Estudio CFD para el control climático en condiciones extremas de una fábrica de producción de aerogeneradores: confort, calidad del aire y control de la higrometría.
Los ingenieros de EOLIOS realizaron los estudios CFD de una fábrica de producción de aerogeneradores (taller de fabricación de palas), en Dinamarca, para asegurar el control climático en condiciones extremas.
El sistema de difusión de aire condiciona el éxito de la instalación: influye en la percepción del confort (calor/frío) y en la calidad del aire interior (evacuación de los contaminantes). Es también una de las principales fuentes de consumo de energía. La difusión de aire y el confort térmico están regulados por la norma ISO 7730.
El objetivo: simular mediante cálculo numérico el comportamiento termoaeráulico de los fenómenos del futuro centro de diseño de aerogeneradores, limitando las velocidades del aire en las zonas de ocupación a valores inferiores a 0,2 m/s.
Lo esencial. Estudio CFD del control climático de una fábrica de palas de aerogeneradores en Dinamarca, en condiciones extremas. EOLIOS simula el comportamiento termoaeráulico del taller para mantener el confort de difusión conforme a la ISO 7730 (velocidades del aire inferiores a 0,2 m/s bajo 4 m) y desarrolla una metodología dedicada a la evaporación y al mantenimiento de la humedad relativa exigida por el proceso.
Una pala de aerogenerador es una pieza compuesta de gran longitud, moldeada por infusión de resina sobre refuerzos de fibra de vidrio o de carbono. La calidad del laminado y la polimerización de la resina dependen estrechamente de la temperatura y de la higrometría del taller: una deriva de unos grados o puntos de humedad modifica la viscosidad de la resina, el tiempo de gelificación y, en última instancia, las propiedades mecánicas de la pala.
A estas exigencias de proceso se añaden restricciones de salud (emisiones de compuestos orgánicos volátiles durante la infusión, polvo de lijado), de seguridad y sobre todo de dimensión: una nave de palas supera comúnmente varias decenas de metros de longitud y altura. Este volumen hace el ambiente muy sensible a la estratificación térmica y a las corrientes de aire, que solo herramientas como la CFD permiten anticipar con finura.
Proceso de moldeo al vacío donde la resina líquida impregna un apilado seco de fibras. El éxito depende de una viscosidad y un tiempo de gelificación controlados, es decir de una temperatura y una higrometría estables en el taller.
Reacción química que endurece la resina y fija las propiedades mecánicas de la pieza. Su cinética depende de la temperatura: un ambiente no controlado degrada la homogeneidad y la repetibilidad de la producción.
A recordar. La ventana de puesta en obra de una resina es estrecha. Mantener la temperatura y la humedad en toda la nave, a pesar de su altura, condiciona directamente la calidad de las palas producidas.
Para responder a las exigencias ligadas a la calidad del aire, al confort térmico, a la eficiencia energética y al control de la higrometría, hay que comprender los mecanismos que dan forma a la estructura del flujo y dominar los fenómenos físicos que originan las transferencias de calor y de humedad.
La CFD aporta una solución numérica de las ecuaciones que rigen la física del flujo, estudiando el comportamiento de los fluidos así como la transferencia de calor y de humedad. El confort de difusión en la zona de ocupación se caracteriza por: la ausencia de una fuerte estratificación de temperatura, una buena calidad del aire interior y la ausencia de corrientes de aire (objetivo < 0,2 m/s bajo 4 m). El ascenso del aire caliente en estos grandes volúmenes pertenece al efecto de tiro térmico.
Norma internacional que regula el confort térmico en ambientes moderados. Relaciona temperatura, humedad, velocidad del aire y actividad con los índices de confort (PMV/PPD) y fija los umbrales, entre ellos el límite de corriente de aire en la zona de ocupación.
Los sistemas de difusión de aire (ventiladores de mezcla, impulsión) se «submodelizan» en CFD para integrarse fielmente en el taller, y luego la simulación reproduce las condiciones climáticas en el taller de producción.
Representación simplificada de un equipo (ventilador de mezcla, difusor de impulsión) mediante sus efectos aeráulicos en lugar de su geometría detallada. Integra fielmente la difusión en el modelo global sin sobrecargar el cálculo.
Modelizar un taller de este tamaño exige un método riguroso: cada hipótesis (caudales, temperaturas de impulsión, aportes internos) se traza y se valida antes de explotar los resultados. La simulación no sustituye al levantamiento de campo, lo prolonga explorando escenarios imposibles de probar a escala real.
División del volumen de aire en celdas de cálculo. Un mallado fino restituye mejor los gradientes cerca de difusores y paramentos, a costa de un tiempo de cálculo mayor; el arte consiste en refinarlo donde importa.
Valores impuestos en las fronteras del modelo (caudales, temperaturas, presiones, flujos de calor). Traducen el funcionamiento real de los sistemas y condicionan directamente la fidelidad de los resultados.
Mantener un nivel de humedad relativa específico es indispensable para el proceso de fabricación de los aerogeneradores. EOLIOS desarrolló una metodología dedicada, retomando el cálculo térmico (aportes / pérdidas) con los valores simulados del proyecto.
Hipótesis: ninguna otra fuente de humedad que los sistemas; gradiente de humedad específica nulo (superficies impermeables); paramentos opacos a la migración de vapor; interfaz vapor-líquido en equilibrio termodinámico (cambio de fase en saturación, 100 % HR). La humedad relativa se calcula a partir de la temperatura, de la presión y de la humedad específica.
Relación entre el vapor de agua contenido en el aire y la cantidad máxima que puede contener a una temperatura dada. Demasiado baja perjudica al proceso; demasiado alta favorece la condensación. Su mantenimiento es un objetivo clave del estudio.
Las simulaciones CFD ayudaron a optimizar el diseño del taller de producción de palas prediciendo las condiciones climáticas para distintos escenarios de ingeniería. Permitieron mejorar la eficiencia global de los procesos y reducir los costes, visualizando la dinámica de los fluidos en el taller y simulando ventilación, refrigeración y evacuación de los contaminantes.
A recordar. En un gran volumen industrial, mantener un confort de difusión (< 0,2 m/s) controlando a la vez la humedad relativa del proceso impone compromisos. La CFD prueba los escenarios de difusión antes de las obras para conciliar confort, calidad del aire y energía.
Calentar, humidificar y mezclar un volumen muy grande tiene un coste. El reto no es solo mantener las consignas, sino mantenerlas con el caudal y la energía estrictamente necesarios. La CFD, acoplada al cálculo térmico, permite comparar las palancas y evitar tanto la sobreventilación como el infradimensionamiento.
Acción de romper la estratificación térmica de un gran volumen para bajar de nuevo el aire caliente acumulado bajo cubierta. Homogeneíza la temperatura y reduce las necesidades de calefacción en la zona de ocupación.
Refrescamiento mediante aire exterior cuando es más fresco que el ambiente, sin recurrir a la producción de frío. Bajo un clima nórdico, cubre gran parte del año y reduce fuertemente la factura energética.
A recordar. En una nave de palas, confort de difusión, control de la humedad y sobriedad energética se deciden juntos. Objetivar los flujos mediante la simulación permite arbitrar sin sobredimensionar.
Confort de difusión, humedad y eficiencia energética: las respuestas a las preguntas que se hacen industriales y promotores antes de un estudio CFD.
En un taller de este tamaño, el aire se estratifica y las corrientes de aire son difíciles de anticipar. La CFD simula velocidades, temperaturas y humedad en todo punto para mantener el confort y la calidad del aire, como en nuestro proyecto de almacén médico.
Regula el confort térmico en ambientes moderados relacionando temperatura, humedad, velocidad del aire y actividad con los índices PMV/PPD. Fija en particular el límite de corriente de aire en la zona de ocupación, aquí objetivo de menos de 0,2 m/s bajo 4 metros.
EOLIOS desarrolló una metodología dedicada que acopla el cálculo térmico (aportes y pérdidas) con los valores simulados, con un cambio de fase en saturación. La humedad relativa se deduce de la temperatura, la presión y la humedad específica, para mantener el nivel exigido por el proceso.
Es una representación simplificada de los ventiladores de mezcla y los difusores de impulsión mediante sus efectos aeráulicos en lugar de su geometría detallada. Integra fielmente la difusión en el modelo global manteniendo un cálculo manejable.
Mapas de velocidades, temperaturas y humedad para distintos escenarios de ingeniería, que permiten optimizar el diseño del taller, mejorar la eficiencia de los procesos y reducir los costes antes de la construcción.
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Estudio CFD para el control climático en condiciones extremas de una fábrica de producción de palas de aerogeneradores: modelización de los sistemas de difusión, metodología de evaporación y de humedad relativa, y predicción de las condiciones climáticas para distintos escenarios — al servicio del confort (ISO 7730), de la calidad del aire y de la eficiencia energética.
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