EOLIOS hat per CFD-Simulation die Konzeption des thermischen Regelungssystems einer Fabrik in Kanada überprüft und verbessert, deren innovatives Verfahren mehrere Hochtemperaturöfen kombiniert.
Ziel dieser Studie ist es, die Konzeption des thermischen Regelungssystems einer in Kanada gelegenen Fabrik zu überprüfen und zu verbessern, mithilfe der numerischen CFD-Modellierung. Es geht darum, die besonderen thermo-aeraulischen Phänomene zu verstehen und zu beherrschen, die durch die verschiedenen Fertigungsschritte eines innovativen Verfahrens mit Hochtemperaturöfen hervorgerufen werden.
Die Studie gliedert sich in vier Achsen : die Optimierung der Außenluftverteilung, das Verständnis der Temperaturverteilung je nach Jahreszeit, die Bewertung des thermischen Komforts der Bediener und die Untersuchung der Schadstoffabführung, alles konzentriert auf den Produktionsraum.
Die Simulationen wurden mit der Methode CFD (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt, die es ermöglicht, die Bewegungen von Fluiden wie der Luft zu analysieren und vorherzusagen. Dieser virtuelle Ansatz erlaubt es, die thermo-aeraulischen Phänomene in der Fabrik zu simulieren, unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Oberflächen, den Wärmequellen und den Luftströmen. Dank der CFD wird es möglich, die Strömungen und Temperaturen im Detail zu visualisieren und zu analysieren, für ein besseres Verständnis der Prozesse und eine Optimierung der Leistung und Sicherheit der Anlagen.
Die geometrische Modellierung ist ein Schlüsselschritt : Sie bildet die Geometrie des Gebäudes getreu ab und definiert die Randbedingungen (Wände, Öffnungen nach außen, interne Wärmeeinträge), während sie das Modell vereinfacht, um die Interpretation der Ergebnisse zu erleichtern. Für das 3D-Modell der Fabrik wurden alle Luftvolumen und die mit der Außenseite in Kontakt stehenden Wände übernommen, ebenso die umgebenden Räume — um die Wärmeübertragungen zwischen den Räumen und die Wärmebrücken der Materialien zu berücksichtigen.
Die Produktionslinie und ihre Verfahren wurden modelliert — insbesondere die Öfen — ebenso wie die Verteilungssysteme der Klimatisierung der Halle (Zu- und Abluftventilatoren an der Decke). Drei Jalousien in der Höhe an der Westfassade, über die gesamte Wandhöhe gekanalt, lassen die Außenluft durch den unteren Teil eintreten. Die Temperaturen, Leistungen und Volumenströme der Maschinen wurden angegeben; da das Belüftungssystem von den Außenbedingungen abhängt (von −23 °C im Winter bis 32 °C im Sommer), konzentrierte sich die Studie auf diese beiden Jahreszeiten.
Die ersten Simulationen wurden für einen Sommerbetrieb durchgeführt — aufgrund der hohen Temperaturen der kritischste Fall — mit allen wärmeerzeugenden Systemen bei ihrer Maximaltemperatur, einer Außentemperatur von 32 °C und unter Berücksichtigung der Solareinträge.
Die Simulation zeigt, dass die Temperaturen global korrekt sind und dass das HLK-System eher gut dimensioniert ist : Die von den Düsen erzeugten Luftbewegungen bewirken eine Zirkulation von etwa 0,5 m/s im gesamten Raum, auch zwischen den Produktionslinien, und sorgen für homogene Temperaturen. Die Umgebungstemperaturen variieren je nach Höhe von 36 °C bis 42 °C (Delta von etwa 10 °C zur eingeblasenen Luft). Hingegen lässt sich unter dem Dach ein Teil der wärmebeladenen Luft nur schwer abführen, und die Temperatur kann 50 °C erreichen : Die Düsen des Nordteils liegen in der Achse der Abzugshauben und erzeugen einen Bypass; im Zentrum wird die Absaugung der zu nah an den Öfen liegenden Hauben gestört, und ihre Flächen sind angesichts der Größe der thermischen Fahnen unzureichend.
Im Anschluss an diese erste Simulation hat EOLIOS empfohlen, die Zuluftkanäle der Nordwand zu verschieben, um in strategischere Richtungen einzublasen und die lokalisierte Absaugung der Hauben nicht zu stören, sowie die Düsen auf den letzten 2 Metern der Kanäle zu entfernen (die in dieser Höhe eingeblasene kalte Luft wird direkt von den Absaugungen erfasst und erzeugt einen für die Kühlung des unteren Bereichs nutzlosen Bypass).
Die Teams haben außerdem die Absaugflächen der Hauben überarbeitet — um die Zwischenräume zwischen zwei Hauben zu beseitigen — und, wo möglich, den Ofenausgang und die Hauben abgetrennt (insbesondere im Norden und Süden). Diese Abtrennung muss nicht vollkommen luftdicht sein : Es geht darum, die aus den Öfen austretenden thermischen Fahnen zu lenken.
Die Abtrennung verhindert, dass die an den Enden der Linie abgegebene Wärme in die Umgebung gestreut wird; die Verschiebung der Kanäle nach Norden und die Reduzierung der Höhe der Düsen verteilen die Frischluft besser in den wichtigen Zonen; die Vergrößerung der Absaugflächen im Zentrum erfasst die Fahnen der Hauptöfen besser. Ergebnis : Umgebungstemperaturen von 35 °C bis 40 °C auf Höhe der Linien, 41 °C bis 45 °C unter dem Dach (Spitzen bis 50 °C im Zentrum) — also etwa 2 °C weniger als bei der bestehenden Konzeption an jedem Punkt.
Unter winterlichen Bedingungen ist die Außentemperatur am niedrigsten und die internen Wärmelasten werden minimal angesetzt. Trotz des Stillstands der beiden Zuluftsysteme bleibt die Luft an jedem Punkt in Bewegung — keine problematische Totzone. Die Temperaturen variieren von 15 °C am Boden bis 20 °C im obersten Stockwerk der Linie und von 20 °C bis 25 °C unter dem Dach (Spitzen ~30 °C im zentralen und nördlichen Teil, bedingt durch die Reduzierung des Absaugvolumenstroms der Hauben im Winter).
Dennoch werden auf Höhe der Jalousien sehr kalte Temperaturen erreicht : Eine bläst Luft mit einer Temperatur unter 0 °C ein, kühlt den Raum stark ab und erzeugt Unbehagen für die in der Nähe befindlichen Bediener. Wir haben empfohlen, diese Jalousie bei starker Kälte zu schließen. Im Übrigen ist die winterliche thermische Regelung gut angepasst : homogene Temperatur und Zuluft, die alle wichtigen Zonen erreicht.
Eine Studie der Schadstoffausbreitung wurde für die Sommersituation durchgeführt. Sie zeigt, dass die Hauben über den Säurewannen am Anfang der Linie die gesamten Emissionen erfassen, während ein Teil der Emissionen der Vor- und Nachbeizwannen schlechter abgeführt wird und Gefahr läuft, unter dem Dach zu stagnieren, in der Niedriggeschwindigkeitszone unter den Ventilatoren des Nordteils.
Ein drittes Szenario, das die Schließung einer als kontraproduktiv eingeschätzten Lüftungsklappe beinhaltet, hat gezeigt, dass diese Schließung die Schichtung der warmen Luft begünstigt und so den thermischen Auftrieb und die Abführung der wärmebeladenen Luft verbessert. Dies bestätigt die Bedeutung der richtigen Platzierung der Absaugungen und der Lüftungsöffnungen : Die Empfehlungen ermutigen zum Hinzufügen gezielter Belüfter und zum Schließen bestimmter Öffnungen, um die Schichtung zu optimieren.
Know-how: industrielle Belüftung, Wärmeerfassung & Luftqualität
Die Studie betrifft das thermische Regelungssystem einer Fabrik mit Hochtemperaturprozess, per CFD-Simulation überprüft und optimiert. Gegliedert in vier Achsen — Außenluftverteilung, Temperaturverteilung je nach Jahreszeit, Komfort der Bediener und Schadstoffabführung — hat sie EOLIOS dazu geführt, eine neue Konfiguration (Hauben, Zuluftkanäle und Düsen) vorzuschlagen, die eine bessere Wärmeabführung im Sommer und eine bessere Verteilung der Frischluft in den wichtigen Zonen ermöglicht.
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