inovacije v proizvodnji mineralne volne -...
TRANSCRIPT
Inovacije v proizvodnji mineralne volne
As. dr. Benjamin Bizjan
Razvijalec/raziskovalec
Abelium d.o.o.
• Mineralna volna – eden najbolj razširjenih izolacijskih materialov
(kamena, steklena, keramična volna…)
• Ugodne lastnosti: dobra toplotna in zvočna izolativnost, ognje- in
vodoodpornost, mehanska trdnost, enostavna reciklaža
• Prispevek k energetski učinkovitosti, požarni varnosti in bivanjski
kvaliteti zgradb
Uvod
• Za proizvodni proces značilna relativno nizka dodana vrednost, a
velike proizvodne količine (> 10t/h za posamezni obrat)
• Proces je zelo kompleksen in ga razdelimo na več faz:
Predstavitev problema
-priprava taline v peči
-razvlaknjenje taline na
centrifugi
-oblikovanje plasti vlaken
(primarna, sekundarna)
-zlepljanje vlaken s
polimerizacijo veziva
-razrez in pakiranje
končnih izdelkov
kamena
volna
Predstavitev problema
steklena
volna
• Razlika med proizvodnim postopkom kamene in steklene volne
predvsem pri pripravi taline in principu razvlaknjenja na centrifugi
1 talilna peč
2 stabilizacijski kanal
3 lijak
4 perforirano kolo centrifuge
5 šobe za dodajanje veziva
6 šobe odpiha
7 zbiralna komora
8 sesalni ventilatorji
9 primarna plast
10 polimerizacijska komora
11 ohlajevalna cona
12 rentgenski merilnik gostote
13 razrez in pakiranje
• Pri doktorskem študiju sem se osredotočil na pojav nastanka
mineralnih vlaken iz taline
• Pojav je dobro poznan le na makroskopski ravni (statistika lastnosti
vlaken v odvisnosti od obratovalnih parametrov centrifuge)
• Za nadaljnje izboljšave procesa nujno potrebno opazovanje in
modeliranje na mikroskopski ravni (zahtevno)
Predstavitev problema
• Cilji raziskovalnega dela:
• Izboljšanje lastnosti vlaken in s tem končnega izdelka
• Zmanjšanje porabe energije in formaldehidnega veziva (strošek,
okoljski vplivi)
• Zmanjšanje obrabe koles centrifuge (večja zanesljivost
obratovanja)
• Avtomatizacija nadzora in krmiljenja procesa
Predstavitev problema
1. Eksperimentalno modeliranje v laboratorijskem okolju
• Študija začetne faze tvorbe vlaken
Raziskovalni pristop
Vizualizacija modelnega procesa
s hitro kamero
• Rezultati:
• Identifikacija značilnih obratovalnih režimov razvlaknjenja
• Multiregresijski modeli za lastnosti vlaken (premer, dolžina…)
• Karakterizacija neželenih pojavov (tvorba nerazvlaknjenega
materiala v obliki kapljic, hitrostni zdrs filma taline)
Raziskovalni pristop
• V laboratorijskem okolju smo preučevali tudi pojav strjevanja vlaken
in tvorbe primarne plasti mineralne volne
• Po kompleksnosti se približujemo realnemu industrijskemu procesu
Raziskovalni pristop
porazdelitev
primarne
plasti
2. Eksperimentalno modeliranje v industrijskem okolju
• Vizualizacija procesa s hitro kamero
• Izbira merilnih metod za preučevanje procesa zelo omejena zaradi
neugodnih pogojev (visoke temperature in hitrosti snovi, prisotnost
vseh treh agregatnih stanj)
Raziskovalni pristop
• Pri analizi poudarek na hitrostnih razmerah, za izračun smo
uporabili lasten programski paket ADMflow
• Program nastal v sodelovanju med Fakulteto za strojništvo UL in
podjetjem Abelium d.o.o., v razvoj sem vključen tudi sam
• Aplikacije programa na različnih področjih znanosti in industrije
Raziskovalni pristop
• Študija na industrijski centrifugi: dobljene časovne vrste hitrosti in
optične intenzitete obdelane z linearnimi in nelinearnimi metodami
Raziskovalni pristop
• Ugotovitve:
• Znaten hitrostni zdrs taline po kolesu
• Mehanizem razvlaknjenja je delno pogojen z znanimi oblikami
hidrodinamskih nestabilnosti (Rayleigh-Taylor)
• Prijavljen mednarodni patent za sistem in metodo optičnega
monitoringa procesa (Izoteh d.o.o.)
Raziskovalni pristop
• Poleg hitrostnih razmer je pomemben parameter temperatura taline
(vpliv na lastnosti vlaken)
• Uveljavljene metode (infrardeče kamere, pirometri): premajhna
prostorska in časovna resolucija, visoka cena IR kamer
Raziskovalni pristop
• Zato smo razvili metodo za merjenje temperaturnih polj z običajno
digitalno kamero (delujočo v področju vidne svetlobe)
• Deluje nad 600 °C in v merilnem razponu do 300°C od
temperature kalibracije, dobra natančnost
• Metodo smo patentirali v Republiki Sloveniji, zanimiva tudi za druge
industrijske panoge z visokotemperaturnimi procesi (npr. jeklarstvo)
Raziskovalni pristop
• Uporabnost vizualizacijskih metod se s tem ne konča
• Možnost merjenja debeline primarne plasti mineralne volne s
kamero že na mreži zbiralne komore
• Možnost karakterizacije kvalitete mineralne volne z analizo tekstur
(npr. WTA metoda)
Raziskovalni pristop
3. Numerično modeliranje s CFD programi (HPC FS)
• Prednosti:
• Mnogo hitrejše in cenejše kot eksperimentalno v industriji
• Izračun veličin, ki jih na procesu ni mogoče izmeriti
• Slabosti:
• Kompleksnost problema
→ dolgi računski časi, težave s konvergenco
• Skromen obseg dosedanjih simulacij, pretirane poenostavitve
• Pristop: gremo od enostavnih h kompleksnejšim modelom
Raziskovalni pristop
• Numerični model v odprtokodnem programu Gerris pri enakih robnih
pogojih kot prvi laboratorijski eksperiment
• Dobro ujemanje med rezultati eksperimenta in simulacije
• Numerični model bo osnova za modeliranje industrijskega procesa
Raziskovalni pristop
tlačno polje v ligamentu konture ligamentov
• Modeliranje manj zahtevnih sklopov na industrijskem proizvodnem
procesu (npr. aerodinamika zračnih tokov na centrifugi) že v teku
Raziskovalni pristop
optimizacija toka za odpih vlaken
Članki:
• BIZJAN, B., ŠIROK, B., HOČEVAR, M., ORBANIĆ, A. Ligament-type liquid disintegration by a
spinning wheel. Chemical Engineering Science, 2014, 116, 172-182.
• BIZJAN, B., ŠIROK, B., HOČEVAR, M., ORBANIĆ, A. Liquid ligament formation dynamics on a
spinning wheel. Chemical Engineering Science, 2014, 119, 187-198.
• BIZJAN, B., ŠIROK, B., GOVEKAR, E. Nonlinear analysis of mineral wool fiberization process.
Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, ISSN 1555-1415, 2014, št. članka CND-13-
1226.
• BAJCAR, T., ŠIROK, B., BIZJAN, B., ORBANIĆ, A. Mineral wool melt fiberization on a spinner
wheel. Chemical engineering research and design, 2014, 92(1), 80-90.
• KRAŠEVEC, B., ŠIROK, B., HOČEVAR, M., BIZJAN, B. Multiple regression model of glass wool
fibre thickness on a spinning machine. European journal of glass science and technology. Part A,
Glass technology, ISSN 1753-3546. [Print ed.], 2014, 55(4), 119-125
• BIZJAN, B., ORBANIĆ, A., ŠIROK, B., KOVAČ, B., BAJCAR, T., KAVKLER, I. A computer-aided
visualization method for flow analysis. Flow measurement and instrumentation, 2014, 38, 1-8.
• BIZJAN, B., ORBANIĆ, A, ŠIROK, B., BAJCAR, T., NOVAK, L., KOVAČ, B. Flow Image Velocimetry
Method Based on Advection-Diffusion Equation. Strojniški vestnik – Journal of Mechanical
Engineering, 2014, 60(7-8), 483-494.
Naše objave
Prispevki na konferencah:
• BIZJAN, B., ŠIROK, B. ORBANIĆ, A., BAJCAR, T. Flow Image Velocimetry Method Based on
Advection-Diffusion Equation. V: 18. ERCOFTAC ADA PC Meeting, Budimpešta, 15. november
2013.
• BIZJAN, B., ŠIROK, B. Experimental investigation and modeling of mineral wool melt adhesion on a
spinner wheel. V: B. ŠARLER (ed.), N. MASSAROTTI (ed.), P. NITHIARASU (ed.). Proceedings of
the 3. International Conference on Computational Methods for Thermal Problems, Bled, 2.-4. junij,
2014, str. 321-324.
Patenti in patentne prijave:
• ŠIROK, Brane, PLATIŠA, Anton, DOLENC, Sašo, BIZJAN, Benjamin, PETERNELJ, Marko. Method
and device for carrying out the method for producing of mineral wool : PCT/SI2014/000054,
25.09.2014. Ljubljana: Slovenian Intellectual Property Office, 2014. 16 f., 3 f. pril., ilustr.
• BIZJAN, Benjamin, PETERNELJ, Marko, ORBANIĆ, Alen, ŠIROK, Brane, BAJCAR, Tom. Apparatus
and method for monitoring melt fiberization : WO2015041610 (A1), 2015-03-26. [Geneva]: World
Intellectual Property Organization, 2015. 13 f., 2 f. pril., ilustr.
• BIZJAN, Benjamin, ŠIROK, Brane. Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s
kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra : SI 24410 A, 31.12.2014. Ljubljana: Urad RS
za intelektualno lastnino, 2014. 7 f., 2 f. pril., ilustr.
Naše objave
• Še nedavno znanstveno zapostavljen proces proizvodnje mineralne volne v
zadnjem času predmet intenzivnih raziskav
• Na procesu razvlaknjenja največji potencial za zmanjšanje proizvodnih
stroškov in izboljšanje kvalitete mineralne volne
• Za nadaljnji napredek in ohranitev konkurenčnosti nujno dobro razumevanje in
modeliranje pojavov na mikro skali
• Za raziskave in nadzor industrijskega procesa so najprimernejše računalniško
podprte vizualizacijske metode
• Naše raziskovalno delo primer dobre prakse povezave znanosti z industrijo in
interdisciplinarnosti:
• programski paket ADMflow v sodelovanju FS UL in Abelium d.o.o.
• patenti v sodelovanju FS UL in Izoteh d.o.o.
• metode za merjenje temperaturnih polj, sodelovanje FS in FE UL
• vključevanje študentov in raziskovalcev iz industrije (npr. Ursa d.o.o.)
Zaključki
Hvala za pozornost
As. dr. Benjamin Bizjan
Abelium d.o.o.
www.abelium.eu
+386 (0)1 542 3614