Analiza cieplno-przepływowa CFD wymiany pieca do topienia krzemionki na piec elektryczny: mapa promieniowania na konstrukcje, ochrona belek i komfort cieplny operatorów.
Doświadczenie EOLIOS w symulacji CFD oraz Analiza termiczna konstrukcji odegrała rolę decydującą w analizie pieca przemysłowego wytwarzającego intensywne promieniowanie na belki stalowe, co groziło ich odkształceniem. Nasze kompetencje pozwoliły sporządzić mapę temperatur konstrukcji oraz przewidzieć strefy przegrzewania, a przy tym ocenić komfort cieplny pracowników, aby zoptymalizować bezpieczeństwo instalacji i zapewnić akceptowalne warunki pracy.
Najważniejsze. Przygotowując wymianę pieca opalanego olejem na mocniejszy piec elektryczny, EOLIOS wykonał analizę cieplno-przepływową CFD hali produkcji krzemionki. Dwa wyzwania: ochrona belek stalowych przed promieniowaniem spustu (do 480 °C w symulacji bez osłon) i utrzymanie komfortu operatorów. Izolowane ekrany przeciwpromienne w kształcie odwróconego U, kurtyny termiczne i otwór w elewacji sprowadzają belki poniżej 100 °C, a powietrze w strefie pracy blisko temperatury zewnętrznej.
W zakładzie przemysłowym wytwarzającym krzemionki techniczne stosowane w różnych branżach, od opon do kosmetyków, proces opiera się na topieniu krzemianu sodu w wysokiej temperaturze. Po osiągnięciu około 1200 °C stopiony materiał kierowany jest do krystalizatorów, gdzie jest chłodzony natryskiem wody, a następnie tymczasowo składowany w fosie.
W ramach transformacji energetycznej zakład planuje wymianę istniejącego pieca opalanego olejem na piec elektryczny nowej generacji, sprawniejszy i o mniejszej emisji. Ta zmiana technologiczna niesie jednak nowe wyzwania, związane przede wszystkim ze wzrostem mocy cieplnej, wzrostem temperatur promieniowania i ryzykiem nagrzewania konstrukcji w częściowo otwartej hali.
W tym kontekście EOLIOS wykonał pełną analizę cieplno-powietrzną. Celem była dokładna ocena wpływu cieplnego przyszłego pieca na bezpośrednie otoczenie, w oparciu o zaawansowane modelowanie numeryczne (CFD) oraz audyt istniejących warunków na obiekcie. Analiza objęła dwie części: pierwszy etap poświęcony stanowi obecnemu instalacji, który stanowi odniesienie do porównań, oraz drugi dotyczący projektowanego rozwiązania, z dokładnymi symulacjami promieniowania i obiegu powietrza.
Analiza miała odpowiedzieć na kilka wyzwań: zapewnić wytrzymałość mechaniczną belek narażonych na promieniowanie, utrzymać komfort termiczny operatorów oraz wyprzedzić ewentualne potrzeby korekty w zakresie wentylacji naturalnej lub mechanicznej. W środowisku o dużej bezwładności cieplnej optymalizacja zachowania przepływowego i osłon pasywnych staje się strategiczną dźwignią sprawności i trwałości.
Wymiana pieca opalanego olejem na piec elektryczny o większej wydajności powoduje intensyfikację procesu cieplnego, przy temperaturach topienia nadal bliskich 1200 °C oraz podwojonym wydatku. Głównym rozpoznanym zagadnieniem jest promieniowanie cieplne stopionego szkła, zwłaszcza na wylotach spustów. Promieniowanie to oddziałuje bezpośrednio na konstrukcje nośne budynku, a w szczególności na belki stalowe nad krystalizatorami. Elementy te są jednak dobrane na temperatury graniczne, które mogą być miejscowo przekroczone, co pokazały pomiary termowizyjne wykonane podczas audytu wstępnego. Ryzyko nie jest wyłącznie mechaniczne: dotyczy także trwałości materiałów, nośności zamocowań i niezawodności urządzeń znajdujących się w pobliżu.
Promieniowanie cieplne to przekazywanie ciepła falami elektromagnetycznymi, bez kontaktu i bez pośrednictwa powietrza. Ciało bardzo gorące, jak stopione szkło, emituje strumień, który na odległość nagrzewa powierzchnie narażone, tutaj belki nad spustem. Odbijający ekran przeciwpromienny przejmuje ten strumień.
Obok zagadnień promieniowania praca pieca wywołuje silną wstępującą cyrkulację powietrza, związaną z intensywnym wydzielaniem ciepła w budynku szeroko otwartym na zewnątrz. Dynamika przepływu powietrza jest złożona: naturalnego ciągu termicznego, prędkość wiatru, kształt budynku, podwieszone podesty i przeszkody mechaniczne oddziałują na siebie, dając strefy recyrkulacji lub zastoje ciepła w wybranych obszarach, często istotnych dla eksploatacji. Symulacje wykazały strugi gorącego powietrza wzdłuż niektórych ścian, resztkowe nagrzewanie w strefach fos i wentylacji oraz znaczne różnice między północną i południową częścią hali.
Zjawiska te oddziałują wreszcie bezpośrednio na warunki pracy w przestrzeniach użytkowanych. Brak otworu po stronie południowej, dodanie plandek ograniczających zapylenie czy układ fos mogą prowadzić do miejscowych przegrzań w niektórych wrażliwych strefach budynku: na podestach spustowych, w ciągach komunikacyjnych, na antresolach lub w pomieszczeniach technicznych. Stwierdzono w pewnych przypadkach różnice temperatury od +10 do +15 °C w stosunku do zewnętrza. Taki stan może powodować dyskomfort cieplny operatorów, a nawet obciążenia dla urządzeń, tym bardziej w zamodelowanych warunkach letnich.
Przed jakimkolwiek modelowaniem inżynierowie EOLIOS przeprowadzili na obiekcie audyt przepływowy i cieplny. Ten etap wstępny pozwolił zebrać dokładne dane o rzeczywistych warunkach eksploatacji hali produkcyjnej. Wykonano pomiary kamerą termowizyjną, aby wskazać strefy o wysokich temperaturach, przede wszystkim wokół belek nośnych, spustu i fos. Uzupełniająco Próby dymowe pozwoliły zobrazować przepływ powietrza i potwierdziły obecność wstępujących strug gorącego powietrza oraz strefy zastoju. Wszystkie te informacje wraz z pomiarami geometrii wykonanymi dalmierzem laserowym posłużyły jako podstawa budowy modelu 3D.
Model CFD powstał na podstawie przekazanych rysunków, zdjęć wykonanych w czasie audytu i szczegółowej inwentaryzacji obiektu. Celem było wierne odwzorowanie kubatur, konstrukcji i urządzeń wpływających na przepływ powietrza i wymianę ciepła. Model obejmuje w szczególności podesty, belki, fosy chłodzenia, otwory na zewnątrz, kurtyny, a także przyszłe instalacje projektowane wokół pieca elektrycznego.
Siatka numeryczna, typu hybrydowego, liczy kilkadziesiąt milionów komórek, z miejscowym zagęszczeniem w strefach krytycznych: wokół spustu, pod podestami i przy kanałach nawiewnych. Taki poziom szczegółowości zapewnia wierne odwzorowanie gradientów cieplnych i przepływowych, a jednocześnie stabilność numeryczną obliczeń.
Warunki brzegowe ustalono na podstawie danych z audytu i wartości przekazanych przez inwestora. Główne źródła ciepła ujęte w obliczeniach są następujące:
Stopione szkło, zamodelowane od 1200 °C do 300 °C na długości krystalizatora.
Ściany pieca, około 80 °C.
Fosy, od 250 °C do 50 °C w zależności od strefy.
Urządzenia w ruchu, takie jak przenośniki, około 70 °C.
Wymiana konwekcyjna ze ścianami, rodzaj materiałów (stal, krzemionka, wełna skalna) oraz temperatura zewnętrzna 38 °C zostały ujęte w obliczeniach. Symulację wykonano w stanie ustalonym, co daje ustabilizowany obraz rozkładów temperatury i prędkości powietrza w całym budynku.
Wiele konfiguracji przebadano, aby porównać różne warianty:
Obecność lub brak izolacji pod podestami.
Zastosowanie ekranów przeciwpromiennych o różnych kształtach (trapezowych, płaskich, w kształcie U).
Dodanie lub brak wentylatorów miejscowych.
Zmiana otwarcia elewacji, aby poprawić przewietrzanie.
Wszystkie symulacje wykonano przemysłowym solwerem CFD opartym na równaniach Naviera-Stokesa, przy standardowym modelem turbulencji k-ε, szczególnie dobrze dopasowanym do zagadnień wentylacji wewnętrznej. Model ten odtwarza zjawiska rozwarstwienia, recyrkulacji i przyspieszania mas powietrza w geometriach złożonych, takich jak analizowany obiekt.
Szczególną uwagę poświęcono zbieżności obliczeń, przyjmując próg dokładności 10⁻⁴ dla residuów, co zapewnia wiarygodność wyników i stabilność modelu.
Model turbulencji k-ε rozwiązuje energię kinetyczną turbulencji i jej dysypację; to sprawdzony standard dla wentylacji wewnętrznej. W stanie ustalonym obliczenie szuka równowagi temperatur i prędkości, bez śledzenia zmian w czasie.
Symulacje wykonane wokół nowego pieca elektrycznego wykazały wyraźny wzrost temperatur w strefach położonych blisko spustu. Belki stalowe pod podestem osiągają w niektórych konfiguracjach temperatury powyżej 300 °C, zwłaszcza gdy nagrzane powietrze nie może swobodnie odpłynąć.
Bez osłon najbardziej narażone belki przejmują bezpośrednio promieniowanie cieplne spustu, z wartościami maksymalnymi między 320 °C a 480 °C w zależności od zamodelowanego przypadku. Temperatury te przekraczają granice projektowe niektórych konstrukcji, co grozi odkształceniem, utratą wytrzymałości mechanicznej lub nadmierną rozszerzalnością.
Ekran przeciwpromienny to osłona, często z polerowanego aluminium z warstwą izolacji, umieszczona między źródłem ciepła a elementem chronionym. Odbija większość padającego promieniowania, a w kształcie odwróconego U kieruje gorące powietrze do strefy rozproszenia, z dala od stanowisk pracy.
Analiza porównała kilka wariantów projektowych ograniczających to nagrzewanie. W przypadkach, gdy izolacja znajduje się pod podestem, temperatury pod nim rosną wskutek słabszego odprowadzenia ciepła. Odwrotnie, dodanie ekranów aluminiowych z warstwą izolacji między spustem a belkami skutecznie chroni konstrukcję.
Konfiguracje z ekranem poziomym lub w kształcie U dają znaczne obniżenie temperatury: belki schodzą poniżej 160 °C, a nawet 100 °C w strefach osłoniętych.
Kształt ekranu wpływa ponadto bezpośrednio na kierunek strumieni ciepła: wersje w kształcie odwróconego U pozwalają kierować gorące masy powietrza do strefy rozproszenia, z dala od stanowisk pracy. Rozwiązania z izolacją termiczną na wierzchu ekranów zmniejszają promieniowanie wtórne na konstrukcje i skutecznie chronią elementy górne, takie jak krata pomostowa czy ramiona przenośników.
W skali hali symulacje wykazały znaczne rozwarstwienie termiczne, z temperaturami od 38 °C do 52 °C między posadzką a dachem. Strefy najbardziej dotknięte znajdują się po południowej stronie pieca, w obszarach początkowo słabo wentylowanych, gdzie stwierdzono zastoje ciepła. W strefach tych różnica temperatury może sięgać +12 °C w stosunku do zewnętrza, co pogarsza komfort i warunki pracy.
Dodanie otworu w elewacji południowo-wschodniej, zalecone przez EOLIOS, wprowadziło w symulacjach strumień świeżego powietrza. Zmiana ta obniża temperatury w strefie krytycznej do około 43 °C i wyraźnie poprawia obieg powietrza. Ponadto kurtyny termiczne ustawione wokół stref spustu okazały się skuteczne w ochronie operatorów przed promieniowaniem bezpośrednim.
Konfiguracja końcowa, obejmująca wszystkie rozwiązania zalecane przez EOLIOS (ekrany w kształcie U z izolacją, kurtyny termiczne, wentylatory miejscowe, otwór w elewacji), pozwala sprowadzić temperatury belek do poziomów zgodnych z ich normalnym zastosowaniem, a jednocześnie zapewnia akceptowalne warunki dla personelu.
Wyniki pokazują temperatury belek poniżej 100 °C w większości przypadków, z pojedynczymi maksimami 115 do 150 °C w strefach najbliższych wylotom spustu. Powietrze w strefach pracy jest w większości bliskie temperaturze zewnętrznej (38 do 40 °C), a smugi ciepła są dobrze skanalizowane pod dachem, z dala od zajętych stanowisk.
To wyważone rozwiązanie znacznie zmniejsza obciążenia cieplne konstrukcji, utrzymując dobry poziom komfortu cieplnego w bezpośrednim otoczeniu procesu.
Do zapamiętania. W procesie o bardzo wysokiej temperaturze pierwszeństwo ma ochrona pasywna: przejęcie promieniowania u źródła (ekrany przeciwpromienne) kosztuje mniej i chroni lepiej niż przewentylowanie całej hali. CFD służy do umieszczenia tych osłon w dobrym miejscu i do sprawdzenia, czy nie zamykają ciepła w innym obszarze.
Dzięki doświadczeniu w inżynierii cieplno-przepływowej i zastosowaniu zaawansowanych narzędzi symulacji numerycznej (CFD) EOLIOS umożliwił operatorowi zakładu produkcji krzemionki dokładne przewidzenie skutków cieplnych związanych z montażem nowego pieca elektrycznego o dużej mocy.
Wykonana analiza ujawniła strefy wrażliwe na nagrzewanie oraz złożoną dynamikę przepływu powietrza w hali, wskazując przy tym konkretne dźwignie poprawy bezpieczeństwa konstrukcji, komfortu operatorów i trwałości urządzeń.
Proponując rozwiązanie całościowe, obejmujące zoptymalizowane ekrany przeciwpromienne, dopasowaną wentylację naturalną i mechaniczną oraz poprawę otworów w elewacji, EOLIOS przyczynił się do powodzenia projektu w logice opanowanej transformacji energetycznej. Ta realizacja pokazuje zdolność EOLIOS do wspierania zakładów w projektach najbardziej wymagających, przez połączenie analizy na obiekcie, modelowania numerycznego wysokiego poziomu i inżynierii stosowanej.
Projekt: analiza wentylacji naturalnej huty stali Kompetencje: zjawiska cieplno-przepływowe w przemyśle Projekt: dobór komina przemysłowegoPromieniowanie spustu, nagrzewanie konstrukcji i komfort cieplny w hali produkcyjnej o wysokiej temperaturze.
Stopione szkło o temperaturze 1200 °C emituje intensywne promieniowanie, które na odległość nagrzewa belki znajdujące się powyżej, do 320 do 480 °C w symulacji bez osłon, czyli powyżej ich granic projektowych. Ryzykiem jest odkształcenie i utrata wytrzymałości mechanicznej. Podobne zagadnienie rozwiązywaliśmy w projekcie wentylacja naturalna huty stali.
Umieszczone między spustem a belkami ekrany aluminiowe z warstwą izolacji odbijają promieniowanie i chronią konstrukcję. Konfiguracje w kształcie U sprowadzają belki poniżej 160 °C, a w strefach osłoniętych poniżej 100 °C, kierując gorące powietrze do strefy rozproszenia.
W hali występuje rozwarstwienie od 38 do 52 °C między posadzką a dachem. Dodanie otworu w elewacji południowo-wschodniej wprowadza świeże powietrze i sprowadza strefę krytyczną do około 43 °C; kurtyny termiczne wokół spustu chronią operatorów przed promieniowaniem bezpośrednim.
Pomiary kamerą termowizyjną lokalizują strefy gorące (belki, spust, fosy), a próby dymowe obrazują przepływ powietrza. Wraz z pomiarami geometrii dalmierzem laserowym pozwalają dostroić model CFD do rzeczywistych warunków obiektu.
Proces pracuje w sposób ciągły w warunkach niemal stałych; stan równowagi cieplnej i przepływowej wystarcza do doboru osłon. Stan ustalony, z modelem k-ε i zbieżnością residuów na poziomie 10⁻⁴, daje ustabilizowany obraz temperatur i prędkości.
Przejrzyj nasze specjalizacje, projekty i opracowania techniczne, aby wyjść poza FAQ.
Analiza cieplno-przepływowa wykonana przez EOLIOS pozwoliła scharakteryzować skutki działania nowego pieca elektrycznego dla otoczenia obiektu, zarówno dla konstrukcji, jak i dla komfortu operatorów. Dzięki szczegółowemu modelowaniu CFD i pogłębionemu audytowi na obiekcie wskazano strefy nagrzewania, zastoju powietrza oraz nadmiernego promieniowania. Proponowane rozwiązania, czyli ekrany przeciwpromienne, poprawa wentylacji i osłony termiczne, zapewniają bezpieczeństwo konstrukcji, panowanie nad warunkami pracy i trwałość instalacji.
Specjalizacje CFD, zrealizowane projekty i opracowania techniczne: cała dziedzina procesów przemysłowych w jednym miejscu.
Najprościej omówić go razem. Nasi inżynierowie odpowiedzą, przedstawiając wstępną ocenę techniczną.
