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.

benjamin.bizjan@abelium.eu

www.abelium.eu

+386 (0)1 542 3614