Modeling, simulation and optimization of ceramics production processes
Creators: name: Αρβανιτίδης, Αχιλλέας Λ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Μοντελοποίηση
Βελτιστοποίηση
Κεραμικά
Ρύθμιση
Modeling
Optimization
Ceramics
Control

description: Η διαδικασία παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα, και αποτελείται από διάφορα κρίσιμα στάδια, όπως η εξόρυξη πρώτων υλών, η ανάμιξη, η διαμόρφωση του σχήματος, η ξήρανση και η όπτηση. Κάθε ένα από αυτά τα στάδια απαιτεί αυστηρή διαχείριση της ενέργειας για να διασφαλιστεί η απόδοση της παραγωγής και η ποιότητα των προϊόντων. Η ξήρανση και η όπτηση, ειδικότερα, απαιτούν σημαντικές ποσότητες ενέργειας. Η διεργασία της ξήρανσης απαιτεί ένα ελεγχόμενο περιβάλλον για την απομάκρυνση της υγρασίας από τα νωπά υλικά, το οποίο συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση θερμαινόμενου αέρα, που συνήθως παράγεται μέσω της καύσης ορυκτών καυσίμων, όπως το φυσικό αέριο. Το στάδιο αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την αποφυγή ατελειών στη μικροδομή κατά την όπτηση, αλλά είναι επίσης ενεργοβόρο. Η όπτηση, το επόμενο σημαντικό στάδιο, περιλαμβάνει τη θέρμανση των αποξηραμένων υλικών σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να πραγματοποιηθεί η πυροσυσσωμάτωση, μια διεργασία που σκληραίνει και προσδίδει την απαραίτητη ανθεκτικότητα και αντοχή στα κεραμικά υλικά. Αυτό το στάδιο είναι ιδιαίτερα απαιτητικό σε ενέργεια, καθώς οι κλίβανοι πρέπει να διατηρούν σταθερά υψηλές θερμοκρασίες, που υπερβαίνουν τους 900°C, για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται συνήθως από την καύση φυσικού αερίου. Το στάδιο αυτό είναι υπεύθυνο για την πλειονότητα της κατανάλωσης θερμικής ενέργειας στην παραγωγή κεραμικών, επηρεάζοντας σημαντικά το συνολικό ενεργειακό αποτύπωμα της παραγωγικής διαδικασίας. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση της χρήσης ενέργειας κατά την ξήρανση και την όπτηση είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας της παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που βασίζονται σε ισοζύγια μάζας και ενέργειας για την αποτύπωση των φυσικών φαινομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας κατά τη διάρκεια της ξήρανσης και της όπτησης των κεραμικών υλικών. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μοντελοποίησης εστιάζουν επίσης σε φυσικές πτυχές των διεργασιών που μελετώνται και οι οποίες δεν έχουν λάβει αρκετή προσοχή στη βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται στη συρρίκνωση που συμβαίνει εξαιτίας της απομάκρυνσης της υγρασίας κατά το στάδιο της ξήρανσης και στην πυροσυσσωμάτωση στερεάς κατάστασης κατά τη διεργασία της όπτησης. Τα φαινόμενα αυτά είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της συμπεριφοράς των κεραμικών υλικών υπό θερμική επεξεργασία. Τα μοντέλα αποσκοπούν στην πιο ολοκληρωμένη κατανόηση αυτών των φαινομένων καθώς και στην ποσοτικοποίηση της συνολική απόδοσης των διεργασιών και της ποιότητας των τελικών προϊόντων. Με διεξαγωγή προσομοιώσεων της μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνονται υπόψιν οι αλλαγές που συμβαίνουν στη μικροδομή των υλικών, η παρούσα διατριβή επιδιώκει να βελτιώσει την ακρίβεια της πρόβλεψης των μοντέλων και να προσφέρει γνώσεις για τη βελτιστοποίηση αυτών των ενεργοβόρων σταδίων χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του προϊόντος. Η διατριβή αυτή όχι μόνο προάγει ένα θεωρητικό πλαίσιο, αλλά προτείνει και πρακτικές για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας των διεργασιών κατασκευής κεραμικών.
description: The manufacturing process of ceramic building materials is exceptionally energy-intensive, involving several critical stages such as raw material extraction, mixing, shaping, drying, and firing. Each of these stages requires strict energy management to ensure efficiency and quality. Drying and firing, in particular, demand substantial energy inputs. The drying process necessitates a controlled environment to remove moisture from the wet materials, which typically involves the use of heated air, often generated by burning fossil fuels such as natural gas. This step is crucial to prevent defects during firing but is also energy demanding. Firing, the next vital stage, involves heating the dried materials to extremely high temperatures to induce sintering, a process that hardens the materials and imparts the necessary durability and strength. This phase is especially energy-demanding, as kilns must maintain consistent high temperatures, exceeding 900°C, for extended periods. The energy required for this is typically sourced from the combustion of natural gas. This stage accounts for the majority of the thermal energy consumption in ceramic production, significantly impacting the overall energy footprint of the manufacturing process. Therefore, optimizing energy use in drying and firing is essential for improving the efficiency and sustainability of ceramic building material production. This thesis considers the development of numerical models based on first principle equations to capture the physical heat and mass transfer phenomena during the drying and firing processes of ceramic materials. The proposed modeling methodologies also elaborate on physical aspects of the studied processes that have not received enough attention in the open literature. Specifically, the thesis focuses on the shrinkage occurring ought to moisture migration during the drying stage and the solid-state sintering during the firing process. These phenomena are crucial for understanding the behavior of ceramic materials under thermal treatment. The models aim to provide a more comprehensive understanding of these processes while quantifying the overall process performance and the final product quality. By conducting simulations of heat and mass transfer while considering the structural changes that occur within the material, the research seeks to improve predictive accuracy and provide insights into optimizing these energy-intensive stages without compromising product quality. This work not only advances the theoretical framework but also has practical implications for enhancing the efficiency and sustainability of ceramic manufacturing processes.