دراسة الإشعاع والتهوية لقالب السبيكة الصناعية
دراسة الإشعاع والتهوية في قالب السبيكة الصناعية
السنة
2025
العميل
نورث كارولاينا
الموقع
فرنسا
التصنيف
العملية الصناعية
الصفحة الرئيسية » العمليات الصناعية » دراسة الإشعاع والتهوية لقالب السبيكة الصناعية
المهمة التي قامت بها شركة EOLIOS ingénierie: الخبرة في محاكاة CFD والتهوية الصناعية
يتخصص مهندسو EOLIOS في تحليل درجات الحرارة الإنشائية وتحسين الراحة الحرارية.
لعبت خبرة EOLIOS في محاكاة ديناميكيات السوائل الحاسوبية ( CFD ) والتحليل الحراري للهياكل دورًا حاسمًا في دراسة فرن صناعي يولد إشعاعًا شديدًا على العوارض المعدنية، مما يؤدي إلى مخاطر التشوه. مكّنتنا خبرتنا من رسم خريطة لدرجات الحرارة الهيكلية والتنبؤ بمناطق ارتفاع درجة الحرارة، مع تقييم الراحة الحرارية للموظفين. وقد ساعد هذا النهج على تحسين سلامة المرافق وضمان ظروف عمل مقبولة في المصنع.
مشروع Thermoaerulics لتحسين الظروف الحرارية والهوائية في موقع إنتاج السيليكا الصناعية
دراسة الإشعاع والتهوية حول فرن كهربائي جديد
في موقع صناعي مخصص لتصنيع السيليكا التقنية المستخدمة في مختلف القطاعات مثل الإطارات ومستحضرات التجميل، تعتمد العملية على انصهار سيليكات الصوديوم في درجة حرارة عالية. وبمجرد تسخينها إلى حوالي 1200 درجة مئوية، يتم نقل المادة المنصهرة إلى قوالب السبائك، حيث يتم تبريدها بالرش بالماء قبل تخزينها مؤقتًا في حفرة.
كجزء من التحول في مجال الطاقة، يخطط الموقع لاستبدال فرن يعمل بالزيت الحالي بفرن كهربائي من الجيل الجديد، وهو أكثر كفاءة ويصدر انبعاثات أقل. ومع ذلك، فإن هذا التطور التكنولوجي يجلب معه تحديات جديدة، لا سيما من حيثزيادة الطاقة الحراريةوارتفاع درجات الحرارة المشعة وخطر ارتفاع درجة حرارة الهيكل في قاعة مفتوحة جزئياً.
وفي ظل هذه الخلفية طُلب من EOLIOS إجراء دراسة حرارية هوائية كاملة. وكان الهدف من ذلك هو إجراء تقييم دقيق للتأثير الحراري للفرن المستقبلي على البيئة المباشرة، وذلك باستخدام النمذجة العددية المتقدمة (CFD ) ومراجعة في الموقع للظروف الحالية. وقد تم إجراء التحليل على مرحلتين: مرحلة أولى مخصصة للتكوين الحالي للمنشأة، لتكون بمثابة معيار للمقارنة، ومرحلة ثانية مخصصة لتصميم المشروع، تتضمن محاكاة مفصلة للإشعاع ودوران الهواء.
صُممت الدراسة لمواجهة عدد من التحديات: ضمان القوة الميكانيكية للعوارض المعرضة للإشعاع، والحفاظ على الراحة الحرارية للمشغلين، وتوقع أي متطلبات تعديل من حيث التهوية الطبيعية أو الميكانيكية. في بيئة ذات قصور حراري عالٍ، يصبح تحسين سلوك تدفق الهواء والحماية السلبية رافعة استراتيجية للأداء والاستدامة.
دراسة حرارية وهوائية حول فرن السيليكا
التسخين الهيكلي بسبب الإشعاع الصادر من الصب
وقد أدى استبدال الفرن الذي يعمل بالزيت بفرن كهربائي عالي السعة إلى تكثيف العملية الحرارية، حيث لا تزال درجات حرارة الصهر قريبة من 1200 درجة مئوية ومضاعفة الإنتاجية. تتعلق المشكلة الرئيسية التي تم تحديدها بالإشعاع الحراري الناتج عن الزجاج المصهور، خاصةً عند مخرج فوهات الصب. ويؤثر هذا الإشعاع بشكل مباشر على الهياكل الحاملة للمبنى، وخاصةً العوارض الفولاذية فوق القوالب. ومع ذلك، فإن هذه العناصر مصممة لحدود درجات الحرارة التي يمكن تجاوزها محليًا، كما يتضح من المسوحات الحرارية التي أجريت أثناء المراجعة الأولية. الخطر ليس ميكانيكيًا فقط: فهو يتعلق أيضًا بمتانة المواد وقوة التثبيتات وموثوقية المعدات القريبة.
الصور الحرارية للأشعة حول الصب
دوران الهواء والركود الحراري في القاعة
وبالإضافة إلى مشاكل الإشعاع هذه، فإن تشغيل الفرن يولد دورانًا قويًا للهواء إلى أعلى، مرتبطًا بإطلاق حرارة شديدة في مبنى مفتوح إلى حد كبير على الخارج. ديناميكيات تدفقات الهواء معقدة: تتفاعل المسودات الحرارية الطبيعية وسرعة الرياح وشكل المبنى والمنصات المعلقة والعوائق الميكانيكية لإنتاج مناطق إعادة تدوير أو ركود الحرارة في قطاعات موضعية والتي غالبًا ما تكون حرجة للتشغيل. وهكذا كشفت عمليات المحاكاة عن وجود عروق من الهواء الساخن تمتد على طول جدران معينة، وتدفئة متبقية في مناطق الحفر أو مناطق التهوية، واختلافات كبيرة بين شمال وجنوب القاعة.
تلعبالأتمتة دوراً حاسماً في الكفاءة التشغيلية لمراكز البيانات فائقة النطاق. تقوم الأنظمة المؤتمتة بمراقبة وإدارة كل جانب من جوانب العمليات اليومية تقريباً، مما يقلل من
راحة المشغل والتحكم في بيئات العمل
وأخيراً، لهذه الظواهر تأثير مباشر على ظروف العمل في الأماكن المشغولة. يمكن أن يؤدي عدم وجود فتحات إلى الجنوب، أو إضافة القماش المشمع للحد من الغبار، أو تكوين الحفر إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعي في بعض المناطق الحساسة من المبنى: منصات الصب، أو مناطق الدوران، أو الميزانين أو غرف المصانع. في بعض الحالات، تم تحديد فروق في درجات الحرارة تتراوح بين +10 و+15 درجة مئوية مقارنة بدرجات الحرارة الخارجية. يمكن أن يؤدي هذا الوضع إلى إزعاج حراري للمشغلين، وحتى الضغط على المعدات، خاصةً في ظروف الصيف التي تم نمذجتها.
النهج المنهجي وعمليات المحاكاة العددية للتفاعل الحراري المغناطيسي التفاضلي
التدقيق الفني للموقع والمسوحات الميدانية
قبل إجراء أي عملية نمذجة، تم إجراء تدقيق هوائي وحراري في الموقع من قبل مهندسيEOLIOS.
مكنت هذه المرحلة الأولية من جمع بيانات دقيقة عن ظروف التشغيل الفعلية لقاعة الإنتاج.
أُجريت مسوحات بالكاميرات الحرارية لتحديد المناطق المعرضة لارتفاع درجات الحرارة، خاصةً حول العوارض الحاملة والصب والحفر.
بالإضافة إلى ذلك، أُجريت اختبارات الدخان لتصور تدفقات الهواء، مما يؤكد وجود عروق هواء ساخن متصاعد ومناطق ركود.
استُخدمت كل هذه المعلومات، بالإضافة إلى المسوحات الهندسية باستخدام عدادات الليزر، كأساس لبناء النموذج ثلاثي الأبعاد.
الصور الحرارية للحفرة الزجاجية
فيديو اختبارات الدخان
بناء نموذج واقعي وهادف للتفاعل الحراري المتردد (CFD)
تم تطوير نموذج التصميم الميكانيكي المتكامل من المخططات المقدمة والصور التي تم التقاطها أثناء التدقيق والمسح التفصيلي للموقع. كان الهدف هو التمثيل الدقيق للأحجام والهياكل والمعدات التي تؤثر على تدفق الهواء والتبادل الحراري. وعلى وجه الخصوص، يشتمل النموذج على المنصات والعوارض وحفر التبريد والفتحات إلى الخارج والستائر والتركيبات المستقبلية المخطط لها حول الفرن الكهربائي.
تضم الشبكة الرقمية الهجينة عدة عشرات الملايين من الخلايا، مع تنقيح محلي في المناطق الحرجة: حول الصب وتحت المنصات وفي قنوات الصهر. يضمن هذا المستوى من التفاصيل استنساخًا أمينًا للتدرجات الحرارية والهوائية، مع ضمان الاستقرار العددي للحساب.
نموذج ثلاثي الأبعاد للمصنع متكيف مع CFD
افتراضات النمذجة وشروط الحدود
تم وضع الشروط الحدودية على أساس بيانات التدقيق والقيم المقدمة من العميل. وتشمل مصادر الحرارة الرئيسية ما يلي:
- الزجاج المنصهر (مُصمم من 1200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية على طول القالب),
- جدران الفرن (حوالي 80 درجة مئوية),
- الحفر (من 250 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية حسب المنطقة),
- المعدات المتحركة (مثل الناقلات عند 70 درجة مئوية).
قال ChatGPT
تم تضمين التبادلات الحرارية مع الجدران وطبيعة المواد (الفولاذ والسيليكا والصوف الصخري) ودرجة الحرارة الخارجية البالغة 38 درجة مئوية في الحساب.
تم إجراء المحاكاة في ظل ظروف الحالة المستقرة، مما يسمح بقراءة مستقرة لتوزيعات درجة الحرارة وسرعة الهواء في جميع أنحاء المبنى.
تم اختبار تكوينات متعددة لمقارنة المتغيرات المختلفة:
- ما إذا كان هناكعازل تحت المنصات أم لا,
- دمج حواجز نصف القطر بأشكال مختلفة (شبه منحرف، مسطح، على شكل حرف U),
- ما إذا كنت تريد إضافة مراوح محلية أم لا,
- تعديلفتح الواجهات لتحسين دوران الهواء.
الأدوات ونموذج الاضطراب المستخدم
أُجريت جميع عمليات المحاكاة باستخدام مُحلل CFD صناعي يعتمد على معادلات نافيير-ستوكس مع نموذج الاضطراب القياسي k-ε، وهو نموذج مناسب بشكل خاص لبيئات التهوية الداخلية.
يتيح هذا النموذج إمكانية إعادة إنتاج ظواهر التقسيم الطبقي وإعادة الدورانوتسارع الكتل الهوائية في الأشكال الهندسية المعقدة مثل تلك الموجودة في الموقع المدروس.
تم إيلاء اهتمام خاص لتقارب العمليات الحسابية، مع عتبة دقة تبلغ 10 ⁴ على المتبقيات، مما يضمن موثوقية النتائج واستقرار النموذج.
الحلول المقترحة: الراحة الحرارية والسلامة والأداء الإنشائي
التأثير الحراري للفرن على الهياكل القائمة
قال ChatGPT
وقد كشفت عمليات المحاكاة التي أجريت حول الفرن الكهربائي الجديد عن ارتفاع ملحوظ في درجات الحرارة في المناطق القريبة من الصب.
يمكن أن تصل درجات الحرارة في بعض التكوينات إلى ما يزيد عن 300 درجة مئوية، خاصةً عندمالا يمكن للهواء المشع الساخن الذي يشع من الفرن أن يتسرب بحرية.
في حالة عدم وجود أجهزة وقائية، تتعرض العوارض الأكثر تعرضًا للإشعاع الحراري من الصب مباشرةً، حيث تتراوح القيم القصوى المقاسة بين 320 درجة مئوية و480 درجة مئوية حسب الحالات التي تمت محاكاتها.
تتجاوز درجات الحرارة هذه الحدود التصميمية لبعض الهياكل، مما يؤدي إلى مخاطر محتملة للتشوه أو فقدان القوة الميكانيكية أو التمدد المفرط.
تأثيرات العزل والحواجز الإشعاعية على درجات الحرارة
قارنت الدراسة عدة متغيرات تصميمية للحد من هذا التسخين. في الحالات التي يتم فيها وضع العزل تحت المنصة، تزداد درجات الحرارة تحت المنصة، بسبب انخفاض تبديد الحرارة. وعلى العكس من ذلك، فإن إضافة دروع إشعاعية من الألومنيوم مع تقوية العزل، الموضوعة بين الصب والعوارض، توفر حماية فعالة للهيكل.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن شكل الدرع الإشعاعي له تأثير مباشر علىاتجاه التدفقات الحرارية: حيث تقوم الإصدارات المقلوبة على شكل حرف U بتوجيه كتل الهواء الساخن نحو مناطق التبديد، بعيدًا عن محطات العمل. الحلول التي تتضمن العزل الحراري فوق الدروع الإشعاعية تقلل من الإشعاع الثانوي تجاه الهياكل وتحمي العناصر العلوية مثل الشبكات أو أذرع النقل بشكل فعال.
تقييم الراحة الحرارية في مناطق العمل
كشفت عمليات المحاكاة عن وجود طبقات حرارية كبيرة في جميع أنحاء القاعة، حيث تراوحت درجات الحرارة بين 38 درجة مئوية إلى 52 درجة مئوية بين الأرض والسقف. وتقع المناطق الأكثر تضررًا إلى الجنوب من الفرن، في القطاعات التي كانت سيئة التهوية في البداية، حيث لوحظ ركود الحرارة. في هذه المناطق، يمكن أن تصل الدلتا الحرارية في هذه المناطق إلى +12 درجة مئوية مقارنة بالخارج، مما يؤثر على الراحة وظروف العمل.
وقد أتاحت إضافة فتحة على الواجهة الجنوبية الشرقية، التي أوصت بها EOLIOS، إمكانية إدخال تدفق الهواء النقي في عمليات المحاكاة. يقلل هذا التعديل من درجات الحرارة في المنطقة الحرجة إلى حوالي 43 درجة مئوية، ويحسن دوران الهواء بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، أثبتت الستائر الحرارية الموضوعة حول مناطق الصب فعاليتها في حماية المشغلين من الإشعاع المباشر.
أداء الحل التقني النهائي المقترح
يتيح التكوين النهائي، الذي يشتمل على جميع الأجهزة التي أوصت بها EOLIOS (درع إشعاعي على شكل حرف U مع عازل وستائر حرارية ومراوح موضعية وفتحة في الواجهة)، خفض درجات حرارة الحزم إلى مستويات متوافقة مع استخدامها الحالي، مع ضمان أجواء مقبولة للعاملين.
تُظهر النتائج درجات حرارة الشعاع أقل من 100 درجة مئوية في معظم الحالات، مع بعض الذروات التي تتراوح بين 115-150 درجة مئوية في المناطق الأقرب إلى فوهات الصب. يكون الهواء المحيط في مناطق العمل قريبًا بشكل عام من درجة الحرارة الخارجية (38-40 درجة مئوية)، ويتم توجيه أعمدة الحرارة بشكل جيد إلى السقف، بعيدًا عن محطات العمل.
ويقلل هذا الحل المتوازن بشكل كبير من الضغوط الحرارية على الهياكل مع الحفاظ على مستوى جيد من الراحة الحرارية في بيئة المعالجة المباشرة.
خبرة EOLIOS ingénierie في حل المشاكل الديناميكية الهوائية الحرارية في الصناعة
توصيات مصممة خصيصاً لكل مشروع
خبرة EOLIOS في مجال الأداء الحراري والسلامة الصناعية
بفضل خبرتها في هندسة الهواء الحراري والهواء واستخدام أدوات المحاكاة الرقمية المتقدمة (CFD)، مكّنت EOLIOS مشغل موقع إنتاج السيليكا منتوقع التأثيرات الحرارية المرتبطة بتركيب فرن كهربائي جديد عالي الطاقةبدقة.
سلطت الدراسة الضوء على المناطق الحساسة لارتفاع درجة الحرارة وديناميكيات تدفق الهواء المعقدة داخل القاعة، مع تحديد العوامل الملموسة للتحسين لتعزيز السلامة الهيكلية وراحة المشغلين ومتانة المعدات.
من خلال اقتراح حل شامل يتضمن حواجز إشعاعية محسّنة وتهوية طبيعية وميكانيكية مناسبة وفتحات محسنة للواجهة، ساعدت EOLIOS على ضمان نجاح المشروع كجزء من عملية انتقال الطاقة الخاضعة للرقابة.
يوضح هذا المشروع قدرةEOLIOS على دعم المصنعين في مشاريعهم الأكثر تطلبًا، من خلال الجمع بين التحليل الميداني والنمذجة الرقمية عالية المستوى والهندسة التطبيقية لتحويل التعقيد الحراري إلى أداء مستدام وآمن.
اكتشف المزيد حول هذا الموضوع:
فيديو ملخص الدراسة
ملخص الدراسة
مكّنتنا الدراسة الديناميكية الهوائية الحرارية الحرارية التي أجرتها EOLIOS من توصيف دقيق لتأثيرات الفرن الكهربائي الجديد على بيئة الموقع، سواء من حيث الهياكل وراحة المشغل. وبفضل النمذجة التفصيلية لنموذج CFD والتدقيق الميداني المتعمق، فإن تم تحديد مناطق الحرارة الزائدة وركود الهواء والإشعاع المفرط. الحلول التقنية المقترحة – حواجز الإشعاع وتحسينات التهوية والحماية الحرارية – تضمن الآن سلامة الهياكل والتحكم في بيئات العمل ومتانة المنشآت. توضح هذه الدراسة قدرة نظام EOLIOS على دعم الشركات المصنعة في الانتقال نحو عمليات أكثر كفاءة واستدامة.
ملخص فيديو للمهمة