Projekti / Programi
Izboljšanje procesa razvlaknjenja mineralne volne
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.05 |
Tehnika |
Mehanika |
Mehanika fluidov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
mineralna volna, izboljšanje kvalitete izdelkov, vizualizacija toka, računsko intenzivne metode
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35646 |
dr. Benjamin Bizjan |
Mehanika |
Vodja |
2017 - 2019 |
0 |
Organizacije (1)
Povzetek
Mineralna volna je vlaknast material, ki se zaradi ugodnih lastnosti pogosto uporablja za toplotno in zvočno izolacijo zgradb. Le-ta prispeva k zmanjšanju porabe energije za ogrevanje in hlajenje ter zvočnega onesnaženja in je tako eden od temeljev trajnostne graditve. Glavni podvrsti mineralne volne sta steklena in kamena volna, proizvodni proces obeh pa je izrazito kompleksen in energetsko intenziven. Kljub dolgoletni tradiciji proizvodnje še vedno ostajajo nezadostno razrešeni tehnološki problemi, kot so prisotnost nerazvlaknjenega materiala v mineralni volni, abrazija koles, neenakomerna porazdelitev kapljičastega veziva ter nezmožnost učinkovitega in avtomatiziranega monitoringa procesa v realnem času, kar so glavne ovire za znižanje lastne cene in povečanje kvalitete končnih izdelkov. Ključno za reševanje teh izzivov je dobro poznavanje mehanizma razvlaknjenja taline na centrifugah ter faze pnevmatskega transporta vlaken od centrifuge do rešetke zbiralne komore, kjer se oblikuje primarna plast.
Pregled znanstvenih objav s tega področja razkriva, da so omenjeni proizvodni sklopi nezadostno raziskani, saj prevladujejo empirični in integralni modeli, ki premalo natančno popišejo relevantne fizikalne pojave. Problem je tudi v nedostopnosti industrijskih raziskav. V okviru predlaganega projekta želimo doseči boljše razumevanje pojavov, povezanih s proizvodnjo mineralnih vlaken, s ciljem znižanja lastne cene izdelkov iz mineralne volne za 5-10% ter njihove gostote in toplotne prevodnosti za vsaj 5% (posledično izboljšanje kvalitete). Pri tem bomo uporabili najsodobnejšo tehnologijo za vizualizacijo tokov, ki v zadnjih letih doživlja izjemen razvoj – hitre kamere in računsko intenzivni algoritmi za analizo toka. Na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani smo na tem področju že v zadnjih 5 letih močno povečali obseg raziskav, saj smo v svetovnem merilu objavili več kot polovico vseh znanstvenih člankov in konferenčnih prispevkov, povezanih s tehnologijo mineralne volne. Rdeča nit predlaganega projekta bo sledila prej omenjenim odprtim vprašanjem in v zadnjem delu tudi prenosu rezultatov v industrijsko okolje. Projekt bomo obravnavali v 5 delovnih sklopih (DS):
DS1: Zasnova in izdelava modelne merilne postaje za proizvodnjo vlaken, ki bo pomanjšana reprodukcija industrijskih proizvodnih linij in bo zato omogočala lažjo in cenejšo izvedbo eksperimentov.
DS2: Modeliranje nastanka mineralnih vlaken iz taline. Pojav bomo vizualizirali s hitrimi kamerami in iz posnetkov s pomočjo lastnih računsko intenzivnih algoritmov analizirali hitrostne (program ADMflow) in temperaturne (patentirana metoda) razmere v toku.
DS3: Modeliranje pnevmatskega transporta vlaken v toku odpiha in omočenja z vezivom. Preko vizualizacije s hitrimi in IR kamerami ter analize hitrostnih in temperaturnih polj večfaznega toka bomo obravnavali problem neenakomerne prostorske porazdelitve vlaknastih struktur in kapljic veziva ter oblikovati naprednejše modele za transport vlaken.
DS4: Modeliranje nastanka primarne plasti mineralne volne na rešetki zbiralne komore. Določili bomo vpliv tokov odpiha in odsesa na hitrostne razmere ob zbiralni rešetki ter posledično na strukturo primarne plasti vlaken. Za karakterizacijo lastnosti plasti bomo razvili metodo za vrednotenje anizotropnih vlaknastih struktur.
DS5: Pilotno testiranje rezultatov v industriji. Učinke dognanj iz DS2-DS4 na izboljšanje učinkovitosti proizvodne verige (znižanje lastne cene izdelkov, dvig kvalitete) bomo verificirali pri končnih uporabnikih. Kot obetavno tržišče za prenos znanja v prakso se kaže Kitajska, kjer smo že navezali stike z enim od velikih proizvajalcev kamene volne.
Z določitvijo natančnih mehanizmov v projektu preučevanih pojavov bo mogoče prek učinkovitejšega nadzora in krmiljenja procesa izboljšati konkurenčnost proizvajalcev mineralne volne. Obenem bodo naše raziskave privedle do nadaljnjega razvoja robustnih in cenovno ugodnih računalniško podprtih metod za vizualizacij
Pomen za razvoj znanosti
Znano je, da tehnologijo proizvodnje mineralne (kamene in steklene) volne obvladuje nekaj velikih multinacionalnih podjetij (v Evropi: Rockwool, Paroc in URSA), ki ostalim proizvajalcem prodajajo celovita tehnološka postrojenja, glede samega znanja pa so zelo zaprta. Naročniki (ostala podjetja za proizvodnjo mineralne volne) njihovo tehnologijo poznajo relativno slabo in je ne morejo optimalno prilagoditi svojim potrebam, zato so močno zainteresirani za pridobivanje znanj, ki bi omogočila optimizacijo procesov. Odprte raziskave so zato nujno potrebne za nadaljnji razvoj te panoge industrije in znanosti, saj bodo povečale konkurenčnost med proizvajalci mineralne volne in jih motivirale k tehnološkim inovacijam.
Kot odgovor na to problematiko se je v Sloveniji v zadnjih 5 letih na področju tehnologije mineralne volne močno povečal obseg raziskav, saj smo na Fakulteti za strojništvo UL v svetovnem merilu objavili več kot polovico vseh znanstvenih člankov in konferenčnih prispevkov s tega področja. Naše raziskovalno delo zato pomembno prispeva k razvoju te panoge znanosti. Poleg tega naše raziskovalno področje spada v okvir razvoja izboljšanih materialov kot končnih izdelkov, kar je ena od pomembnih točk razvojne politike Slovenije.
Poleg razvoja proizvodnih tehnologij mineralne volne bo zaradi interdisciplinarnosti naš projekt pripomogel tudi k razvoju računsko intenzivnih metod za vizualizacijo snovnih tokov. Možnost merjenja hitrosti in temperature z uporabo običajnih digitalnih kamer namesto dražjih PIV in IR kamer bo lahko v številnih aplikacijah v raziskovalnem in industrijskem okolju znatno poenostavila in pocenila procesne meritve.
Pomen za razvoj Slovenije
Naše raziskovalno delo bo imelo neposreden vpliv na podjetje Abelium in njegove naročnike, saj bom rezultate svojega dela uporabil za reševanje realnih problemov v industriji. Potencialni naročniki so predvsem velika multinacionalna podjetja (Knauf Insulation, Rockwool, Paroc Group, Saint-Gobain, URSA), ki s 75 proizvodnimi obrati obvladujejo okrog 90% evropskega trga, 2 večja obrata pa sta tudi v Sloveniji (Knauf Insulation – Škofja Loka, URSA – Novo mesto). Med potencialnimi naročniki izven Evrope so posebej pomembni proizvajalci mineralne volne na Kitajskem (največja proizvajalka na svetu), kjer je okrog 100 velikih tovarn za proizvodnjo mineralne volne, ki pa še niso na tako visokem tehničnem nivoju kot evropske. Preko Univerze petrokemične tehnologije v Guandongu smo že navezali stike z velikim kitajskim proizvajalcem kamene volne Bosheng Rockwool Company, načrtujemo pa širitev sodelovanja tudi na ostale proizvajalce v regiji. Pozitiven vpliv rezultatov podoktorskega projekta lahko pričakujejo tudi manjša slovenska podjetja, ki razvijajo in tržijo industrijsko opremo, povezano s to panogo (npr. Izoteh, BKL).
Znano je, da se podjetja v tej industrijski panogi zaradi premajhnega obsega in zaprtosti znanstvenih raziskav še vedno spopadajo z nerešenimi tehnološkimi problemi v fazi nastajanja vlaken in primarne plasti mineralne volne, kar predstavlja glavni omejujoč dejavnik pri nadaljnjem tehnološkem razvoju. Poleg osnovnega področja uporabe za toplotno in zvočno izolacijo si proizvajalci vse bolj prizadevajo mineralno volno uporabljati na inovativne načine, ki prinašajo višjo dodano vrednost (npr. substrati za gojenje rastlin s tehnologijo hidroponike). Proizvodnja takih izdelkov pa prinaša s seboj še veliko strožje zahteve po kakovostnem in dobro nadzorovanem proizvodnem procesu, ki ga je ob sedanjem stanju tehnologije težko zagotavljati. Industrijski partnerji, ki se bodo odločili za sodelovanje z nami, lahko zato pričakujejo pozitiven vpliv na svojo konkurenčnost, saj se bo z realizacijo ciljev projekta znižala lastna cena in povečala kvaliteta izdelkov iz mineralne volne.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
