Taller Industrial – México
En pocas palabras :
El objetivo de nuestros ingenieros de EOLIOS, expertos en modelización y mecánica de fluidos, era estudiar cómo optimizar el confort de los operarios a lo largo de una línea de producción, teniendo en cuenta los condicionantes del entorno (temperatura y velocidad del aire ambiente, evacuación de humos) y, en particular, los arcos.
El reto de un proyecto así es controlar los fenómenos termo-aerodinámicos específicos inducidos por las distintas etapas de fabricación a muy alta temperatura de la zona.
En este contexto, nuestros ingenieros de EOLIOS utilizaron estudios termo-aerodinámicos CFD para estudiar los distintos principios aeráulicos y térmicos que rigen el movimiento del aire en la planta, en función de la configuración de los sistemas seleccionados.
Taller industrial
Año
2023
Cliente
NC
Ubicación
México
Tipología
Industria
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Dimensionar la ventilación natural en un taller industrial
Nuestros ingenieros de EOLIOS se encontraron con numerosas limitaciones debidas a las características del emplazamiento y de la construcción:
- las temperaturas de las paredes radiantes, que tienen un gran impacto en el confort térmico
- tiro térmico de los procesos de fabricación
- presión del viento y resistencia interna al flujo vertical de aire
- la ubicación y las características de resistencia al flujo de las aberturas de la envoltura
- el terreno local y la protección inmediata de la estructura del edificio frente al viento
- la presencia de sistemas mecánicos que hacen circular el aire alrededor de los elementos de producción, lo que hace complejo 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.
Por tanto, para mejorar el confort térmico es necesario dimensionar con precisión las aberturas de ventilación natural.
Nuestros ingenieros han respondido a una gran variedad de problemas, como :
- Evacua el humo y los gases producidos por los arcos (en particular por los quemadores internos)
- Dimensionar la ventilación natural o mecánica en relación con la nueva ampliación del edificio de la paletizadora.
- Proponer soluciones para optimizar el confort térmico y la calidad del aire.
- Limita 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.
La ventilación se utiliza de diversas formas:
- Combatir el sobrecalentamiento para mantener unas condiciones de trabajo aceptables y garantizar un funcionamiento 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 problemas para la gestión de la ventilación:
- Zona con moscas, mosquitos y otros insectos con un diámetro cercano a un mm.
- Residuos de la combustión de la caña de azúcar (cenizas) del orden de un mm, procedentes de la explotación de los campos de la región.
Estos residuos son los que se identifican con mayor frecuencia en los sistemas de mosquitera de arena equipados con mosquiteras dobles.
-
Polvo fino del terreno circundante.
El clima seco, combinado con sedimentos muy finos, hace que el polvo sea levantado de forma natural por el viento.
Este fenómeno se ve exacerbado por la presencia de actividad en este terreno seco (tráfico de camiones, pisoteo, etc.) y las canteras de la región.
Una vez que el polvo fino de la obra ha sido arrastrado por el viento, no vuelve a caer y puede ser transportado varios cientos de metros.
Auditoría de humos
El objetivo es evaluar los sistemas existentes, medir las condiciones de temperatura interior y caracterizar las principales condiciones térmicas y aeráulicas del espacio para elaborar una evaluación de las instalaciones existentes.
En la industria, podemos realizar auditorías de humos para calibrar las simulaciones digitales con los fenómenos reales.
Vídeos de la auditoría de humos
Entre otras cosas, la auditoría implica tomar medidas de la temperatura y la velocidad del aire, analizar los movimientos de los generadores de humo, producir un vídeo yun informe de auditoría para proporcionar información a todos los implicados.
Se harán recomendaciones adicionales (uso de ventiladores, puertas de acceso a los sótanos, etc.) basadas en las diversas observaciones in situ.
Esta página describe el proceso de auditoría y explica nuestro protocolo de auditoría.
Movimiento de aire con otras salas en contacto con el taller 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 mezcla de aire se garantiza mediante una transferencia natural entre las entradas de aire de la parte inferior y un extractor natural situado en el tejado.
Los equipos de la obra alertaron 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 importante de aire se transfiere a la zona de decoración y luego a la zona de envasado.
Estas zonas están equipadas con ventiladores mecánicos de techo , que contribuyen a la presión negativa en comparación con la zona ventilada naturalmente.
Ventilación industrial natural
La ventilación natural (para pequeñas diferencias de temperatura) se realiza mediante 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, hace que el aireador estático sea la zona de transferencia preferida (orificio externo simple).
En este contexto, se fomenta la entrada de aire por el tejado en cuanto un Fenwick pasa hacia los locales auxiliares.
>Cuando se abren las puertas del Fenwick, el aire entra por el ventilador del tejado: 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 importantes caídas de presión a las entradas naturales). Nuestros ingenieros han llegado a la conclusión de que no será posible hacer funcionar satisfactoriamente este aireador estático con 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 del centro
El taller de producción sufre problemas relacionados con su exposición al sol y la presencia de sistemas que liberan cantidades muy grandes de calor.
Las velocidades del aire son ligeramente superiores aquí que en el edificio adyacente, dada la relación entre las aberturas 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 impulsor del movimiento del aire en la zona.
Optimización del confort termo-aerodinámico
Modelización CFD de procesos industriales
Incluimos las características térmicas de las paredes y del proceso. Los valores incluidos en el cálculo CFD son los valores simulados para el proyecto.
En un modelo digital, los elementos son como se describen, y sólo como se describen.
En lo que respecta a la envolvente del edificio, esto conduce a menudo a una perfección surrealista: los materiales son perfectamente homogéneos y están perfectamente instalados.
Los únicos puentes térmicos son los que se describen, 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 ligados al sistema de fijación; no suelen tenerse en cuenta los puentes térmicos debidos a agujeros o pasos de red).
Por tanto, el principal reto de esta ficha será 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 las rejillas de ventilación del aire acondicionado que transfieren aire desde el exterior.
Las rejillas de arena llevan mosquiteras en el interior.
En el estudio CFD, la misma arena se modeló 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 elaborado para el estudio CFD básico. Las características específicas de los modelos CFD, ligadas a la robustez de su solucionador y a la calidad del modelo 3D, hacen que el modelo geométrico se haya remodelado por completo.
Se han realizado simplificaciones relacionadas con curvas, aristas, puntos y elementos pequeños.
El modelo CAD externo producido muestra la geometría del emplazamiento sin su entorno.
Se produjo a partir de los planos de sección y el modelo revit 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 termo-aerodinámicos circundantes.
Es importante tener en cuenta las máscaras aeráulicas para poder describir los distintos movimientos del aire en la zona.
¿Cómo describes el confort térmico en espacios cálidos?
El confort térmico es la satisfacción de un individuo con las condiciones térmicas de su entorno.
El confort térmico significa no querer tener más calor ni más frío.
Es subjetivo y, por tanto, depende de las percepciones individuales.
Está influida por 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).
Las zonas de confort térmico adaptadas a las velocidades del aire se muestran en naranja.
Estudio de la distribución de la velocidad del aire
La primera figura muestra los efectos de la mezcla de volúmenes.
Los movimientos aeráulicos generales de la sala pueden describirse en dos etapas, inducidos por las zonas de suministro 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 impulsoras de las corrientes de aire.
En otras palabras, el aire fluye de un espacio de alta presión a otro de baja presión cuando estas fuerzas son mayores que las pérdidas de carga (fricción).
En la climatización, la circulación del aire está inducida por dos fuerzas motrices:
- La corriente de aire 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 del volumen.
«El aire caliente tiende a subir. - La distribución de presiones y depresiones inducidas por los sistemas de climatización en el volumen.
Aquí, los sistemas de retorno influyen muy poco en las velocidades del aire dentro del edificio, ya que los movimientos de aire se rigen por el aumento de temperatura en las zonas del horno.
Estudio de la distribución de la velocidad del aire
Las velocidades del aire no se ajustan a los objetivos de confort para este tipo de actividad en verano.
Las velocidades del aire de desplazamiento están por debajo de los valores objetivo de confort térmico en ambientes cálidos.
Las mayores velocidades del aire se encuentran en la continuidad de las secciones de arena.
De hecho, estas zonas son las principales entradas de aire a la nave.
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 manifiesto el fenómeno de estratificación explicado anteriormente.
La temperatura del aire en el edificio suele estar sobrecalentada, incluso en la sección inferior, donde la temperatura es muy superior a 35ºC.
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 escasa circulación de aire en los hornos, combinada con sus altas temperaturas, da lugar a la aparición de 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 tiene dificultades para ser evacuado al exterior.
Además, los resultados del estudio muestran que las campanas de entrada de los hornos no permiten extraer todo el aire cargado de calorías.
Este fenómeno se debe principalmente a un dimensionamiento insuficiente del flujo de admisión.
Como el aire que sale del horno no es aspirado por una campana, tiende a fluir hacia el techo.
Este fenómeno contribuye a aumentar 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 de escape situada en la parte trasera del horno, que utiliza ventilación natural, no parece ser suficientemente eficaz para recuperar todo el calor.
Como se muestra más arriba, el aire cargado de calorías que sale del horno tiende a fluir hacia el techo, contribuyendo al aumento de la temperatura.
Sin embargo, sigue funcionando en modo de extracción (sin reflujo interno, que podría haberse producido al someter la sala a presión negativa).
Simulación CFD para la industria
La simulación numérica ofrece nuevas perspectivas a los fabricantes.
Permite predecir multitud de escenarios y, en consecuencia, controlar todas las consecuencias imprevistas de 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 el confort de los empleados.
Gracias a sus servidores de cálculo, los modelos de EOLIOS pueden simularse en su totalidad con un alto grado de precisión en un breve espacio de tiempo.
Además, la experiencia de EOLIOS en aeráulica general permite a nuestro equipo proponer soluciones innovadoras y pertinentes en caso de problemas de sobrecalentamiento.
No obstante, implantar simulaciones CFD en tu proceso de diseño significa recurrir a expertos en mecánica de fluidos, ingeniería térmica y simulaciones numéricas para garantizar que no surjan problemas en el futuro.
Nuestros ingenieros de EOLIOS tienen una gran experiencia en auditorías, y aportan sus conocimientos directamente para optimizar la resolución de diversos problemas.
Sus equipos de última generación les permiten realizar mediciones directas y diferenciadas, garantizando una evaluación del lugar, los equipos y los materiales y, si es necesario, una evaluación térmica que incluya los sistemas, las pérdidas de calor y la climatización a través de los sistemas.
