Thermisch en stromingsonderzoek bij Höganäs Belgium: de temperaturen verlagen en de warmteafvoer verbeteren, met name in de smelthal.
EOLIOS voerde een thermische en stromingsaudit van de site van Höganäs Belgium. EOLIOS heeft een thermische en stromingsaudit uitgevoerd op de site van Höganäs Belgium, een onderneming gespecialiseerd in de poedermetallurgie van hooggelegeerde staalsoorten. Het hoofddoel van dit onderzoek was de temperaturen te verlagen en de warmteafvoer te verbeteren, met bijzondere aandacht voor de smelthal, waar de twee ovens staan.
Dat initiatief moest het comfort van de operatoren verhogen gedurende het hele productieproces. De kernuitdaging van het project was de specifieke thermische en stromingsfenomenen te beheersen die met de verschillende fabricagestappen bij extreem hoge temperaturen samenhangen.
De kern. EOLIOS heeft het thermische comfort van de staalfabriek Höganäs Belgium (Ath) geauditeerd, gespecialiseerd in poedermetallurgie. Het in kaart brengen van de luchtinlaten, rookproeven en een warmtebeeldcamera hebben een CFD-model van de smelthal (ovens 3T en 5T) gevoed. Twee vergeleken scenario's tonen dat nieuwe dakafzuigers, met stilstaande ventilatoren, de warmte veel beter afvoeren en de werktemperatuur verlagen.
Deze audit onderzoekt de ventilatie en de openingen om de eerste mogelijke verbeteringen aan te wijzen.
De thermische en stromingsaudit combineert een opname van de openingen, rookproeven en thermografie om op locatie de luchtstromen en de warmtebronnen in kaart te brengen, nog vóór elke modellering. Zij levert de gegevens van een rookproefaudit die vervolgens de simulatie voeden.
Twee grote deuren aan elk uiteinde van het gebouw blijven op de begane grond doorgaans open, waardoor lucht binnenkomt. Een andere deur, naar de opslaghal, staat vaak open, waardoor lucht het onderzoeksgebied verlaat. Alle deuren van de fabriek werken als luchtinlaten en veroorzaken een aanzienlijke infiltratie van koude lucht wanneer zij open staan, wat in de winter discomfort kan geven.
Er zijn luchtinlaten aanwezig op de bovenverdieping van het gebouw, en om het comfort van de technici die dicht bij de ovens werken te verbeteren, zijn er meerdere ventilatoren op de eerste verdieping geplaatst.
De ovens wekken een aanzienlijke hoeveelheid warmte op die naar het dak stijgt. Om de temperatuur op de verdieping van het gebouw te verlagen, zijn ventilatoren op het dak geplaatst, die de afvoer van de warmte naar buiten vergemakkelijken. Het dak is uitgerust met diverse voorzieningen voor natuurlijke luchtafvoer.
Een rookproef in een industrieel gebouw is een methode om het thermische comfort en de luchtkwaliteit binnen het gebouw te beoordelen.
Om het thermische comfort te beoordelen, wordt rook gebruikt om de luchtbeweging zichtbaar te maken en de luchtstromen binnen het gebouw. Zo kunnen de zones worden opgespoord met overmatige luchtstromen of problemen met de luchtcirculatie, wat kan leiden tot temperatuurzones die oncomfortabel zijn.
Wat de luchtkwaliteit betreft, maakt de rookproef de wegen van de lucht binnen het gebouw duidelijk. Zij brengt de ongewenste luchtinfiltraties, de lekken in de gebouwomhulling aan het licht, de gebreken in de luchtdichtheid en de ventilatieproblemen. Door de verplaatsing van de rook te volgen, is het mogelijk de zones aan te wijzen waar de lucht stilstaat, waar verontreinigingen zich kunnen opbouwen en waar de verluchting ontoereikend is.
Met die proeven kunnen de ingenieurs van EOLIOS de mogelijke problemen met het thermische comfort en de luchtkwaliteit aanwijzen en de nodige maatregelen nemen om de omstandigheden binnen het gebouw te verbeteren. Dat kan aanpassingen aan het verwarmings-, ventilatie- en koelsysteem omvatten, herstellingen om de luchtdichtheid van het gebouw te verbeteren of wijzigingen in de indeling van de binnenruimte om de luchtcirculatie te optimaliseren.
De rookproeven brengen diverse patronen van luchtcirculatie in het gebouw aan het licht. Op de verdieping gaat de lucht via de open ramen naar buiten, terwijl een deel naar het dak stijgt. Dicht bij de ventilatoren wordt de warme lucht naar beneden gedrukt, wat een gelijkmatiger temperatuur geeft, maar tegelijk meer warmte in de lagere delen veroorzaakt.
De ventilatoren dicht bij de ovens wekken luchtbewegingen op, maar bevorderen geen betere warmteafvoer. In sommige zones treedt een tweerichtingsstroming op, met warme lucht die naar de afzuiglussen stijgt en koudere lucht die naar de ovens trekt. Er treedt ook thermische stratificatie op, die de zones met warme en koude lucht scheidt.
Deze paragraaf wil de belangrijkste bronnen van de thermische fenomenen aanwijzen en de zones met meer of minder warmte. De analyses met de warmtebeeldcamera dienen om een weergave van de warme en koude zones op te stellen ter ondersteuning van de numerieke onderzoeken.
Numerieke stromingsmechanica, in het Engels Computational Fluid Dynamics (CFD), is een numerieke benadering om de stromingen van vloeistoffen en gassen te analyseren in een gegeven omgeving, met name bij het ontwerp van gebouwen. Zij levert informatie over de luchtsnelheden, de drukken en de temperaturen binnen en rond de bouwvolumes. Die methode gebruikt partiële differentiaalvergelijkingen om de fenomenen numeriek op te lossen, met inbegrip van de randvoorwaarden zoals de stromingseffecten van het gebouw, de interne warmtelasten en de systemen voor koeling. De CFD-simulaties zijn essentieel om de ventilatie en de koeling van grote ruimtes te optimaliseren en een optimaal comfort.
De partiële differentiaalvergelijkingen vragen randvoorwaarden om te worden opgelost. Die worden vastgelegd op basis van de meetgegevens op locatie en de informatie van de werkleiding. Voor een onderzoek in stationair regime in een naar buiten open ruimte moeten de kenmerken van de wanden worden bepaald (materiaal, fysische eigenschappen, viscositeit, temperatuur) en ook die van de naar buiten blootgestelde oppervlakken (stromingsrichting, snelheid, druk, temperatuur, oppervlaktecoëfficiënten). Het is cruciaal de stabiliteit van de berekening te waarborgen bij het vastleggen van die voorwaarden, want de vergelijkingen worden iteratief opgelost om de oplossing te benaderen.
De solver van de gebruikte code lost de vergelijkingen benaderend op in elk knooppunt van het rekennet, met inachtneming van de fundamentele beginselen van de fysica (behoud van massa en energie). Hij gebruikt het turbulentiemodel standaard k-epsilon, dat voor twee variabelen oplost: de turbulente kinetische energie en de dissipatiegraad van de kinetische energie. Dat model wordt ruim gebruikt in industriële toepassingen en in de HVAC vanwege zijn goede convergentiesnelheid en zijn aanvaardbare geheugenbehoefte. Voor thermische en stromingsonderzoeken worden het effect van de stralingswisseling tussen de wanden, de warmtegeleiding, het schoorsteeneffect en de zwaartekracht meegenomen. De onderzoeken worden op het volledige gebouw uitgevoerd, zonder symmetrievlak.
Het k-epsilon-model is een turbulentiemodel met twee vergelijkingen (turbulente kinetische energie en haar dissipatiegraad). Het wordt ruim gebruikt in de HVAC en in de industrie en biedt een goed compromis tussen nauwkeurigheid, convergentiesnelheid en geheugenbehoefte.
In het kader van het CFD-onderzoek is het volledige gebouw gemodelleerd om de verschillende windschaduwen mee te nemen die de verschillende modules van de site veroorzaken.
De ovens en de interne indeling van het smeltgebouw zijn gemodelleerd op basis van de gegevens van de site, net als de ventilatoren en de openingen die de luchtbewegingen beïnvloeden. Het doel is een nauwkeurige weergave van de complexe luchtbewegingen te verkrijgen die eigen zijn aan die ruimtes.
Het doel van de onderzoeken was de thermische fenomenen op de site aan te wijzen met twee verschillende scenario's: een basisscenario met vergelijkbare omstandigheden als die van de audit en een ander scenario met omstandigheden die een optimalisatie van de warmteafvoer toelaten.
De audit legde een afwezigheid van temperatuurstijging op de begane grond bloot, in tegenstelling tot de eerste verdieping, waar de ovens en het voorwarmen van de gietvormen hoge temperaturen veroorzaken. Zij bracht ook een tekort aan luchtafvoer onder het dak aan het licht, wat de doeltreffende afvoer van de warmte verhindert.
Een isolatieonderzoek is uitgevoerd, dat een passende isolatiedikte aanbeveelt. De binnentemperatuur hangt echter meer af van de luchtbewegingen en de warmtebronnen dan van de isolatie.
Het eerste scenario toonde gelijkenissen met de audit en legde luchtmassa's bloot die van elkaar gescheiden zijn door een ontoereikende dakafzuiging.
Het tweede scenario voerde nieuwe dakafzuigsystemen in en zette de ventilatoren stil, wat de warmteafvoer aanzienlijk verbetert, de verspreiding van de warmte vermindert en de luchtkwaliteit verbetert. Rond de warmtebronnen blijven echter warmere zones bestaan, wat wijst op een mogelijke verhoging van het aantal afzuigsystemen.
Een iso-oppervlak van de temperatuur verbindt alle punten in de ruimte met dezelfde temperatuur (bijvoorbeeld 40 °C). Het maakt in één oogopslag het volume zichtbaar dat de warme lucht inneemt, en de terugtocht ervan tussen het basisscenario en het geoptimaliseerde scenario.
Onthoud dit. In een smelthal telt de isolatie minder dan de beheersing van de luchtbewegingen: het is de afvoer van de warme lucht in het dak, meer dan de isolatiedikte, die de door de operatoren gevoelde temperatuur verlaagt.
Thermisch comfort, rookproeven en warmteafvoer in een smelthal.
Door de warme lucht zo hoog mogelijk af te voeren. Het onderzoek toont dat nieuwe dakafzuigers, met stilstaande ventilatoren, de warmte veel beter afvoeren dan het mengen van lucht. Een verwante aanpak is gevolgd in ons project natuurlijke ventilatie van een staalfabriek.
Zij maakt de werkelijke luchtbanen zichtbaar met een niet-vervuilende traceerrook. Zij legt de infiltraties via de deuren, de stagnatiezones en de thermische stratificatie bloot, die met het oog niet waarneembaar zijn.
De ventilatoren dicht bij de ovens mengen de lucht zonder die af te voeren: zij drukken de warme lucht naar beneden en warmen de lagere delen op. Door ze stil te zetten en dakafvoeren te openen, verlaat de warmte het gebouw door het schoorsteeneffect.
Nee. Het isolatieonderzoek beveelt een passende dikte aan, maar de binnentemperatuur hangt vooral af van de luchtbewegingen en de warmtebronnen. Zonder doeltreffende afvoer volstaat isolatie alleen niet.
De warmtebeeldcamera brengt de werkelijke warme en koude zones op locatie in kaart; die opnames dienen als invoergegevens en kalibratie voor het CFD-model, dat de analyse vervolgens uitbreidt tot het hele volume en tot niet-uitgevoerde scenario's.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
Thermisch en stromingsonderzoek met CFD van een staalfabriek (Höganäs Belgium, Ath) voor de optimalisatie van het comfort van de operatoren: audit op locatie (luchtinlaten in kaart gebracht, rookproeven, warmtebeeldcamera), volledig 3D-model van de smelthal (ovens 3T en 5T) en CFD-simulaties die een basisscenario vergelijken met een geoptimaliseerd scenario van dakafzuiging om de warmte af te voeren en de luchtkwaliteit te verbeteren.
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.
