Волновод для осветления стекломассы



Волновод для осветления стекломассы

 


Владельцы патента RU 2476387:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к области стекловарения, в частности к стекловаренным печам. Волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводом для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода цилиндрической перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом. Оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода. Зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6do, где do - диаметр отверстий перфорированной трубы. Технический результат изобретения - обеспечение интенсификации удаления газовых пузырей из объема стекломассы в зоне осветления, что приводит к увеличению производительности стекловаренных печей при увеличении ресурса работы волновода в высокотемпературной среде стекломассы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области стекловарения, в частности к стекловаренным печам.

Известны методы осветления, т.е. удаления пузырьков газа из стекломассы в стекловаренных печах [1, 2].

К ним относится выдержка при высокой температуре, введение поверхностных активных веществ. Однако эти методы требуют повышения температуры в зоне осветления и длительного времени процесса.

Известна также интенсификация процесса осветления с помощью ультразвуковых волноводов [2]. Установлено, что введение волноводов, оборудованных ультразвуковыми излучателями, в расплав стекломассы даже без увеличения температуры позволяет обеспечивать коагуляцию пузырьков газа, что способствует более полному осветлению стекломассы.

Однако недостатком этого волновода является недостаточная мощность ультразвуковых излучателей и большие расходы электроэнергии на генерацию ультразвуковых колебаний. Кроме того, как установлено [2], оптимальная частота акустических колебаний для агрегации мелких пузырей в стекломассе соответствует сравнительно низким частотам - в диапазоне 3-20 кГц, что не соответствует оптимальному режиму работы ультразвуковых излучателей.

Таким образом, известны ультразвуковые волноводы для осветления стекломассы, оборудованные ультразвуковыми акустическими излучателями, погружаемые в объем стекломассы [2]. Однако недостатком этих волноводов является их акустическое излучение в неоптимальном для агрегации пузырьков газа диапазоне частот, а также недостаточная акустическая мощность и большой расход электроэнергии на генерацию акустических колебаний.

Кроме того, стойкость волновода в объеме стекломассы с температурой 1200°С при отсутствии принудительного охлаждения является недостаточной.

Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение эффективной агрегации и коагуляции пузырьков газа в стекломассе с целью интенсификации процесса их удаления.

Эта задача решается тем, что волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, отличается тем, что он снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводами для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода цилиндрической перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом, причем оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода, при этом зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6do, где do - диаметр отверстия перфорированной трубы.

Таким образом, рабочий газ данного волновода - компрессорный воздух - озвучивается (подвергается воздействием акустического поля) в газоструйном акустическом излучателе, несущие частоты которого как раз и находятся в диапазоне частот, оптимальных для агрегации и коагуляции пузырьков газа стекломассы (100-4000 Гц) [3].

Подача озвученного газа через отверстия в перфорированной трубе обеспечивает двойную функцию: 1) передачу акустического излучения от озвученного газа к наружной стенке волновода и далее в объем стекломассы и 2) интенсивное охлаждение наружной стенки волновода. Струйное охлаждение стенки волновода при скорости атакующих поверхностей струй рабочего газа 100-150 м/с обеспечивает охлаждение наружной стенки и высокий ресурс службы волновода в высокотемпературном объеме расплавленной стекломассы.

Диаметр do и количество отверстий N перфорированного внутреннего цилиндра определяется расходом рабочего газа и указанной требуемой скоростью истекающего из отверстий рабочего газа в пределах 100-150 м/с, при этом отверстия по возможности равномерно распределяются по поверхности перфорированной трубы [4].

Для наиболее эффективного охлаждения стенки корпуса волновода расстояние (зазор) между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы должно составлять величину hв=6dо [4].

Мощность акустического излучения, генерируемого газоструйными излучателями, составляет 0,1-0,15 кВт/м2=100-150 Вт/м2 [4], что почти на 5 порядков больше отмеченной в работе [3] мощности акустического излучения генераторов ультразвуковых акустических колебаний, и это гарантированно обеспечивает коагуляцию газовых пузырей в стекломассе и их ускоренное удаление. При этом коэффициент отражения акустического излучения на границе «сталь-стекло» составляет около 30%, а поглощение звука в тонкой стальной стенке корпуса волновода не превысит 3-5% [5], т.е. мощность акустических колебаний в объеме стекломассы вполне достаточна для интенсивной коагуляции газовых пузырей.

При движении рабочего газа - компрессорного воздуха - внутри волновода за счет теплообмена с расплавленной стекломассой через наружную стенку волновода этот компрессорный воздух нагревается. Его физическая теплота используется при его подаче в трубопровод вентиляторного воздуха, подаваемого к горелкам стекловаренной печи.

Предлагаемый волновод для осветления стекломассы реализуется устройством, представленным на фиг.1.

На фиг.1 представлен свод рабочего пространства зоны осветления стекловаренной печи 1 и стеклорасплав 2.

Устройство содержит газоструйный акустический излучатель с рефлектором 3, газоподводящий трубопровод с соплом 4, резонатор 5, цилиндрическую подводящую перфорированную трубу для ввода озвученного газа с закрытым торцом 7, цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом 8, отводящие рабочий газ трубопроводы 9, показан ввод 10 и вывод 11 рабочего газа.

Устройство работает следующим образом. Рабочий газ газоструйного акустического излучателя - компрессорный воздух 10 - через газоподводящий трубопровод и сопло 4 акустического излучателя 3 подается в резонатор 5. В резонаторе 5 формируется акустическое поле, накладываемое на рабочий газ и направляемое с использованием рефлектора внутрь перфорированной трубы 6.

Озвученный газ через отверстия в перфорированной трубе 7 подается на внутреннюю поверхность корпуса волновода 8, вызывая охлаждающий эффект на поверхности корпуса. Звуковое поле через стенку корпуса волновода 8 подается в объем стеклорасплава 2, обеспечивая ускоренное агрегатирование и коагуляцию пузырьков газа в стекломассе и интенсификацию их удаления. Нагретый рабочий газ 11 через трубопроводы 9 отводится из волновода и поступает в трубопровод вентиляторного воздуха, подаваемого к горелкам стекловаренной печи (на фиг.1 не показан).

Базовая частота f акустического поля формируется заданием глубины резонатора 5 и в соответствии с уравнением [3]

где во=43300-43400 - коэффициент пропорциональности; n=0,8-0,9.

Так при задании базовой частоты f=2000 Гц в соответствии с уравнением (1) при во=43350 и n=0,85

Применение волновода данной конструкции обеспечивает интенсификацию удаления газовых пузырей из объема стекломассы в зоне осветления, что приводит к увеличению производительности стекловаренных печей. Организация струйной подачи рабочего газа на стенку наружной трубы волновода обеспечивает увеличение ресурса работы волновода в высокотемпературной среде стекломассы. Организация подачи отработанного нагретого рабочего газа в трубопровод вентиляционного воздуха для его использования в горелках стекловаренной печи приводит к экономии расхода топлива на горелках.

Пример реализации и расчета (см. фиг.1)

Определим основные параметры волновода для рабочего газа - компрессорного воздуха [6].

Из конструктивных соображений наружный диаметр корпуса волновода принят равным Dнар=150 мм=0,15 м.

Толщину стенки корпуса волновода принимаем равной δ=3 мм=0,003 м, тогда внутренний диаметр корпуса волновода Dвн=144 мм=0,144 м.

Принимаем плотность перфорации подводящей перфорированной трубы N=500 отв./м2, скорость истечения wв=150 м/с. Открытая площадь перфорации fп=0,25%.

Принимаем расход рабочего газа на волновод Gг=500 м3/ч=0,1389 м3/с, давление 0,3-0,4 МПа (3-4 ата).

Температура стекломассы tнар=1200°C, температура подаваемого воздуха к перфорированной стенке tвн=40°С.

Температурный параметр струйного охладителя [6]

где

, w - скорость истечения струй, м/с; dо - эффективный диаметр отверстий перфорации, м; ν - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; D, А, В, С, Е - коэффициенты; ; А=3650-1370 D2/(1-2,2D)2; В=104 (0,6-0,25D)/D2; С=10-2 (25,4-54D)/D2; Е=1+1,35D0,6; температуры: tв - воздуха на выходе из волновода, tст - стенки корпуса волновода; tвн - воздуха, подаваемого к перфорированной трубе, °С.

Суммарная площадь проходного сечения отверстий перфорации

.

Эффективный диаметр отверстий [6]

Действительный диаметр (εсж=0,78 - коэффициент сжатия)

.

Площадь поверхности теплообмена

.

Поверхность теплообмена равна

Внутренний диаметр корпуса волновода Dвн=144 мм.

Расстояние от внутренней поверхности перфорированной трубы до внутреннего диаметра корпуса волновода

hв=6dо=6·2,52≅15 мм.

Тогда диаметр перфорированной трубы Dп

Dп=Dвн-2h=144-30=114 мм.

Требуемая длина рабочей части перфорированной трубы в соответствии с формулой (4)

.

При температуре воздуха t=40°С коэффициент кинематической вязкости ν=17,3·10-6 м2/с [9].

Тогда критерий Рейнольдса

.

Величины:

;

A=3650-1370·0,12/(1-2,2·0,1)2=5976;

В=104(0,6-0,25·0,1)/0,13=5,75·106;

C=10-2(25,4-54D)D2=20; E=1+1,35·0,10,6=1,34.

По формуле (2)

.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от воздушных струй к внутренней стенке корпуса волновода

Здесь qв - плотность расхода воздуха:

qв=wвfп=150·2,5·10-3=0,375 м3/(м2·с); величина теплоемкости воздуха Ср в диапазоне 40-400°С Ср=1,33 кДж/(м3·К) [9].

Для расчетов с учетом влияния акустических колебаний на усиление теплоотдачи принимаем величину αвн=200 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплоотдачи от расплавленной стекломассы к поверхности корпуса волновода при температуре стекломассы 1200°С принимаем равным αнар=500 Вт/(м2·К) [8, с.255, рис.87].

Число отверстий на перфорированной трубе

М=NF=500·0,4244=212,2=212 отверстий.

При диаметре перфорированной трубы Dп=0,114 м периметр окружности перфорированной трубы

Lок=πDп=3,14·0,114=0,358 м.

Длина перфорированной трубы L=1,186 м.

Отношение .

При этом число отверстий в ряду по периметру перфорированной трубы составляет 7,99, принимаем nп=8, по длине цилиндра число рядов составит 26,5, принимаем nq=26.

Шаги между отверстиями по периметру перфорированной трубы

.

Шаги между рядами по длине перфорированной трубы при расстоянии от оснований цилиндра 10 мм

.

При Dнар=150 мм и толщине стенки корпуса волновода δ=3 мм=0,003 м внутренний диаметр стенки Dвн=144 мм.

При отношении можно для цилиндрической стенки перфорированной трубы при определении теплоотдачи использовать формулы для плоской стенки [9].

Для жаростойкой стали при температуре стенки 800-900°С величина теплопроводности λ=26,7 Вт/(м2·К).

Тогда отношение , что много меньше внешнего и внутреннего теплового сопротивления [7, 9]

и .

При этом для определения температуры стенки - корпуса волновода используем формулу [9]

.

Из формулы (3) получаем температуру воздуха на выходе из волновода

tв=tвнв(tст-tвн)=40+0,4433(868,6-40)=407,3°С.

Отходящий из волновода воздух с температурой tв=407,3°С направляется для подмешивания к вентиляторному воздуху, подаваемому на горелки стекловаренной печи.

Определим основные параметры газоструйного акустического излучателя (см. фиг.1).

При давлении компрессорного воздуха Рт=0,4 МПа, его расходе G=500 м3/ч=0,1389 м3/с и температуре Tт=200°С=293 К площадь выходного сечения сопла газоструйного акустического излучателя определим по формуле [8]

где ηс - коэффициент потерь давления; ηс=0,8-0,85;

Кг - коэффициент, равный для компрессорного воздуха Кг=0,0404 (К0,5·с)/м.

Тогда

.

Диаметр сопла

.

Диаметр резонатора излучателя [3]

dp=1,5dc=1,5·15,3=23,4 мм.

Расстояние от выходного сечения сопла акустического излучателя до входа в резонатор при радиусе отражателя Rp=20 мм.

.

Таким образом, все основные параметры акустического излучателя определены.

Источники информации

1. Панкова Н.А. Возможные пути интенсификации процессов осветления и рациональной его организации в печах новой конструкции. Научные труды ГИС. - М, 1968, №1. С.45-51.

2. Панкова Н.А., Живило И.Г. Возможность интенсификации процессов осветления стекломассы с помощью ультразвука / Сб. научн. трудов «Исследование по рациональному использованию сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в стекольной промышленности. М., 1984. - С.62-76.

3. Воронов Г.В., Кокарев Н.И., Лисиенко В.Г. и др. Газоструйный излучатель. Патент на изобретение РФ №1571856, Опубл. 27.02.1995.

4. Бажанов Л.Н., Стрижов Г.Ф., Вихляев Н.А. и др. Способ кислородно-факельной плавки. Патент на изобретение РФ №1414873, Бюл. №29, 07.08.1988.

5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1988. - 208 с.

6. Гордон Я.М., Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебник для вузов / Под ред. А.С.Телегина. - М.: Металлургия, 1993. - 368 с.

7. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. и др. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.1. Теоретические основы. Учебник для вузов / Под ред. В.А.Кривандина. - М.: Металлургия, 1986. - 424 с.

8. Китаев Б.И., Зобнин Б.Ф., Раников В.Ф. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебное пособие / Под ред. А.С.Телегина. - М.: Металлургия, 1970. - 528 с.

9. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1978. - 272 с.

Волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, отличающийся тем, что он снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводами для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом, причем оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода, при этом зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6do, где do - диаметр отверстия перфорированной трубы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству вакуумной дегазации и способу вакуумной дегазации для расплавленного стекла. .

Изобретение относится к варке оптических стекол в горшковых печах. .

Изобретение относится к устройству для вакуумного дегазирования, устройству и способу изготовления стеклянных изделий

Способ используется при периодической варке и осветлении высокотемпературных оптических, технических, электровакуумных и стекол специального назначения с выработкой в блоки. Стекло наваривают в платиновом сосуде в вакуумной печи до объема не более 4/5 его высоты и выдерживают в течение 2-3 часов при заданной температуре варки. Затем производят набор вакуума в печи в 8-9 ступеней в интервале от 700 до (100-50) мбар и интервалом вязкости (160-35) Па·с с выдержками по 0,25-12 часов на каждой ступени. После осветления при необходимости снижают температуру до достижения стекломассой выработочной вязкости и производят отлив ее в блоки. Технический результат изобретения - получение стекла высокого качества по беспузырности с количеством пузырей менее 10 штук на 1 кг стекломассы диаметром менее 0,1 мм при варке тугоплавкого стекла в платиновых сосудах емкостью 5-50 литров. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Группа изобретений относится к стеклоплавильной печи. Технический результат заключается в повышении качества стекла за счет повышения эффективности дегазации. Стеклоплавильная печь содержит часть загрузки стеклянного сырья, расположенную книзу от стеновой части печи в верхней части стеклоплавильной печи. Первое средство нагрева для образования газофазной части расположено под частью загрузки частиц стеклянного сырья для превращения частиц стеклянного сырья в частицы расплавленного стекла. Второе средство нагрева предназначено для нагревания верхнего слоя жидкой стекломассы. Второе средство нагрева расположено так, что верхний конец части нагрева средства нагрева находится на расстоянии в пределах 20 см ниже запланированного уровня поверхности жидкой стекломассы. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Группа изобретений относится к устройству и способу вакуумной дегазации расплавленного стекла. Техническим результатом группы изобретений является обеспечение вакуумной дегазации стекла для повышения гомогенности расплава стекла. Сосуд вакуумной дегазации включает донную часть стенки, часть боковой стенки и потолочную часть, которые образуют вмещающую расплавленное стекло часть и верхнее пространство, составленное комбинацией множества сводчатых огнеупоров. Сводчатые огнеупоры размещены так, что нижняя часть поверхности сводчатого огнеупора, обращенная к внутренней части сосуда вакуумной дегазации, размещена ближе к наружной части, чем положение соприкасающейся с расплавленным стеклом поверхности столбчатого огнеупора. Часть для хранения расплавленного стекла образована между верхней поверхностью столбчатого огнеупора и нижней частью сводчатого огнеупора, расположенной на столбчатом огнеупоре. 6 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ используется при периодической варке и вакуумном обезвоживании гигроскопичного стекла со сдвинутой границей ИК пропускания. Стекло наваривают в платиновом сосуде 5-50 л до объема стекломассы не более 4/5 его высоты, выдерживают в течение 2-3 часов при заданной температуре варки, соответствующей вязкости (10-0,2) Па·с. Стекломассу вакуумируют до заданного остаточного давления, откачку воздуха в вакуумной печи производят минимум в 4 этапа по режиму: первый этап - до 60-75 кПа со скоростью 8000-40000 Па/мин, второй этап - до 3000-8000 Па со скоростью 250-350 Па/мин, третий этап - до 100-400 Па со скоростью 20-40 Па/мин, четвертый этап - до 50-80 Па со скоростью 0,1-2 Па/мин. Общее время вакуумирования составляет 8-13 часов. Технический результат изобретения - обезвоживание стекломассы до значения показателя поглощения <0,4 см-1 в максимуме поглощения групп ОН, что соответствует среднему пропусканию в интервале 3-5 мкм более 50%. 1 табл.
Наверх