EOLIOS realizó una auditoría termoaerodinámica en las instalaciones de Höganäs Belgium, empresa especializada en la metalurgia de polvos de alta aleación. El principal objetivo de este estudio era reducir las temperaturas y mejorar la disipación del calor, con especial hincapié en la nave de fusión, donde se encuentran los dos hornos. El objetivo de esta iniciativa era aumentar la comodidad de los operarios durante todo el proceso de producción. El reto central del proyecto consistía en controlar los fenómenos térmicos y aeráulicos específicos asociados a las distintas fases de fabricación a temperaturas extremadamente elevadas.

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 fresco cuando están abiertas, que puede causar molestias en invierno.

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

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 evacuar el calor al exterior.

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

Localizar los puntos de entrada de aire.

Las pruebas de humos 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, lo que crea una temperatura más uniforme, aunque provoca la acumulación de calor en las zonas más bajas. Los ventiladores situados 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 con cámaras térmicas se utilizan para establecer una representación de las zonas calientes y frías que sirva de apoyo a los estudios numéricos.

Simulaciones CFD

Descripción del proyecto

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un método 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 condiciones de contorno como los efectos aeráulicos del edificio, las ganancias internas de calor y los sistemas de climatización. 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, es necesario 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 de forma iterativa para acercarse a la solución.

El solver 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 ampliamente en aplicaciones industriales y de climatización por su buena velocidad de convergencia y sus aceptables requisitos de memoria. En 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.

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.

Resultados de la simulación

Los estudios se realizaron para analizar los fenómenos térmicos presentes en el yacimiento. Se utilizaron dos escenarios distintos: un escenario de referencia similar a las condiciones de la auditoría y un escenario de optimización de la extracción de calor. La auditoría del emplazamiento reveló que no hay ascenso térmico en la planta baja, a diferencia del primer piso, donde el calor desprendido por los hornos calienta el aire ambiente y el tejado. La temperatura del techo puede alcanzar los 50°C y no se debe a la radiación solar, sino a los hornos y al precalentamiento de los moldes. También hay una falta de extracción de aire bajo el tejado, lo que significa que el aire cargado de calor permanece atrapado. Se realizó un estudio para determinar el grosor del aislamiento. El primer escenario, similar al de la auditoría, confirmó las observaciones realizadas durante la auditoría, sobre todo en lo relativo a la distribución de la temperatura.