Análisis de los flujos aeráulicos y térmicos de la planta de Aluminio Dunkerque mediante modelización 3D y simulaciones CFD, en el marco de la incorporación de un 8.º horno.
El estudio se centra en la optimización de la ubicación de los sistemas de aireación de la planta de aluminio Dunkerque. Se realizaron simulaciones numéricas CFD para analizar los flujos de fluidos y evaluar las condiciones aeráulicas y térmicas de la planta con el fin de proponer recomendaciones precisas para optimizar la ubicación de los sistemas de aireación.
Lo esencial. Aluminium Dunkerque quiere añadir un 8.º horno a una fundición refrigerada por ventilación natural (7 hornos a unos 750 °C). Una auditoría in situ (ensayos de humo, sondas de temperatura, cámara térmica) y los datos meteo de Dunkerque alimentaron un modelo CFD 3D. Resultado: un aireador de cubierta por encima del horno 8 y el cierre de una lama contraproducente hacen bajar la temperatura bajo el techo, a un caudal de extracción casi constante.
El estudio realizado trata sobre la ubicación de las aireaciones para mejorar el confort térmico de la planta de Aluminio Dunkerque, que dispone de un sistema de refrigeración por ventilación natural. La planta se compone de 7 hornos y una línea de producción de lingotes, y para aumentar la capacidad de producción, se plantea la creación de un 8.º horno. La temperatura de estos hornos se sitúa en torno a los 750°C y, por tanto, se generan importantes movimientos de aire caliente en el interior de la planta.
La nave de fundición está equipada con 4 grandes aireadores de cubierta, 13 aireadores estáticos, así como con persianas en algunas fachadas del edificio. El objetivo de este estudio será, por tanto, estudiar si el sistema de aireación actual es suficiente para la incorporación de un 8.º horno y, si no lo es, encontrar cómo remediarlo.
Un aireador de cubierta es un lucernario de gran dimensión integrado en la estructura del tejado. Sin motor, evacua el aire caliente por tiro térmico sobre una amplia sección, lo que lo hace eficaz por encima de fuentes muy calientes como un horno.
La auditoría realizada tenía por objetivo recopilar el máximo de información sobre el funcionamiento del emplazamiento en lo que respecta a la temperatura y los movimientos de aire. Se utilizaron diferentes ensayos y herramientas de medición para alcanzar este objetivo. El ensayo de humo se realizó con una máquina de humo que generó una importante cantidad de humo en el volumen. Esto permitió visualizar los movimientos macro de las corrientes de aire en el interior del emplazamiento.
Los humos utilizados no eran peligrosos para el medio ambiente y se generaron a partir de un líquido a base de agua y glicol no contaminante. Se realizaron vídeos durante estos ensayos para analizar los fenómenos observados sobre el terreno. Se utilizaron aparatos de medición de las temperaturas de aire, como sondas telescópicas con certificación de calibración, para registrar las temperaturas y las velocidades de aire en el emplazamiento. Los resultados de los ensayos de humo mostraron que las corrientes de aire cercanas a los hornos son principalmente ascendentes.
A continuación, se utilizaron imágenes térmicas para poner en evidencia las principales fuentes de los fenómenos térmicos y las diferentes zonas más o menos densas en calor.
Las temperaturas registradas se compararon con los resultados de las simulaciones CFD para verificar su coherencia.
Se tuvo en cuenta la emisividad de las diferentes superficies para estimar las temperaturas.
Todas las aireaciones, aberturas y pasos de aire del emplazamiento se identificaron durante la auditoría. Esto permite reproducir fielmente la planta en las simulaciones, teniendo en cuenta también los planos facilitados. Se identificaron cuatro tipos de aberturas, que comprenden puertas totalmente abiertas, lamas en las fachadas, aireadores de cubierta y aireadores estáticos. La auditoría también permitió localizar la geometría global de la fundición y los diferentes volúmenes que influyen en el flujo del aire. Esta información sobre las temperaturas, los movimientos de aire, las aberturas y la geometría del emplazamiento es esencial para comprender y reproducir fielmente la planta en las simulaciones. Servirá también de base para formular recomendaciones destinadas a optimizar las condiciones aeráulicas y térmicas del emplazamiento.
Los datos climatológicos de la estación meteorológica de Dunkerque son de una importancia capital para definir las condiciones climáticas exteriores necesarias para el estudio de las ventilaciones de la planta. La información recopilada comprende la velocidad y la dirección de los vientos, así como la temperatura mínima media en invierno y la temperatura máxima media en verano.
Además, se tienen en cuenta también los picos de temperatura más extremos registrados. Estos datos desempeñan un papel crucial en la adaptación de las estrategias de ventilación y de climatización con el fin de garantizar el confort óptimo de los operarios de la planta a lo largo de todo el año.
La mecánica de fluidos numérica (CFD), o Dynamics (CFD) en inglés, es un método numérico que permite estudiar los flujos de fluido en un entorno dado. Este método utiliza ecuaciones en derivadas parciales para resolver los problemas de flujo de los fluidos, que a menudo son insolubles analíticamente.
En el contexto de los edificios, un estudio CFD puede aportar información sobre las velocidades de aire, las presiones y las temperaturas en el interior y alrededor de los espacios de construcción. Esto permite comprender mejor las condiciones aeráulicas y térmicas, en particular en el marco del diseño de sistemas de ventilación y de climatización.
Las simulaciones CFD son especialmente útiles para optimizar el confort interior asegurando que los flujos de aire sean adecuados y estén bien repartidos, lo que contribuye a mejorar la eficiencia energética y el bienestar de los ocupantes. La modelización geométrica es una etapa esencial en las simulaciones CFD. Consiste en representar de manera fiel la geometría del emplazamiento o del edificio estudiado. Esto permite definir las condiciones de contorno, tales como el tipo de paredes, las superficies abiertas al exterior, los aportes internos de calor, etc. La modelización geométrica permite también simplificar el modelo eliminando los elementos no pertinentes para el estudio aeráulico y térmico, lo que facilita la interpretación de los resultados.
En resumen, las simulaciones CFD se utilizan para estudiar los flujos de fluidos en el marco del diseño de edificios. Permiten optimizar las condiciones aeráulicas y térmicas, mejorar el confort interior y optimizar la eficiencia energética. La modelización geométrica y el mallado del modelo son etapas clave en este proceso, al igual que la definición de las condiciones de contorno y el uso de modelos de turbulencia adecuados.
El objetivo de este estudio era verificar el buen funcionamiento aeráulico del emplazamiento tras la incorporación del nuevo horno 8. Se examinaron varios escenarios con este fin. El primer escenario era el escenario existente, que retomaba los sistemas de extracción de aire tal como están actualmente instalados, con condiciones externas basadas en el análisis meteorológico. Sin embargo, los resultados mostraron un desequilibrio en la distribución de la temperatura entre el lado norte y sur del emplazamiento, debido a la ausencia de una campana de aspiración para el horno 8 y de un aireador de cubierta. El segundo escenario incorporó aireadores estáticos adicionales por encima del horno 8. Los resultados demostraron que la incorporación de estos aireadores permitía una evacuación más rápida y focalizada del aire cargado de calor, mejorando así el funcionamiento aeráulico del emplazamiento.
Tras los resultados del segundo escenario, se estudió el tercer escenario, que implicaba el cierre de una lama considerada contraproducente. Este escenario mostró que el cierre de esta abertura favorecía la estratificación del aire caliente, dando lugar a un mejor tiro térmico y a una evacuación más eficaz del aire cargado de calor. Estos resultados demuestran, por tanto, la importancia de la buena ubicación de los sistemas de extracción de aire y de las aberturas de aireación en el buen funcionamiento aeráulico del emplazamiento. Las recomendaciones resultantes fomentan la incorporación de aireadores focalizados para facilitar una evacuación más eficaz del aire cargado de calor y el cierre de ciertas aberturas para favorecer una estratificación óptima del aire caliente.
Durante este estudio, se examinaron dos configuraciones para evaluar la eficacia de la extracción de polvo en el caso del horno 8 en modo puerta abierta. La primera configuración era la configuración de base, mientras que la segunda configuración comprendía la incorporación de aireadores estáticos y el cierre de la lama inadecuada. Este estudio se relaciona con nuestra especialidad sobre el estudio de la propagación de polvos y polvo fino.
El tiro térmico es el movimiento ascendente del aire debido a su dilatación al calentarse: más ligero, sube y escapa por las aberturas altas, aspirando aire fresco por abajo. Es el motor de la ventilación natural. Este fenómeno forma parte del dimensionamiento de los aireadores estáticos.
Las simulaciones realizadas incluyeron a continuación la instalación de un nuevo aireador de cubierta por encima del horno 8. Los resultados de las simulaciones mostraron que el aireador de cubierta recién añadido tenía un impacto significativo en los flujos de aire. Se observa una desaparición del flujo dirigido del horno 8 hacia los pequeños aireadores de cubierta ya presentes.
En lo que respecta a la distribución de temperatura, los resultados indican una distribución similar a la de los escenarios anteriores, pero con una bajada neta de la temperatura bajo el techo gracias a la presencia del aireador de cubierta.
La temperatura bajo el techo baja considerablemente gracias a la evacuación rápida del aire caliente cargado de calorías por el aireador de cubierta. Los resultados subrayan también que el caudal de extracción total se mantiene globalmente constante, con un ligero aumento respecto a la configuración existente. Estos resultados demuestran la eficacia del aireador de cubierta añadido por encima del horno 8 para evacuar rápidamente el aire caliente cargado de calorías. Esta modificación contribuye, por tanto, a mejorar los flujos de aire y las condiciones térmicas en el edificio.
El estudio radiativo en el marco del análisis termo-aeráulico de una planta permite comprender mejor el impacto de la radiación térmica, evaluar la interacción entre la radiación y la convección, e identificar las zonas donde son necesarios ajustes para optimizar las condiciones térmicas en el interior de la planta. Esto permite mejorar el confort de los trabajadores, prevenir los problemas de sobrecalentamiento y optimizar la eficiencia energética de la planta.
La radiación térmica es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin contacto ni aire intermedio. Un horno muy caliente calienta así directamente las paredes que tiene enfrente, además del aire: es un aporte distinto de la convección, que debe tratarse por separado.
Se realizaron, por tanto, simulaciones para evaluar la transferencia radiativa procedente del horno 8 hacia las paredes circundantes en dos escenarios diferentes. El primer escenario corresponde a la configuración habitual en la que el horno 8 está cerrado. Los resultados mostraron que la fachada norte, el muro frente al horno y la cubierta baja recibían flujos radiativos importantes, con temperaturas máximas que alcanzaban aproximadamente 70°C. El segundo escenario se refiere al horno 8 abierto con una temperatura interior de 500°C para tener en cuenta el enfriamiento del horno abierto. Las mismas zonas quedan entonces también sometidas a importantes flujos radiativos, con temperaturas máximas del orden de 75°C.
Estos resultados demuestran el impacto significativo de la transferencia radiativa del horno 8 hacia las paredes circundantes. Ponen en evidencia las zonas que reciben los flujos radiativos más importantes, en particular la fachada norte, el muro frente al horno 8 y la cubierta baja.
La pericia de nuestra empresa permitió encontrar soluciones técnicas para la incorporación de un nuevo horno en la planta y mejorar el confort térmico para los trabajadores. Las modificaciones efectuadas dieron lugar a una reducción significativa de las temperaturas bajo la cubierta y en las zonas de trabajo, así como a la mejora de la aireación reduciendo los flujos de aire caliente en puntos concretos.
El análisis radiativo permitió también identificar tres zonas donde la transferencia radiativa es más intensa, que pueden representar un peligro para los trabajadores. Estos resultados contribuyen a mejorar la comprensión de los flujos de aire y de las condiciones térmicas, y permiten formular recomendaciones para optimizar la aireación, la temperatura y, más en general, las condiciones de trabajo en el interior del emplazamiento.
A recordar. Añadir una fuente de calor a una nave ventilada naturalmente no se reduce a abrir un hueco más: son la posición de los aireadores y el cierre focalizado de ciertas aberturas los que restablecen un tiro térmico eficaz, convección y radiación consideradas en conjunto.
Ventilación natural, aireadores de cubierta y radiación de los hornos en una planta de aluminio.
Sí, siempre que se redimensione la aireación. El estudio muestra que añadiendo un aireador de cubierta por encima del horno 8 y cerrando una lama contraproducente, el emplazamiento evacua el aire caliente del octavo horno sin ventilador. Un enfoque similar se aplicó en nuestro proyecto ventilación natural de una fábrica siderúrgica.
Una abertura mal situada puede cortocircuitar el tiro térmico dejando entrar aire donde el aire caliente debería subir. Al cerrarla, se favorece la estratificación del aire caliente y una evacuación más eficaz a través de los aireadores en la cubierta.
Cuantifica la transferencia radiativa del horno hacia las paredes, distinta de la convección. Identificó tres zonas (fachada norte, muro frente al horno, cubierta baja) que reciben hasta 75 °C, potencialmente de riesgo para los operarios.
Situado lo más cerca posible de la fuente caliente, evacua por tiro térmico el aire cargado de calorías antes de que se extienda bajo el techo. El caudal de extracción total se mantiene casi constante, pero el aire caliente sale más rápido y más cerca del horno.
La cámara térmica mide las temperaturas reales de las superficies in situ; compararlas con los resultados de la simulación permite verificar la coherencia del modelo y calibrarlo antes de explorar escenarios no realizados.
Explora nuestras especialidades, proyectos y dosieres técnicos para ir más allá de la FAQ.
El estudio realizado trata sobre la ubicación óptima de las aireaciones con el fin de mejorar el confort térmico de la planta de Aluminio Dunkerque, que utiliza un sistema de refrigeración por ventilación natural. El objetivo es determinar si el sistema de aireación actual es suficiente para la incorporación de un 8.º horno y, en su caso, proponer soluciones. Se realizaron diferentes mediciones preliminares, como ensayos de humo para observar los movimientos de aire, mediciones de temperatura e imágenes térmicas para identificar las fuentes de calor. Estos datos se utilizaron para crear un modelo 3D de la planta en el que se realizaron simulaciones numéricas CFD. Las simulaciones CFD permiten estudiar los flujos de fluidos y simular las condiciones aeráulicas y térmicas de la planta. Los resultados mostraron que la incorporación de ciertos aireadores permitiría una evacuación más rápida y focalizada del aire caliente, mejorando así el funcionamiento aeráulico del emplazamiento. En conclusión, este estudio permitió determinar la ubicación óptima de las aireaciones para mejorar el confort térmico de la planta de Aluminio Dunkerque con vistas a la incorporación de un 8.º horno. Los resultados de las simulaciones CFD aportaron recomendaciones precisas para optimizar la eficiencia energética y el bienestar de los operarios de la planta.
Experiencia CFD, proyectos realizados y dosieres técnicos: todo el ámbito Industrias en un único punto de acceso.
Lo más sencillo es hablarlo juntos. Nuestros ingenieros te responden con una primera lectura técnica.
