Analyse van de stromings- en thermische condities van de fabriek van Aluminium Duinkerke door 3D-modellering en CFD-simulaties, in het kader van de toevoeging van een 8e oven.
Het onderzoek richt zich op de optimalisatie van de plaatsing van de ventilatievoorzieningen van de aluminiumfabriek van Duinkerke. Er zijn numerieke CFD-simulaties uitgevoerd om de fluïdumstromen te analyseren en de stromings- en thermische condities van de fabriek te beoordelen, om nauwkeurige aanbevelingen te formuleren voor de optimale plaatsing van de ventilatievoorzieningen.
De kern. Aluminium Duinkerke wil een 8e oven toevoegen aan een gieterij die met natuurlijke ventilatie wordt gekoeld (7 ovens van ongeveer 750 °C). Een audit op locatie (rookproeven, temperatuursondes, warmtebeeldcamera) en de weergegevens van Duinkerke hebben een 3D-CFD-model gevoed. Resultaat: een nokventilator boven oven 8 en het sluiten van een contraproductief lamellenrooster doen de temperatuur onder het dak sterk dalen, bij een nagenoeg constant afvoerdebiet.
Het uitgevoerde onderzoek betreft de plaatsing van de dakafvoeren om het thermische comfort van de fabriek van Aluminium Duinkerke te verbeteren, die beschikt over een koelsysteem op natuurlijke ventilatie. De fabriek bestaat uit 7 ovens en een productielijn voor gietblokken, en om de productiecapaciteit te vergroten wordt de bouw van een 8e oven overwogen. De temperatuur van die ovens ligt rond 750 °C en er ontstaan daardoor belangrijke warme luchtstromen in de fabriek.
De gieterijhal is uitgerust met 4 grote nokventilatoren, 13 statische dakventilatoren en jaloezieën op sommige gevels van het gebouw. Het doel van dit onderzoek is dus te onderzoeken of de huidige ventilatievoorziening volstaat voor de toevoeging van een 8e oven, en zo niet, te bepalen hoe dat kan worden verholpen.
Een nokventilator is een lichtstraat van grote afmeting die in de dakconstructie is opgenomen. Zonder motor voert hij de warme lucht over een grote doorsnede af door het schoorsteeneffect, wat hem doeltreffend maakt boven zeer warme bronnen zoals een oven.
De uitgevoerde audit had als doel zo veel mogelijk informatie te verzamelen over de werking van de site op het vlak van temperatuur en luchtbewegingen. Daarvoor zijn verschillende proeven en meetinstrumenten gebruikt. De rookproef is uitgevoerd met een rookmachine die een grote hoeveelheid rook in het volume genereerde. Zo konden de macrobewegingen van de luchtstromen binnen de site zichtbaar worden gemaakt.
. De gebruikte rook was ongevaarlijk voor het milieu en werd gemaakt uit een niet-vervuilende vloeistof op basis van water en glycol. Bij die proeven zijn video's opgenomen om de ter plaatse waargenomen fenomenen te analyseren. Voor het meten van de luchttemperaturen zijn instrumenten gebruikt zoals telescopische sondes onder kalibratiecertificaat, om de temperaturen en de luchtsnelheden op de site op te nemen. De resultaten van de rookproeven toonden dat de luchtstromen dicht bij de ovens hoofdzakelijk opwaarts zijn.
Vervolgens zijn warmtebeelden gebruikt om de belangrijkste bronnen van de thermische fenomenen en de zones met meer of minder warmte aan te wijzen.
De opgenomen temperaturen zijn vergeleken met de resultaten van de CFD-simulaties om hun samenhang te controleren.
Er is rekening gehouden met de emissiviteit van de verschillende oppervlakken om de temperaturen te schatten.
Alle dakafvoeren, openingen en luchtdoorgangen op de site zijn bij de audit in kaart gebracht. Zo kan de fabriek getrouw in de simulaties worden weergegeven, ook met inachtneming van de geleverde plannen. Er zijn vier types openingen aangewezen: volledig geopende deuren, lamellenroosters in de gevels, nokventilatoren en statische dakventilatoren. De audit maakte het ook mogelijk de globale geometrie van de gieterij en de verschillende volumes die de luchtstroming beïnvloeden in kaart te brengen. Die informatie over de temperaturen, de luchtbewegingen, de openingen en de geometrie van de site is essentieel om de fabriek te begrijpen en getrouw in de simulaties weer te geven. Zij dient ook als basis om aanbevelingen te formuleren voor de optimalisatie van de stromings- en thermische condities op de site.
De klimaatgegevens van het weerstation van Duinkerke zijn van cruciaal belang om de buitenklimaatcondities vast te leggen die nodig zijn voor het onderzoek van de ventilatie van de fabriek. De verzamelde informatie omvat de windsnelheid en de windrichting, en ook de gemiddelde minimumtemperatuur in de winter en de gemiddelde maximumtemperatuur in de zomer.
Daarnaast worden de meest extreme geregistreerde temperatuurpieken ook meegenomen. Die gegevens spelen een cruciale rol bij de aanpassing van de ventilatie- en koelstrategieën om het optimale comfort van de operatoren van de fabriek te waarborgen gedurende het hele jaar.
. De numerieke stromingsmechanica (CFD), in het Engels Computational Fluid Dynamics (CFD), is een numerieke methode om de stromingen van een fluïdum in een gegeven omgeving te onderzoeken. Die methode gebruikt partiële differentiaalvergelijkingen om stromingsproblemen op te lossen die analytisch vaak onoplosbaar zijn.
In de context van gebouwen kan een CFD-onderzoek informatie geven over de luchtsnelheden, de drukken en de temperaturen binnen en rond de bouwvolumes. Zo kunnen de stromings- en thermische condities beter worden begrepen, met name bij het ontwerp van ventilatie- en koelsystemen.
CFD-simulaties zijn bijzonder nuttig om het binnencomfort te optimaliseren door te waarborgen dat de luchtstromen toereikend en goed verdeeld zijn, wat bijdraagt aan een betere energie-efficiëntie en een groter welzijn van de gebruikers. De geometrische modellering is een essentiële stap in de CFD-simulaties. Zij bestaat erin de geometrie van de onderzochte site of het onderzochte gebouw getrouw weer te geven. Zo kunnen de randvoorwaarden worden vastgelegd, zoals het type wanden, de naar buiten open oppervlakken, de interne warmtelasten enzovoort. De geometrische modellering maakt het ook mogelijk het model te vereenvoudigen door de elementen weg te laten die voor het stromings- en thermische onderzoek niet relevant zijn, wat de interpretatie van de resultaten vergemakkelijkt.
Kort samengevat worden CFD-simulaties gebruikt om de stromingen van fluïda te onderzoeken bij het ontwerp van gebouwen. Zij maken het mogelijk de stromings- en thermische condities te optimaliseren, het binnencomfort te verbeteren en de energie-efficiëntie te optimaliseren. De geometrische modellering en de opbouw van het rekennet zijn sleutelstappen in dat proces, net als de vastlegging van de randvoorwaarden en het gebruik van passende turbulentiemodellen.
De doel van dit onderzoek was de goede stromingswerking van de site te controleren na de toevoeging van de nieuwe oven 8. Daarvoor zijn meerdere scenario's onderzocht. Het eerste scenario was het bestaande scenario, met de luchtafvoersystemen zoals die nu aanwezig zijn, met buitencondities op basis van de meteorologische analyse. De resultaten toonden echter een onevenwicht in de temperatuurverdeling tussen de noord- en de zuidzijde van de site, door het ontbreken van een afzuigkap voor oven 8 en van een nokventilator. Het tweede scenario voegde bijkomende statische dakventilatoren boven oven 8 toe. De resultaten toonden dat de toevoeging van die dakventilatoren een snellere en gerichtere afvoer van de met warmte beladen lucht mogelijk maakte, wat de stromingswerking van de site verbetert.
Naar aanleiding van de resultaten van het tweede scenario is het derde scenario onderzocht, met het sluiten van een lamellenrooster dat contraproductief werd bevonden. Dat scenario toonde dat het sluiten van die opening de stratificatie van de warme lucht bevorderde, wat leidde tot een beter schoorsteeneffect en een doeltreffender afvoer van de met warmte beladen lucht. Die resultaten tonen dus het belang van de goede plaatsing van de luchtafvoersystemen en van de ventilatieopeningen voor de goede stromingswerking van de site. De aanbevelingen die daaruit volgen, moedigen aan gerichte dakventilatoren toe te voegen om een doeltreffender afvoer van de met warmte beladen lucht te bevorderen, en bepaalde openingen te sluiten om een optimale stratificatie van de warme lucht te bevorderen.
Bij dit onderzoek zijn twee configuraties onderzocht om de efficiëntie van de stofafzuiging te beoordelen bij oven 8 met open deur. De eerste configuratie was de basisconfiguratie, terwijl de tweede configuratie het volgende omvatte: de toevoeging van statische dakventilatoren en het sluiten van het ongepaste lamellenrooster. Dit onderzoek sluit aan bij onze expertise inzake het onderzoek van de verspreiding van poeders en fijnstof.
Het schoorsteeneffect is de opwaartse luchtbeweging door de uitzetting van lucht bij opwarming: lichter geworden stijgt zij en ontsnapt via de hoge openingen, waarbij verse lucht onderaan wordt aangezogen. Het is de motor van de natuurlijke ventilatie. Dat fenomeen hoort bij de dimensionering van de statische dakventilatoren.
De uitgevoerde simulaties omvatten vervolgens de installatie van een nieuwe nokventilator boven oven 8. De resultaten van de simulaties toonden dat de nieuw toegevoegde nokventilator een aanzienlijke invloed had op de luchtstromingen. Er wordt een verdwijning van de gerichte stroming van oven 8 naar de kleine, reeds aanwezige nokventilatoren vastgesteld.
Wat de verdeling van de temperatuur betreft, wijzen de resultaten op een verdeling die vergelijkbaar is met die van de vorige scenario's, maar met een duidelijke daling van de temperatuur onder het dak dankzij de aanwezigheid van de nokventilator.
. De temperatuur onder het dak daalt aanzienlijk dankzij de snelle afvoer van de warme lucht beladen met calorieën door de nokventilator. De resultaten onderstrepen ook dat het totale afvoerdebiet globaal constant blijft, met een lichte stijging ten opzichte van de bestaande configuratie. Die resultaten tonen de efficiëntie van de nokventilator die boven oven 8 is toegevoegd om de met calorieën beladen warme lucht snel af te voeren. Die wijziging draagt dus bij aan een verbetering van de luchtstromingen en de thermische condities in het gebouw.
Het radiatieve onderzoek in het kader van de thermische en stromingsanalyse van een fabriek maakt het mogelijk de invloed van de warmtestraling beter te begrijpen, de interactie te beoordelen tussen de straling en de convectie, en de zones aan te wijzen waar bijstellingen nodig zijn om de thermische condities te optimaliseren binnen de fabriek. Zo kan het comfort van de werknemers worden verbeterd en kunnen problemen van overhitting en de energie-efficiëntie te optimaliseren van de fabriek worden voorkomen.
Warmtestraling is de warmteoverdracht door elektromagnetische golven, zonder contact en zonder tussenliggende lucht. Een zeer warme oven verwarmt zo rechtstreeks de wanden die ertegenover staan, naast de lucht: het is een aparte bijdrage naast de convectie, die afzonderlijk moet worden behandeld.
Er zijn dus simulaties uitgevoerd om de radiatieve overdracht van oven 8 naar de omliggende wanden te beoordelen in twee verschillende scenario's. Het eerste scenario stemt overeen met de gebruikelijke configuratie waarin oven 8 gesloten is. De resultaten toonden dat aanzienlijke radiatieve fluxen werden ontvangen door de noordgevel, de wand tegenover de oven en de lage dakzone met maximumtemperaturen tot ongeveer 70 °C. Het tweede scenario betreft oven 8 in open toestand met een binnentemperatuur van 500 °C om het afkoelen van de open oven mee te nemen. Dezelfde zones zijn dan ook onderworpen aan aanzienlijke radiatieve fluxen, met maximumtemperaturen in de orde van 75 °C.
Die resultaten tonen de aanzienlijke invloed van de radiatieve overdracht van oven 8 naar de omliggende wanden. Zij brengen de zones aan het licht die de grootste radiatieve fluxen ontvangen, met name de noordgevel, de wand tegenover oven 8 en de lage dakzone.
De expertise van onze onderneming maakte het mogelijk technische oplossingen te vinden voor de toevoeging van een nieuwe oven in de fabriek en het thermische comfort voor de werknemers te verbeteren. De uitgevoerde wijzigingen hebben geleid tot een aanzienlijke verlaging van de temperaturen onder het dak en ter hoogte van de werkzones, en tot de verbetering van de ventilatie door de warme luchtstromen op precieze plaatsen te verminderen.
De radiatieve analyse maakte het ook mogelijk drie zones aan te wijzen waar de radiatieve overdracht intenser is en die een gevaar voor de werknemers kunnen vormen. Die resultaten dragen bij aan een beter begrip van de luchtstromingen en de thermische condities, en maken het mogelijk aanbevelingen te formuleren om de ventilatie, de temperatuur en meer algemeen de arbeidsomstandigheden binnen de site te optimaliseren.
Onthoud dit. Een warmtebron toevoegen aan een natuurlijk geventileerde hal komt niet neer op het maken van één opening extra: het zijn de positie van de dakafvoeren en het gericht sluiten van bepaalde openingen die een doeltreffend schoorsteeneffect herstellen, convectie en straling samen genomen.
Natuurlijke ventilatie, nokventilatoren en straling van de ovens in een aluminiumsmelterij.
Ja, op voorwaarde dat de ventilatie opnieuw wordt gedimensioneerd. Het onderzoek toont dat de site, door een nokventilator boven oven 8 toe te voegen en een contraproductief lamellenrooster te sluiten, de warme lucht van de achtste oven zonder ventilator afvoert. Een verwante aanpak is gevolgd in ons project natuurlijke ventilatie van een staalfabriek.
Een slecht geplaatste opening kan het schoorsteeneffect kortsluiten door lucht binnen te laten waar de warme lucht zou moeten opstijgen. Door haar te sluiten, wordt de stratificatie van de warme lucht bevorderd en volgt een doeltreffender afvoer via de dakventilatoren.
Het kwantificeert de radiatieve overdracht van de oven naar de wanden, apart van de convectie. Het wees drie zones aan (noordgevel, wand tegenover de oven, laag dak) die tot 75 °C ontvangen, wat een risico voor de operatoren kan vormen.
Doordat hij zo dicht mogelijk bij de warmtebron is geplaatst, voert hij de met calorieën beladen lucht door het schoorsteeneffect af voordat die zich onder het dak verspreidt. Het totale afvoerdebiet blijft nagenoeg constant, maar de warme lucht gaat sneller en dichter bij de oven naar buiten.
De warmtebeeldcamera meet de werkelijke oppervlaktetemperaturen op locatie; die tegenover de simulatieresultaten plaatsen maakt het mogelijk de samenhang van het model te controleren en het te kalibreren voordat niet-uitgevoerde scenario's worden verkend.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
Het uitgevoerde onderzoek betreft de optimale plaatsing van de dakafvoeren om het thermische comfort te verbeteren van de fabriek van Aluminium Duinkerke, die een koelsysteem op natuurlijke ventilatie gebruikt. Het doel is te bepalen of de huidige ventilatievoorziening volstaat voor de toevoeging van een 8e oven en, indien nodig, oplossingen voor te stellen. Er zijn verschillende voorbereidende metingen uitgevoerd, zoals rookproeven om de luchtbewegingen te observeren, temperatuurmetingen en warmtebeelden om de warmtebronnen aan te wijzen. Die gegevens zijn gebruikt om een 3D-model van de fabriek te maken waarin numerieke CFD-simulaties zijn uitgevoerd. De CFD-simulaties maken het mogelijk de stromingen van fluïda te onderzoeken en de stromings- en thermische condities van de fabriek te simuleren. De resultaten toonden dat de toevoeging van bepaalde dakventilatoren een snellere en gerichtere afvoer van de warme lucht mogelijk zou maken, wat de stromingswerking van de site verbetert. Tot slot heeft dit onderzoek het mogelijk gemaakt de optimale plaatsing van de dakafvoeren te bepalen om het thermische comfort van de fabriek van Aluminium Duinkerke te verbeteren met het oog op de toevoeging van een 8e oven. De resultaten van de CFD-simulaties leverden nauwkeurige aanbevelingen om de energie-efficiëntie en het welzijn van de operatoren van de fabriek te optimaliseren.
CFD-expertise, opgeleverde projecten en technische dossiers: het hele vakgebied industrie op één plek.
Het eenvoudigst is om er samen over te praten. Onze ingenieurs antwoorden met een eerste technische analyse.
