Strahlungsaustausch in Glasschmelzöfen

Abstract

The availability in Europe of natural gas at a price competitive with heavy fuel oil has caused many previously oil fired furnaces to be converted to gas firing. Many fundamental problems in heat transfer still need to be investigated. These include : 1.Whether a highly luminous flame is necessary for maximum heat transfer. 2.The relative spectral emissivities of natural gas and oil flames. 3.How to achieve best heat transfer to the bath with lumi-nous oil flame, luminous natural gas flame and non-luminous natural gas flame. This paper discusses some of these problems and, in particular, considers calculation of soot emission and absorption by the MIE theory ; experimental results of a series of experiments on "Mathematical Model M-2"; and use of the zone method for calculating radiation heat transfer. From these data the accepted ideas about luminous flames are analyzed and a simple general mathematical model for radiant transfer in glass tanks developed. This model allows calculation of radiant transfer to the glass with flames having different characteristics. Conclusions are drawn which allow the model to be used to calculate the radiant heat transfer for non-luminous flames in furnaces of different designs. Le fait que l'on dispose en Europe de gaz naturel à un prix pratiquement équivalent à celui du fuel lourd entraine fréquemment la décision de convertir au gaz des fours de fusion de verre chauffés jusqu'ici au mazout. Il convient donc d'étudier les problèmes fondamentaux suivants relatifs au transfert de chaleur : 1.Une flamme éclairante est-elle nécessaire pour optimiser l'échange de chaleur en direction du bain ? 2.Une flamme éclairante de gaz naturel possède-t-eile de meilleures caractéristiques spectrales d'émission qu'une flamme de mazout ? 3.Quelles modifications subissent les échanges thermiques avec le bain lorsqu'on utilise différents types de chauffage tels que : flamme éclairante de mazout, flamme éclairante de gaz naturel, flamme de gaz naturel non éclairante ? Le präsent travail étudie ces problèmes de conversion en tirant parti des résultats les plus récents des recherches menées à la Fondation de Recherches Internationales sur les Flammes d'Ijmuiden. Ces résultats concernent : le calcul préalable des caractéristiques d'émission et d'absorption des suies basé sur la théorie de MIE ; les données expérimentales d'une série d'essais récents utilisant les modèles mathéma-tiques M-2 ; l'utilisation de la méthode par zones pour le calcul de l'échange de chaleur par rayonnement. En partant de ces considérations, on analyse les «mythes » qui ont cours sur les flammes éclairantes et l'on élabore un modèle de calcul général simple de l'échange par rayonnement dans les fours de fusion de verre. Ce modèle général permet le calcul préalable de la transmission de chaleur au verre par rayonnement pour différentes caractéristiques des flammes. Pour les flammes non éclairantes, on tire un certain nombre de conclusions et l'on indique comment le modèle général peut être utilisé pour calculer les échanges par rayonnement qui interviennent dans des fours de verrerie de construction différente. In Europa müssen durch die Verfügbarkeit von Erdgas zu einem ungefähr gleichen Preis wie schweres Heizöl hinsichtlich der Umstellung von bisher ölgefeuerten Glasschmelzöfen auf Gasfeuerungen Entscheidungen getroffen werden. Demzufolge sind mehrere grundsätzliche Probleme der Wärmeübertragung zu untersuchen:

Ist eine leuchtende Flamme nötig, um den Wärmeaustausch an das Glasbad optimal zu gestalten? Wird eine leuchtende Erdgasflamme eine bessere spektrale Emissionscharakteristik haben als eine Ölflamme? Welche Veränderungen sind für den Wärmeaustausch mit dem Glasbad zu erwarten, wenn folgende unterschiedliche Feuerungen verwendet werden: leuchtende Ölflamme, leuchtende Erdgasflamme, nichtleuchtende Erdgasflamme. Die vorliegende Arbeit geht auf diese Umstellungsprobleme ein. Dabei werden im folgenden jüngste Forschungsergebnisse der Internationalen Flammenforschungsgemeinschaft in Ijmuiden verwendet: Vorausberechnung von Emissions/Absorptionscharakteristiken von Ruß unter Verwendung der Mieschen Theorie; experimentelle Ergebnisse der vor kurzem durchgeführten Versuchsreihe „Mathematische Modelle M-2"; Verwendung der Zonenmethode für die Berechnung des Strahlungswärmeaustausches. Ausgehend von diesen Betrachtungen werden die „Mythen" über leuchtende Flammen analysiert und ein allgemeines einfaches Rechenmodell für Strahlungsaustausch in Glasschmelzöfen entwickelt. Dieses allgemeine Modell erlaubt es, die Wärmeübertragung durch Strahlung an das Glas bei verschiedenen Flammencharakteristiken vorauszuberechnen. Für nichtleuchtende Gasflammen werden Folgerungen gezogen und Anleitungen gegeben, mit denen das allgemeine Modell benützt werden kann, um Berechnungen des Strahlungsaustausches für Glasschmelzöfen verschiedener Konstruktionen durchzuführen.