas suspensas e os obstáculos mecânicos interagem para produzir zonas de recirculação ou de estagnação do calor em sectores localizados, muitas vezes críticos para o funcionamento. As simulações revelaram, assim, veios de ar quente que correm ao longo de certas paredes, aquecimento residual em zonas de fosso ou de ventilação e diferenças significativas entre o norte e o sul do pavilhão.
A automatização desempenha um papel crucial na eficiência operacional dos centros de dados em hiperescala. Os sistemas automatizados monitorizam e gerem quase todas as facetas das operações diárias, reduzindo a necessidade de intervenção humana constante e minimizando o risco deerro humano. Esta automatização inclui a gestão de servidores, a monitorização de energia e a manutenção preventiva.
Conforto do operador e controlo dos ambientes de trabalho
Por último, estes fenómenos têm um impacto direto nas condições de trabalho nos espaços ocupados. A ausência de aberturas para sul, a colocação de lonas para limitar as poeiras ou a configuração das fossas podem provocar um sobreaquecimento localizado em certas zonas sensíveis do edifício: plataformas de vazamento, zonas de circulação, mezaninos ou salas de instalações. Em alguns casos, foram identificadas diferenças de temperatura de +10 a +15°C em relação às temperaturas exteriores. Esta situação pode levar ao desconforto térmico dos operadores e mesmo ao stress do equipamento, especialmente nas condições de verão modeladas.
Abordagem metodológica e simulações numéricas CFD
Auditoria técnica do sítio e estudos do sítio
Antes de qualquer modelação, foi realizada uma auditoria aeroeléctrica e térmica no local, pelos engenheirosda EOLIOS.
Esta fase inicial permitiu recolher dados precisos sobre as condições reais de funcionamento do pavilhão de produção.
Foram efectuados levantamentos com câmaras termográficas para identificar as zonas sujeitas a temperaturas elevadas, nomeadamente em torno das vigas de suporte, da fundição e dos poços.
Além disso, foram efectuados testes de fumo para visualizar os fluxos de ar, confirmando a presença de veios de ar quente ascendentes e de zonas de estagnação.
Toda esta informação, combinada com levantamentos geométricos utilizando medidores laser, foi utilizada como base para a construção do modelo 3D.
Imagens térmicas do fosso de vidro
Vídeo dos testes de fumo
Construção de um modelo CFD realista e orientado
O modelo CFD foi desenvolvido a partir dos planos fornecidos, de fotografias tiradas durante a auditoria e de um levantamento detalhado do local. O objetivo era representar com precisão os volumes, estruturas e equipamentos que influenciam o fluxo de ar e a troca de calor. Em particular, o modelo incorpora plataformas, vigas, poços de arrefecimento, aberturas para o exterior, cortinas e futuras instalações planeadas em torno do forno elétrico.
A malha digital híbrida compreende várias dezenas de milhões de células, com refinamento local em áreas críticas: em torno da fundição, sob as plataformas e nas condutas de explosão. Este nível de pormenor assegura uma reprodução fiel dos gradientes térmicos e aeráulicos, garantindo simultaneamente a estabilidade numérica do cálculo.
Modelo 3D da fábrica adaptado ao CFD
Pressupostos de modelação e condições de fronteira
As condições de fronteira foram estabelecidas com base nos dados da auditoria e nos valores fornecidos pelo cliente. As principais fontes de calor incluem :
- vidro fundido (modelado de 1200°C para 300°C ao longo do comprimento do molde),
- as paredes do forno (cerca de 80°C),
- (de 250°C a 50°C, consoante a zona),
- equipamento em movimento (como transportadores a 70°C).
ChatGPT disse:
Ferramentas e modelo de turbulência utilizados
Todas as simulações foram efectuadas com um solver industrial de CFD baseado nas equações de Navier-Stokes, com um modelo de turbulência k-ε standard, particularmente adaptado aos ambientes de ventilação interior.
Este modelo permite reproduzir os fenómenos de estratificação, recirculação eaceleração das massas de ar em geometrias complexas como a do local estudado.
Foi dada especial atenção à convergência dos cálculos, com um limiar de precisão de 10-⁴ nos resíduos, garantindo a fiabilidade dos resultados e a estabilidade do modelo.
Soluções propostas: conforto térmico, segurança e desempenho estrutural
Impacto térmico do forno nas estruturas existentes
ChatGPT disse:
Efeitos do isolamento e das barreiras de radiação nas temperaturas
Avaliar o conforto térmico nas áreas de trabalho
As simulações revelaram uma estratificação térmica significativa em todo o pavilhão, com temperaturas que variam entre 38°C e 52°C entre o chão e o teto. As zonas mais afectadas situam-se a sul do forno, em sectores inicialmente mal ventilados, onde se observou uma estagnação do calor. Nestas zonas, o delta térmico pode atingir +12°C em relação ao exterior, o que se repercute no conforto e nas condições de trabalho.
A colocação de uma abertura na fachada sudeste, recomendada pela EOLIOS, permitiu introduzir um fluxo de ar fresco nas simulações. Esta modificação reduz as temperaturas na zona crítica para cerca de 43°C e melhora significativamente a circulação do ar. Além disso, as cortinas térmicas colocadas à volta das zonas de vazamento revelaram-se eficazes para proteger os operadores da radiação direta.
Desempenho da solução técnica final proposta
A configuração final, que incorpora todos os dispositivos recomendados pela EOLIOS (proteção anti-radiação em forma de U com isolamento, cortinas térmicas, ventiladores localizados, abertura na fachada), permite reduzir as temperaturas das vigas para níveis compatíveis com a sua utilização atual, assegurando ao mesmo tempo atmosferas aceitáveis para o pessoal.
Os resultados mostram temperaturas da viga inferiores a 100°C na maioria dos casos, com alguns picos de 115-150°C nas áreas mais próximas dos bicos de vazamento. O ar ambiente nas áreas de trabalho é geralmente próximo da temperatura exterior (38-40°C), e as plumas de calor são bem canalizadas para o teto, longe das estações de trabalho.
Esta solução equilibrada reduz significativamente as tensões térmicas nas estruturas, mantendo um bom nível de conforto térmico no ambiente imediato do processo.
A experiência da EOLIOS na resolução de problemas termo-aerodinâmicos na indústria
Recomendações adaptadas a cada projeto
A experiência da EOLIOS em matéria de desempenho térmico e segurança industrial
Graças à sua experiência em engenharia termo-ar e à utilização de ferramentas avançadas de simulação digital (CFD), a EOLIOS permitiu ao operador da unidade de produção de sílicaantecipar com precisão os efeitos térmicos associados à instalação de um novo forno elétrico de alta potência.
O estudo destacou as áreas sensíveis ao sobreaquecimento e a complexa dinâmica do fluxo de ar no interior do pavilhão, identificando simultaneamente alavancas concretas de melhoria para aumentar a segurança estrutural, o conforto do operador e a durabilidade do equipamento.
Ao propor uma solução global, com a otimização das barreiras radiantes, uma ventilação natural e mecânica adequada e a melhoria das aberturas das fachadas, a EOLIOS contribuiu para o sucesso do projeto, no âmbito de uma transição energética controlada.
Este projeto ilustra a capacidade daEOLIOS paraapoiar os fabricantes nos seus projectos mais exigentes, combinando análise de campo, modelação digital de alto nível e engenharia aplicada para transformar a complexidade térmica em desempenho sustentável e seguro.
Descobre mais sobre este assunto:
Resumo em vídeo do estudo
Resumo do estudo
O estudo termo-aerodinâmico realizado pela EOLIOS permitiu-nos caraterizar com precisão os efeitos do novo forno elétrico no ambiente da obra, tanto em termos de estruturas e conforto do operador. Graças a uma modelação CFD detalhada e a uma auditoria de campo aprofundada, a Foram identificadas zonas de sobreaquecimento, de estagnação do ar e de radiação excessiva. As soluções técnicas propostas – barreiras de radiação, melhorias na ventilação e proteção térmica – garantem agora que o segurança das estruturas, controlo dos ambientes de trabalho e durabilidade das instalações. Este estudo ilustra a capacidade do EOLIOS para apoiar os fabricantes na transição para processos mais eficientes e sustentáveis.
Resumo em vídeo da missão
