Thermo-aeraulische Studie bei Höganäs Belgium: die Temperaturen senken und die Wärmeabfuhr verbessern, insbesondere in der Schmelzhalle.
EOLIOS hat ein thermo-aeraulisches Audit des Standorts von Höganäs Belgium durchgeführt, eines auf die Metallurgie hochlegierter Pulver spezialisierten Unternehmens. Das Hauptziel dieser Studie war es, die Temperaturen zu senken und die Wärmeabfuhr zu verbessern, mit besonderem Augenmerk auf die Schmelzhalle, in der sich die beiden Öfen befinden.
Diese Initiative zielte darauf ab, den Komfort der Bediener während des gesamten Produktionsprozesses zu steigern. Die zentrale Herausforderung des Projekts war die Beherrschung der spezifischen thermo-aeraulischen Phänomene, die mit den verschiedenen Fertigungsschritten bei extrem hohen Temperaturen verbunden sind.
Das Wesentliche. EOLIOS hat den thermischen Komfort des Stahlwerks Höganäs Belgium (Ath), spezialisiert auf Pulvermetallurgie, auditiert. Erfassung der Lufteinlässe, Rauchversuche und Wärmebildkamera speisten ein CFD-Modell der Schmelzhalle (Öfen 3T und 5T). Zwei verglichene Szenarien zeigen, dass neue Dachabzüge bei abgeschalteten Ventilatoren die Wärme weit besser abführen und die Arbeitstemperatur senken.
Dieses Audit untersucht die Belüftung und die Öffnungen, um die ersten möglichen Verbesserungen zu identifizieren.
Das thermo-aeraulische Audit kombiniert die Erfassung der Öffnungen, Rauchversuche und Thermografie, um vor Ort die Luftströme und Wärmequellen zu kartieren, bevor modelliert wird. Es liefert die Daten eines Rauch-Audits, die anschließend die Simulation speisen.
Zwei große Tore an jedem Ende des Gebäudes bleiben im Erdgeschoss im Allgemeinen offen und lassen die Luft eindringen. Ein weiteres Tor, das zur Lagerhalle führt, ist oft offen und lässt die Luft aus der Untersuchungszone austreten. Alle Tore der Fabrik wirken als Lufteinlässe und verursachen eine bedeutende Frischluftinfiltration, wenn sie offen sind, was im Winter zu Unbehagen führen kann.
Lufteinlässe sind auch im oberen Stockwerk des Gebäudes vorhanden, und um den Komfort der in der Nähe der Öfen arbeitenden Techniker zu verbessern, wurden mehrere Ventilatoren im ersten Stock installiert.
Die Öfen erzeugen eine bedeutende Wärmemenge, die zum Dach aufsteigt. Um die Temperatur im Stockwerk des Gebäudes zu senken, sind Ventilatoren auf dem Dach angebracht, die die Abfuhr der Wärme nach außen erleichtern. Das Dach ist mit verschiedenen Vorrichtungen zur natürlichen Luftabsaugung ausgestattet.
Ein Rauchversuch in einem Industriegebäude ist eine Methode, um den thermischen Komfort und die Luftqualität im Inneren des Gebäudes zu bewerten.
Um den thermischen Komfort zu bewerten, wird Rauch verwendet, um die Luftbewegung und die Luftzüge im Inneren des Gebäudes zu visualisieren. Dies ermöglicht es, die Zonen zu erkennen, in denen es übermäßige Luftzüge oder Probleme der Luftzirkulation gibt, was zu unangenehmen Temperaturzonen führen kann.
Was die Luftqualität betrifft, ermöglicht es der Rauchversuch, die Luftwege im Inneren des Gebäudes aufzuzeigen. Er macht die unerwünschten Luftinfiltrationen, die Leckagen in der Gebäudehülle, die Dichtheitsmängel und die Belüftungsprobleme sichtbar. Durch die Visualisierung der Rauchbewegung ist es möglich, die Zonen zu identifizieren, in denen die Luft stagniert, in denen sich die Schadstoffe ansammeln können und in denen die Belüftung unzureichend ist.
Diese Versuche ermöglichen es den Ingenieuren von EOLIOS, die mit dem thermischen Komfort und der Luftqualität verbundenen potenziellen Probleme zu identifizieren und die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, um die Bedingungen im Inneren des Gebäudes zu verbessern. Dies kann Anpassungen des Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystems, Reparaturen zur Verbesserung der Dichtheit des Gebäudes oder auch Änderungen der Konfiguration des Innenraums umfassen, um die Luftzirkulation zu optimieren.
Die Rauchversuche enthüllen verschiedene Muster der Luftzirkulation im Gebäude. Im Stockwerk strömt die Luft durch die offenen Fenster nach außen, während ein Teil zum Dach aufsteigt. In der Nähe der Ventilatoren wird die warme Luft nach unten gedrückt und schafft eine Homogenisierung der Temperatur, obwohl sie einen Anstieg der Wärme in den unteren Bereichen verursacht.
Die Ventilatoren in der Nähe der Öfen erzeugen Luftbewegungen, begünstigen aber keine bessere Wärmeabfuhr. In bestimmten Zonen tritt eine Zweiwege-Strömung auf, mit warmer Luft, die zu den Absaugschleifen aufsteigt, und kühlerer Luft, die zu den Öfen strömt. Phänomene der thermischen Schichtung treten ebenfalls auf und trennen die Zonen warmer und kalter Luft.
Dieser Abschnitt hat zum Ziel, die wichtigsten Quellen der thermischen Phänomene und die mehr oder weniger wärmedichten Zonen aufzuzeigen. Die Analysen mit der Wärmebildkamera dienen dazu, eine Darstellung der warmen und kalten Zonen zur Untermauerung der numerischen Studien zu erstellen.
Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist ein numerischer Ansatz, um die Fluidströmungen in einer gegebenen Umgebung zu analysieren, insbesondere bei der Auslegung von Gebäuden. Sie ermöglicht es, Informationen über die Luftgeschwindigkeiten, die Drücke und die Temperaturen im Inneren und rund um die Bauräume zu erhalten. Diese Methode verwendet partielle Differentialgleichungen, um die Phänomene numerisch zu lösen, unter Berücksichtigung der Randbedingungen wie der aeraulischen Effekte des Gebäudes, der internen Wärmegewinne und der Klimatisierungssysteme. Die CFD-Simulationen sind wesentlich, um die Belüftung und die Klimatisierung großer Räume zu optimieren und einen optimalen Komfort zu gewährleisten.
Die partiellen Differentialgleichungen benötigen Randbedingungen, um gelöst zu werden. Diese werden auf Grundlage der Vor-Ort-Messdaten und der Informationen der Bauleitung festgelegt. Für eine stationäre Studie in einem nach außen offenen Raum müssen die Eigenschaften der Wände (Material, physikalische Eigenschaften, Viskosität, Temperatur) sowie die der nach außen exponierten Oberflächen (Strömungsrichtung, Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Oberflächenkoeffizienten) definiert werden. Es ist entscheidend, die Stabilität der Berechnung bei der Definition dieser Bedingungen zu gewährleisten, da die Lösung der Gleichungen iterativ erfolgt, um sich der Lösung anzunähern.
Der Solver des verwendeten Codes löst die Gleichungen näherungsweise an jedem Knoten des Netzes, unter Beachtung der grundlegenden Prinzipien der Physik (Erhaltung von Masse und Energie). Er verwendet das Turbulenzmodell k-epsilon standard, das für zwei Variablen löst: die turbulente kinetische Energie und die Dissipationsrate der kinetischen Energie. Dieses Modell wird in den industriellen Anwendungen und in der HLK aufgrund seiner guten Konvergenzgeschwindigkeit und seines akzeptablen Speicherbedarfs weithin verwendet. Für die thermo-aeraulischen Studien werden die Wirkung der Strahlungsaustausche zwischen den Wänden, die Wärmeleitung, der thermische Auftrieb und die Schwerkraft berücksichtigt. Die Studien werden am gesamten Gebäude ohne Symmetrieschnitt durchgeführt.
Das k-epsilon-Modell ist ein Turbulenzmodell mit zwei Gleichungen (turbulente kinetische Energie und ihre Dissipationsrate). In HLK und Industrie weit verbreitet, bietet es einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit, Konvergenzgeschwindigkeit und Speicherbedarf.
Im Rahmen der CFD-Studie wurde das gesamte Gebäude modelliert, um die verschiedenen durch die unterschiedlichen Module des Standorts erzeugten aeraulischen Masken zu berücksichtigen.
Die Öfen und die interne Konfiguration des Schmelzgebäudes wurden aus den Standortdaten modelliert, ebenso wie die Ventilatoren und die Öffnungen, die die Luftbewegungen beeinflussen. Das Ziel ist es, eine präzise Darstellung der komplexen Luftbewegungen zu erhalten, die diesen Räumen eigen sind.
Das Ziel der Studien war es, die auf dem Standort vorhandenen thermischen Phänomene aufzuzeigen, unter Verwendung zweier verschiedener Szenarien: ein Basisszenario mit ähnlichen Bedingungen wie beim Audit und ein weiteres Szenario mit Bedingungen, die eine Optimierung der Kalorienabfuhr ermöglichen.
Das Audit hat ein Fehlen eines thermischen Anstiegs im Erdgeschoss enthüllt, im Gegensatz zum ersten Stock, wo die Öfen und das Vorheizen der Formen hohe Temperaturen erzeugen. Es hat auch einen Mangel an Luftabfuhr unter dem Dach aufgezeigt, der die wirksame Abfuhr der Wärme verhindert.
Eine Dämmungsstudie wurde durchgeführt, die eine angemessene Dämmstoffdicke empfahl. Die Innentemperatur hängt jedoch stärker von den Luftbewegungen und den Wärmequellen ab als von der Dämmung.
Das erste Szenario zeigte Ähnlichkeiten mit dem Audit und enthüllte getrennte Luftmassen aufgrund einer unzureichenden Abfuhr im Dach.
Das zweite Szenario hat neue Abfuhrsysteme im Dach umgesetzt und die Ventilatoren abgeschaltet, was die Wärmeabfuhr erheblich verbesserte, die Wärmediffusion verringerte und die Luftqualität verbesserte. Dennoch bleiben wärmere Zonen rund um die Wärmequellen bestehen, was eine mögliche Erhöhung der Anzahl der Abfuhrsysteme nahelegt.
Eine Isofläche der Temperatur verbindet alle Punkte des Raums mit derselben Temperatur (z. B. 40 °C). Sie visualisiert auf einen Blick das von der warmen Luft eingenommene Volumen und dessen Rückgang zwischen dem Basisszenario und dem optimierten Szenario.
Zu beachten. In einer Schmelzhalle zählt die Dämmung weniger als die Beherrschung der Luftbewegungen: Es ist die Abfuhr der warmen Luft im Dach, mehr als die Dämmstoffdicke, die die von den Bedienern empfundene Temperatur senkt.
Thermischer Komfort, Rauchversuche und Wärmeabfuhr in einer Schmelzhalle.
Indem die warme Luft möglichst weit oben abgeführt wird. Die Studie zeigt, dass neue Dachabzüge bei abgeschalteten Ventilatoren die Wärme weit besser abführen als das Durchmischen der Luft. Ein ähnlicher Ansatz wurde bei unserem Projekt natürliche Belüftung eines Stahlwerks verfolgt.
Er macht die tatsächlichen Luftbahnen mithilfe eines nicht verschmutzenden Markierungsrauchs sichtbar. Er offenbart Infiltrationen durch die Tore, Stagnationszonen und die thermische Schichtung, die mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind.
Die nahe den Öfen platzierten Ventilatoren durchmischen die Luft, ohne sie abzuführen: Sie drücken die warme Luft nach unten und erwärmen die unteren Bereiche. Schaltet man sie ab und öffnet Dachabzüge, verlässt die Wärme das Gebäude durch thermischen Auftrieb.
Nein. Die Dämmungsstudie empfiehlt eine angemessene Dicke, aber die Innentemperatur hängt vor allem von den Luftbewegungen und den Wärmequellen ab. Ohne wirksame Abfuhr reicht die Dämmung allein nicht aus.
Die Wärmebildkamera kartiert die tatsächlichen warmen und kalten Zonen vor Ort; diese Aufnahmen dienen als Eingangs- und Kalibrierungsdaten für das CFD-Modell, das die Analyse anschließend auf das gesamte Volumen und auf nicht durchgeführte Szenarien ausdehnt.
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Thermo-aeraulische CFD-Studie eines Stahlwerks (Höganäs Belgium, Ath) zur Optimierung des Komforts der Bediener: Vor-Ort-Audit (Erfassung der Lufteinlässe, Rauchversuche, Wärmebildkamera), vollständiges 3D-Modell der Schmelzhalle (3T- und 5T-Öfen) und CFD-Simulationen, die ein Basisszenario mit einem optimierten Szenario der Abfuhr im Dach vergleichen, um die Wärme abzuführen und die Luftqualität zu verbessern.
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