Thermisch-luchtzijdig CFD-onderzoek van de vervanging van een silicasmeltoven door een elektrische oven: kartering van de straling op de constructies, bescherming van de liggers en thermisch comfort van de operators.
De expertise van EOLIOS in de CFD-simulatiesoftware en door thermische analyse van constructies was doorslaggevend bij het onderzoek van een industriële oven met intense straling op de stalen liggers, met vervormingsrisico's tot gevolg. Onze expertise maakte het mogelijk de constructietemperaturen in kaart te brengen en de oververhittingszones te voorzien, en tegelijk het thermisch comfort van de medewerkerste beoordelen, om de veiligheid van de installaties te optimaliseren en aanvaardbare arbeidsomstandigheden te waarborgen.
De kern. Ter voorbereiding van de vervanging van een stookolieoven door een krachtiger elektrische oven voerde EOLIOS een thermisch-luchtzijdig CFD-onderzoek uit van de silicaproductiehal. Twee opgaven: de stalen liggers beschermen tegen de straling van de gietstraal (zonder bescherming tot 480 °C gesimuleerd) en het comfort van de operators bewaren. Geïsoleerde U-vormige stralingsschermen, thermische gordijnen en een gevelopening brengen de liggers onder 100 °C en de werkzone dicht bij de buitentemperatuur.
Op een industriële locatie voor de productie van technische silica, gebruikt in uiteenlopende sectoren zoals banden en cosmetica, berust het proces op het smelten van natriumsilicaat bij hoge temperatuur. Eenmaal op ongeveer 1200 °C gebracht, wordt het gesmolten materiaal naar gietvormen geleid, waar het met waterverneveling wordt gekoeld voordat het tijdelijk in een put wordt opgeslagen.
In het kader van de energietransitie plant de locatie de vervanging van de bestaande stookolieoven door een elektrische oven van de nieuwe generatie, die beter presteert en minder uitstoot. Die technologische stap brengt echter nieuwe uitdagingen mee, met name door de toename van het thermisch vermogen, de stijging van de uitgestraalde temperaturen en de risico's op opwarming van de constructie in een gedeeltelijk open hal.
In die context is EOLIOS opgetreden om een volledig thermisch en stromingsonderzoek uit te voeren. Het doel: de thermische invloed van de toekomstige oven op de directe omgeving nauwkeurig beoordelen, op basis van geavanceerde numerieke modellering (CFD) en van een audit ter plaatse van de bestaande situatie. De analyse omvatte twee luiken: een eerste fase gewijd aan de huidige configuratie van de installatie, als vergelijkingsbasis, en een tweede gewijd aan het ontwerp van het project, met fijne simulaties van straling en luchtcirculatie.
Het onderzoek moest meerdere vragen beantwoorden: de mechanische weerstand van de liggers onder straling waarborgen, het thermische comfort van de operatoren bewaren en anticiperen op eventuele aanpassingen inzake natuurlijke of mechanische ventilatie. In een omgeving met een grote thermische massa wordt de optimalisatie van het luchtzijdige gedrag en van de passieve bescherming een strategische hefboom voor prestatie en duurzaamheid.
De vervanging van de stookolieoven door een elektrische oven met een grotere capaciteit leidt tot een intensiever thermisch proces, met smelttemperaturen nog steeds rond 1200 °C en een verdubbeld debiet. De belangrijkste vastgestelde opgave betreft de warmtestraling van het gesmolten glas, vooral bij de gietmonden. Die straling treft rechtstreeks de draagconstructies van het gebouw, en in het bijzonder de stalen liggers boven de gietvormen. Die elementen zijn echter gedimensioneerd voor grenstemperaturen die plaatselijk kunnen worden overschreden, zoals de thermografische opnames tijdens de eerste audit aantoonden. Het risico is niet alleen mechanisch: het betreft ook de duurzaamheid van de materialen, de weerstand van de bevestigingen en de betrouwbaarheid van de nabijgelegen installaties.
Warmtestraling is de warmteoverdracht door elektromagnetische golven, zonder contact of tussenliggende lucht. Een zeer heet lichaam zoals gesmolten glas zendt een flux uit die de blootgestelde oppervlakken op afstand opwarmt, hier de liggers boven de gietstraal. Een reflecterend stralingsscherm onderschept die flux.
Naast deze stralingsvraagstukken veroorzaakt de werking van de oven een krachtige opwaartse luchtcirculatie, door de intense warmteafgifte in een gebouw dat ruim op de buitenlucht is geopend. De dynamica van de luchtstromen is complex: natuurlijke thermische trek, windsnelheid, gebouwvormen, opgehangen platforms en mechanische obstakels werken samen en veroorzaken recirculatiezones of warmtestagnatie in afgebakende sectoren, vaak kritiek voor de exploitatie. De simulaties brachten zo warme luchtbanen langs bepaalde wanden aan het licht, restopwarming bij de putten en de ventilatiezones, en grote verschillen tussen het noorden en het zuiden van de hal.
Tot slot beïnvloeden deze verschijnselen rechtstreeks de arbeidsomstandigheden in de bezette ruimtes. Het ontbreken van een opening in het zuiden, het aanbrengen van dekzeilen om het stof te beperken of de configuratie van de putten kunnen leiden tot plaatselijke oververhitting in bepaalde gevoelige zones van het gebouw: gietplatforms, circulatiezones, tussenvloeren of technische ruimtes. Temperatuurverschillen van +10 tot +15 °C ten opzichte van buiten zijn in sommige gevallen vastgesteld. Die situatie kan leiden tot thermische hinder voor de operators en zelfs tot belasting van de installaties, zeker onder de gemodelleerde zomeromstandigheden.
Vóór elke modellering hebben de ingenieurs van EOLIOS ter plaatse een luchtzijdige en thermische audit uitgevoerd. In die eerste fase zijn nauwkeurige gegevens verzameld over de werkelijke bedrijfsomstandigheden van de productiehal. Opnames met de warmtebeeldcamera brachten de zones met hoge temperaturen in beeld, met name rond de dragende liggers, de gietstraal en de putten. Daarnaast maakten rookproeven de luchtstromen zichtbaar en bevestigden zij de opwaartse warme luchtbanen en de stagnatiezones. Al deze gegevens, samen met geometrische opmetingen met de laserafstandsmeter, vormden de basis voor de opbouw van het 3D-model.
De CFD-model is opgebouwd uit de aangeleverde tekeningen, de foto's van de audit en een gedetailleerde opmeting van de locatie. Het doel was de volumes, constructies en installaties die de luchtstroming en de warmte-uitwisseling beïnvloeden getrouw weer te geven. Het model omvat onder meer de platforms, liggers, koelputten, openingen naar buiten, gordijnen, evenals de toekomstige installaties die rond de elektrische oven zijn voorzien.
De numerieke rekennet, van het hybride type, telt enkele tientallen miljoenen cellen, met plaatselijke verfijning in de kritieke zones: rond de gietstraal, onder de platforms en ter hoogte van de inblaaskanalen. Die mate van detail waarborgt een getrouwe weergave van de thermische en luchtzijdige gradiënten en tegelijk de numerieke stabiliteit van de berekening.
De randvoorwaarden zijn opgesteld op basis van de auditgegevens en de waarden van de opdrachtgever. De belangrijkste warmtebronnen in de berekening zijn:
Het gesmolten glas, gemodelleerd van 1200 °C tot 300 °C over de lengte van de gietvorm.
De ovenwanden, rond 80 °C.
De putten, van 250 °C tot 50 °C naargelang de zone.
De bewegende installaties, zoals de transportbanden, rond 70 °C.
De convectieve uitwisseling met de wanden, de aard van de materialen (staal, silica, steenwol) en de buitentemperatuur van 38 °C zijn in de berekening meegenomen. De simulatie is uitgevoerd in stationair regime, wat een stabiel beeld geeft van de temperatuur- en luchtsnelheidsverdeling in het hele gebouw.
Er zijn Meerdere configuraties zijn beproefd om de varianten te vergelijken:
Al dan niet isolatie onder de platforms.
Toepassing van stralingsschermen in verschillende vormen (trapeziumvormig, vlak, U-vormig).
Al dan niet toevoegen van plaatselijke ventilatoren.
Wijziging van de gevelopeningen om de luchtspoeling te verbeteren.
Alle simulaties zijn uitgevoerd met een industriële CFD-solver gebaseerd op de Navier-Stokes-vergelijkingen, met een standaard k-ε-turbulentiemodel, dat bijzonder geschikt is voor inwendige ventilatie. Dat model geeft de stratificatie, de recirculatie en de versnelling van de luchtmassa's weer in complexe geometrieën zoals die van de onderzochte locatie.
Bijzondere aandacht ging naar de convergentie van de berekeningen, met een nauwkeurigheidsdrempel van 10⁻⁴ op de residuen, wat de betrouwbaarheid van de resultaten en de stabiliteit van het model waarborgt.
Het k-ε-turbulentiemodel lost de turbulente kinetische energie en de dissipatie ervan op; het is een robuuste standaard voor inwendige ventilatie. In stationair regime zoekt de berekening de evenwichtstoestand van temperaturen en snelheden, zonder het verloop in de tijd te volgen.
De simulaties rond de nieuwe elektrische oven brachten een uitgesproken temperatuurstijging aan het licht in de zones nabij de gietstraal. De stalen liggers onder het platform bereiken in sommige configuraties temperaturen boven 300 °C, met name wanneer de opgewarmde lucht niet vrij kan ontsnappen.
Zonder beschermingsvoorziening ondergaan de meest blootgestelde liggers rechtstreeks de warmtestraling van de gietstraal, met maximale waarden tussen 320 °C en 480 °C naargelang het gesimuleerde geval. Die temperaturen overschrijden de ontwerpgrenzen van bepaalde constructies, met risico op vervorming, verlies van mechanische sterkte of overmatige uitzetting.
Een stralingsscherm is een scherm, vaak van gepolijst aluminium met isolerende versterking, geplaatst tussen de warmtebron en het te beschermen element. Het weerkaatst het grootste deel van de invallende straling en geleidt, in de vorm van een omgekeerde U, de warme lucht naar afvoerzones ver van de werkplekken.
Het onderzoek vergeleek meerdere ontwerpvarianten om die opwarming te beperken. In de gevallen waarin isolatie onder het platform wordt geplaatst, stijgen de temperaturen eronder doordat de warmte minder goed wordt afgevoerd. Omgekeerd biedt het plaatsen van aluminium stralingsschermen met isolerende versterking tussen de gietstraal en de liggers een doeltreffende bescherming van de constructie.
De configuraties met een horizontaal of U-vormig stralingsscherm tonen een aanzienlijke temperatuurdaling, met liggers die onder 160 °C komen, en zelfs onder 100 °C in de beschermde zones.
Daarnaast bepaalt de vorm van het stralingsscherm rechtstreeks de richting van de warmtestromen: de uitvoeringen in omgekeerde U geleiden de warme luchtmassa's naar afvoerzones, ver van de werkplekken. Oplossingen met thermische isolatie op de bovenzijde van de stralingsschermen verminderen de secundaire straling naar de constructies en beschermen doeltreffend de hoger gelegen elementen zoals de roostervloer of de armen van de transportbanden.
Op schaal van de hal brachten de simulaties een sterke thermische stratificatie aan het licht, met temperaturen van 38 °C tot 52 °C tussen de vloer en het dak. De zwaarst getroffen zones liggen ten zuiden van de oven, in aanvankelijk slecht geventileerde sectoren waar warmtestagnatie is vastgesteld. In die zones kan het temperatuurverschil oplopen tot +12 °C ten opzichte van buiten, wat het comfort en de arbeidsomstandigheden aantast.
Het toevoegen van een opening in de zuidoostgevel, aanbevolen door EOLIOS, bracht in de simulaties een stroom verse lucht binnen. Die wijziging verlaagt de temperaturen in de kritieke zone tot ongeveer 43 °C en verbetert de luchtcirculatie duidelijk. Daarnaast bewezen thermische gordijnen rond de gietzones hun doeltreffendheid om de operators tegen de directe straling te beschermen.
De eindconfiguratie, met alle door EOLIOS aanbevolen voorzieningen (U-vormige stralingsschermen met isolatie, thermische gordijnen, plaatselijke ventilatoren, gevelopening), maakt het mogelijk de temperaturen van de liggers terug te brengen tot niveaus die verenigbaar zijn met hun normale gebruik, en tegelijk aanvaardbare omstandigheden voor het personeel te waarborgen.
De resultaten tonen liggertemperaturen onder 100 °C in de meeste gevallen, met enkele pieken tot 115 tot 150 °C in de zones het dichtst bij de gietmonden. De omgevingslucht in de werkzones ligt globaal dicht bij de buitentemperatuur (38 tot 40 °C) en de warmtepluimen worden goed naar het dak geleid, ver van de bezette werkplekken.
Deze evenwichtige oplossing vermindert de thermische belasting van de constructies aanzienlijk en houdt tegelijk een goed thermisch comfort in de directe omgeving van het proces.
Onthoud dit. Bij een proces op zeer hoge temperatuur gaat passieve bescherming voor: de straling bij de bron onderscheppen (stralingsschermen) kost minder en beschermt beter dan de hele hal overventileren. CFD dient om die schermen op de juiste plaats te zetten en na te gaan of zij de warmte elders niet opsluiten.
Dankzij haar expertise in thermisch-luchtzijdige engineering en de inzet van geavanceerde numerieke simulatie (CFD) kon de exploitant van de silicafabriek met EOLIOS de thermische effecten nauwkeurig voorzien die samenhangen met de plaatsing van een nieuwe elektrische oven met hoog vermogen.
Het uitgevoerde onderzoek belichtte de zones die gevoelig zijn voor opwarming en de complexe luchtstromingsdynamica in de hal, en wees concrete verbeterhefbomen aan om de constructieve veiligheid, het comfort van de operators en de duurzaamheid van de installaties te versterken.
Met een totaaloplossing die geoptimaliseerde stralingsschermen, aangepaste natuurlijke en mechanische ventilatie en verbeterde gevelopeningen combineert, heeft EOLIOS bijgedragen aan het slagen van het project binnen een beheerste energietransitie. Deze opdracht illustreert hoe EOLIOS industriëlen begeleidt bij hun meest veeleisende projecten, met terreinanalyse, hoogwaardige numerieke modellering en toegepaste engineering.
Project: onderzoek van de natuurlijke ventilatie van een staalfabriek Expertise: thermisch-luchtzijdige verschijnselen in de industrie Project: dimensionering van een industriële schoorsteenStraling van de gietstraal, opwarming van de constructies en thermisch comfort in een productiehal met hoge temperaturen.
Gesmolten glas van 1200 °C zendt een intense straling uit die de liggers erboven op afstand opwarmt, tot 320 à 480 °C gesimuleerd zonder bescherming, boven hun ontwerpgrenzen. Het risico is vervorming en verlies van mechanische sterkte. Een verwant vraagstuk kwam aan bod in ons project natuurlijke ventilatie van een staalfabriek.
Tussen de gietstraal en de liggers geplaatst, weerkaatsen aluminium stralingsschermen met isolerende versterking de straling en beschermen zij de constructie. De U-vormige uitvoeringen brengen de liggers onder 160 °C, en zelfs onder 100 °C in de beschermde zones, door de warme lucht naar afvoerzones te leiden.
De hal vertoont een stratificatie van 38 tot 52 °C tussen vloer en dak. Een opening in de zuidoostgevel brengt verse lucht binnen en brengt de kritieke zone terug naar ongeveer 43 °C; thermische gordijnen rond de gietstraal beschermen de operators tegen de directe straling.
De opnames met de warmtebeeldcamera lokaliseren de warme zones (liggers, gietstraal, putten) en de rookproeven maken de luchtstromen zichtbaar. Samen met de geometrische opmetingen met de laserafstandsmeter stemmen zij het CFD-model af op de werkelijke situatie ter plaatse.
Het proces draait continu onder vrijwel constante omstandigheden; de thermische en luchtzijdige evenwichtstoestand volstaat om de bescherming te dimensioneren. Het stationaire regime, met een k-ε-model en een convergentie van de residuen tot 10⁻⁴, geeft een stabiel beeld van de temperaturen en de snelheden.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
Met het thermisch-luchtzijdige onderzoek van EOLIOS konden de effecten van de nieuwe elektrische oven op de omgeving van de locatie worden gekarakteriseerd, zowel op de constructies als op het comfort van de operators. Dankzij een gedetailleerde CFD-modellering en een grondige audit ter plaatse zijn de zones met opwarming en naar de luchtstagnatie en overmatige straling vastgesteld. De voorgestelde oplossingen — stralingsschermen, betere ventilatie en thermische bescherming — waarborgen de veiligheid van de constructies, de beheersing van het werkklimaat en de duurzaamheid van de installaties.
CFD-vakgebieden, opgeleverde projecten en technische dossiers: het hele domein Industriële processen, op één plek verzameld.
Het eenvoudigst is om er samen over te praten. Onze ingenieurs antwoorden met een eerste technische analyse.
