Установка для закалки листового стекла

 

Изобретение относится к производству закаленного строительного и технического стекла, в частности к конструкциям закалочных установок для закалки стекла. Изобретение направлено на улучшение качества закаленного стекла устранением волнообразной деформации и снижение энергозатрат на подачу охлаждающего воздуха. Установка для закалки листового стекла включает печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел. Каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла. Под верхней обдувочной решеткой на расстоянии B= Z+b+δ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопел до стекла, b - толщина стекла, δ - расстояние от стекла до системы модулей, причем шаг рассчитывают по формуле где λ, ρ и μ - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха, S - площадь системы модулей, _щ - площадь щели, D₀ - диаметр ниппельного колодца, δ - расстояние до охлаждаемой поверхности, α - коэффициент теплоотдачи, v_п - скорость воздуха в воздушной подушке. Количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области производства упрочненного листового стекла и преимущественно может быть использовано на стекольных заводах при производстве закаленного листового стекла, применяемого на транспорте и в строительстве.

В практике воздухоструйной закалки стекла используются схемы горизонтальной и вертикальной закалки. Наибольшее распространение получила схема горизонтальной закалки, которая может производиться двумя способами: охлаждающими решетками и на воздушной подушке.

Известны установки для закалки листового стекла, включающие горизонтальную туннельную нагревательную печь, воздухоструйные закалочные решетки и валковый транспортер, на котором листы стекла поступают в печь и нагреваются до 620-650^o С, после чего подвергаются охлаждению между воздухоструйными решетками различной конструкции [1] и охлаждением на воздушной подушке в устройстве, где стекло интенсивно охлаждается между системами модулей воздушной подушки [2] . Первый вариант предусматривает обязательное транспортирование заготовок по роликовому конвейеру с получением характерного дефекта изделий в виде волнообразной деформации, а второй вариант предусматривает использование двухсторонней воздушной подушки, что затрудняет прохождение заготовок через узкую щель, создаваемую охлаждающими модулями, и приводит к значительному браку в виде боя, который трудно удалять из зоны закалки.

Известна установка для закалки листового стекла, выбранная в качестве прототипа, включающая печь нагрева, транспортирующий механизм, обдувочные решетки с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла [3].

Недостатком известной конструкции является получение характерного дефекта изделий в виде волнообразной деформации, лимитированной действующим стандартом на закаленное стекло, а также большой расход воздуха и, как следствие, большие энергозатраты.

Изобретение направлено на улучшение качества закаленного стекла за счет устранения волнообразной деформации и снижение энергозатрат на подачу охлаждающего воздуха.

Это достигается тем, что в установке для закалки листового стекла, включающей печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами, регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, согласно предлагаемому решению под обдувочной решеткой на расстоянии B=Z+b+δ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопел до стекла, b толщина стекла, δ - расстояние от стекла до системы модулей, шаг модулей рассчитывают по формуле где λ, ρ и μ - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха; S - площадь системы модулей; А_щ - площадь щели; D₀ - диаметр ниппельного колодца; δ - расстояние до охлаждаемой поверхности; α - коэффициент теплоотдачи;
v_п - скорость воздуха в воздушной подушке,
а количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид установки для закалки листового стекла; на фиг. 2 показан увеличенный вид I (поперечный разрез сопла и модуля с конструктивными параметрами).

Устройство для закалки листового стекла содержит верхнюю закалочную решетку 1 с соплами 2, регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, причем каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана 3, кинематически соединенного с диафрагменной камерой 4, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла. Под обдувочной решеткой находится система модулей, например, ниппельного типа 5, соединенная с системой подачи воздуха 6. Система модулей ниппельного типа известна из [4] и представляет собой набор элементов 7, где каждый элемент имеет ниппель с несколькими отверстиями малого диаметра, и они расположены так, что их оси параллельны охлаждаемой поверхности.

Установка для закалки листового стекла работает следующим образом. Нагретое до температуры закалки 640^oС стекло толщиной b=4 мм перемещают по транспортирующим валкам 8 в зазор между верхней закалочной решеткой 1 с соплами 2 длиной L=120 мм, диаметром сопел D=8 мм, шагом сопел Х'=30 мм, расстоянием Z= 50 мм. Все параметры были выбраны в соответствии с [1] до охлаждаемой поверхности регуляторами расхода воздуха из обдувочных сопел. Каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана 3, кинематически соединенного с диафрагменной камерой 4, полость которой сообщена с внутренним пространством в данном случае двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, и системой модулей ниппельного типа 5, которая представляет собой набор известных элементов 7, где каждый элемент имеет ниппель с диаметром ниппельного колодца D_o= 14 мм, уровнем заглубления ниппельных отверстий h_o=9.5 мм, диаметром ниппельных отверстий d=3 мм, зазором между нижней поверхностью стекла и верхней плоскостью модулей δ=0.6 мм, все параметры были выбраны в соответствии с [4], и шагом Х=25.75 мм, который составляет расстояние между колодцами модулей, расположения элементов, который рассчитывается по алгоритму, представленному ниже. В установке для закалки листового стекла заготовки транспортируются за счет силы инерции и охлаждаются с коэффициентом теплоотдачи α=450 Вт/(м²К) [1].

Для того чтобы обеспечить коэффициент теплоотдачи α=450 Вт/(м²К), необходимо в верхнюю закалочную решетку подавать воздух под давлением Р, равным 5 кПа, при этом расход воздуха в закалочной решетке при условии, если площадь закалочной решетки будет равна 1 м², составит 3.338 м²/с, а в систему модулей ниппельного типа, которая соединена с системой подачи воздуха 6, необходимо подавать воздух под давлением Р, равным 7.34 кПа, при этом расход воздуха составит 0.25 м³/c, при условии, если площадь системы модулей ниппельного типа, расположенных с шагом Х=25.75 мм, будет равна 1 м². Количество элементов, расположенных с определенным шагом, в установке для закалки листового стекла выбирают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей ниппельного типа, состоящей из набора элементов. Элементы выполняются из жаростойкого металла с толщиной стенки k, которая вычисляется по формуле k=(X-D_o)/2, в данном случае k=5,87 мм, и собираются при помощи сварки на уголки 9. После чего устанавливаются в корпус системы модулей на уголки, соединенные с помощью сварки по периметру корпуса на расстоянии, равном высоте элементов. В данном случае количество элементов в системе модулей ниппельного типа составляет 1508 элементов с шагом расположения Х=25.75 мм.

Достижение заявляемого эффекта состоит в согласовании действия обдувочной решетки и системы модулей ниппельного типа с точки зрения идентичности коэффициента теплоотдачи α по обеим сторонам стекла и безусловного обеспечения достаточного для транспортировки заготовки зазора δ.

Для того чтобы вычислить шаг Х в мм расположения элементов, нужно произвести расчет.

Исходными данными для расчета являются: параметры закалочной решетки, такие как давление Р в коробе закалочной решетки в кПа, длина L сопел в миллиметрах, шаг X' сопел в мм, диаметр D сопел в мм, расстояние Z от сопел до охлаждаемой поверхности в мм, толщина b стекла в мм.

Задаемся коэффициентом теплоотдачи α в Вт/(м²К), зазором δ в мм, диаметром D_o ниппельного колодца в мм, диаметром d ниппельных отверстий в мм, уровнем заглубления ниппельных отверстий h_o в мм.

Рассмотрим вначале равновесие пластины под действием известной группы сил. Вниз на пластину стекла действуют: сила тяжести
F_т=mg , (1)
где m - масса стекла,
g - ускорение свободного падения
и сила динамического давления струй воздуха из решеток
F_d = F₁n_c , (2)
где F₁ - сила динамического давления, создаваемая одним соплом,
n_с - количество сопел.

Вверх на стекло действует сила давления воздуха в воздушной подушке
F_п=р_пА, (3)
где р_п - давление в подушке,
А - площадь заготовки стекла.

Силовой баланс в данном случае будет обеспечиваться равенством
F_п = F_T + F_d
или с учетом (3)

Единственная неизвестная составляющая формулы (4) - F_d может быть определена по соотношению [3]
F_d = ρ A_сv_а ²n_с,
где ρ - плотность воздуха,
A_c - площадь сечения струи,
v_а - активная (ударная) скорость струи, причем



где, в свою очередь, ϕ - коэффициент истечения,
а - коэффициент турбулентности струи воздуха.

Таким образом, после некоторых преобразований

а давление воздуха в воздушной подушке легко определяется по соотношению (4).

По известному давлению р_п вычисляются скорость воздуха в воздушной подушке по формуле Сен-Венана [5]

(к - показатель адиабаты, р₀ - атмосферное давление воздуха) и расход
V = v_пA_щ, (7)
где A_щ - площадь щели.

Полученные данные позволяют перейти к расчету охлаждающей способности системы модулей ниппельного типа [2]

где λ, ρ и μ - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха,
v_c - среднее значение скорости воздуха в щели,
d_г - гидравлический диаметр.

А гидравлический диаметр равен [2]
d_г = 2(δ D₀)^0.5 (9)
При заданном значении α вычисляем v_c, а расход воздуха из одного элемента системы модулей ниппельного типа вычисляется по формуле
V₁ = ω₀υ_c, (10)
где ω₀ - площадь ниппельного колодца.

Из [2]
Полный расход будет
V = V₁n_k, (12)
где n_k - количество элементов системы модулей ниппельного типа, обслуживающих закалку данного изделия.

Подставив (8), (9), (10), (11) в (12) получим

Приравнивая (13) и (7) можем выразить количество элементов системы модулей ниппельного типа

Шаг элементов, при условии если система модулей ниппельного типа имеет площадь 1 м², будет равен

И подставляя (14) мы выразим шаг элементов

В таблице представлены результаты испытаний установки для закалки листового стекла второго примера выполнения. Но параметры известного устройства системы модулей ниппельного типа, такие как диаметр ниппельного колодца D₀= 14 мм, уровень заглубления ниппельных отверстий h₀=9.5 мм, диаметр ниппельных отверстий d=3 мм, остаются неизменными.

Волнообразная деформация определяется углом β возникновения оптических искажений, полученных на установке типа "зебра". Предельное нижнеее значение угла β=40^o.

Дефект волнообразной деформации устраняется по сравнению с прототипом за счет того, что стекло в закалочной установке транспортируется не по роликовому конвейеру, а на воздушной подушке. По этой же причине появляется возможность закалять тонкие стекла. Кроме того, по сравнению с двухсторонней воздушной подушкой снижается количество брака за счет того, что в установке для закалки стекла больше расстояние между стеклом и верхней воздухоструйной решеткой. Расход воздуха снижается на 46-47% за счет небольшого расхода в системе модулей ниппельного типа.

Установка для закалки листового стекла устраняет характерный дефект изделий в виде волнообразной деформации, позволяет закалять тонкие стекла, исключает затраты на ремонт и эксплуатацию транспортирующего механизма под обдувочной решеткой и снижает энергозатраты на подачу охлаждающего воздуха по сравнению с аналоговыми устройствами.

Источники информации
1. Аэродинамические характеристики и охлаждающая способность воздухоструйных устройств для закалки листового стекла / Шабанов А.Г., Шутов А.И. , Потапов В.И. и др.// Стекло и керамика. -1982. - 1. -С. 10-12.

2. Аппен А. А., Асланова М.С., Амосов Н.М и др. Стекло. Спавочник. Под ред. Павлушкина Н.М. -М.: Стройиздат, 1973, с. 261.

3. А.с. 939414, С 03 В 27/00, 1980, БИ 24 (прототип).

4. Шутов А.И., Чистяков А.А., Чуриков В.Д. Определение охлаждающей способности воздушной подушки для закалки тонкого стекла.// Стекло и керамика. -1980. - 1. -С.6-8.

5. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. -М.: Стройиздат, 1987, 414 с.

Формула изобретения

Установка для закалки листового стекла, включающая печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, отличающаяся тем, что под верхней обдувочной решеткой на расстоянии B=Z+b+δ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопл до стекла, b - толщина стекла, δ - расстояние от стекла до системы модулей, причем шаг между элементами модуля составляет

где λ, ρ и μ - соответственно, коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха;
S - площадь системы модулей;
A_щ - площадь щели;
D₀ - диаметр ниппельного колодца;
δ - расстояние до охлаждаемой поверхности;
α - коэффициент теплоотдачи;
v_п - скорость воздуха в воздушной подушке,
а количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3