Melting behavior of continuously charged loose batch blankets in glass melting furnaces

Abstract

The paper reports on numerical methodology for predicting the melting of a two-dimensional, axially fed glass batch blanket. In the absence of rheological data for commercial glass batch mixtures, it is assumed that each grain within batch acquires a horizontal velocity, which is constant and equal to that of charging speed throughout the transformation process. The vertical motion of batch is obtained from Newton's first law of motion by ignoring all the internal shear stresses in the vertical direction. During the transformation, the chemical reactions are simulated using modified form of Arrhenius equation. The gas percolation within the blanket is considered and the flow is predicted using Darcy's law, and heat exchange between gas and solid phase is accounted for. The formation of molten glass layer on the top of the blanket is modeled by appropriate transport equations, and the penetration of radiation from the combustion space incident on this semitransparent layer is approximated by spectral, two-flux equations. The system of equations is solved using the marching method of Patankar and Spalding [16]. The model is utilized to generate some sample results under idealized conditions. Accordingly, the heat flux at the top surface is assumed to be due to an effective gas-crown temperature. At the bottom surface, the heat flux from the melt was simulated by imposing a constant heat flux over the entire batch. A baseline condition is set for each parameter and parametric calculations were performed for a range of physically plausible conditions to determine the effects of the bottom heat transfer rate and preheating on the batch melting characteristics.

L'article presente une methode numerique de prevision de la fusion d'un tapis de composition, bidimensionel, obtenu par alimentation axiale. En l'absence de donnees rheologiques sur les compositions de verres commerciaux, on suppose que chaque grain à l'interieur de la composition acquiert une vitesse horizontale qui est constante et egale à celle de la vitesse de chargement pendant tout le processus de transformation. Le deplacement vertical de la composition est obtenu en utilisant la premiere loi du mouvement de Newton en ne tenant pas compte de toutes les contraintes de cisaillement internes dans la direction verticale. Pendant la transformation, les reactions chimiques sont simulees en utilisant la forme modifiee de l'equation d'Arrhenius. On considere la percolation de gaz à l'interieur du tapis de composition et on calcule l'ecoulement en utilisant la loi de Darcy, en tenant compte des echanges de chaleur entre les gaz et la phase solide. La formation d'une couche de verre fondu à la partie superieure du tapis est simulee par des equations de transport appropriees et la penetration du rayonnement provenant de la zone de combustion, incident à cette couche semitransparente, est determinee par approximation en utilisant les equations spectrales à double flux. Le systeme d'equations est resolu en utilisant la methode de cheminement de Patankar et Spalding [16]. Le modele est utilise pour generer des resultats echantillons dans des conditions ideales. En consequence, on suppose que le flux de chaleur à la face superieure est du à une temperature efficace de la voute gazeuse. Α la face inferieure, le flux de chaleur provenant de la fonte a ete simule en imposant un flux de chaleur constant sur toute la composition. Une condition de base est definie pour chaque parametre et les calculs des parametres sont effectues pour un certain nombre de condiüons physiquement possibles en vue de determiner l'influence de la vitesse de transfert de chaleur à la partie inferieure et du prechauffage sur les caracteristiques de fusion de la composition.

Die Arbeit berichtet über eine numerische Methode zur Voraussage des Einschmelzens einer zweidimensionalen, axial eingelegten Glasgemengedecke. Da rheologische Daten für handelsübliche Glasgemengemischungen nicht vorliegen, wird angenommen, daß jedes Gemengekorn eine horizontale Geschwindigkeit erreicht, die konstant und gleich der Einlegegeschwindigkeit während des Schmelzprozesses ist. Die vertikale Bewegung der Schmelze wird mit dem Newtonschen Grundgesetz der Dynamik berechnet, wobei alle inneren Scherspannungen in vertikaler Richtung unbeachtet bleiben. Die chemischen Reaktionen, die während der Phasenumwandlung ablaufen, werden unter Anwendung einer modifizierten Form der Arrhenius-Gleichung simuliert. Die Gasperkolation in der Gemengedecke wird berücksichtigt, der Strom mit Hilfe des Darcy-Gesetzes vorausgesagt und der Wärmeaustausch zwischen Gas- und fester Phase in die Berechnung einbezogen. Die Bildung einer geschmolzenen Glasschicht auf der Gemengedecke wird durch geeignete Transportgleichungen dargesteht, und das Eindringen von Strahlung, die vom Ofenraum auf diese halbdurchlässige Schicht auftrifft, ist angenähert dargestellt durch spektrale Zweistromgleichungen. Das Gleichungssystem wird gelöst mit der "marching method" von Patankar und Spalding [16]. Das Modell wird verwendet, um einige beispielhafte Ergebnisse unter idealisierten Bedingungen zu erhalten. So wird angenommen, daß der Wärmestrom an der oberen Oberfläche auf eine effektive Gewölbetemperatur zurückzuführen ist. An der unteren Oberfläche wurde der Wärmestrom der Schmelze simuliert durch Einführung eines konstanten Wärmestroms in das gesamte Gemenge. Ein Ausgangszustand wird für jeden Parameter festgelegt, und parametrische Berechnungen werden für einen Bereich physikalisch plausibler Bedingungen durchgeführt, um die Auswirkungen der Bodenwärmeübertragungsrate und des Vorwärmens auf die Gemengeschmelzcharakteristika zu bestimmen.