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 entlang der gesamten Produktionskette zu untersuchen, wobei die Umgebungsbedingungen (Temperatur und Geschwindigkeit der Umgebungsluft, Rauchabzug) und insbesondere die Bögen berücksichtigt wurden.
Die Herausforderung bei einem solchen Projekt besteht darin, die besonderen thermoaeratischen Phänomene zu beherrschen, die durch die verschiedenen Herstellungsschritte bei sehr hohen Temperaturen in der Zone induziert werden.
In diesem Rahmen untersuchten unsere EOLIOS-Ingenieure mittels thermo-lufttechnischer CFD-Studien die verschiedenen lufttechnischen und thermischen Prinzipien, die die Luftbewegung in der Fabrik 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 stießen auf zahlreiche Einschränkungen, die durch die Eigenschaften des Standorts und der Konstruktion bedingt waren:
- Strahlungstemperaturen der Wände, die die thermische Behaglichkeit stark beeinflussen
- der Wärmezug aus den Herstellungsprozessen
- Winddruck und innerer Widerstand gegen vertikale Luftströmung
- Lage und Strömungswiderstandseigenschaften der Öffnungen in der Hülle
- das örtliche Gelände und der unmittelbare Schutz der Gebäudestruktur vor Wind
- das Vorhandensein von mechanischen Systemen, die Luft um die Produktionselemente herum bewegen, was das traditionelle Design komplex 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 Lüftungsöffnungen.
Unsere Ingenieure haben auf verschiedene Problemstellungen reagiert, wie z. B. :
- Rauch und Gase, die in den Archen entstehen (insbesondere durch interne Brenner), abführen
- Dimensionierung der natürlichen oder mechanischen Belüftung in Bezug auf die neue Erweiterung des Palettierergebäudes.
- Lösungen zur Optimierung des thermischen Komforts und zur Optimierung der Luftqualität vorschlagen.
- Das Eindringen von Staub und Moskitos einschränken.
Spezifische Luftverschmutzungsproblematik in der Werkstatt
Die Produktionsstätte verfügt über spezifische Einschränkungen, die mit natürlichen Belüftungsprozessen verbunden sind.
Die Nutzung der Lüftung ist unterschiedlich:
- Bekämpfung von Überhitzung, um akzeptable Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten und einen reibungslosen Betrieb ohne Risiken für Mensch und Material zu gewährleisten
- Luftzufuhr zu den verschiedenen Ventilatoren und Gebläsesystemen der Maschinen
In diesem Rahmen führen 3 Quellen der Außenluftverschmutzung zu Schwierigkeiten bei der Steuerung der Belüftung :
- Bereich mit Fliegen, Mücken und anderen Insekten, die einen Durchmesser von annähernd 1 mm haben.
- mm große Rückstände aus der Verbrennung von Zuckerrohr (Asche), die aus der Bewirtschaftung von Feldern in der Region stammen. Dies sind die am häufigsten identifizierten Rückstände in Sandfangsystemen, die mit doppelten Fliegengittern ausgestattet sind.
-
Feinstaub 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 diesen trockenen Flächen (LKW-Fahrten, Trittschäden …) und die Steinbrüche in der Region verstärkt. Feinstaub vom Standort, der einmal aufgewirbelt wurde, fällt nicht mehr zurück, sondern kann mehrere hundert Meter weit transportiert werden.
Rauch-Audit
Das Ziel ist es, eine Bilanz der installierten Systeme zu erstellen, die Temperaturbedingungen im Inneren 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 Smoke Audits durchführen, um digitale Simulationen an realen Phänomenen zu kalibrieren.
Videos der Rauchprüfung
Das Audit besteht unter anderem aus Lufttemperatur- und Luftgeschwindigkeitsmessungen , der Analyse der Bewegung von Rauchbomben, der Erstellung einer Videounterstützung und eines Auditberichts , der allen Akteuren ein Erfahrungsfeedback ermöglicht. Weitere Empfehlungen (Verwendung von Lüftungsschlitzen, Kellerzugangstüren usw.) werden auf der Grundlage der verschiedenen Beobachtungen vor Ort ausgesprochen.
Diese Seite beschreibt in groben Zügen den Verlauf des Audits, um unser Missionsprotokoll zu erläutern.
Luftbewegung mit anderen Räumen, die mit der Produktionsstätte in Kontakt stehen
Die Produktionsstätte ist ein Bereich, in dem das Klima durch natürliche Belüftung gesteuert wird. Als solches ist es nicht mit einem mechanischen System ausgestattet und die Luftumwälzung soll durch eine natürliche Übertragung zwischen den Lufteinlässen im unteren Bereich und einem natürlichen Abluftventilator im Dach gewährleistet werden.
Die Teams vor Ort alarmierten unsere Experten, da Staub und lange Rückstände des statischen Belüfters auf dem Boden in der reinen Prozesszone vorhanden waren.
Unsere Analyse ergab, dass ein großer Lufttransfer in den Dekorbereich und dann in den Verpackungsbereich stattfindet. Tatsächlich sind diese Bereiche mit mechanischen Dachlüftern ausgestattet, die zum Unterdruck im Vergleich zum Bereich mit natürlicher Belüftung beitragen.
Natürliche industrielle Belüftung
Die natürliche Belüftung (bei geringen Temperaturunterschieden) erfolgt über thermoaeraulische Motoren mit sehr geringem Druckdelta. Wenn Sandfänger vorhanden sind, die den Druckverlust der Lufteinlässe erhöhen, bleibt der statische Belüfter als bevorzugte Transferzone übrig (einfache Außenöffnung).
In diesem Rahmen wird der Lufteintritt über das Dach begünstigt, sobald ein Fenwick in Richtung Nebenraum fährt. Beim Öffnen der Fenwick-Türen wird Luft über den Dachlüfter angesaugt: Luftgeschwindigkeit in der Türöffnung >1,7 m/s (das entspricht etwa 100.000 m3/h Transfer).
In diesem Kontext (Gebäude, die über natürliche Belüftung mit Gebäuden verbunden sind, die mechanisch entlüftet werden, indem hohe Druckverluste an den natürlichen Eingängen hinzugefügt werden). Unsere Ingenieure kamen zu dem Schluss, dass es nicht möglich sein wird, diesen statischen Belüfter zufriedenstellend in natürlicher Extraktion zu betreiben.
Eine Erhöhung der Lufteinlässe würde dieses Phänomen etwas eindämmen, aber der Druckverlust durch den Sand scheint zu groß zu sein, um dem mechanischen Unterdruck im Gebäude durch Luftübertragung entgegenzuwirken.
Abschluss des Site Audits
Die Produktionshalle leidet unter Problemen, die damit zusammenhängen, dass sie der Sonne ausgesetzt ist und Systeme vorhanden sind, die sehr große Mengen an Kalorien abgeben. Die Luftgeschwindigkeiten sind hier etwas höher als im angrenzenden Gebäude, da das Verhältnis von Öffnung zu Größe des Gebäudes größer ist.
Die Systeme tragen auch zur Überhitzung des Raums bei, indem sie eine Schwade überhitzter Luft am Ein- und Ausgang freisetzen, die in die Umgebung abfließt. Sie sind der Hauptmotor für die Luftbewegungen in dem Gebiet.
Optimierung des thermischen Luftkomforts
CFD-Modellierung von Industrieprozessen
Wir übernehmen die thermischen Eigenschaften der Wände und des Prozesses. 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 surrealen Perfektion: Die Materialien sind vollkommen homogen und perfekt verarbeitet. Die einzigen Wärmebrücken sind die beschriebenen, und es ist bestenfalls sehr kompliziert, wenn nicht gar unmöglich, alle Wärmebrücken zu antizipieren (strukturelle Wärmebrücken und solche, die mit dem Befestigungssystem zusammenhängen, werden in der Regel berücksichtigt; Wärmebrücken aufgrund von Durchbrüchen oder Durchführungen von Netzwerken werden in der Regel nicht berücksichtigt).
Die Hauptherausforderung dieses Tabs wird also darin bestehen, 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 werden an den meisten lufttechnischen Öffnungen angebracht, die Luft von außen zuführen.
Die Sandstreu sind an den Innenseiten mit Fliegengittern 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 darstellen, das für die grundlegende CFD-Studie erstellt wurde. Die Besonderheiten der CFD-Modelle, die mit der Robustheit ihres Solvers in Verbindung mit der Qualität des 3D-Modells zusammenhängen, führen dazu, dass das Geometriemodell vollständig neu modelliert wurde. Vereinfachungen, die mit Kurven, Kanten, Punkten und kleinen Elementen zusammenhängen, wurden vorgenommen.
Das erstellte externe CAD-Modell gibt die Geometrie des Standorts ohne seine Umgebung wieder. Es wurde aus den Schnittplänen und dem Revit-Modell des Projekts erstellt.
Das Modell wird erstellt, um die Luft- und Wärmeübertragung in der Halle zu berücksichtigen.
Unsere EOLIOS-Ingenieure haben der Modellierung von Industriesystemen besondere Aufmerksamkeit gewidmet, um ein Höchstmaß 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 lässt sich die thermische Behaglichkeit in warmen Räumen qualifizieren?
Thermische Behaglichkeit ist die Zufriedenheit eines Menschen mit den thermischen Bedingungen seiner Umgebung. Von thermischem Komfort spricht man, wenn eine Person weder wärmer noch kälter sein möchte.
Er ist subjektiv und hängt daher von der individuellen Wahrnehmung ab. Sie 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 je nach Luftgeschwindigkeit angepasst werden.
Untersuchung der Verteilung von Luftgeschwindigkeiten
Die erste Abbildung unten zeigt die Effekte der Volumenumwälzung.
Die allgemeinen Luftbewegungen im Raum lassen sich in zwei Schritten beschreiben, die durch die Zuluftbereiche, die aus den Sandfängern bestehen, und dann durch die Abluftbereiche induziert werden.
Vereinfacht gesagt sind Druckunterschiede die treibenden Kräfte von Luftströmungen. 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 Druckabfälle (Reibung).
In der Klimatechnik wird die Luftzirkulation durch zwei Antriebskräfte induziert:
- Thermischer Zug entsteht, wenn ein Temperaturunterschied einen Dichteunterschied zwischen zwei Luftmassen erzeugt. Dieser Effekt wird durch eine größere Volumenhöhe verstärkt. „Heiße Luft neigt zum Aufsteigen“.
- Die Verteilung von Druck und Unterdruck, die durch HLK-Systeme im Volumen induziert werden.
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 Bewegungsluftgeschwindigkeiten liegen unter den Zielwerten für den thermischen Komfort in warmen Umgebungen.
Die höchsten Luftgeschwindigkeiten finden sich in der Fortsetzung der Sandanteile. Diese Bereiche sind nämlich die wichtigsten Lufteinlässe in der Halle.
Die Simulation zeigt jedoch, dass es zwischen den Bögen eine Zone mit geringer Geschwindigkeit gibt, die zu einem Temperaturanstieg führen kann.
Untersuchung der Verteilung der Lufttemperaturen
Wenn keine oder nur langsame und gleichmäßige Bewegungen stattfinden, bildet die Luft Schichten mit homogenen Temperaturen, die sich überlagern, wobei die wärmste Luft mit der Decke in Berührung kommt.
Diese Schnitte heben das Phänomen der Schichtung hervor, das bereits erläutert wurde.
Die Lufttemperatur im Gebäude ist insgesamt überhitzt, selbst im unteren Bereich, wo die Temperatur deutlich über 35°C liegt.
Untersuchung von überhitzten thermischen Schwaden
Die Betrachtung der Wärmefahnen an der Isooberfläche ermöglicht es, die verschiedenen Quellen von Hitzewellen und ihre Auswirkungen im Modell zu identifizieren.
Die geringe Luftzirkulation in den Öfen führt in Verbindung mit den hohen Temperaturen zu Hochtemperaturzonen. Die Simulation macht deutlich, dass die Luft zwischen den Öfen an Temperatur zunimmt und dazu neigt, unter die Decke zu strömen. Wenn Sie sich jedoch unter der Zwischendecke befinden, kann die warme Luft nur schwer nach außen abgeführt werden.
Darüber hinaus machen die Ergebnisse der Studie deutlich, dass die Abzugshauben am Eingang der Öfen nicht die gesamte kalorienhaltige Luft absaugen können. Dieses Phänomen ist hauptsächlich auf eine zu geringe Dimensionierung der Saugleistung zurückzuführen.
Da die Luft am Ausgang des Ofens nicht von einer Dunstabzugshaube angesaugt wird, neigt sie dazu, zur Decke zu strömen. Dieses Phänomen trägt zum Temperaturanstieg im Raum bei.
Ein weiteres Phänomen, das nicht berücksichtigt wurde, sich aber auf die Luftzirkulation des Raumes auswirken kann, ist die thermische Trägheit der Produkte, die beim Verlassen des Ofens in diesem Bereich Kalorien 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 hervorgehoben, neigt die kalorienhaltige Luft am Ausgang des Ofens dazu, zur Decke zu streben und trägt so zum Temperaturanstieg bei.
Allerdings ist dennoch ein Abluftbetrieb zu verzeichnen (kein interner Rückfluss, der durch das Anlegen eines Unterdrucks im Raum hätte entstehen können).
CFD-Simulation für die Industrie
Die numerische Simulation bietet neue Möglichkeiten für die Industrie. Dies ermöglicht die Vorhersage einer Vielzahl von Szenarien und damit die Beherrschung aller Unwägbarkeiten, die mit einem schlechten Design verbunden sind. Im Falle von Produktionsanlagen ermöglicht die multiphysikalische Modellierung die Berücksichtigung aller Phänomene, die den thermo-lufttechnischen Flüssen zugrunde liegen, die entlang der Produktionskette auftreten und von Überhitzung bis zum Komfort der Mitarbeiter reichen.
Mithilfe seiner Rechenserver können die Modelle von EOLIOS in kurzer Zeit vollständig und mit hoher Genauigkeit simuliert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Erfahrung von EOLIOS im Bereich der allgemeinen Lufttechnik unserem Team, innovative und relevante Lösungen bei Überhitzungsproblemen vorzuschlagen. Die Implementierung von CFD-Simulationen in Ihren Designprozess bedeutet jedoch, dass Sie auf Experten für Strömungsmechanik, Wärmetechnik und numerische Simulationen zurückgreifen, um sicherzustellen, dass in Zukunft keine Probleme auftreten.
Unsere EOLIOS-Ingenieure profitieren von ihrer großen Erfahrung im Auditing, indem sie ihr Fachwissen direkt einbringen, um die Lösung der verschiedenen Probleme zu optimieren. Die hochmodernen Geräte ermöglichen 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.
