Untersuchung der Strömungen in einer Glasschmelzwanne mit Hilfe physikalischer Modelle

Abstract

Mit Hilfe einer Dimensionsanalyse und unter Berücksichtigung der Reynolds-, der Froude- und der Grashof-Zahl werden in einem physikalischen Modell die Strömung und der Wärmetransport durch Konvektion in einer Glasschmelzwanne untersucht. Der Wärmetransport durch Strahlung wird über den Begriff der Strahlungsleitfähigkeit berücksichtigt, und ein entsprechender Koeffizient wird definiert. Man bemühte sich vor allem, die Prandtl-Zahl einzuhalten. Bedingt durch die starke Temperaturabhängigkeit der Strahlung gelingt es nur in sehr lokalen Bereichen des Modells, diese Bedingung zu realisieren. Gewählt wurde ein Modellmaßstab von 1:20. Die Ähnlichkeitsbedingungen erlauben, alle anderen Modellmaßstäbe als Funktion der Modellflüssigkeit darzustellen, die zur Nachbildung des Glases verwendet wird. Ein Punkt, der für die Flachglasherstellung besonders wichtig ist, ist die Verteilung unvermeidbarer Inhomogenitäten quer zum Glasband bedingt durch Feuerfestmaterial und Entmischung. Diese Verteilung kann am Modell mit Hilfe einer optischen Vorrichtung geprüft werden, wobei die Modellflüssigkeit an geeigneter Stelle entnommen wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Modelluntersuchung sind: a) Dimensionierung der Öfen in Abhängigkeit von Schmelzleistung und Verfahren zur Flachglasherstellung; b) Ausrüstung des Ofens : Vorrichtung zur Stabilisierung der Strömungen und Verbesserung der Läuterung und Homogenisierung der Glasmasse; c) Optimierung der Strömungen im Hinblick auf die Formgebung; d) neue Ofenkonstruktionen. Investigation of flow in glass tanks by use of physical models Fluid flow and convective heat transfer in a tank furnace can be investigated in a physical model by means of dimensional analysis based on the Reynolds, Froude and Grashof numbers. Radiant heat transfer can be accounted for through the concept of radiation conductivity and a corresponding coefficient is defined. It is very important to match the Prandtl number but, because of the strong temperature dependence of radiation, an exact match is possible only in localized regions of the model. A 1:20 scale model was used, the similarity conditions all being then defined in terms of the liquid used to represent the glass. In flat glass manufacture it is particularly important how unavoidable inhomogeneities due to refractories or demixing are distributed perpendicular to the direction of draw. This distribution can be studied in a model by optical methods if the model liquid is drawn from a suitabl .e place. The most important results obtainable from a model relate to a) dimensions of the furnace in relation to load and fabrication process, b) accessories for stabilizing flow or improving refining and homogenizing, c) optimization of flow in relation to fabrication process, d) new furnace designs. Étude des courants dans les fours de fusion du verre au moyen de modèles physiques La simulation des phénomènes hydrodynamiques et de transfert de chaleur par convection dans un four de verrerie est étudiée en maquette en appliquant une procédure d'analyse dimensionnelle respectant les conditions de Reynolds, de Froude et de Grashof. Pour simuler les transferts de chaleur par rayonnement, on considère que ces échanges se font par conduction radiative et l'on définit un coefficient de conductivité radiative. On s'efforce ensuite de respecter la condition de Prandtl. Etant donné la forte dépendance du coefficient de conduction radiative en fonction de la température, cette condition ne peut malheureusement être réalisée que très localement dans le modèle. On choisit généralement l'échelle géométrique egale au 1:20. Les relations de similitude permettent de définir toutes les autres échelles en fonction des propriétés du liquide choisi pour simuler le verre. Un point particulièrement important, en fabrication de verre plat, est la répartition sur la tranche du verre des inévitables inhomogénéités dues par exemple à l'usure des réfractaires ou à la ségrégation. On a appliqué, en modèle, une technique permettant d'examiner et de prévoir cette répartition grâce à un dispositif optique approprié adapté à l'endroit oü l'on prélève le liquide simulant le verre. Les principaux resultats obtenus par la technique des maquettes concernent : a) le dimensionnement des fours en fonction de la tirée et du procédé de fabrication du verre plat ; b) l'équipement des fours : dispositifs permettant de stabiliser les écoulements, d'améliorer l'affinage et d'homogénéiser la pâte; c) l'optimisation des écoulements aux environs de l'outil de façonnage ; d) nouveaux types de four.