Modelling of combustion and heat transfer in glass furnaces

Abstract

A mathematical model for the three-dimensional turbulent flow, combustion and radiative heat transfer for a glass furnace is described. Submodels for turbulence (k - ε), combustion and zone models for radiation are presented. Results for a high-temperature gas-fired glass furnace combustion chamber are given. Temperature, velocity and fuel/air mixing profiles are obtained. Heat-flux distributions to the glass melt are discussed. Also simple radiation models like the well-stirred and plug-flow zone models are used, results are compared with the complete radiation model. With the well-stirred model the effect of increasing gas emissivity could be quantified. Spectral effects in gas radiation are shown to be important. Including this in the well-stirred zone model showed that increasing roof emissivity can improve the energy efficiency of a high-temperature gas-fired glass furnace. Es wird ein mathematisches Modell für die dreidimensionale turbulente Strömung, die Verbrennung und den Wärmeübergang durch Strahlung in einem Glasschmelzofen beschrieben. Teilmodelle für die Turbulenz (k - ε) sowie Verbrennungs- und Zonenmodelle für die Strahlung werden vorgestellt. Für eine mit hoher Temperatur beaufschlagte gasbeheizte Brennkammer eines Glasschmelzofens werden die Temperatur-, Geschwindigkeits- und Brennstoff Luft-Gemischprofile beschrieben. Es werden auch einfache Strahlungsmodelle, wie solche für vollständige Durchmischung und Kolbenströmung, angewendet und die Ergebnisse mit den im Gesamtmodell erhaltenen verglichen. Mit dem Modell vollständiger Durchmischung konnte der Einfluß der zunehmenden Gasemission quantitativ bestimmt werden. Ferner wurde gezeigt, daß spektrale Effekte bei der Gasstrahlung eine bedeutsame Rolle spielen und daß dies - auf das Modell vollständiger Durchmischung angewendet — bei ansteigendem Emissionsvermögen der Decke den thermischen Wirkungsgrad eines gasbeheizten Hochtemperatur-Glasschmelzofens verbessern kann.