CZ2019747A3 - Sklářská tavicí pec s konverzním regionem pro přeměnu sklářské vsázky na skelnou taveninu a způsob konverze - Google Patents

Abstract

Sklářská tavící pec zahrnuje konverzní region (1) a homogenizační region (6). Konverzní region (1) je opatřen: na každé protilehlé boční stěně (10) bočním vstupem (2); je osazený tyčovými vertikálními elektrodami (3) umístěnými ve dnu (7) a vertikálními plynovými hořáky (4) umístěnými v klenbě (8); má rozmístěny topné tyčové vertikální elektrody (3) po celé ploše dna (7) a vertikální hořáky (4) po celé ploše klenby (8) v pravidelných formacích; má osy (9) vertikálních elektrod (3) uspořádaných v minimálním odstupu 0,3 m od sebe a od stěn (10, 14); má osy (11) vertikálních hořáků (4) uspořádané v minimálním odstupu 0,5 m od sebe a od stěn (10,14); a má špičky (12) elektrod (3) vzdáleny od spodního povrchu vrstvy sklářské vsázky (5) maximálně 0,4 m. Podíl elektrické energie topných elektrod (3) k celkové energii dodané do konverzního regionu (1) topnými elektrodami (3) a hořáky (4) alespoň 50 %. Způsob konverze sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13) v této sklářské tavící peci spočívá v tom, že elektrodami (3) a plynovými hořáky (4) se přivádí do konverzního regionu (1) 6000 až 14 000 kW pro konverzi skelné vsázky (5) na skelnou taveninu (13) pro vznik 3 až 7 kg skla za sekundu. Konverzní rychlost přeměny sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13) je v rozmezí 0,25 až 0,30 kg.m-2·s-1 .

Description

Sklářská tavící pec s konverzním regionem pro přeměnu sklářské vsázky na skelnou taveninu a způsob konverze

Oblast techniky

Vynález se týká sklářské tavící pece s konverzním regionem pro přeměnu sklářské vsázky na skelnou taveninu. Konverzní region s vysokou koncentrací topné energie pro přeměnu sklářské vsázky na skelnou taveninu má vrstvu sklářské vsázky na roztavené skelné tavenině. Konverzní region, obsahující dno, protilehlé boční stěny a čelní stěnu, je opatřený dvěma bočními vstupy aje otápěný elektrodami a plynovými hořáky. Sklářská tavící pec dále obsahuje na konverzní region navazující homogenizační region otápěný celoelektricky pro homogenizaci skelné taveniny.

Vynález se také týká způsobu konverze sklářské vsázky na skelnou taveninu v konverzním regionu.

Dosavadní stav techniky

Kontinuální sklářské tavící pece s horizontálním průtokem taveniny lze rozdělit na vstupní (konverzní) region s vrstvou vsázky na hladině a homogenizační region, v němž se dokončují tavící děje, především rozpuštění sklářského písku a odstranění bublin [5], Jejich měrný výkon se obvykle pohybuje mezi 2 až 3 tm^-2den^_1, u špičkových zařízení, obvykle s elektrickým příhřevem, až 4 tm^-2den^_1 [6]. Problémem těchto pecí bývá nízká konverzní rychlost vsázky v důsledku málo intenzivního transportu tepla dovnitř vsázky [3] a rozsáhlý homogenizační region. Z homogenizačního regionu se do konverzního regionu dodává část energie zpětným cirkulačním tokem taveniny a v důsledku tohoto cirkulačního toku vznikají v homogenizačním regionu velké oblasti nevyužité pro uskutečnění homogenizačních dějů. Pro dosažení dostatečné homogenizační kapacity je proto třeba, aby byl homogenizační region rozsáhlý [5,7],

Uvedené nízké konverzní rychlosti vsázky na sklo v konverzním regionu se řeší urychlením kinetiky procesu konverze, především zlepšením transportu tepla do vrstvy vsázky, např. elektrickým příhřevem [8] nebo optimalizací mechanismu konverze [9],

Zmíněný problém velkého homogenizačního regionu a jeho nízkého využití pro homogenizační děje je pak možné řešit dvěma způsoby.

První způsob využívá separace průběhů jednotlivých tavících dějů do příslušných oddělených prostorů, kterou lze uskutečnit, např. tzv. segmentovou tavící pecí, příkladem je Beerkensova tavící pec [10], Rozdělením pece na více malých prostorů podle jednotlivých dějů se zlepší podmínky pro jejich provozování a předejde se zpětným tokům taveniny z aktuálního do předešlého prostoru, takže se oblasti nevyužité pro vlastní tavící proces netvoří. Obecně vznikají však složitá zařízení s náročnou koordinací dějů v jednotlivých částech.

Druhý přístup popisuje CZ 307659 B6 [19], Jedná se o tavící prostor kontinuální tavící pece s nátokem skla s nehomogenitami a způsob tavení skla v tomto prostoru. Tavící proces je v jednom prostoru rozdělen pouze do dvou regionů a rozložením topné energie se ovlivňuje proudění v homogenizačním regionu tavícího prostoru tak, aby se omezily, případně úplně odstranily jeho neužitečné oblasti a homogenizační kapacita prostoru se podstatně zvýšila. To umožní zmenšit rozměr prostoru.

V CZ 307659 B6 [19] a [1, 2] byla zavedena relativní veličina nazvaná využití tavícího prostoru, která umožňuje kvantifikovat kvalitu proudění vzhledem k průběhu tavícího procesu. Tato veličina vykazuje hodnotu 1 pro pístový tok, hodnotu mezi 0,45 až 0,65 pro uniformní tok [11]

CZ 2019 - 747 A3 a dosahuje hodnot 0,6 až 0,8 pro nastolený spirálový tok [12, 13, 14], Nastolení spirálového toku ve sklářském tavícím prostoru uvádí české patenty [15, 16] a korespondující PCT přihláška [17], která popisuje sklářskou tavící pec pro kontinuální tavení skel a pro způsob tavení.

Zjištěné využití tavícího prostoru pro průmyslově provozovanou sklářskou pec s vrstvou vsázky na hladině bylo pak velmi nízké, a to mezi 0,05 až 0,10 [3], Nízké hodnoty využití jsou pro tyto průmyslové pece charakteristické. Důvodem bylo již zmíněné zpětné cirkulační proudění mezi homogenizační a konverzní částí pece. Jevilo se proto jako perspektivní uvedeným řízením toku využití prostoru podstatně zvýšit. Modelováním homogenizačního modulu se vstupem skelné taveniny obsahující písková zrna a bubliny a s řízeným prouděním v další části modulu se podařilo dosáhnout toku podobnému uniformnímu toku, který vykazoval hodnotu využití 0,5 a tavící výkon až kolem 600 t/den [4]. Rozměr takového homogenizačního modulu byl přitom podstatně menší než průmyslový tavící prostor a pohyboval se kolem 12,5 m³. Podmínky provozování tohoto homogenizačního modulu popisuje tavící prostor kontinuální sklářské tavící pece [18, 19, 20,21],

Zmíněný druhý homogenizační region byl již autory řešen studiem charakteru proudění v homogenizačním modulu se vstupem taveniny obsahující nerozpuštěný sklářský písek a bubliny (bez sklářské vsázky) za pomocí veličiny využití tavícího prostoru [1, 2] a teoretických vztahů umožňujících nastolení optimálního typu proudění [3, 4], Nastavení kontrolovaného proudění pomocí matematického modelu prokázalo až násobné zvýšení homogenizačního výkonu. Takového kontrolovaného proudění taveniny se dosáhlo vhodnou prostorovou distribucí topné energie. Získal se tak malý homogenizační modul (prostor) o specifickém tavícím výkonu přesahujícím v optimálním případě značně 30 tm Men¹.

Při následném zahrnutí děje konverze vsázky do tavícího procesu se tedy jeví jako logické spojit uvedený homogenizační modul s nějakým regionem pro konverzi sklářské vsázky. Ve složeném tavícím prostoru by pak navrhovaný prostor se vsázkou byl prvním, konverzním regionem a již vyřešený homogenizační modul druhým, homogenizačním regionem. Konverzní region musí samozřejmě vykazovat srovnatelné výkonové parametry zjištěné pro homogenizační region.

Seznam literatury:

[1] L. Němec, P. Cincibusová, Ceramics-Silikáty 53 (2009) 145-155.

[2] L. Němec, P. Cincibusová, Ceramics-Silikáty 52 (2008) 240-249. Tokyo 1984.

[3] M. Jebavá, L. Němec, Ceramics-Silikáty 62 (2018) 86-96.

[4] L. Hrbek, M. Jebavá, L. Němec, J. Non-Cryst. Solids 482 (2018) 30-39.

[5] W . Trier: Glasschmelzófen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1984.

[6] A. Smrček a kol.: Tavení skla. Česká sklářská společnost, o.s., Jablonec nad Nisou, 2008, str. 280.

[7] Z. Zhiquiang. Y. Zhihao. Basic flow pattern and its variation in different types in glass tank furnaces, Glast. Ber. Glass Sci. Technol. 70 (1997), (6) 165-172.

[8] J. Staněk: Elektrické tavení skla, SNTL, Praha, 1986.

[9] A. Paul: Chemistry of Glasses, Chapter 5, P. Hrma. Batch melting reactions. Chapman &Hall

[10] R. Beerkens, Modular melting. Amer. Cer. Soc. Bull. 73 (2004), (7), 35.

[11] L. Němec, P. Cincibusová, Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol. A 53 (2012) str. 279-286.

[12] M. Polák, L. Němec, J. Non-Cryst. Solids 357(2011) 3108-3116.

[13] M. Polák. L. Němec, J. Non-Čryst. Solids 358 (2012) 1210-1216.

CZ 2019 - 747 A3

[14] P. Cincibusová, L. Němec, Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol. A 53 (2012) str. 150-157.

[15] CZ 304703 B6 (2012), M. Polák, L. Němec, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Brada, M. Trochta: Sklářská tavící pec pro kontinuální tavení skel řízenou konvekcí.

[16] CZ 304432 (2012), M. Polák, E. Němec, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Brada, M. Trochta: Způsob kontinuálního tavení skel řízenou konvekcí skloviny.

[17] WO 2014/036979 AI (2013), M. Polák, L. Němec, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Brada, M. Trochta: Method for continuous glass melting under controlled convection of glassmelt and glass melting furnace for making the same.

[18] CZ 31123 U (2017), L. Němec, L. Hrbek, M. Jebavá, J. Brada: Tavící prostor kontinuální tavící pece.

[19] CZ 307659 B6 (2017), L. Němec, L. Hrbek, M. Jebavá, J. Brada: Tavící prostor kontinuální sklářské tavící pece a způsob tavení skla v tomto prostoru.

[20] DE 202018105160 U1 (2019), L. Němec, L. Hrbek. M. Jebavá. J. Brada: Schmelzram eines kontinuierliches Glasschmelzofens und nach einem darin aufgefiůhrten Verfahren erhaltene Glasschmelze.

[21] DE 102018122017 A9 (2019).L. Němec, L. Hrbek, M. Jebavá, J. Brada: Schmelzram eines kontinuierliches Glasschmelzofens und nach einem darin aufgefiůhrten Verfahren erhaltene Glasschmelze.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je nový konverzní region kontinuálního sklářského tavícího prostoru, který zajišťuje vysoký příkon energie, který svým vloženým otopem zajistí konverzi značného množství sklářské vsázky na sklo v relativně malém prostoru.

Tento úkol splňuje sklářská tavící pec podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že konverzní region: je opatřen na každé protilehlé boční stěně bočním vstupem; je osazený tyčovými vertikálními elektrodami umístěnými ve dnu a vertikálními plynovými hořáky umístěnými v klenbě; má rozmístěny topné tyčové vertikální elektrody po celé ploše dna a vertikální hořáky po celé ploše klenby v pravidelných formacích; má osy vertikálních elektrod uspořádaných v minimálním odstupu 0,3 m od sebe a od stěn; má osy vertikálních hořáků uspořádané v minimálním odstupu 0,5 m od sebe a od stěn; a má špičky elektrod vzdáleny od spodního povrchu vrstvy sklářské vsázky maximálně 0,4 m.

Hlavní výhodou tohoto vynálezu je, že konverzní region má vysokou konverzní kapacitu díky vysoké koncentraci energie na relativně malém prostoru. Konverzní region jako první část sklářské tavící pece pro konverzi sklářské vsázky využívá intenzivního odtavování sklářské vsázky na hladině taveniny soustředěným kombinovaným ohřevem sítí vertikálních hořáků a sítí vhodně rozmístěných vertikálních elektrod vyvolávajících vertikální toky horké taveniny k vrstvě vsázky. Příkon do regionu je volen tak, aby dodané množství energie zaručovalo konverzi veškeré dávkované vsázky na skelnou taveninu. Specifická rychlost konverze vsázky na sklo byla v tomto uspořádání asi třikrát vyšší, než bylo dosaženo pro konvenční horizontální sklářskou pec s regenerativním (plynovým) ohřevem a s menším elektrickým příhřevem. Nový konverzní region podle vynálezu se svou velikostí blíží homogenizačnímu regionu a předpokládaná konkrétní celková velikost obou regionů pece se pohybuje mezi 24 až 30 m³. Při úplném zakrytí konverzního regionu sklářskou vsázkou byly tavící výkony vysoké, přesahující 300 tun skla za den. Kapacita konverzního regionu se řízené navýší nárůstem podílu energie pro konverzní region (ki), dále úpravou poměru mezi množstvím elektrické a spalovací energie a vpuštěním vsázky do homogenizačního regionu. Navržený mechanismus konverze vsázky na taveninu se ukazuje jako efektivní.

Vertikální pozice elektrod a hořáků umožňuje přivést hlavní podíl tepla zdola i shora k vrstvě vsázky a ve skelné tavenině vyvolává vertikální cirkulace podél elektrod, které urychlují přenos

CZ 2019 - 747 A3 tepla konvekcí do vsázky a odstraňují vzniklou chladnější taveninu od její spodní hranice.

Vhodné rozmístění pravidelných formací vertikálních topných elektrod a vertikálních topných plynových hořáků působí tak, že tyto zdroje energie zasahují horkými kolmými proudy taveniny a spalin celou plochu pokrytou vsázkou a zvyšují konverzní kapacitu konverzního regionu.

Dodržení nárokované vzdálenosti vzájemného odstupu vertikálních elektrod a též jejich nárokovaná vzdálenost od bočních stěn a od čelní stěny konverzního regionu jsou bezpečné a zamezí vzájemnému ovlivnění účinků elektrod na dno a stěny konverzního regionu.

Dodržení nárokované vzdálenosti vzájemného odstupu vertikálních plynových hořáků a též jejich nárokovaná vzdálenost od bočních stěn a od čelní stěny konverzního regionu jsou bezpečné a zamezí vzájemnému ovlivnění účinků topných plynových hořáků na stěny konverzního regionu.

Účelem nárokované a relativně malé vzdálenosti mezi špičkami elektrod od dolního povrchu vsázky je rychlý a čerstvý transport právě ohřáté a u špiček elektrod nej rychleji stoupající skelné taveniny k dolnímu povrchu vsázky. Výhodné se ukázaly, např. vzdálenosti 0,3 až 0,1 m. Není vhodné, aby se špičky elektrod dotýkaly přímo sklářské vsázky, kde je podstatně nižší teplota skelné taveniny. Elektrody relativně dlouhé, s délkou dosahující bezprostředně k povrchu sklářské vsázky, zajišťují vysokou konverzní kapacitu.

Je výhodné, když konverzní region má podíl elektrické energie topných elektrod k celkové energii dodané do regionu topnými elektrodami a hořáky alespoň 50 %, s výhodou 60 až 80 %. V oblasti tohoto podílu byly nalezeny nej vyšší rychlosti konverze sklářské vsázky. Optimalizace podílu elektrické energie muže přinést 20 až 30 % zvýšení konverzní rychlosti oproti podílu pouze odhadnutému.

Též je výhodné, když topné vertikální elektrody jsou tyčové molybdenové elektrody. V konverzním regionu se instaluje značné množství elektrod a je tedy vhodné použít elektrody běžně dostupné, avšak schopné odolávat vysokým koncentracím elektrické energie, což tyčové molybdenové elektrody splňují. Nevhodné jsou, např. cíničité tyčové elektrody nebo deskové molybdenové elektrody.

Dále je výhodné, když topné vertikální plynové hořáky jsou otápěný zemním plynem se vzduchem nebo kyslíkem. Jedná se o běžně dostupný a široce používaný otop spalováním, u kyslíku o poměrně novější, ale dražší otop.

Nebo topné vertikální plynové hořáky mohou být jsou otápěný vodíkem se vzduchem nebo kyslíkem. Jedná se o nově uvažovaný otop, který nezanechává uhlíkovou stopuje tedy ekologicky výhodný, i když poměrně dražší.

Vynález se též týká způsobu konverze sklářské vsázky na skelnou taveninu ve sklářské tavící peci podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že elektrodami a plynovými hořáky se přivádí do konverzního regionu 6000 až 14 000 kW pro konverzi skelné vsázky na skelnou taveninu pro vznik 3 až 7 kg skla za sekundu.

Též je výhodné, když konverzní rychlost přeměny sklářské vsázky na skelnou taveninu je v rozmezí 0,25 až 0,30 kg.m^-2 s¹.

Za těchto řízených a nastavených podmínek je energie dodaná do konverzního regionu jeho vlastními zdroji, tedy elektrodami a plynovými hořáky efektivně a optimálně využitelná pro konverzi sklářské vsázky. V navazujícím homogenizačním regionu se tak lépe zabezpečí podmínky pro nastavení uniformního nebo spirálovitého toku s vysokým využitím prostoru.

CZ 2019 - 747 A3

Výhody navrhovaného konverzního regionu s instalovaným velkým elektrickým příkonem pomocí vertikálních elektrod ze dna a vertikálních hořáků z klenby lze shrnout takto:

1. Využitím optimálně hustého uspořádání vertikálních dlouhých elektrod ze dna se soustředí vysoký příkon Jouleovy energie do malého prostoru a nasměruje maximum příkonu těsně pod vrstvu vsázky. Podobné uspořádání elektrod lze uvažovat i pro návrh celoelektrické tavící pece.

2. Ohřevem vznikají vertikální cirkulace taveniny, které míří vzhůru podél elektrod a po dosažení fázového rozhraní se obrací směrem dolů. Sestupné proudění je spojené s propadáním chladné taveniny vzniklé konverzí vsázky. Při aplikaci sítě ve dně uspořádaných elektrod se vytvoří obraz proudění ve tvaru vertikálních cirkulačních buněk. Horká stoupající tavenina atakuje kolmo vrstvu vsázky a zrychluje přenos tepla do vsázky, vzniklá chladná tavenina je sestupným buňkovým prouděním rychle odstraňována od fázového rozhraní.

3. K vytvoření vertikálních cirkulací v tavenině přispívají též vertikální hořáky. Sestupný proud vzniklé chladné taveniny se vytváří v místě styku horkých spalin se vsázkou.

4. Využití vertikálních hořáků namířených na vsázku umožní instalaci potřebného počtu zdrojů a umožní bezprostřední styk horkých spalin se vsázkou, což rovněž napomáhá podmínkám pro vysokou absorpci tepla a vysoký konverzní výkon regionu.

5. K dosažení maximálního výkonu slouží rovněž nastavení optimálního poměru mezi dodanou elektrickou energií (elektrodami) a energií pocházející ze spalování (hořáky), které je nastavitelné pro různé alternativní typy konverzního regionu za konkrétních podmínek.

6. Soustředěním velkého podílu celkové energie do malého konverzního regionu, s využitím funkce vertikálních elektrod ze dna a s délkou dosahující blízko k povrchu vsázky i využitím vertikálních hořáků blízko obou povrchů vsázky, se dosahuje vysokého teplotního gradientu i velké plochy pro předávání tepla radiálním rozlitím taveniny a spalin u povrchů. Místně proměnným prouděním se zajistí i předpokládané vysoké hodnoty efektivního součinitele přenosu tepla. Tím se zabezpečí optimální podmínky pro rychlou konverzi vsázky na skelnou taveninu.

7. Sestupné toky taveniny v buňkách jsou dostatečně rychlé, takže jsou schopné strhávat vzniklé malé i větší bubliny do hloubky skelné taveniny a narušovat vrstvu bublin a pěny, která snižuje přestup tepla ze sklářské taveniny do skelné vsázky.

8. Poměr mezi oběma typy energií v konverzním regionu společně s případně vzniklým místem volné hladiny taveniny u čela konverzního regionu podporuje nastolení podmínek pro žádoucí spirálovitý typ proudění v druhém homogenizačním regionu pece.

Objasnění výkresů

Vynález je podrobně popsán dále na příkladných neomezujících provedeních, objasněných na připojených schematických výkresech, z nichž znázorňuje:

obr. 1 - axonometrický pohled na konverzní region sklářské tavící pece s umístěním elektrod a hořáků a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 2 - pohled z obr. 1, znázorňující průměty umístění hořáků v klenbě do roviny XY v konverzním regionu a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 3 - pohled z obr. 1 znázorňující průměty umístění elektrod do roviny XY v konverzním regionu a s naznačeným homogenizačním regionem;

CZ 2019 - 747 A3 obr. 4 - pohled z obr. 1 v příčném řezu v rovině YZ v dané vzdálenosti od čelní stěny konverzního regionu, ukazující teplotní a proudové pole skelné taveniny v dolní části konverzního regionu a teplotní pole spalin v jeho horní části. Vlevo dole je znázorněn pohled shora na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 5 - závislost specifické konverzní rychlosti M_Sb_atch (sklářské vsázky na skelnou taveninu) na podílu ki energie z celkové energie dodávané do pece;

obr. 6 - stav techniky - podélný centrální řez XZ klasickou regenerativní sklářskou pecí [3] ukazující podélnou cirkulaci skelné taveniny s detailem D, týkajícím se oblasti pece u hranice tavené sklářské vsázky a též s odpovídajícím prouděním a s teplotami v detailu;

obr. 7 - pohled shora z obr. 1 na vsázku na hladině taveniny v konverzním regionu a s naznačeným homogenizačním regionem. V dolní části vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 8 - pohled shora z obr. 1 na vrcholy vertikálních proudových buněk pod rozhraním vrstvy vsázky a taveniny v konverzním regionu v řezu XY, který jev dané vzdálenosti od horního povrchu vsázky a s naznačeným homogenizačním regionem. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 9 - axonometrický pohled na jiný alternativní konverzní region prostor sklářské tavící pece s umístěním elektrod a hořáku a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 10 - pohled shora z obr. 9 znázorňující průměty umístění elektrod do roviny XY a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 11 - pohled shora z obr. 9 na vsázku na hladině taveniny v konverzním regionu a naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 12 - zobrazuje pohled shora z obr. 9 na vrcholy vertikálních proudových buněk pod rozhraním vrstvy vsázky a taveniny v konverzním regionu v řezu XY, který je v určité vzdálenosti od horního povrchu vsázky a s naznačeným homogenizačním regionem. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 13 - pohled z obr. 9 v příčném řezu YZ, který je v určité vzdálenosti od vnější čelní stěny konverzního regionu, ukazující pohled na teplotní a proudové pole taveniny v dolní části konverzního regionu a teplotní pole spalin v jeho horní části. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině YZ na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 14 - axonometrický pohled na další alternativní řešení konverzního regionu sklářské tavící pece s umístěním elektrod a hořáků a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 15 - pohled z obr. 14 znázorňující průměty umístění hořáků v klenbě do roviny XY v konverzním regionu a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 16 - pohled z obr. 14 znázorňující průměty umístění elektrod ve dnu do roviny XY v konverzním regionu a s naznačeným homogenizačním regionem;

obr. 17 - pohled shora z obr. 14 na vsázku na hladině taveniny v konverzním regionu a s

CZ 2019 - 747 A3 naznačeným homogenizačním regionem. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu;

obr. 18 - pohled shora z obr. 14 na vrcholy vertikálních proudových buněk pod rozhraním vrstvy vsázky a taveniny v konverzním regionu v řezu XY, který je v určité vzdálenosti od horního povrchu vsázky a s naznačeným homogenizačním regionem. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu; a obr. 19 - pohled z obr. 14 v příčném řezu YZ, který je v určité vzdálenosti od vnější čelní stěny konverzního regionu. Pohled ukazuje teplotní a proudové pole taveniny v dolní části konverzního regionu a teplotní pole spalin v jeho horní části. V dolní části obrázku vlevo je znázorněn pohled v rovině XY na sklářskou pec a vedle je ukázána teplotní stupnice shora ukázaného konverzního regionu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Pro srovnání s řešením podle tohoto nového vynálezu je zde uveden stav techniky [3], a to jako příkladné řešení klasické regenerativní sklářské tavící pece s menším elektrickým příhřevem.

Připojený obr. 6 znázorňuje podélný centrální řez XZ klasickou regenerativní sklářskou pecí s elektrickým příhřevem ukazující podélné cirkulace taveniny a teploty pod vrstvou vsázky a detail proudění v oblasti hranice vsázky. Podélnou cirkulací se do konverzního regionu přenášela část tepla z hořáků z homogenizačního regionu, jak již bylo uváděno. Modelováním této průmyslové regenerativní pece s elektrickým příhřevem a s průměrnou teplotou tavení 1387 °C bylo však zjištěno, že při ohřevu vsázky horizontálním zpětným proudem horkého skla, procházejícího pod vsázku z homogenizačního regionu pece a pokračujícího souběžně s vrstvou vsázky v konverzním regionu, jsou hodnoty specifické konverzní rychlosti značně nižší než hodnoty dosahované v konverzním regionu. Koncentrace energie pod vsázku je nižší než v případě navrhovaného regionu, neboť energie je od místa maximální teploty přiváděna ve velké ploše. Energie se do vsázky předává především u čela vsázky, dále teplota horkého proudu klesá v důsledku faktu, že vzniklé chladné sklo zůstává dlouho blízko fázového rozhraní. Pro informaci ukazuje obr. 6 v podélném řezu tok horkého skla pod vrstvu vsázky, detail oblasti u hranice vsázky je uveden pod celkový náhled na podélný centrální řez prostorem. V obr. 6 ukazují šipky zpětný tok taveniny pod vsázku, kde se teploty přiváděné taveniny před čelem vsázky pohybují nad 1500 °C. Stykem se vsázkou však rychle klesají a ve vetší vzdálenosti od čela se pohybují v oblasti kolem 1350 °C. Horké sklo z maxima teplot proudící k čelu vsázky uskutečňuje v čele vsázky nej intenzivnější odtavování a vzniká zde větší množství chladné taveniny. Horké rychle proudící sklo zamíří za čelem vsázky poměrně rychle pod vzniklou chladnou taveninou a rovněž se ochlazuje, aniž by těsně kontaktovalo vsázku. Toto proudění taveniny u hranice vsázky je dobře vidět na detailu řezu. Intenzita odtavování v oblasti za čelem vsázky oblasti je pak nízká. Kombinace o něco nižší průměrné tavící teploty, typu ohřevu a charakteru proudění horké taveniny od teplotního maxima podél dolní hranice vsázky vedla ve všech sledovaných případech k nízké specifické konverzní rychlosti vsázky, která se v průměru pohybovala pouze kolem 0,09 kg/(m²s). V těchto případech občas používaný elektrický příhřev s ohřevem zdola může tuto situaci velmi mírně zlepšit. Modelováním zmíněné regenerativní tavící pece ve 14 případech bylo zjištěno, že pokud je pod vsázku umístěn elektrický příhřev dodávající asi 25 % celkové energie, zvýší se specifická konverzní rychlost vsázky z hodnoty 0,087 kg/(m²s^-1) na cca 0,093 kg/(m²s^-1) [3], To je však stále nízká hodnota oproti hodnotám 0,27 až 0,30 kg/(m²s) dosahovaným ve zde navrhovaném uspořádání.

CZ 2019 - 747 A3

Příklad 1 (obr. 1 až 5, 7 a 8)

Možné konkrétní provedení sklářské tavící pece je schematicky ukázáno na obr. 1. Sklářská tavící pec zahrnuje konverzní regionu 1 s naznačením homogenizačního regionu 6. Konverzní region j_ obsahuje dno 7, protilehlé boční stěny 10 a čelní stěnu 14. Je opatřený dvěma bočními vstupy 2 pro nakládání sklářské vsázky 5, a to vždy jedním vstupem 2 na každé vzájemně protilehlé boční stěně 10. Konverzní region 1 je otápěný kombinovaně, a to elektrodami 3 a plynovými hořáky 4. Oba zdroje mají vysokou koncentrací topné energie pro přeměnu sklářské vsázky 5 na skelnou taveninu 13. Sklářská tavící pec dále zahrnuje celoelektricky otápěný homogenizační region 6, navazující na konverzní region L Konverzní region ]_ je osazený tyčovými vertikálními elektrodami 3 umístěnými ve dnu 7 a vertikálními plynovými hořáky 4 umístěnými v klenbě 8 konverzního regionu L Konverzní region 1 má rozmístěny topné tyčové vertikální elektrody 3 po celé ploše dna 7 a vertikální hořáky 4 po celé ploše klenby 8 v pravidelných formacích. Osy 9 vertikálních elektrod 3 jsou uspořádány v minimálním odstupu 0,3 m vzájemně od sebe a ve stejné minimální vzdálenosti od bočních stěn 10 nebo od čelní stěny 14 konverzního prostoru 1. Osy 11 vertikálních hořáků 4 jsou uspořádané v minimálním odstupu 0,5 m od sebe a ve stejné vzdálenosti od bočních stěn 10 nebo od čelní stěny 14 konverzního prostoru 1. Špičky 12 elektrod 3 jsou vzdáleny od spodního povrchu vrstvy sklářské vsázky 5 maximálně 0,4 m. Topné vertikální elektrody 3 jsou tyčové molybdenové elektrody o délce dosahující bezprostředně k povrchu sklářské vsázky 5. Topné vertikální plynové hořáky 4 mohou být otápěný zemním plynem se vzduchem nebo kyslíkem; nebo vodíkem se vzduchem nebo kyslíkem.

Aby se vysokého homogenizačního výkonu homogenizačního regionu 6 s řízeným prouděním mohlo prakticky využít, musí mu předcházet intenzivní konverze sklářské vsázky 5 na sklo, neboť děje konverze vsázky 5 a homogenizační děje (rozpuštění sklářského písku a odstranění bublin v regionu s řízeným prouděním) jsou v sérii. Vznikne tak prostor se dvěma regiony 1, 6, konverzním regionem j_ a homogenizačním regionem 6. Je žádoucí, aby v takto složeném kompletním lavicím prostoru vykazoval konverzní region i dostatečnou kapacitu na ohřev i konverzi vsázky 5, a to v objemu konverzního regionu 1 zhruba srovnatelném s objemem homogenizačního regionu 6. Takže, výsledné zařízení ze dvou spojených regionů 1, 6 by bylo rovněž poměrně malé. Navrhovaný první konverzní region 1 sklářské tavící pece podle tohoto vynálezu, který je předsazen homogenizačnímu regionu 6 s řízeným prouděním, splňuje tento požadavek.

Konkrétní řešení konverzního regionu 1 podle tohoto vynálezu počítá s příkonem energie do konverzního regionu 1 dostačujícím pro přeměnu vsázky 5 na sklo v množství, které odpovídá až stovkám tun skla za den, s využitím srovnatelného podílu energie dodávané z elektrod 3 a tepla spalin z hořáků 4, s kontrolovaným umístěním a rozmístěním elektrod 3 v tavenině 13 a hořáků 4 v konverzním regionu las vlastním objemem, který po sečtení s objemem homogenizačního regionu 6 dosáhne nejvýše desítek m³ (pro srovnání: tavící objem klasické pece středního až vyššího tavícího výkonu se pohybuje kolem 100 m³, tavící plocha 80 až 100 m³ podle hloubky taveniny 13). Konverzní výkon nového konverzního regionu 1 podle tohoto vynálezu se přitom přibližuje homogenizačnímu výkonu druhého homogenizačního regionu 6. Nový konverzní region 1 sklářské tavící pece určený pro konverzi vsázky 5 na taveninu 13 není od dalšího homogenizačního regionu 6 pevně oddělen, je však funkčně samostatný. Hladina taveniny 13 v konverzním regionu 1 sklářské lavicí pece je částečně nebo zcela zakryta vrstvou vsázky 5. Velikost konverzního regionu 1 a stupeň pokrytí hladiny taveniny 13 závisí na očekávaném výkonu. Běžně se očekává úplné zaplnění konverzního regionu 1 vsázkou 5. V zájmu vysokého tavícího výkonu je v některých případech možné, aby vsázka 5 částečně zasahovala i do druhého homogenizačního regionu 6. Homogenizační region 6 jako druhá část tavícího prostoru má nastaveno řízené proudění taveniny 13 a tento region 6 je přisazen k navrhovanému konverznímu regionu 1 pro rozklad sklářské vsázky 5.

Podle obr. 1 má navrhovaný konverzní region 1 dva boční vstupy 2 sklářské vsázky 5 v úrovni hladiny skelné taveniny 13. Vstupy 2 se většinou uvažují uprostřed bočních stěn 10 a jejich šířka

CZ 2019 - 747 A3 zabírá kolem poloviny délky boční stěny 10 konverzního regionu 1, vdaném konkrétním případě je, např. 1 m. Umístění vstupů 2 v bočních stěnách 10 proti sobě není závazné, má však výhodu pro konverzi vsázky 5 na sklo při zaplnění konverzního regionu 1 vsázkou 5. Oba proudy vsázky 5 mířící proti sobě se střetávají v blízkosti podélné osy konverzního regionu 1, zpomalují se, a tím se v daném místě urychluje rozklad vsázky 5. Vzhledem k rozměru, kapacitě a podmínkám v dalším homogenizačním regionu 6 tavícího prostoru pece a k prvním modelovým zkušenostem s konverzí vsázky 5, má základní varianta navrhovaného konverzního regionu 1 sklářské tavící pece, např. šířku 6 m, délku bočních stěn 10 má 2 m. Takže plocha hladiny taveniny 13 navrhovaného konverzního regionu 1 má 12 m²; a při výšce hladiny taveniny 13 odpovídající 1 m má objem 12 m³. Tím odpovídá navržené velikosti homogenizačního regionu 6, který má objem 12,44 m³. Při dimenzování kapacity a rozmístění topných elementů konverzního regionu 1 se vychází z kapacity homogenizačního regionu 6 pece, který při úplném rozpuštění vstupujícího sklářského písku a odstranění vstupujících bublin dosahuje až 6 až 7 kg/s (kolem 500 až 600 t/den), při průměrné teplotě procesu, která je 1420 °C [4] a při maximálním dovoleném zatížení topných zdrojů. Pro konverzi odpovídajícího množství vsázky 5 a částečné utavení odpovídajícího množství skla je konverzní region 1 vybaven kombinovaným ohřevem hořáky 4 a elektrodami 3, kde podíl elektrodami 3 dodaného Joulova tepla z celkové energie dodané do konverzního regionu 1 je poloviční až většinový. Vertikální elektrody 3 ze dna 7 se špičkami 12 nacházejícími se blízko vrstvy vsázky 5 jsou jedno fázově či třífázově zapojeny do pravidelných formací; a celkově rozmístěny tak, že jejich přímý topný vliv zahrnuje celý dolní povrch vrstvy vsázky 5. Snahou navrženého rozmístění elektrod 3 je rovněž vyvolat v tavenině 13 vertikální horké proudy, které míří kolmo k dolní straně vsázky 5 a urychlit tak přenos tepla do vsázky 5 konvekcí. Vertikální hořáky 3 umístěné v klenbě 8 konverzního regionu 1 jsou rovněž namířeny kolmo k hornímu povrchu vsázky 5 a jsou rozmístěny tak, aby spaliny omývaly celý horní povrch vsázky 5. V daném konverzním regionu 1 je tedy umístěna vysoká koncentrace topné energie, která je elektrodami 3 i hořáky 4 nasměrována k vrstvě vsázky 5. Vsázka 5 v běžných případech pokrývá část nebo celou hladinu navrhovaného konverzního regionu L Spaliny odcházejí nad hladinou do druhého homogenizačního regionu 6 pece a mohou částečně hradit tepelné ztráty klenbou 8.

Na obr. 1 je uveden axonometrický pohled na konverzní region i sklářské tavící pece pro rozklad sklářské vsázky 5 s typickým uspořádáním topných elektrod 3 a hořáků 4.

Pro základní variantu je navrženo 8 vertikálních hořáků 4 v klenbě 8, jejichž rozmístění je uvedeno na obr. 2. Poloha osmi hořáků 4 v klenbě 8 je znázorněna kroužkované. Hořáky 4 jsou nasměrovány přímo na horní povrch vrstvy vsázky 5. V každé polovině konverzního regionu 1 jsou umístěny tři hořáky 4 do trojúhelníku blízko vstupu vsázky 5, dva hořáky 4 za sebou jsou pak umístěny v ose vstupů 2 blíže středu konverzního regionu 1. Tím se dosahuje dobrého pokrytí vsázky 5 horkými spalinami. Spaliny procházejí do druhého homogenizačního regionu 6 a odcházejí výdechem (výstupem) nad výstupem taveniny 13.

Obr. 3 pak ukazuje průměty umístění elektrod 3 do roviny XY konverzního regionu 1. Elektrody 3 jsou zde vyznačeny malými kroužky ve čtverečcích. Podle obrázku je v konverzním regionu 1 umístěno celkem 36 vertikálních elektrod 3 ve střídavých nebo řadových formacích, napájených jedno i třífázově.

Jouleovo teplo je uvažováno jako základní typ ohřevu, který bude mít vyšší kapacitu, než je uvažována pro otop plynem. Aby bylo případně dosaženo maximální homogenizační kapacity druhého homogenizačního regionu 6 kolem 7 kg/s (cca 600 t/den) [4], je třeba v prvním konverzním regionu 1 umístit značné množství zdrojů elektrické energie. Na utavení 1 kg skla/s ze vsázky 5 s 50 % střepů a ohřátí z pokojové teploty na průměrnou teplotu 1420 °C je třeba cca 2050 kW. Celková maximální kapacita ohřevu prvního konverzního regionu 1 by tedy měla být kolem 15 000 kW. Takto dochází v prvním konverzním regionu 1 k vysoké koncentraci energie, kterou je třeba soustředit blízko vrstvy vsázky 5. Při společném provozování obou regionů 1, 6 sklářské pece se předpokládá, že bude dosaženo maximálního tavícího (konverzního) výkonu

CZ 2019 - 747 A3 o něco nižšího, než činí maximální výkon samotného homogenizačního regionu 6. Toto maximální množství utaveného skla ze vsázky 5 za optimálně dosažených podmínek v celé peci bylo odhadnuto mezi 400 a 500 t/den (5 až 6 kg/s). Důvodem pro snížení uvažované tavící kapacity je předpoklad plynoucí z předběžných výpočtů, podle nichž navrhovaný konverzní region 1 nemusí při vysokém průchodu vsázky 5 absorbovat veškerou dodávanou energii vzhledem k pomalejší kinetice absorpce tepla a rozkladu vsázky 5. Potřebné maximální celkové množství tepla se ztrátami se pak pohybovalo kolem 12 500 kW, na teplo dodané hořáky 4 se uvažuje zhruba 2500 kW. předpokládaný podíl elektrické energie z celkové dodané energie do konverzního regionu i je tedy 80 %. Pro dodávku Jouleova tepla je tak třeba do konverzního regionu i s objemem 12 m³ (6x2x1 m) umístit elektrické zdroje o výkonu kolem 10 000 kW. Toto vysoké množství energie vyžaduje technicky řešitelné a z hlediska procesu otopu a konverze vsázky 5 výhodné umístění zdrojů.

Pro otop byly zvoleny dlouhé vertikální elektrody 3 ze dna 7 konverzního regionu 1, takže do poměrně malého prostoru je jich možno umístit potřebné množství. Elektrody 3 mají průměr 76 mm, je však možno volit i elektrody 3 tlustší (např. 100 mm), délka elektrod 3 v konverzním regionu i je 0,8 až 0,9 m. Značná délka elektrod 3 umožňuje dodat do taveniny 13 maximální množství energie a velký podíl energie umístit přímo pod vsázku 5, kde jsou špičky 12 elektrod 3. Pro tavení je třeba využít celého prostoru konverzního regionu 1 a respektovat obvyklé minimální vzdálenosti mezi elektrodami 3 (cca 300 mm). Standardní případ pak uvažuje v prostoru každého vstupu 2 umístění 4 trojic vertikálních elektrod 3 v třífázovém zapojení (počet trojic může být zvýšen na 6). Uprostřed mezi vstupy 2 jsou umístěny podél podélné osy pece dvě řady elektrod 3, každá řada v počtu 6 (v případě 4 trojic třífázově zapojených elektrod 3) nebo jedna řada v podélné ose pece rovněž v počtu 6 elektrod 3 (v případě rozšíření počtu trojic elektrod 3 u jednoho vstupu2ze 4 na 6). Tyto elektrody 3 jsou zapojeny jednofázově. Celkem je tedy v základní variantě v prvním konverzním regionu 1 umístěno 36 elektrod 3.

Rozmístění elektrod 3 v prvním konverzním regionu i v řezu XY prezentuje již zmíněný obr. 3. Ve zde uvedeném příkladu bylo celkem dodáváno 2590 kW do hořáků 4 a 6130 kW Jouleova tepla do elektrod 3, podíl Joulova tepla z celkově dodané energie byl tedy 70,3 %. Do třífázově zapojených elektrod 3 bylo dodáváno celkem 4360 kW a do centrálních jednofázově zapojených elektrod 3 ve dvou řadách celkem 1770 kW. Energie do jednotlivých typů zapojení byla rozdělována rovnoměrně. Na vstupní konverzní region i pak navazuje homogenizační region 6. jehož předpokládané, avšak zatím nepotvrzené umístění je na obr. 3 naznačeno. Výkony obou regionů 1 a 6 pece musí být v konečné fázi sladěny, vzájemný vztah příkonů do obou regionů 1 a 6 pece je vyjadřován podílem celkové energie dodávané do konverzního regionu 1 pece z celkové energie dodávané do obou regionů 1 a 6, tento podíl se vyjadřuje symbolem ki. Úkolem tohoto příkladu je nalézt podmínky pro vysoký konverzní výkon konverzního regionu 1, který bude srovnatelný se známou homogenizační kapacitou druhého regionu 6.

Jsou možná i jiná rozmístění elektrod 3 než zde uvedená, avšak navržené poměrně rovnoměrné rozmístění elektrod 3 pod plochou sklářské vsázky 5 se ukázalo jako výhodné z hlediska konverze vsázky 5 na skelnou taveninu 13 a následné homogenizace taveniny 13 v homogenizačním regionu 6 části pece. Celkově je v konverzním regionu 1 vysoká specifická koncentrace energie, dlouhé vertikální elektrody 3 pak ohřívají taveninu 13 především u svých hrotů 12 nacházejících se blízko dolnímu povrchu vsázky 5, takže vysoká koncentrace energie se soustřeďuje především do vrstvy taveniny 13 pod povrchem vsázky 5. Rovněž kinetické podmínky jsou velmi příznivé, neboť kolmo ke vsázce 5 je podél elektrod 3 vysílána rychle proudící tavenina 13 podstatně vyšší teploty (1480 až 1500 °C), než je průměrná teplota v konverzním prostoru 1 (1420 °C).

Ve skelné tavenině 13 se pak objevují žádané cirkulační buňky vertikálního vzestupného a sestupného proudění. Stoupající horká tavenina 13 se u povrchu vsázky 5 a po intenzivním styku s vrstvou vsázky 5 mísí s chladnou taveninu 13 vzniklou tímto kontaktem. Ochlazená tavenina 13 se rychle odstraňuje od povrchu vsázky 5 sestupným cirkulačním proudem buňky. Na proudění

CZ 2019 - 747 A3 se podílí i hořáky 4, neboť v místě styku spalin se vsázkou vzniká konverzí vsázky 5 opět tavenina 13. která vsázkou 5 protéká a vytváří rovněž místa klesající taveniny 13 pod vsázkou 5, která mohou být samostatná, nebo se spojí s místy klesání chladné taveniny 13 vzniklé ohřevem elektrodami 3. Definitivně vzniklá struktura vertikálního cirkulačního proudění (buňkového) je pak výsledkem účinku ohřevu elektrodami 3 a hořáky 4 a klesání chladné taveniny 13 vzniklé utavením vsázky 5. Pokud není povrch taveniny 13 v navrhovaném konverzního regionu 1 zcela zaplněn vsázkou 5, dodává se teplo do vsázky 5 elektrodami 3 pod volnou hladinou a přímým stykem spalin s hladinou taveniny 13. Vzniklými intenzivními vertikálními cirkulacemi taveniny 13 je snižován vertikální teplotní gradient v tavenině 13. což je výhodné pro nastolení řízeného toku taveniny 13 v druhém homogenizačním regionu 6 pece. Za daných podmínek teplotních i konvektivních se v tomto případě a dalších v nastaveních s hladinou taveniny 13 zaplněnou i ne zcela zaplněnou vsázkou 5 dosahovalo specifické konverzní rychlosti vsázky 5 mezi 0,27 až 0,30 kg/(m²s).

Typický charakter vznikajícího buňkového proudění vdaném příkladu ukazuje v obr. 4 příčný řez navrhovaným konverzním regionem L Pro vyhodnocení konverzní funkce daného rozmístění vertikálních elektrod 3 byl zvolen případ odpovídající průtoku taveniny 13 o hodnotě 3,826 kg/s při hodnotě podílu ki = 0,863, kde ki představuje podíl energie dodané do konverzního regionu 1 z celkové dodané energie. Za těchto podmínek byla hladina celého konverzního regionu 1 zaplněna vsázkou 5. Na obr. 4 jsou těsně pod fázovým rozhraním rovněž vidět malé trychtýřky klesající taveniny 13 nižší teploty, které vznikají účinkem jak elektrod 3 tak hořáků 4. Jejich místo ve vrstvě vsázky 5 je v obrázku vyznačeno vertikálními šipkami. Tyto trychtýřky jsou někdy výsledkem spolupráce elektrod 3 s hořáky 4, jindy patří jen jednomu zdroji tepla.

Hodnoty, dosažené specifické konverzní rychlosti Msbatch [kg/(m²s¹)] vsázky 5 na taveninu 13 pro další případy v tomto konverzním regionu 1 v obr. 1 až 3, jsou pak uvedeny na obr. 5. Číselné hodnoty v legendě obr. 5 udávají průtok taveniny 13 konverzním regionem 1 v kg/s. Je zřejmé, že hodnoty specifické konverzní rychlosti přibližně lineárně rostou s hodnotou ki, tj. s rostoucím energetickým zatížením konverzního regionu L

Typ konverze vsázky 5 odtavováním v navrhovaném konverzním regionu 1 se tedy liší od konverze vsázky 5 v klasické horizontální peci s převládajícím ohřevem spalinami a se silným a rozsáhlým podélným cirkulačním prouděním.

V novém konverzním regionu 1 podle tohoto vynálezu existuje v tavenině 13 u fázového rozhraní vysoký teplotní gradient po celé ploše pokryté vsázkou 5 a současně slouží velká plocha vsázky 5 pro přímé předávání tepla z elektrod 3 do vsázky 5. Tato plocha vzniká u dolní hranice 15 vsázky 5 radiálním rozlitím kolmo přitékající horké taveniny 13 proudící od špiček 12 elektrod 3, další část plochy pak slouží pro vertikální odstraňování vzniklé chladné taveniny 13. Odtavování vsázky 5 horkou taveninou 13 a odstraňování chladné taveniny 13 pobíhá tedy v celé vsázkou 5 pokryté ploše. Lze pak předpokládat, že za podmínek intenzivní místně proměnné konvekce se dosahuje i vyšší hodnoty efektivního součinitele přestupu tepla. Jsou pak splněny podmínky vysokého gradientu, velké styčné plochy i vysoké hodnoty součinitele přenosu pro intenzivní tok tepla do vsázky 5 z taveniny 13. Přímý styk spalin, které se pak rozlévají prakticky po celém horním povrchu vsázky 5, zajišťuje dobrý přenos tepla i shora. Efekt daného typu ohřevu a vzniklého typu vertikálního buňkového proudění je využitelný i v tavících prostorech s vertikálním průchodem taveniny 13, kdy se vsázka 5 nakládá současně na celou hladinu konverzního regionu 1 (jako v celoelektrické peci). Buňkové proudění zde vzniká pouze účinkem elektrod 5, utavené sklo vzniká pouze zespoda a je odváděno do navazujícího homogenizačního regionu 6.

Typ ohřevu a proudění i průměrná teplota nastolené vertikálními elektrodami 3 v poměrně hustém uspořádání a vertikální hořáky 4 v konverzním regionu 1 až trojnásobně zvyšují specifickou konverzní rychlost vsázky 5. Ve zkoumaných případech byl podíl z celkové energie určený pro dodávku pod vsázku 5 a do hořáků 4 vysoký (ki>0,T) a bylo tedy k dispozici dost

CZ 2019 - 747 A3 energie pro odtavování vsázky 5 silným vertikálním cirkulačním prouděním taveniny 13. Jak je zřejmé z obr. 5, specifická konverzní rychlost podle očekávání stoupala s podílem celkové energie určené do oblasti vsázky 5. Maximální hodnoty byly dosahované pro £/=0,90 až 0,95. Vysoká hodnota £/ je posléze výhodná i pro efektivní spojení s homogenizačním regionem 6, neboť je potřebná pro nastolení efektivního uniformního nebo spirálovitého proudění v tomto homogenizačním regionu 6.

Centrální řada nebo dvě centrální řady elektrod 3 v oblasti podélné osy navrhovaného konverzního regionu 1 pomáhají pak přenášet teplo k hranici vsázky 5 a podporují dokončení konverze vsázky 5 i vznik spirálovitého toku taveniny 13, který je velmi efektivní v následujícím homogenizačním regionu 6 pece (viz příčné cirkulace ve střední části obr. 4).

Z uvedeného je zřejmé, že charakter proudění v konverzním regionu 1 pece se nepodobá proudění nastavovanému v následném v homogenizačním regionu 6, přičemž konverzní region 1 je spíše uspořádaný mísič než prostor s laminámím souběžným tokem. Výsledná pec bude tedy zařízením s dvěma značně odlišnými a řízenými charaktery toku a spojením obou regionů 1, 6 bude třeba dosáhnout zachování těchto odlišných charakteru mísiče a navazujícího uniformního nebo spirálovitého toku.

Zaplnění konverzního regionu 1 vsázkou 5 a průběh konverze vsázky 5 jsou dále demonstrovány následujícími obr. 7 a 8.

Obr. 7 s pohledem na vsázku 5 plovoucí na hladině taveniny 13 ukazuje, že vsázka 5_částečně vnikla do druhého homogenizačního regionu 6. Pruh vyšší teploty v podélné ose konverzního regionu 1 (tmavší odstín) indikuje zvýšenou konverzi vsázky 5 v místě střetu obou jejích proudů. Průtok taveniny 13 činil 3,826 kg/s při hodnotě £/=0.863.

Obr. 8 pak ukazuje pohled shora na vertikální proudové buňky pod fázovým rozhraním vsázky 5 a taveniny 13 v prvním konverzním regionu 1. Jedná se o vrcholy těchto vertikálních buněk, které mají přibližně tvar šestiúhelníku. Tmavší místa vysokých teplot se objevují nad špičkami 12 elektrod 3 a jsou oblastmi vzestupného toku taveniny 13 kolem elektrod 3, které odtavují vsázku 5. Světlejší prstence jsou oblasti nižších teplot se sestupnými proudy taveniny 13. Hodnoty průtoku taveniny 13 a hodnota £/ jsou stejné jako na obr. 7.

Dosahovaný výkon 3,83 kg/s (328 t/den) v daném příkladu (a v dalších dvou příkladech na obr. 5 se stejným průtokem) je prozatím menší, než odpovídá maximální homogenizační kapacitě druhého homogenizačního regionu 6 pece. Proto vznikne v homogenizačním regionu 6 tavící rezerva. Při odstraňování této rezervy bude třeba, aby konverzní výkon vsázky 5 stoupal, a to se bude dít zvyšováním podílu energie dodané do prvního konverzního regionu 1 podle obr. 5, nebo jak indikují další výsledky, malým poklesem podílu elektrické energie dodávané do konverzního regionu L Konečnou hodnotu konverzního výkonu je však možné zjistit až harmonizací s průběhem tavících dějů (rozpuštění písku, odstraňování bublin) v homogenizačním regionu 6 pece. Demonstrovaný případ ale ukazuje, že zvolený tvar, rozměr a způsob ohřevu konverzního regionu 1 mají přijatelně vysokou kapacitu pro efektivní konverzi vsázky 5 na taveninu 13.

Příklad 2 (obr. 9 až 13)

Předmětem příkladu je alternativní konverzní region 1 pro přeměnu sklářské vsázky 5, který má stejné rozměry jako v předchozím případu, avšak s předpokladem budoucí adaptace konverzního regionu 1 se smíšeným ohřevem na celoelektrickou pec. Proto byla zvýšena kapacita elektrického ohřevu pod vrstvou vsázky 5 na cca 12 000 kW. Ve zde navrhovaném konverzním regionu 1 bylo zachováno stejné uspořádání hořáků 4 jako v příkladu 1. Axonometrický pohled na dolní část konverzního regionu 1 s elektrodami 3 poskytuje obr. 9. Konverzní region 1 má opět dva boční vstupy 2 vsázky 5. U každého vstupu 2 je nyní v řadách po dvou umístěno 6 trojic elektrod 3 v třífázovém zapojení, celkem je tedy v regionu umístěno 12 trojic třífázově zapojených

CZ 2019 - 747 A3 elektrod 3. V podélné ose konverzního regionu 1 je umístěna řada 6 jednofázově zapojených elektrod 3, takže celkový počet elektrod 3 v navrhovaném konverzním regionu 1 je 42. Vertikální elektrody 3 mají průměr 100 mm, jejich délka je 0,8 m, přičemž délku je možno zvětšit ještě na 0,9 m (testováno). Konverzní region i je shora vytápěn opět osmi vertikálními hořáky 4 ve stejné konfiguraci jako v příkladu 1 (obr. 2). V daném ověřovacím případě je dodáváno 1834 kW hořáky 4 a 6254 kW elektrodami 3, takže podíl Jouleova tepla z celkově dodávané energie činí 77,3 %. Do třífázově zapojených elektrod 3 bylo dodáváno rovnoměrně 5538 kW, do centrální řady jednofázově zapojených elektrod 3 celkem 716 kW.

Pohled shora s detailním uspořádáním elektrod 3 a pohled na vsázku 5 mírně zasahující do druhého homogenizačního regionu 6 pece jsou schematicky vyobrazeny na obr. 10 a 11.

Obr. 10 v pohledu shora ukazuje, že v tomto případě jev každé polovině konverzního regionu 1 umístěno 6 trojic třífázově zapojených elektrod 3 a v podélné ose konverzního regionu 1 je umístěna řada šesti elektrod 3 jednofázově zapojených.

Obr. 11 ukazuje povrch vsázky 5 plovoucí na hladině taveniny 13 v řezu XY, kdy vsázka 5 ještě zcela nezaplnila konverzní region 1, avšak zasahuje částečně do homogenizačního regionu 6. Za těchto podmínek činil průtok taveniny 13 3,50 kg/s a hodnota ki byla rovna 0,87.

V daném případě docházelo rovněž k intenzivnímu odtavování vsázky 5 horkými vertikálními proudy taveniny 13 od elektrod 5. Tvar vrcholů proudových buněk kolem jednotlivých elektrod 3 je při pohledu shora méně výrazný než v předchozím příkladu, viz obr. 12, kde tmavší odstín vrcholů buněk opět znázorňuje vzestupný proud horké taveniny 13 a světlejší místa sestupný proud s odtavenou skelnou taveninou 13. Tmavá oblast kolem podélné osy znázorňuje volnou hladinu s vysokou teplotou. Konverzní výkon konverzního regionu 1 činil pak zmíněných 3,50 kg/s (302,4 t/den) a dosažená specifická rychlost odtavování vsázky 5 byla 0,294 kg/(m²s^-1). Charakter buňkového proudění zůstal zachován.

Obr. 13 ukazuje v příčném řezu (YZ) teplotní pole taveniny 13 kolem elektrod 3 i ve spalovacím prostoru konverzního regionu i v blízkosti vrstvy vsázky 5 a charakter vertikálního cirkulačního proudění v tavenině 13. Charakter tohoto proudění, vyvolaného ohřevem elektrodami 3, hořáky 4 i klesáním chladné taveniny 13 z utavené vsázky 5, je podobný jako v příkladu 1. Nástup sestupných proudů taveniny 13 vznikající ze vsázky 5 je opět označen šipkami.

V daném případě byl získán průměrný specifický konverzní výkon vsázky 5 (0,294 kg/(m²s), který může být ještě nepatrně zvětšen při zvýšení hodnoty ki. Celková konverzní kapacita konverzního regionu 1 302,4 t/den se při harmonizaci konverzního výkonu s výkonem homogenizačního regionu 6 sklářské pece musí zvýšit zvětšením hodnoty ki (podobně jako ukazuje obr. 5 pro příklad 1) nebo změnou poměru množství elektrické a spalovací energie, výjimečně může být zvětšen celý konverzní region 1 pro konverzi vsázky 5 až do dosažení příslušné kapacity homogenizačního regionu 6.

Příklad 3 (Obr. 14 až 19)

Předmětem příkladu je další alternativní konverzní region 1 stejného tvaru jako v předchozích dvou případech, avšak navrhovaný konverzní region 1 je prodloužený v zájmu zvýšení konverzní kapacity. Délka konverzního regionu 1 se takto z původních 2 m zvýšila na 2,75 m, jeho šířka zůstává na 6m a prostor má dva boční vstupy 2 široké 1,5 m, které jsou umístěny centrálně v podélných bočních stěnách 10. Navrhovaný objem konverzního regionu 1 pro konverzi vsázky tak činil 16,5 m³. Axonometrický pohled na dolní část konverzního regionu 1 s elektrodami 3 poskytuje obr. 14, průměty vertikálních hořáků 4 v klenbě 8 do roviny XY navrhovaného konverzního regionu 1 jsou ukázány v obr. 15 a průměty rozložení elektrod 3 ve dnu 7 v obr. 16. Hořáky 4 jsou vyznačeny dvojitými kroužky, topné elektrody 3 kroužky ve čtverečcích.

CZ 2019 - 747 A3

V konverzním regionu 1 je u každého vstupu 2 umístěno 9 trojic třífázové zapojených elektrod 3 (ve třech řadách po třech trojicích), v podélné ose konverzního regionu 1 je umístěna řada osmi jednofázově zapojených elektrod 3. Celkem je v konverzním regionu 1 instalováno 62 elektrod 3. Průměr elektrod 3 činí 100 mm. Nad hladinou je v klenbě 8 umístěno 10 vertikálních hořáků 4. Jedná se o pět dvojic hořáků 4 po šířce konverzního regionu 1.

V konkrétním případě činil konstantní příkon energie do hořáků 4 3230 kW, energie byla do hořáků 4 rozmístěna rovnoměrně, příkon Joulova tepla do elektrod 3 v demonstrovaném případě činil 6900 kW, z toho 5645 kW do třífázově zapojených elektrod 3 a 1255 kW do jednofázově zapojených elektrod 3. Podíl elektrické energie v konverzním regionu i tedy činil 68,1 %. Energie byla v jednotlivých zapojeních rozmístěna rovnoměrně. Nastolený konverzní výkon činil 4,4 kg/s při hodnotě £/=0,85.

Pokrytí hladiny plovoucí vsázkou 5 v daném případě při pohledu shora ukazuje obr. 17. Pruh vyšší teploty v podélné ose konverzního regionu 1 (tmavší místo) indikuje zvýšenou konverzi vsázky 5. Vsázka 5 tento konverzní region 1 opět zcela zaplňuje.

V konverzním regionu 1 se opět vyvinuly konvekční buňky, jejichž vrcholy pod vrstvou vsázky 5 při pohledu shora demonstruje obr. 18. Buňky jsou místy deformovány rychlým horizontálním tokem taveniny 13. Na obr. 18 je znázorněno teplotní pole taveniny 13 kolem elektrod 3 v blízkosti vrstvy vsázky 5 a charakter vertikálního cirkulačního proudění vyvolaného ohřevem elektrodami 3 s hořáky 4 a klesáním taveniny 13 vzniklé utavením vsázky 5. Sytější zabarvení uprostřed vrcholů buněk označuje vzestupný proud taveniny 13 jako v předchozích případech.

Teplotní pole taveniny 13 kolem elektrod 3 v blízkosti vrstvy vsázky 5 a charakter vertikálního cirkulačního proudění vyvolaného ohřevem elektrodami 3 s hořáky 4 a klesáním taveniny 13 vzniklé utavením vsázky 5 (označeno šipkami) v konverzním regionu 1 pak ukazuje obr. 19 v příčném řezu konverzním regionem j. (YZ řez). Průtok taveniny 13 činí 4,40 kg/s. a hodnota £/=0,8. Za daných podmínek při zmíněném průtoku taveniny 13 4,4 kg/s (380t/den) činila specifická konverzní rychlost vsázky 5 0,264 kg/s. Zvýšení hodnoty Msbatch se dosáhne zvýšením ki při harmonizaci výkonu navrhovaného konverzního regionu 1 s výkonem druhého homogenizačního regionu 6 pece.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Sklářská tavící pec s konverzním regionem (1) na přeměnu sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13, zahrnující:

   konverzní region (1) s vrstvou sklářské vsázky (5) na roztavené skelné tavenině (13), který obsahuje dno (7), protilehlé boční stěny (10) a čelní stěnu (14), je opatřený dvěma bočními vstupy (2) a je otápěný topnými elektrodami (3) a plynovými hořáky (4); a na konverzní region (1) navazující homogenizační region (6), který je otápěný celoelektricky pro homogenizaci skelné taveniny (13), vyznačující se tím, že konverzní region (1):

   a) je opatřen na každé protilehlé boční stěně (10) bočním vstupem (2);

   b) je osazený tyčovými vertikálními elektrodami (3) umístěnými ve dnu (7) a vertikálními plynovými hořáky (4) umístěnými v klenbě (8);

   c) má rozmístěny topné tyčové vertikální elektrody (3) po celé ploše dna (7) a vertikální plynové hořáky (4) po celé ploše klenby (8) v pravidelných formacích;

   d) má osy (9) vertikálních elektrod (3) uspořádaných v minimálním odstupu 0,3 m od sebe a od stěn (10, 14);

   e) má osy (11) vertikálních hořáků (4) uspořádané v minimálním odstupu 0,5 m od sebe a od stěn (10, 14); a

   f) má špičky (12) elektrod (3) vzdáleny od spodního povrchu vrstvy sklářské vsázky (5) maximálně 0,4 m.
2. 2. Sklářská tavící pec podle nároku 1, vyznačující se tím, že konverzní region (1) má podíl elektrické energie topných elektrod (3) k celkové energii dodané do konverzního regionu (1) topnými elektrodami (3) a hořáky (4) alespoň 50 %.
3. 3. Sklářská tavící pec podle nároku 1 až 2, vyznačující se tím, že topné vertikální elektrody (3), s délkou dosahující bezprostředně k povrchu sklářské vsázky (5), jsou tyčové molybdenové elektrody (3).
4. 4. Sklářská tavící pec podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že topné vertikální plynové hořáky (4) jsou otápěný zemním plynem se vzduchem nebo kyslíkem.
5. 5. Sklářská tavící pec podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že topné vertikální plynové hořáky (4), jsou otápěný vodíkem se vzduchem nebo kyslíkem.
6. 6. Způsob konverze sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13) ve sklářské tavící peci podle nároku 1 až 5, vyznačující se tím, že elektrodami (3) a plynovými hořáky (4) se přivádí do konverzního regionu (1) 6000 až 14 000 kW pro konverzi skelné vsázky (5) na skelnou taveninu (13) pro vznik 3 až 7 kg skla za sekundu.

   CZ 2019 - 747 A3
7. 7. Způsob konverze sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13) ve sklářské tavící peci podle nároku 6, vyznačující se tím, že konverzní rychlost přeměny sklářské vsázky (5) na skelnou taveninu (13) je v rozmezí 0,25 až 5 0,30 kg.m^-2 s'¹.

   19 výkresů

   Seznam vztahových značek

   1 konverzní region

   2 boční vstup do konverzního regionu

   3 elektroda

   4 plynové hořáky

   5 sklářská vsázka

   6 homogenizační region

   7 dno konverzního regionu

   8 klenba konverzního regionu

   9 osa elektrody

   10 boční stěna konverzního regionu

   11 osa hořáku

   12 špička elektrody

   13 skelná tavenina

   14 čelní stěna konverzního regionu

   15 hranice sklářské vsázky