EOLIOS realizó una auditoría termoaerodinámica en las instalaciones de Höganäs Belgium, empresa especializada en la metalurgia de polvos de alta aleación. El objetivo principal de este estudio erareducir las temperaturas ymejorar la disipacióndel calor, con especial énfasis en la nave de fusión, donde se encuentran los dos hornos.

El objetivo de esta iniciativa era aumentar la comodidad del operario durante todo el proceso de producción. El reto central del proyecto era controlar los fenómenos térmicos y aeráulicos específicos asociados a las distintas fases de fabricación a temperaturas extremadamente altas.

Auditoría del sitio

Localizar los puntos de entrada de aire.

Esta auditoría examina la ventilación y las aberturas para identificar las primeras mejoras posibles.

En la planta baja suelen dejarse abiertas dos grandes puertas situadas en los extremos del edificio, que permiten la entrada de aire. Otra puerta, que da a la sala de almacenamiento, suele estar abierta, lo que permite que salga el aire de la zona de estudio. Todas las puertas de la planta funcionan como entradas de aire, lo que provoca una importante infiltración de aire frescocuando están abiertas, que puede causarmolestias en invierno.

También hay entradas de aire en el piso superior del edificio, y para mejorar la comodidad de los técnicos que trabajan cerca de los hornos, se han instalado varios ventiladores en el primer piso.

Los hornos generan una gran cantidad de calor, que sube hacia el techo. Para bajar la temperatura en los pisos superiores del edificio, se colocan ventiladores en el tejado, que ayudan a que el calor escape al exterior.

El tejado está equipado con varios dispositivos de extracción natural del aire.

Pruebas de humo realizadas

Una prueba de humos en un edificio industrial es un método utilizado para evaluar el confort térmico y la calidad del aire en el interior del edificio.

Para evaluar el confort térmico, se utiliza humo para visualizar el movimiento del aire y las corrientes de aire en el interior del edificio.
Esto permite detectar las zonas donde hay corrientes de aire excesivas o problemas de circulación del aire, que pueden dar lugar a zonas de temperatura incómoda.

Prueba de humo alrededor de un horno

En cuanto a la calidad del aire, la prueba de humos sirve para demostrar las vías de aire en el interior del edificio.
Pone de manifiesto las infiltraciones de aire no deseadas, las fugas en la envolvente del edificio, las filtraciones y los problemas de ventilación.
Al visualizar el movimiento del humo, es posible identificar las zonas donde el aire está estancado, donde pueden acumularse contaminantes y donde la ventilación es inadecuada.

Estas pruebas permiten a los ingenieros de EOLIOS identificar posibles problemas relacionados con el confort térmico y la calidad del aire, y tomar las medidas necesarias para mejorar las condiciones en el interior del edificio.
Esto puede incluir ajustes en el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado, reparaciones para mejorar la estanqueidad del edificio o cambios en la configuración del espacio interior para optimizar la circulación del aire.

Prueba de humo cerca de una toma de aire

Las pruebas de humo revelan diversos patrones de circulación del aire en el edificio. Arriba, el aire sale por las ventanas abiertas, mientras que una parte sube hasta el techo. En las proximidades de los ventiladores, el aire caliente es forzado hacia abajo, creando una temperatura más uniforme, aunque provoca la acumulación de calor en las zonas inferiores.

Los ventiladores cerca de los hornos generan movimiento de aire, pero no favorecen una mejor disipación del calor. En algunas zonas, se produce un flujo biflujo, con aire caliente que sube hacia los bucles de extracción y aire más frío que fluye hacia los hornos. También se produce estratificación térmica, que separa zonas de aire caliente y frío.

Estudio del emplazamiento con cámara térmica

El objetivo de esta sección es destacar las principales fuentes de fenómenos térmicos y las zonas más o menos densas de calor. Los análisis de las cámaras térmicas se utilizan para establecer una representación de las zonas calientes y frías que sirva de apoyo a los estudios numéricos.

Cámara térmica alrededor de un horno de 5 toneladas

Cámara térmica de un horno de fusión

Simulaciones CFD

¿Qué es la simulación CFD?

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es un enfoque numérico para analizar los flujos de fluidos en un entorno determinado, sobre todo en el diseño de edificios. Proporciona información sobre las velocidades, presiones y temperaturas del aire en los espacios del edificio y sus alrededores. Este método utiliza ecuaciones diferenciales parciales para resolver numéricamente los fenómenos, teniendo en cuenta las condiciones de contorno, como los efectos aeráulicos del edificio, las ganancias internas de calor y los sistemas de aire acondicionado. Las simulaciones CFD son esenciales para optimizar la ventilación y climatización de grandes espacios, garantizando un confort óptimo.

Las ecuaciones diferenciales parciales requieren condiciones de contorno para ser resueltas. Se establecen a partir de los datos de las mediciones in situ y de la información facilitada por el director del proyecto. Para un estudio en estado estacionario en un espacio abierto al exterior, hay que definir las características de las paredes (material, propiedades físicas, viscosidad, temperatura) y las de las superficies expuestas al exterior (dirección del flujo, velocidad, presión, temperatura, coeficientes de superficie). Es crucial garantizar la estabilidad del cálculo al definir estas condiciones, ya que las ecuaciones se resuelven iterativamente para acercarse a la solución.

El solucionador del código utilizado resuelve las ecuaciones en cada nodo de la malla de forma aproximada, respetando los principios fundamentales de la física (conservación de la masa y la energía). Utiliza el modelo estándar de turbulencia k-epsilon, que resuelve dos variables: la energía cinética turbulenta y la tasa de disipación de energía cinética. Este modelo se utiliza mucho en aplicaciones industriales y de climatización por su buena velocidad de convergencia y sus aceptables requisitos de memoria. Para los estudios térmico-aéreos, se tiene en cuenta el efecto de los intercambios radiativos entre paredes, la conducción térmica, las corrientes de aire térmico y la gravedad. Los estudios se realizan sobre el conjunto del edificio sin establecer una sección simétrica.

Modelo 3D del emplazamiento

Como parte del estudio CFD, se modelizó todo el edificio para tener en cuenta las diferentes máscaras aeráulicas creadas por los distintos módulos del emplazamiento.

Los hornos y la configuración interna del edificio de fusión se modelaron a partir de los datos del emplazamiento, al igual que los ventiladores y las aberturas que afectan al movimiento del aire. El objetivo es obtener una representación exacta de los complejos movimientos de aire propios de estos locales.

Resultados de la simulación

El objetivo de los estudios era poner de manifiesto los fenómenos térmicos presentes en el emplazamiento utilizando dos escenarios distintos: un escenario base con condiciones similares a las de la auditoría y otro escenario con condiciones que permitieran optimizar la extracción de calor.

La auditoría reveló una falta de elevación térmica en la planta baja, a diferencia de la primera planta, donde los hornos y el precalentamiento de los moldes generan altas temperaturas.
También reveló la falta de extracción de aire bajo el techo, lo que impedía una evacuación eficaz del calor.

Se realizó un estudio de aislamiento, que recomendaba un grosor adecuado de aislamiento.
Sin embargo, la temperatura interior depende más del movimiento del aire y de las fuentes de calor que del aislamiento.

El primer escenario mostró similitudes con la auditoría, revelando masas de aire separadas debido a una extracción insuficiente del techo.

En el segundo escenario se implantaron nuevos sistemas de extracción en los tejados y se detuvieron los ventiladores, lo que mejoró notablemente la extracción de calor, redujo la difusión de calor y mejoró la calidad del aire.
Sin embargo, permanecieron zonas más cálidas alrededor de las fuentes de calor, lo que sugiere un posible aumento del número de sistemas de extracción.