Analyse der aeraulischen und thermischen Ströme der Fabrik Aluminium Dünkirchen per 3D-Modellierung und CFD-Simulationen, im Rahmen der Hinzufügung eines 8. Ofens.
Die Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Platzierung der Belüftungssysteme für die Aluminiumfabrik Dünkirchen. Numerische CFD-Simulationen wurden durchgeführt, um die Fluidströme zu analysieren und die aeraulischen und thermischen Bedingungen der Fabrik zu bewerten, um präzise Empfehlungen zur Optimierung der Platzierung der Belüftungssysteme vorzuschlagen.
Das Wesentliche. Aluminium Dünkirchen will einer durch natürliche Belüftung gekühlten Gießerei (7 Öfen bei etwa 750 °C) einen 8. Ofen hinzufügen. Ein Vor-Ort-Audit (Rauchversuche, Temperatursonden, Wärmebildkamera) und Wetterdaten aus Dünkirchen speisten ein 3D-CFD-Modell. Ergebnis: ein Zimmermanns-Belüfter über dem Ofen 8 und das Schließen einer kontraproduktiven Jalousie senken die Temperatur unter dem Dach, bei nahezu konstantem Absaugvolumenstrom.
Die durchgeführte Studie betrifft die Platzierung der Belüfter zur Verbesserung des thermischen Komforts der Fabrik Aluminium Dünkirchen, die über ein Kühlsystem durch natürliche Belüftung verfügt. Die Fabrik besteht aus 7 Öfen und einer Barrenproduktionskette, und um die Produktionskapazität zu erhöhen, wird die Schaffung eines 8. Ofens erwogen. Die Temperatur dieser Öfen liegt bei etwa 750 °C und im Inneren der Fabrik werden daher bedeutende warme Luftbewegungen erzeugt.
Die Gießereihalle ist mit 4 großen Zimmermanns-Belüftern, 13 statischen Belüftern sowie Jalousien an bestimmten Fassaden des Gebäudes ausgestattet. Das Ziel dieser Studie wird also sein, zu untersuchen, ob das aktuelle Belüftungssystem für die Hinzufügung eines 8. Ofens ausreicht und, wenn nicht, herauszufinden, wie Abhilfe zu schaffen ist.
Ein Zimmermanns-Belüfter ist ein großer, in die Dachkonstruktion integrierter Lichtaufsatz. Motorlos führt er die warme Luft durch thermischen Auftrieb über einen breiten Querschnitt ab, was ihn über sehr heißen Quellen wie einem Ofen wirksam macht.
Das durchgeführte Audit hatte zum Ziel, ein Maximum an Informationen über den Betrieb des Standorts hinsichtlich der Temperatur und der Luftbewegungen zu sammeln. Verschiedene Versuche und Messwerkzeuge wurden verwendet, um dieses Ziel zu erreichen. Der Rauchversuch wurde mithilfe einer Nebelmaschine durchgeführt, die eine bedeutende Rauchmenge im Volumen erzeugte. Dies ermöglichte es, die Makrobewegungen der Luftzüge im Inneren des Standorts zu visualisieren.
Die verwendeten Rauchgase waren ungefährlich für die Umwelt und wurden aus einer Flüssigkeit auf der Basis von Wasser und nicht verschmutzendem Glykol erzeugt. Bei diesen Versuchen wurden Videos aufgenommen, um die vor Ort beobachteten Phänomene zu analysieren. Geräte zur Messung der Lufttemperaturen, wie Teleskopsonden mit Kalibrierzertifikat, wurden verwendet, um die Temperaturen und die Luftgeschwindigkeiten am Standort aufzunehmen. Die Ergebnisse der Rauchversuche zeigten, dass die Luftzüge in der Nähe der Öfen hauptsächlich aufsteigend sind.
Anschließend wurden Wärmebilder verwendet, um die Hauptquellen der thermischen Phänomene und die verschiedenen mehr oder weniger wärmedichten Zonen aufzuzeigen.
Die gemessenen Temperaturen wurden mit den Ergebnissen der CFD-Simulationen verglichen, um ihre Kohärenz zu überprüfen.
Es wurde die Emissivität der verschiedenen Oberflächen berücksichtigt, um die Temperaturen abzuschätzen.
Alle Belüftungen, Öffnungen und Luftdurchgänge am Standort wurden beim Audit identifiziert. Dies ermöglicht es, die Fabrik in den Simulationen getreu nachzubilden, unter Berücksichtigung auch der gelieferten Pläne. Vier Arten von Öffnungen wurden identifiziert, darunter vollständig offene Tore, Jalousien an den Fassaden, Zimmermanns-Belüfter und statische Belüfter. Das Audit ermöglichte es auch, die globale Geometrie der Gießerei und die verschiedenen Volumen, die die Luftströmung beeinflussen, zu erfassen. Diese Informationen über die Temperaturen, die Luftbewegungen, die Öffnungen und die Geometrie des Standorts sind wesentlich, um die Fabrik in den Simulationen zu verstehen und getreu nachzubilden. Sie werden auch als Grundlage dienen, um Empfehlungen zur Optimierung der aeraulischen und thermischen Bedingungen am Standort zu formulieren.
Die klimatologischen Daten der Wetterstation von Dünkirchen sind von höchster Bedeutung, um die äußeren klimatischen Bedingungen zu definieren, die für die Studie der Belüftungen der Fabrik notwendig sind. Die gesammelten Informationen umfassen die Geschwindigkeit und die Richtung der Winde sowie die durchschnittliche Mindesttemperatur im Winter und die durchschnittliche Höchsttemperatur im Sommer.
Zudem werden die aufgezeichneten extremsten Temperaturspitzen ebenfalls berücksichtigt. Diese Daten spielen eine entscheidende Rolle bei der Anpassung der Belüftungs- und Klimatisierungsstrategien, um den optimalen Komfort der Bediener der Fabrik das ganze Jahr über zu gewährleisten.
Die numerische Strömungsmechanik (CFD) ist eine numerische Methode, die es ermöglicht, die Fluidströmungen in einer gegebenen Umgebung zu untersuchen. Diese Methode verwendet partielle Differentialgleichungen, um die Probleme der Fluidströmung zu lösen, die oft analytisch unlösbar sind.
Im Kontext der Gebäude kann eine CFD-Studie Informationen über die Luftgeschwindigkeiten, die Drücke und die Temperaturen im Inneren und rund um die Bauräume liefern. Dies ermöglicht es, die aeraulischen und thermischen Bedingungen besser zu verstehen, insbesondere im Rahmen der Auslegung von Belüftungs- und Klimatisierungssystemen.
Die CFD-Simulationen sind besonders nützlich, um den Innenkomfort zu optimieren, indem man sicherstellt, dass die Luftströme angemessen und gut verteilt sind, was dazu beiträgt, die Energieeffizienz und das Wohlbefinden der Nutzer zu verbessern. Die geometrische Modellierung ist ein wesentlicher Schritt in den CFD-Simulationen. Sie besteht darin, die Geometrie des untersuchten Standorts oder Gebäudes getreu darzustellen. Dies ermöglicht es, die Randbedingungen zu definieren, wie die Art der Wände, die nach außen offenen Oberflächen, die internen Wärmegewinne usw. Die geometrische Modellierung ermöglicht es auch, das Modell durch Beseitigung der für die aeraulische und thermische Studie nicht relevanten Elemente zu vereinfachen, was die Interpretation der Ergebnisse erleichtert.
Zusammenfassend werden die CFD-Simulationen verwendet, um die Fluidströmungen im Rahmen der Auslegung von Gebäuden zu untersuchen. Sie ermöglichen es, die aeraulischen und thermischen Bedingungen zu optimieren, den Innenkomfort zu verbessern und die Energieeffizienz zu optimieren. Die geometrische Modellierung und die Vernetzung des Modells sind Schlüsselschritte in diesem Prozess, ebenso wie die Definition der Randbedingungen und die Verwendung angemessener Turbulenzmodelle.
Das Ziel dieser Studie war es, den guten aeraulischen Betrieb des Standorts nach der Hinzufügung des neuen Ofens 8 zu überprüfen. Mehrere Szenarien wurden zu diesem Zweck untersucht. Das erste Szenario war das bestehende Szenario, das die Luftabsaugsysteme so übernimmt, wie sie aktuell installiert sind, mit äußeren Bedingungen auf Grundlage der meteorologischen Analyse. Die Ergebnisse zeigten jedoch ein Ungleichgewicht der Temperaturverteilung zwischen der Nord- und der Südseite des Standorts aufgrund des Fehlens einer Absaughaube für den Ofen 8 und eines Zimmermanns-Belüfters. Das zweite Szenario hat zusätzliche statische Belüfter über dem Ofen 8 eingebaut. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Hinzufügen dieser Belüfter eine schnellere und gezieltere Abfuhr der mit Wärme beladenen Luft ermöglichte und so den aeraulischen Betrieb des Standorts verbesserte.
Im Anschluss an die Ergebnisse des zweiten Szenarios wurde das dritte Szenario untersucht, das das Schließen einer als kontraproduktiv eingestuften Jalousie beinhaltet. Dieses Szenario hat gezeigt, dass das Schließen dieser Öffnung die Schichtung der warmen Luft begünstigte, was einen besseren thermischen Auftrieb und eine wirksamere Abfuhr der mit Wärme beladenen Luft nach sich zog. Diese Ergebnisse belegen also die Bedeutung der richtigen Platzierung der Luftabsaugsysteme und der Belüftungsöffnungen für den guten aeraulischen Betrieb des Standorts. Die daraus folgenden Empfehlungen befürworten das Hinzufügen gezielter Belüfter, um eine wirksamere Abfuhr der mit Wärme beladenen Luft zu erleichtern, und das Schließen bestimmter Öffnungen, um eine optimale Schichtung der warmen Luft zu begünstigen.
Bei dieser Studie wurden zwei Konfigurationen untersucht, um die Wirksamkeit der Staubabsaugung im Fall des Ofens 8 im Modus „offene Tür" zu bewerten. Die erste Konfiguration war die Basiskonfiguration, während die zweite Konfiguration das Hinzufügen statischer Belüfter und das Schließen der ungeeigneten Jalousie umfasste. Diese Studie berührt unsere Expertise zur Untersuchung der Ausbreitung von Pulvern und Feinstäuben.
Der thermische Auftrieb ist die aufsteigende Bewegung der Luft aufgrund ihrer Ausdehnung beim Erwärmen: leichter, steigt sie auf und entweicht durch die oberen Öffnungen, wobei sie unten frische Luft ansaugt. Er ist der Motor der natürlichen Belüftung. Dieses Phänomen gehört zur Dimensionierung der statischen Belüfter.
Die durchgeführten Simulationen umfassten anschließend die Installation eines neuen Zimmermanns-Belüfters über dem Ofen 8. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass der neu hinzugefügte Zimmermanns-Belüfter eine signifikante Auswirkung auf die Luftströmungen hatte. Man beobachtet ein Verschwinden des gerichteten Stroms vom Ofen 8 zu den bereits vorhandenen kleinen Zimmermanns-Belüftern.
Was die Temperaturverteilung betrifft, zeigen die Ergebnisse eine ähnliche Verteilung wie bei den vorhergehenden Szenarien, jedoch mit einem deutlichen Temperaturrückgang unter dem Dach dank der Anwesenheit des Zimmermanns-Belüfters.
Die Temperatur unter dem Dach sinkt erheblich dank der schnellen Abfuhr der mit Kalorien beladenen warmen Luft durch den Zimmermanns-Belüfter. Die Ergebnisse unterstreichen auch, dass der gesamte Absaugvolumenstrom insgesamt konstant bleibt, mit einer leichten Erhöhung gegenüber der bestehenden Konfiguration. Diese Ergebnisse belegen die Wirksamkeit des über dem Ofen 8 hinzugefügten Zimmermanns-Belüfters, um die mit Kalorien beladene warme Luft schnell abzuführen. Diese Änderung trägt also dazu bei, die Luftströmungen und die thermischen Bedingungen im Gebäude zu verbessern.
Die radiative Studie im Rahmen der thermo-aeraulischen Analyse einer Fabrik ermöglicht es, die Auswirkung der Wärmestrahlung besser zu verstehen, die Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Konvektion zu bewerten und die Zonen zu identifizieren, in denen Anpassungen notwendig sind, um die thermischen Bedingungen im Inneren der Fabrik zu optimieren. Dies ermöglicht es, den Komfort der Arbeiter zu verbessern, den Problemen der Überhitzung vorzubeugen und die Energieeffizienz der Fabrik zu optimieren.
Die Wärmestrahlung ist die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen, ohne Kontakt und ohne zwischengeschaltete Luft. Ein sehr heißer Ofen erwärmt so direkt die ihm gegenüberliegenden Wände, zusätzlich zur Luft: ein von der Konvektion getrennter Eintrag, der separat zu behandeln ist.
Simulationen wurden also durchgeführt, um die radiative Übertragung vom Ofen 8 zu den umgebenden Wänden in zwei verschiedenen Szenarien zu bewerten. Das erste Szenario entspricht der üblichen Konfiguration, in der der Ofen 8 geschlossen ist. Die Ergebnisse zeigten, dass bedeutende radiative Flüsse von der Nordfassade, der dem Ofen gegenüberliegenden Wand und dem niedrigen Dach empfangen wurden, mit maximalen Temperaturen von etwa 70 °C. Das zweite Szenario betrifft den offenen Ofen 8 mit einer Innentemperatur von 500 °C, um die Abkühlung des offenen Ofens zu berücksichtigen. Dieselben Zonen sind dann ebenfalls bedeutenden radiativen Flüssen ausgesetzt, mit maximalen Temperaturen in der Größenordnung von 75 °C.
Diese Ergebnisse belegen die signifikante Auswirkung der radiativen Übertragung des Ofens 8 auf die umgebenden Wände. Sie zeigen die Zonen auf, die die bedeutendsten radiativen Flüsse empfangen, insbesondere die Nordfassade, die dem Ofen 8 gegenüberliegende Wand und das niedrige Dach.
Die Expertise unseres Unternehmens ermöglichte es, technische Lösungen für die Hinzufügung eines neuen Ofens in der Fabrik zu finden und den thermischen Komfort für die Arbeiter zu verbessern. Die durchgeführten Änderungen führten zu einer signifikanten Verringerung der Temperaturen unter dem Dach und auf Höhe der Arbeitszonen sowie zur Verbesserung der Belüftung durch Verringerung der warmen Luftströme an präzisen Stellen.
Die radiative Analyse ermöglichte es auch, drei Zonen zu identifizieren, in denen die radiative Übertragung intensiver ist und eine Gefahr für die Arbeiter darstellen kann. Diese Ergebnisse tragen dazu bei, das Verständnis der Luftströmungen und der thermischen Bedingungen zu verbessern, und ermöglichen es, Empfehlungen zur Optimierung der Belüftung, der Temperatur und allgemeiner der Arbeitsbedingungen im Inneren des Standorts zu formulieren.
Zu beachten. Einer natürlich belüfteten Halle eine Wärmequelle hinzuzufügen, bedeutet nicht nur, eine weitere Öffnung zu schaffen: Es sind die Position der Belüfter und das gezielte Schließen bestimmter Öffnungen, die einen wirksamen thermischen Auftrieb wiederherstellen, Konvektion und Strahlung zusammen betrachtet.
Natürliche Belüftung, Zimmermanns-Belüfter und Ofenstrahlung in einer Aluminiumhütte.
Ja, sofern die Belüftung neu dimensioniert wird. Die Studie zeigt, dass durch das Hinzufügen eines Zimmermanns-Belüfters über dem Ofen 8 und das Schließen einer kontraproduktiven Jalousie der Standort die warme Luft des achten Ofens ohne Ventilator abführt. Ein ähnlicher Ansatz wurde bei unserem Projekt natürliche Belüftung eines Stahlwerks verfolgt.
Eine schlecht platzierte Öffnung kann den thermischen Auftrieb kurzschließen, indem sie dort Luft einlässt, wo die warme Luft aufsteigen sollte. Durch ihr Schließen wird die Schichtung der warmen Luft und eine wirksamere Abfuhr durch die Dachbelüfter begünstigt.
Sie quantifiziert die radiative Übertragung vom Ofen zu den Wänden, getrennt von der Konvektion. Sie hat drei Zonen identifiziert (Nordfassade, dem Ofen gegenüberliegende Wand, niedriges Dach), die bis zu 75 °C empfangen und ein Risiko für die Bediener darstellen können.
Möglichst nah an der Wärmequelle platziert, führt er die mit Kalorien beladene Luft durch thermischen Auftrieb ab, bevor sie sich unter dem Dach ausbreitet. Der gesamte Absaugvolumenstrom bleibt nahezu konstant, aber die warme Luft entweicht schneller und näher am Ofen.
Die Wärmebildkamera misst die tatsächlichen Oberflächentemperaturen vor Ort; ihr Vergleich mit den Simulationsergebnissen ermöglicht es, die Kohärenz des Modells zu überprüfen und es zu kalibrieren, bevor nicht durchgeführte Szenarien untersucht werden.
Entdecken Sie unsere Kompetenzen, Projekte und technischen Dossiers, um über die FAQ hinauszugehen.
Die durchgeführte Studie betrifft die optimale Platzierung der Belüfter zur Verbesserung des thermischen Komforts der Fabrik Aluminium Dünkirchen, die ein Kühlsystem durch natürliche Belüftung nutzt. Das Ziel ist es, zu bestimmen, ob das aktuelle Belüftungssystem für die Hinzufügung eines 8. Ofens ausreicht und gegebenenfalls Lösungen vorzuschlagen. Verschiedene vorbereitende Messungen wurden durchgeführt, wie Rauchversuche zur Beobachtung der Luftbewegungen, Temperaturmessungen und Wärmebilder zur Identifizierung der Wärmequellen. Diese Daten wurden verwendet, um ein 3D-Modell der Fabrik zu erstellen, in dem numerische CFD-Simulationen durchgeführt wurden. Die CFD-Simulationen ermöglichen es, die Fluidströmungen zu untersuchen und die aeraulischen und thermischen Bedingungen der Fabrik zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass das Hinzufügen bestimmter Belüfter eine schnellere und gezieltere Abfuhr der warmen Luft ermöglichen würde und so den aeraulischen Betrieb des Standorts verbesserte. Schließlich ermöglichte diese Studie es, die optimale Platzierung der Belüfter zur Verbesserung des thermischen Komforts der Fabrik Aluminium Dünkirchen im Hinblick auf die Hinzufügung eines 8. Ofens zu bestimmen. Die Ergebnisse der CFD-Simulationen lieferten präzise Empfehlungen zur Optimierung der Energieeffizienz und des Wohlbefindens der Bediener der Fabrik.
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