Importance of the Lorentz force in electrically heated glass melts

Abstract

In all computations of the flow velocities and temperature distributions in electric glass melts the electromagnetic Lorentz force has been neglected. This force is caused by the interaction between electric current density and the magnetic flux density in the region around electrodes. For some examples of real glass melting furnaces the necessity of including the Lorentz force into flow modelling was demonstrated. Some problems, e.g. the thermal stability of the batch layer in furnaces with top electrodes and the residence-time distribution of tanks with horizontal electrodes, cannot be explained and interpreted realistically if this second driving force besides the buoyancy is neglected. Moreover, the method of physical modelling of the electrically heated glass melts remains doubtful as long as the similarity criteria also for the Lorentz force cannot be fulfilled. In allen bisherigen mathematischen Berechnungen der Strömungsgeschwindigkeits- und Temperaturverteilungen in Elektroglasschmelzen wurde die elektromagnetische Lorentz-Kraft vernachlässigt. Diese Kraft wird durch die Wechselwirkung zwischen elektrischer Stromdichte und magnetischer Flußdichte im Bereich um die Elektroden verursacht. Für einige reale Schmelzwannen wurde die Notwendigkeit aufgezeigt, diese Kraft in die Strömungsberechnung einzubeziehen. Einige Probleme, wie z. B. die thermische Stabilität der Gemengeschicht in Öfen mit Topelektroden oder die Verweilzeitverteilungen von Wannen mit Horizontalelektroden, können nicht zufriedenstellend erklärt bzw. interpretiert werden, wenn man diese neben dem Auftrieb zweite treibende Kraft vernachlässigt. Außerdem bleibt die Methode der physikalischen Modellierung von Elektroglasschmelzen solange unvollkommen, wie es nicht gelingt, die Ähnlichkeitskriterien auch für die Lorentz-Kraft zu erfüllen.