Taller industrial – México
En pocas palabras:
Nuestros ingenieros de EOLIOS, expertos en modelización y mecánica de fluidos, tenían como objetivo estudiar la optimización del confort de los operarios a lo largo de una línea de producción, teniendo en cuenta las limitaciones del entorno (temperatura y velocidad del aire ambiente, evacuación de humos) y, en particular, a nivel de los arcos.
El reto de un proyecto de este tipo es controlar los fenómenos termo-aerodinámicos específicos inducidos por las distintas etapas de fabricación a temperaturas muy elevadas en la zona.
En este contexto, nuestros ingenieros de EOLIOS estudiaron los distintos principios térmicos y de flujo de aire que rigen el flujo y el movimiento de aire en la planta en función de la configuración de los sistemas seleccionados, mediante un estudio termo-aerodinámico CFD.
Taller industrial
Año
2023
Cliente
NC
Ubicación
Ciudad de México
Tipología
Industria
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Dimensionar la ventilación natural de un taller industrial
Nuestros ingenieros de EOLIOS se encontraron con numerosas limitaciones debidas a las características del emplazamiento y de la construcción:
- las temperaturas radiantes de las paredes, que influyen mucho en el confort térmico
- tiro térmico de los procesos de fabricación
- presión del viento y resistencia interna al flujo de aire vertical
- la ubicación y las características de resistencia al flujo de las aberturas de la envolvente
- el terreno local y la protección inmediata de la estructura del edificio contra el viento
- la presencia de sistemas mecánicos que hacen circular el aire alrededor de los elementos de producción, lo que complica el diseño tradicional
Como el edificio no está climatizado, la única fuente de refrigeración es el suministro de aire fresco por tiro natural a los ventiladores estáticos del tejado o por ventilación forzada. Mejorar el confort térmico exige, por tanto, dimensionar con precisión las aberturas de ventilación natural.
Nuestros ingenieros han dado respuesta a diversos problemas como
- Evacuar el humo y los gases producidos por los arcos (en particular por los quemadores internos).
- Dimensionamiento de la ventilación natural o mecánica en relación con la nueva ampliación del edificio de paletización.
- Proponer soluciones para optimizar el confort térmico y la calidad del aire.
- Limitar la infiltración de polvo y mosquitos.
Problemas de contaminación atmosférica específicos del taller
El taller de producción tiene limitaciones específicas relacionadas con el proceso de ventilación natural.
El uso de la ventilación es diverso:
- Combatir el sobrecalentamiento para mantener unas condiciones de trabajo aceptables y garantizar un funcionamiento fluido sin riesgos humanos ni materiales.
- Suministro de aire a los distintos ventiladores y sistemas de soplado de las máquinas
En este contexto, 3 fuentes de contaminación del aire exterior causan dificultades en la gestión de la ventilación:
- Zona con moscas, mosquitos y otros insectos de unos mm de diámetro.
- Residuos de la combustión de la caña de azúcar (cenizas) del orden de un milímetro, procedentes de la explotación de los campos de la región. Estos son los residuos más frecuentemente identificados en los sistemas de barrera de arena equipados con cribas dobles.
-
Un fino polvo de la tierra circundante. El clima seco, combinado con la sedimentación muy fina del suelo, hace que el viento levante polvo natural. Este fenómeno se ve acentuado por la presencia de actividad en este secarral (tráfico de camiones, pisoteo, etc.) y las canteras de la región. El polvo fino de la obra no retrocede y puede ser transportado varios cientos de metros.
Auditoría de humo
El objetivo es realizar una evaluación de los sistemas existentes, medir las condiciones de temperatura interior y caracterizar las principales condiciones termo-aerodinámicas del espacio para establecer una evaluación de las instalaciones existentes. En la industria, podemos realizar auditorías de humo para calibrar simulaciones digitales a fenómenos reales.
Vídeos de la auditoría de humos
Entre otras cosas, la auditoría consiste en tomar medidas de temperatura y velocidad del aire , analizar el movimiento de las bombas de humo, producir un soporte de video y un informe de auditoría que permita la retroalimentación de la experiencia de todos los actores. Se harán recomendaciones adicionales (uso de persianas, puertas de acceso al sótano, etc.) en base a las diversas observaciones en el sitio.
Esta página detalla a grandes rasgos el curso de la auditoría para explicar nuestro protocolo de misión.
Movimiento de aire con otras salas en contacto con la nave de producción
El taller de producción es una zona en la que el clima se gestiona mediante ventilación natural. Como tal, no está equipado con un sistema mecánico y se supone que la circulación del aire está garantizada por una transferencia natural entre las entradas de aire de la sección inferior y un extractor natural en el techo.
El personal del emplazamiento alertó a nuestros expertos de la presencia de polvo y residuos del aireador estático en el suelo de la zona de proceso limpio.
Nuestro análisis puso de manifiesto que una cantidad significativa de aire se transfiere a la zona de decoración y después a la de envasado. Estas zonas están equipadas con ventiladores de techo mecánicos que contribuyen a la presión negativa en comparación con la zona ventilada de forma natural.
Ventilación industrial natural
La ventilación natural (para pequeñas diferencias de temperatura) la proporcionan motores termoaerodinámicos con un delta de presión muy bajo. La presencia de barreras de arena, que aumentan la caída de presión a través de las entradas de aire, deja al aireador estático como la zona de transferencia preferida (orificio externo simple).
En este contexto, se favorecen las entradas de aire por el tejado en cuanto pasa un Fenwick en dirección a la sala anexa. Cuando se abren las puertas Fenwick, el aire entra por el ventilador del techo: velocidad del aire en la puerta >1,7 m/s (es decir, una transferencia de unos 100.000 m3/h).
En este contexto (edificio conectado por ventilación natural a edificios con extracciones mecánicas añadiendo caídas de presión significativas a las entradas naturales). Nuestros ingenieros han llegado a la conclusión de que no será posible hacer funcionar satisfactoriamente este aireador estático en extracción natural.
Aumentar el número de entradas de aire permitiría limitar ligeramente este fenómeno, pero la caída de presión a través de la arena parece demasiado grande para evitar que el edificio se despresurice mecánicamente por transferencia de aire.
Conclusión de la auditoría in situ
El taller de producción sufre problemas relacionados con su exposición al sol y la presencia de sistemas que liberan cantidades muy grandes de calorías. Las velocidades del aire son ligeramente superiores a las del edificio adyacente debido a la relación entre la abertura y el tamaño del edificio.
Los sistemas también contribuyen a sobrecalentar el espacio al liberar un penacho de aire sobrecalentado en la entrada y la salida, que se disipa en la atmósfera. Son el principal motor del movimiento del aire en la zona.
Optimización del confort del aire térmico
Modelización CFD de procesos industriales
Se indican las características térmicas de las paredes y del proceso. Los valores incluidos en el cálculo CFD son los valores simulados del proyecto.
En un modelo digital, los elementos son como se describen, y sólo como se describen. En cuanto a la envoltura, esto conduce a menudo a una perfección surrealista: los materiales son perfectamente homogéneos y están perfectamente aplicados. Los únicos puentes térmicos son los descritos, y en el mejor de los casos es muy complicado, si no imposible, prever todos los puentes térmicos (generalmente se tienen en cuenta los puentes térmicos estructurales y los relacionados con el sistema de fijación; no suelen tenerse en cuenta los puentes térmicos debidos a orificios o pasos de red).
El principal reto de esta ficha será, por tanto, distinguir entre el valor objetivo, resultante del rendimiento de los materiales, y el valor simulado, que tiene en cuenta las inevitables imperfecciones de la instalación.
Modelización CFD de sistemas de ventilación natural
Los protectores de arena se utilizan en la mayoría de los conductos de transferencia de aire desde el exterior.
Las mosquiteras están equipadas con mosquiteras en el interior.
En el estudio CFD, las arenas se modelaron de forma que se obtuviera un flujo de aire equivalente sin restringir el modelo numérico.
Modelo CFD 3D
El objetivo de este extracto de capítulo es esbozar el modelo 3D realizado para el estudio CFD básico. Las características específicas de los modelos CFD, ligadas a la robustez de su solver en relación con la calidad del modelo 3D, hacen que el modelo geométrico haya sido totalmente remodelado. Se han realizado simplificaciones relativas a curvas, aristas, puntos y elementos pequeños.
El modelo CAD externo elaborado muestra la geometría del emplazamiento sin su entorno. Se realizó a partir de los planos seccionales y la maqueta revitalizada del proyecto.
El modelo está diseñado para tener en cuenta la transferencia de aire y calor en la nave.
Nuestros ingenieros de EOLIOS han prestado especial atención a la modelización de los sistemas industriales para garantizar la máxima precisión. Como los hornos son una de las principales fuentes de emisión de calor, son los que más influyen en los fenómenos termoaerodinámicos circundantes.
La consideración de las máscaras de aire es importante para poder describir los distintos movimientos del aire en la zona.
¿Cómo calificar el confort térmico en espacios calurosos?
El confort térmico es la satisfacción de una persona con las condiciones térmicas de su entorno. Hablamos de confort térmico cuando la persona no quiere pasar ni más calor ni más frío.
Es subjetivo y, por tanto, depende de las percepciones individuales. En ella influyen la actividad física, la ropa y los niveles y fluctuaciones de las características del ambiente térmico (temperatura del aire, radiación, contacto, humedad y velocidad del aire).
En naranja están las zonas de confort térmico adaptadas a las velocidades del aire
Estudio de la distribución de la velocidad del aire
La primera figura muestra los efectos de la mezcla de volúmenes.
Los movimientos aeráulicos generales del local pueden describirse en dos etapas, inducidos por las zonas de aporte de aire constituidas por las barreras de arena y, a continuación, por las zonas de retorno.
En términos sencillos, las diferencias de presión son las fuerzas motrices de las corrientes de aire. En otras palabras, el aire fluye de un espacio de alta presión a un espacio de baja presión cuando estas fuerzas son mayores que las pérdidas de presión (fricción).
En HVAC, la circulación del aire es inducida por dos fuerzas motrices:
- La corriente térmica se produce cuando una diferencia de temperatura provoca una diferencia de densidad entre dos masas de aire. Este efecto se acentúa con una mayor altura en el volumen. “El aire caliente tiende a subir”.
- La distribución de presiones y depresiones inducidas por los sistemas HVAC en el volumen.
Aquí, los sistemas de aire de retorno tienen poca influencia en las velocidades del aire dentro del edificio, los movimientos de aire se rigen por el aumento de temperatura de las zonas del horno.
Estudio de la distribución de la velocidad del aire
Las velocidades del aire no son coherentes con los objetivos de confort para este tipo de actividad en verano. Las velocidades del aire de desplazamiento están por debajo de los valores objetivo para el confort térmico en ambientes cálidos.
Las mayores velocidades del aire se encuentran en la continuidad de las partes arenosas. De hecho, estas zonas son las principales entradas de aire al vestíbulo.
Sin embargo, la simulación pone de manifiesto la presencia de una zona de baja velocidad entre los arcos, que podría provocar un aumento de la temperatura.
Estudio de la distribución de la temperatura del aire
En ausencia de movimiento, o cuando éste es lento y regular, el aire forma capas de temperaturas homogéneas que se superponen, estando el aire más caliente en contacto con el techo.
Estas secciones ponen de relieve el fenómeno de estratificación explicado anteriormente.
En general, la temperatura del aire en el edificio está sobrecalentada, incluso en la parte inferior, donde la temperatura es muy superior a 35 °C.
Estudio de penachos térmicos sobrecalentados
Las vistas isosuperficiales de los penachos térmicos pueden utilizarse para identificar las distintas fuentes de calor y su impacto en el modelo.
La combinación de la escasa circulación de aire en los hornos y sus elevadas temperaturas da lugar a zonas de alta temperatura. La simulación muestra que el aire entre los hornos aumenta de temperatura y tiende a fluir bajo el techo. Sin embargo, una vez bajo el falso techo, el aire caliente lucha por escapar al exterior.
Además, los resultados del estudio muestran que las campanas situadas a la entrada de los hornos no permiten extraer todo el aire cargado de calorías. Este fenómeno se debe principalmente a un dimensionamiento insuficiente del caudal de aspiración.
El aire que sale del horno, al no ser aspirado por una campana, tiende a fluir hacia el techo. Este fenómeno contribuye al aumento de la temperatura de la habitación.
Otro fenómeno que no se tiene en cuenta, pero que puede influir en la aeráulica de la sala, es la inercia térmica de los productos, que pueden emitir calor a la zona al salir del horno.
La chimenea trasera del horno, que utiliza ventilación natural, no parece ser lo suficientemente eficaz como para recuperar todo el calor. De hecho, como se ha señalado anteriormente, el aire cargado de calorías que sale del horno tiende a fluir hacia el techo, contribuyendo así al aumento de la temperatura.
Sin embargo, todavía es posible ver que el sistema está funcionando en modo de extracción (no hay reflujo interno que podría haber sido causado por la sala que está bajo presión).
Simulación CFD para la industria
La simulación numérica ofrece nuevas perspectivas a los fabricantes. Esto permite planificar multitud de escenarios y, en consecuencia, controlar cualquier imprevisto relacionado con un mal diseño. En el caso de las plantas de producción, la modelización multifísica permite tener en cuenta todos los fenómenos que provocan los flujos de calor y aire a lo largo de la cadena de producción, desde el sobrecalentamiento hasta la comodidad de los empleados.
Gracias a sus servidores de cálculo, los modelos EOLIOS pueden simularse en su totalidad con un alto grado de precisión en muy poco tiempo. Además, la experiencia de EOLIOS en ventilación general permite a nuestro equipo proponer soluciones innovadoras y pertinentes en caso de problemas de sobrecalentamiento. Sin embargo, implantar simulaciones CFD en su proceso de diseño implica recurrir a expertos en mecánica de fluidos, simulaciones térmicas y numéricas para garantizar que no se produzcan problemas en el futuro.
Nuestros ingenieros de EOLIOS cuentan con una gran experiencia en auditorías y aportan directamente sus conocimientos para optimizar la resolución de los distintos problemas. Sus equipos de última generación permiten realizar mediciones directas y diferenciadas, garantizando una evaluación del emplazamiento, los equipos, los materiales y, en caso necesario, la pericia térmica, incluidos los sistemas, las pérdidas de calor y la climatización a través de los sistemas.
