Industrieller Workshop – Mexiko
In wenigen Worten :
Unsere EOLIOS-Ingenieure, die Experten für Modellierung und Strömungsmechanik sind, hatten das Ziel, die Optimierung des Komforts der Bediener während der gesamten Produktionskette zu untersuchen, unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen (Temperatur und Geschwindigkeit der Umgebungsluft, Rauchabzug) und insbesondere im Bereich der Bögen.
Die Herausforderung bei einem solchen Projekt ist die Beherrschung der besonderen thermoaeratischen Phänomene, die durch die verschiedenen Herstellungsschritte bei sehr hohen Temperaturen in der Zone hervorgerufen werden.
In diesem Rahmen untersuchten unsere EOLIOS-Ingenieure mittels thermo-lufttechnischer CFD-Studien die verschiedenen lufttechnischen und thermischen Prinzipien, die die Luftbewegung in der Anlage je nach Konfiguration der gewählten Systeme regeln.
Industrielle Werkstatt
Jahr
2023
Kunde
NC
Lokalisierung
Mexiko-Stadt
Typologie
Industrie
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Dimensionierung der natürlichen Belüftung einer Industriehalle
Unsere EOLIOS-Ingenieure waren mit zahlreichen Einschränkungen konfrontiert, die sich aus den Merkmalen des Standorts und der Konstruktion ergaben:
- die Strahlungstemperaturen der Wände, die den thermischen Komfort stark beeinflussen
- Wärmezug aus dem Herstellungsprozess
- Winddruck und interner Widerstand gegen vertikale Luftströmung
- die Lage und die Strömungswiderstandseigenschaften der Öffnungen in der Umhüllung
- das lokale Gelände und der unmittelbare Schutz der Gebäudestruktur vor dem Wind
- das Vorhandensein von mechanischen Systemen, die Luft um die Produktionselemente herum bewegen, was das traditionelle Design kompliziert macht
Da das Gebäude nicht klimatisiert ist, ist die Zufuhr von Frischluft durch natürlichen Zug zu den statischen Lüftern im Dach oder durch Zwangsbelüftung die einzige Quelle der Kühlung.
Die Verbesserung des thermischen Komforts erfordert daher eine genaue Dimensionierung der natürlichen Belüftungsöffnungen.
Unsere Ingenieure haben auf verschiedene Probleme reagiert, wie z.B. :
- Rauch und Gase aus den Bögen abziehen (insbesondere von den internen Brennern).
- Dimensionierung der natürlichen oder mechanischen Belüftung in Bezug auf die neue Erweiterung des Palettierergebäudes.
- Lösungen zur Optimierung des thermischen Komforts und der Luftqualität vorschlagen.
- Die Infiltration von Staub und Moskitos einschränken.
Spezifische Luftverschmutzungsproblematik in der Werkstatt
Die Produktionsstätte unterliegt besonderen Einschränkungen durch natürliche Belüftungsprozesse.
Die Nutzung der Belüftung ist vielfältig:
- Bekämpfung von Überhitzung, um akzeptable Arbeitsbedingungen und einen reibungslosen Betrieb ohne Risiken für Mensch und Material zu gewährleisten.
- Luftzufuhr zu den verschiedenen Ventilatoren und Gebläsesystemen der Maschinen
In diesem Zusammenhang gibt es drei Quellen der Außenluftverschmutzung, die zu Schwierigkeiten bei der Steuerung der Belüftung führen:
- Bereich mit Fliegen, Mücken und anderen Insekten mit einem Durchmesser von annähernd 1 mm.
- Rückstände aus der Verbrennung von Zuckerrohr (Asche) in der Größenordnung von 1 mm, die aus der Bewirtschaftung der Felder in der Region stammen.
Dies sind die am häufigsten identifizierten Rückstände in Sandschutzsystemen mit doppelten Moskitonetzen.
-
Feiner Staub aus dem umliegenden Gelände.
Das trockene Klima in Verbindung mit einem Gelände mit sehr feinen Sedimenten führt dazu, dass Staub bei Wind auf natürliche Weise aufgewirbelt wird.
Dieses Phänomen wird durch die Aktivitäten auf diesem trockenen Gelände (LKW-Fahrten, Trittschäden…) und die Steinbrüche in der Region noch verstärkt.
Einmal aufgewirbelter Feinstaub fällt nicht zurück, sondern kann mehrere hundert Meter weit transportiert werden.
Audit von Rauchgasen
Das Ziel ist es, eine Bilanz der installierten Systeme zu erstellen, die Temperaturbedingungen in den Räumen zu messen und die wichtigsten thermo-lufttechnischen Bedingungen des Raumes zu charakterisieren, um eine Bilanz der installierten Anlagen zu erstellen.
In der Industrie können wir Rauchprüfungen durchführen, um die numerischen Simulationen auf die tatsächlichen Phänomene zu kalibrieren.
Videos des Rauch-Audits
Unter anderem besteht das Audit aus Messungen der Lufttemperatur und der Luftgeschwindigkeit, der Analyse der Bewegung der Rauchgranaten, der Erstellung eines Videomaterials undeines Auditberichts, um allen Beteiligten einen Erfahrungsaustausch zu ermöglichen.
Zusätzliche Empfehlungen (Verwendung von Ventilatoren, Kellerzugangstüren, andere…) werden in Abhängigkeit von den verschiedenen Beobachtungen vor Ort gemacht.
Auf dieser Seite wird der Ablauf der Prüfung im Großen und Ganzen beschrieben, um unser Auftragsprotokoll zu erläutern.
Luftbewegung mit anderen Räumen, die mit der Produktionsstätte in Kontakt stehen
Die Produktionshalle ist ein Bereich, in dem das Klima durch natürliche Belüftung geregelt wird.
Die Luft wird durch einen natürlichen Transfer zwischen den Lufteinlässen im unteren Bereich und einem natürlichen Abluftventilator auf dem Dach umgewälzt.
Die Mitarbeiter vor Ort alarmierten unsere Experten, dass Staub und Rückstände von der Länge des statischen Belüfters auf dem Boden in der reinen Prozesszone vorhanden waren.
Unsere Analyse ergab, dass ein erheblicher Lufttransfer in die Dekorationszone und dann in die Verpackungszone stattfindet.
Diese Bereiche sind mit mechanischen Dachlüftern ausgestattet , die zu einem Unterdruck im Vergleich zum Bereich mit natürlicher Belüftung beitragen.
Natürliche industrielle Belüftung
Die natürliche Belüftung (bei geringen Temperaturunterschieden) erfolgt über thermo-lufttechnische Motoren mit einem sehr geringen Druckdelta.
Die Anwesenheit von Sandwänden, die den Druckverlust der Lufteinlässe erhöht, lässt den statischen Belüfter als bevorzugte Übertragungszone (einfache Außenöffnung).
In diesem Rahmen wird der Lufteintritt über das Dach begünstigt, sobald ein Fenwick in Richtung des Nebenraums fährt.
Das Öffnen der Fenwick-Türen führt zu einer Luftansaugung über den Dachlüfter: Luftgeschwindigkeit in der Türöffnung >1,7 m/s (d.h. ca. 100.000 m3/h Transfer).
In diesem Kontext (Gebäude, die über natürliche Belüftung mit Gebäuden verbunden sind, die mechanisch entlüftet werden, wobei hohe Druckverluste an den natürlichen Einlässen hinzugefügt werden). Unsere Ingenieure kamen zu dem Schluss, dass es nicht möglich sein wird, diesen statischen Belüfter zufriedenstellend mit natürlicher Extraktion zu betreiben.
Die Erhöhung der Lufteinlässe würde dieses Phänomen etwas eindämmen, aber der Sanddruckverlust scheint zu groß zu sein, um den mechanischen Unterdruck des Gebäudes durch Luftübertragung zu verhindern.
Abschluss der Prüfung der Website
Die Produktionshalle hat Probleme mit der Sonneneinstrahlung und der Anwesenheit von Systemen, die sehr große Mengen an Kalorien freisetzen.
Die Luftgeschwindigkeiten sind hier etwas höher als im angrenzenden Gebäude, was auf das Verhältnis der Öffnungen zur Größe des Gebäudes zurückzuführen ist.
Die Systeme tragen auch zur Überhitzung des Raumes bei, indem sie eine Schwade überhitzter Luft in den Ein- und Auslass abgeben, die sich in die Umgebung zerstreut.
Sie sind der Hauptmotor für die Luftbewegungen in der Zone.
Optimierung des thermo-lufttechnischen Komforts
CFD-Modellierung von Industrieprozessen
Hier sind die thermischen Eigenschaften der Wände und des Prozesses aufgeführt . Die Werte, die in die CFD-Berechnung einfließen, sind die simulierten Werte des Projekts.
In einem digitalen Modell sind die Elemente so, wie sie beschrieben werden, und nur so, wie sie beschrieben werden.
Bei der Gebäudehülle führt dies oft zu einer surrealistischen Perfektion: Die Materialien sind perfekt homogen und perfekt verarbeitet.
Die einzigen Wärmebrücken sind die, die beschrieben werden, und es ist bestenfalls sehr kompliziert, wenn nicht gar unmöglich, alle Wärmebrücken zu antizipieren (strukturelle Wärmebrücken und solche, die mit dem Befestigungssystem zusammenhängen, werden normalerweise berücksichtigt; Wärmebrücken aufgrund von Durchbrüchen oder Durchführungen von Netzwerken werden normalerweise nicht berücksichtigt).
Die Hauptherausforderung auf dieser Registerkarte wird daher sein, zwischen dem Zielwert, der sich aus der Leistung der Materialien ergibt, und dem simulierten Wert, der die unvermeidlichen Unzulänglichkeiten der Umsetzung berücksichtigt, zu unterscheiden.
CFD-Modellierung von natürlichen Belüftungssystemen
Sandfänger sind in den meisten lufttechnischen Öffnungen für Außenluft enthalten.
Die Sandstränge sind auf der Innenseite mit Moskitonetzen ausgestattet.
In der CFD-Studie haben die Sandbläser so modelliert, dass sie einen äquivalenten Luftstrom erhalten, ohne das numerische Modell zu beschränken.
3D CFD-Modell
Dieser Auszug aus dem Kapitel soll die Grundzüge des 3D-Modells vorstellen, das für die grundlegende CFD-Studie erstellt wurde. Aufgrund der Besonderheiten von CFD-Modellen, die mit der Robustheit ihres Solvers in Verbindung mit der Qualität des 3D-Modells zusammenhängen, wurde das Geometriemodell vollständig neu modelliert.
Es wurden Vereinfachungen in Bezug auf Kurven, Kanten, Punkte und kleine Elemente vorgenommen.
Das erstellte externe CAD-Modell gibt die Geometrie des Standorts ohne seine Umgebung wieder.
Es wurde auf der Grundlage der Schnittpläne und des Revit-Modells des Projekts erstellt.
Das Modell wurde erstellt, um die Luft- und Wärmeübertragung in der Halle zu berücksichtigen.
Unsere EOLIOS-Ingenieure haben der Modellierung der industriellen Systeme besondere Aufmerksamkeit gewidmet, um ein Maximum an Genauigkeit zu gewährleisten.
Da Öfen eine der Hauptquellen für die Wärmeentwicklung sind, haben sie den größten Einfluss auf die umliegenden thermo-lufttechnischen Phänomene.
Die Berücksichtigung von Luftmasken ist wichtig, um die verschiedenen Luftbewegungen in dem Gebiet beschreiben zu können.
Wie kann man die thermische Behaglichkeit in warmen Räumen beschreiben?
Thermische Behaglichkeit ist die Zufriedenheit einer Person mit den thermischen Bedingungen ihrer Umgebung.
Thermische Behaglichkeit liegt vor, wenn die Person weder wärmer noch kälter sein möchte .
Er ist subjektiv und hängt daher von der individuellen Wahrnehmung ab.
Er wird durch körperliche Aktivität, Kleidung und die Höhe und Fluktuation der thermischen Umgebungsmerkmale (Luft-, Strahlungs- und Kontakttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit) beeinflusst.
In Orange sind die thermischen Komfortzonen dargestellt, die an die Luftgeschwindigkeiten angepasst sind.
Untersuchung der Verteilung von Luftgeschwindigkeiten
Die erste Abbildung unten zeigt die Effekte der Umwälzung des Volumens.
Die allgemeinen Luftbewegungen im Raum können in zwei Phasen beschrieben werden, die von den Zuluftbereichen, die aus den Sandfängern bestehen, und den Abluftbereichen ausgehen.
Vereinfacht gesagt, sind Druckunterschiede die treibenden Kräfte der Luftströme.
Mit anderen Worten, die Luft strömt von einem Raum mit hohem Druck zu einem Raum mit niedrigem Druck, wenn diese Kräfte größer sind als die Druckverluste (Reibung).
In der Klimatechnik wird die Luftzirkulation durch zwei treibende Kräfte induziert:
- Thermischer Zug entsteht, wenn ein Temperaturunterschied zu einem Dichteunterschied zwischen zwei Luftmassen führt.
Dieser Effekt wird durch eine größere Höhe im Raum verstärkt.
„Warme Luft neigt dazu, nach oben zu steigen. - Die Verteilung des Drucks und Unterdrucks, der durch die HLK-Systeme im Raum verursacht wird.
Hier haben Abluftsysteme nur einen geringen Einfluss auf die Luftgeschwindigkeiten im Gebäude, die Luftbewegungen werden durch den Temperaturanstieg in den Ofenbereichen gesteuert.
Untersuchung der Verteilung von Luftgeschwindigkeiten
Die Luftgeschwindigkeiten stehen nicht im Einklang mit den Komfortzielen für diese Art von Aktivität im Sommer.
Die Luftgeschwindigkeiten sind niedriger als die Zielwerte für den thermischen Komfort in warmen Umgebungen.
Die höchsten Luftgeschwindigkeiten sind in der Fortsetzung der Sandbereiche zu finden.
Diese Bereiche sind die wichtigsten Lufteinlässe in der Halle.
Die Simulation zeigt jedoch, dass es zwischen den Bögen eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit gibt, die zu einem Temperaturanstieg führen kann.
Untersuchung der Verteilung der Lufttemperaturen
Wenn es keine Bewegung gibt oder die Bewegung langsam und gleichmäßig ist, bildet die Luft Schichten mit homogenen Temperaturen, die übereinander liegen, wobei die wärmste Luft mit der Decke in Kontakt kommt.
Diese Schnitte zeigen das Phänomen der Schichtung, das bereits erläutert wurde.
Die Lufttemperatur im Gebäude ist insgesamt überhitzt, sogar im unteren Teil, wo die Temperatur deutlich über 35°C liegt.
Untersuchung von überhitzten thermischen Schwaden
Der Blick auf die Wärmefahnen auf der Iso-Oberfläche ermöglicht es, die verschiedenen Quellen von Hitzewellen und ihre Auswirkungen im Modell zu identifizieren.
Die geringe Luftzirkulation an den Öfen in Verbindung mit den hohen Temperaturen führt zu Hochtemperaturzonen.
Die Simulation zeigt, dass die Luft zwischen den Öfen ansteigt und dazu neigt, unter die Decke zu strömen.
Sobald die Luft jedoch unter der Zwischendecke ist, kann sie nur schwer nach außen abgeleitet werden.
Die Ergebnisse der Studie zeigen außerdem, dass die Hauben am Eingang der Öfen nicht die gesamte kalorienhaltige Luft absaugen können.
Dies ist vor allem auf eine zu geringe Dimensionierung der Absaugleistung zurückzuführen.
Die Luft aus dem Ofen, die nicht durch eine Haube abgesaugt wird, tendiert dazu, zur Decke zu strömen.
Dies trägt zum Temperaturanstieg im Raum bei.
Ein weiteres Phänomen, das nicht berücksichtigt wurde, aber die Luftzirkulation des Raumes beeinflussen kann, ist die thermische Trägheit der Produkte, die Kalorien aus dem Ofen in die Zone abgeben können.
Der hintere Abluftkamin des Ofens, der mit natürlicher Belüftung arbeitet, scheint nicht effizient genug zu sein, um die gesamte Kalorienmenge zurückzugewinnen.
Wie oben beschrieben, neigt die kalorienhaltige Luft am Ofenausgang dazu, zur Decke zu strömen und trägt so zur Erhöhung der Temperatur bei.
Es gibt keine interne Rückströmung, die durch den Unterdruck im Raum verursacht werden könnte.
CFD-Simulation für die Industrie
Die numerische Simulation bietet neue Möglichkeiten für die Industrie.
Sie ermöglicht die Vorhersage einer Vielzahl von Szenarien und damit die Beherrschung aller Unwägbarkeiten, die mit einer schlechten Planung verbunden sind.
Im Falle von Produktionsanlagen ermöglicht die multiphysikalische Modellierung die Berücksichtigung aller Phänomene, die zu thermo-lufttechnischen Flüssen führen, die entlang der Produktionskette auftreten, von der Überhitzung bis hin zum Komfort der Mitarbeiter.
Dank seiner Rechenserver können die Modelle von EOLIOS in kurzer Zeit vollständig und mit hoher Genauigkeit simuliert werden.
Die Erfahrung von EOLIOS im Bereich der allgemeinen Lufttechnik ermöglicht es unserem Team, innovative und relevante Lösungen für Überhitzungsprobleme vorzuschlagen.
Die Implementierung von CFD-Simulationen in Ihren Designprozess bedeutet jedoch, dass Sie auf Experten für Strömungsmechanik, Thermik und numerische Simulationen zurückgreifen können, um sicherzustellen, dass in Zukunft keine Probleme mehr auftreten.
Unsere EOLIOS-Ingenieure verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Durchführung von Audits und bringen ihr Fachwissen direkt ein, um die Lösung der verschiedenen Probleme zu optimieren.
Ihre hochmoderne Ausrüstung ermöglicht direkte und separate Messungen, die eine Bewertung des Standorts, der Ausrüstung, des Materials und, falls erforderlich, ein thermisches Gutachten einschließlich der Systeme, der Verluste und der Klimakontrolle durch die Systeme gewährleisten.
