Appareil échangeur de chaleur Le présent brevet se rapporte à un appareil échangeur de chaleur employé dans le traitement d'une feuille de verre, comprenant des parois réfrac taires en une matière ayant un pouvoir d'émission ou d'absorption d'au moins 50 % de celui d'un corps noir.
Cet appareil échangeur de chaleur peut être uti lisé pour refroidir aussi bien que pour chauffer. Quand un ruban, une feuille ou une matière ayant une autre forme doit être refroidi d'une façon con trôlée, il est tout à fait important que l'appareil échangeur de chaleur constitue un absorbeur de cha leur aussi uniforme et parfait que possible car, autre ment, le taux de refroidissement ne peut pas être contrôlé de façon convenable ou ne peut être utilisé avec l'efficacité maximum respectivement.
Puisque le pouvoir émissif d'un corps chaud rela tivement à la zone qui l'entoure est le même que sa capacité d'absorption quand il est plus froid que la zone qui l'entoure, le terme pouvoir émissif tel qu'il est utilisé dans la description couvre à la fois la capacité d'émission et la capacité d'absorption.
L'appareil suivant l'invention est caractérisé par le fait que les parois présentent des surfaces lisses et sont disposées en un ordre successif l'une par rapport à l'autre de sorte que deux parois succes sives délimitent entre elles un angle pour former une série de cavités adjacentes formant des angles de sommet aigu, une source de chaleur ou de refroi dissement étant prévue à proximité immédiate des parois, l'angle de sommet des cavités étant choisi de sorte que, par une réflexion intérieure, le pouvoir total d'émission ou d'absorption des cavités est sen siblement égal à l'unité.
La matière formant les cavités est choisie parmi celles ayant un pouvoir émissif d'au moins 50 % de celui d'un corps noir, car des taux de pouvoir émissif moindre ne permettraient pas d'approcher après multiples réflexions les caractéristiques d'un corps noir. Les parois formant les cavités peuvent être faites de matière réfractaire ou de métal sui vant leur utilisation.
Une composition de silice et d'argile est particulèrement efficace comme élément radiant, bien que la silice pure et des compositions contenant aussi peu que 50 % de silice et 50 % d'argile soient efficaces. Pour l'absorption d'un rayonnement, on a utilisé avec succès des aciers étirés à froid pour le refroidissement des feuilles de verre étirées. Cependant, d'autres matières réfrac taires peuvent être utilisées suivant les températures du milieu ambiant, considéré dans l'opération d'échange de chaleur.
Le terme réfraclaire utilisé ici comprend aussi toutes matières résistant à des chaleurs à haute tem pérature, y compris les matières siliceuses et les métaux tels que l'acier.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, des formes d'exécution de l'objet de l'invention, ainsi que des variantes de construction.
La fig. 1 est un diagramme schématique de rayons montrant comment est déterminée la géo métrie d'une cavité angulaire.
La fig. 2 est un diagramme montrant comment varie le pouvoir émissif d'une cavité (porté en ordon nées) avec le pouvoir émissif de la matière réfrac taire (porté en abscisses) utilisée pour former la structure réfractaire, l'énergie radiante étant émise sans réflexion, avec une réflexion, deux réflexions, trois réflexions, quatre réflexions, avant d'atteindre la zone visée. Ce diagramme est également vrai pour l'absorption d'énergie radiante venant frapper la cavité et émanant de la zone visée.
La fig. 3 est un diagramme qui montre la varia tion du pouvoir émissif ou du pouvoir d'absorption d'une cavité angulaire (porté en ordonnées) en fonc tion du rapport de la profondeur de la cavité à la largeur de son ouverture (porté en abscisses).
La fig. 4 est une vue en bout d'un échangeur de chaleur utilisé comme élément de chauffage dans un four, des fragments des échangeurs de chaleur voisins étant aussi représentés.
La fig. 5 est une vue similaire à la fig. 4 d'une variante de construction d'un élément de chauffage. La fig. 6 est une vue partielle prise à 90 de la fig. 5, correspondant à celle-ci, et montrant comment les éléments de chauffage individuels sont groupés. La fig. 7 est une vue schématique d'un four dit horizontal utilisant des éléments de chauffage et dans lequel les jeux d'éléments de chauffage sont disposés suivant des plans horizontaux écartés l'un de l'autre.
La fig. 8 est une vue schématique d'un four dit vertical dans lequel les feuilles de verre ou de glace sont supportées verticalement par des pinces pour subir un traitement thermique, les éléments de chauf fage radiants étant disposés sur les parois opposées du four de chauffage.
La fig. 9 est une vue schématique d'une machine d'étirage d'une feuille de glace ou de verre utilisant des échangeurs de chaleur par radiation ou des absorbeurs d'énergie présentant approximativement les caractéristiques d'un corps noir.
La fig. 10 est une vue latérale d'une des séries d'échangeurs de chaleur radiante ou absorbant de l'énergie en direction de la flèche x indiquée à la fig. 9.
Les trois premières figures du dessin expliquent l'influence des facteurs grâce auxquels une cavité faisant partie d'un appareil échangeur de chaleur con forme à l'invention se comporte étroitement comme un ensemble de corps noir.
La fig. 1 montre les deux moitiés de l'angle d'une cavité angulaire formée entre deux parois à surface lisse. ROP désigne une ligne correspondant à une cible, telle que la surface d'une feuille de verre à chauffer par un dispositif de chauffage radiant ou à refroidir par un dispositif absorbant jouant le rôle de corps noir, et représente une surface coupée par l'angle solide d'une radiation de corps noir émanant de la cavité. L désigne la profondeur de la cavité angulaire.
W désigne la demi-largeur de la cavité ou la demi-largeur de la base d'un triangle isocèle formé en reliant les extrémités espa cées des deux parois latérales formant la cavité ; d désigne la distance entre la base du triangle iso cèle et la surface qui sert de cible. Si l'émission ou l'absorption par le plan de la cible ROP doit avoir un maximum constant, relativement insensible aux variations de la matière de la cavité, alors la cavité formée par les parois à surface lisse doit avoir un pouvoir émissif égal à celui d'un corps noir ou à l'unité.
Parce que la plupart des matières ont un pouvoir émissif inférieur à 1, il est nécessaire de construire la cavité en lui donnant une forme telle qu'on puisse utiliser tout le rayonnement réfléchi afin d'augmenter le rayonnement émis.
Dans le cas présent, la radiation émise par le point A de la cavité sur le point P du plan de la cible se compose de la radiation émise directement par le point A, de celle émise d'un point B et réflé chie au point A, de celle émise d'un point C et réfléchie aux points B et A vers le point P, etc. Si le pouvoir émissif de la matière utilisée pour les parois de la cavité est d'au moins 50 %, la combi naison de l'énergie émise et de l'énergie réfléchie s'approche asymptotiquement de l'unité.
La fig. 2 qui donne une comparaison du pouvoir émissif de la cavité en fonction du pouvoir émissif de la matière utilisée pour réaliser la cavité montre comment le pouvoir émissif d'un corps s'approche de l'unité quand on utilise des réflexions multiples. Pour une paroi droite, le pouvoir émissif est égal au pouvoir émissif de la matière choisie. Quand le nombre de réflexions internes s'accroît avant que l'énergie soit rayonnée de la cavité, le pouvoir émis- sif de la cavité s'approche de l'unité très rapidement, même avec des matières ayant un pouvoir émissif relativement bas.
Lorsqu'on désire une efficacité de 98 %, la fig. 2 montre qu'avec une matière ayant un pouvoir émis- sif de 50 %, pour la réaliser il faut former une cavité angulaire donnant au moins quatre réflexions internes. Avec une matière ayant un pouvoir émissif de 70 %, il suffit de deux réflexions internes pour parvenir à un pouvoir émissif de la cavité égal à 98 %.
La fig. 3 montre comment le pouvoir émissif d'une cavité s'accroit avec le rapport entre sa pro fondeur et la largeur de son ouverture. Cette figure montre que plus l'angle de la cavité est petit, plus celle-ci s'approche des caractéristiques d'un corps noir.
La fig. 1 montre que comme le point A com porte un grand nombre de composantes réfléchies qui renforcent le rayon venant du point A de la cavité et qui va au point P de la surface de cible, ce point A prend des caractéristiques voisines de celles d'un corps noir radiant par rapport au point P du plan de la cible. Le rayon représenté partant du point A vers le point P est un rayon extrême dans l'angle solide du rayonnement sensiblement égal à celui d'un corps noir qui émane de la cavité. Ce rayon comporte le nombre le plus petit possible de composantes réfléchies.
Ainsi, si l'on obtient un rayonnement analogue à celui d'un corps noir pour le rayon allant du point A au point P, alors il en résulte que le point A donne l'émission d'un corps noir pour n'importe quel autre point du plan de cible ROP.
Il s'ensuit que tout autre point de la cavité donne une émission maximum sur le plan de cible ROP. Par conséquent, la cavité joue le rôle d'un corps noir émetteur vis-à-vis du plan de cible. De façon analogue, si l'on désire utiliser l'appareil échangeur de chaleur dans des buts de refroidissement, le rayon nement émis par le plan de cible ROP est absorbé et la cavité se comporte comme un corps noir absorbeur.
En déterminant l'angle dièdre de la cavité pour une distance donnée du plan de cible, il est d'abord nécessaire de déterminer le nombre des composantes réfléchies requises pour augmenter le pouvoir émissif de la cavité pour qu'il se rapproche de l'unité. Ceci dépend du pouvoir émissif de la matière utilisée.
Sur la fig. 2, le pouvoir émissif de la cavité a été porté en fonction du pouvoir émissif de la matière réfractaire pour un nombre variable de com posantes réfléchies renfermant des rayons émis direc tement. A titre d'exemple, si la cavité est établie à partir d'une matière réfractaire ayant un pouvoir émissif de 0,80 et avec un angle tel qu'il se produise au moins deux composantes réfléchies, alors le pou voir émissif est au moins de 0,992.
Connaissant le nombre des rayons composants réfléchis désirés, l'angle de la cavité requis pour donner ce nombre de réflexions peut être déterminé. En se reportant à nouveau à la fig. 1, l'angle a qui est l'angle d'émission directe de la radiation allant du point A au point P peut être déterminé par l'équation
EMI0003.0011
formule dans laquelle W est la demi-largeur de la base de la cavité, h est la demi-largeur du plan de cible, d est la distance entre la cible et la base de la cavité et x est le demi-angle d'ouverture de la cavité.
De façon analogue, l'angle b du rayon émis par le point B et qui vient s'ajouter à l'émission du point A pour une première réflexion, est donné par la formule
EMI0003.0014
et c l'angle du rayon émis par le point C qui aug mente le pouvoir émissif du point A par une réflexion de second ordre est donné par la formule
EMI0003.0016
A partir de ces équations, l'angle d'ouverture de la cavité peut être déterminé pour toute matière réfractaire ayant un pouvoir émissif donné afin qu'un nombre suffisant de rayons réfléchis soit obtenu pour amener le pouvoir émissif de la cavité à une valeur sensiblement égale à l'unité. 98 % ou 99 % suffi sent dans la pratique.
Les dimensions de la cavité peuvent être obtenues par la relation
EMI0003.0018
W désignant la moitié de la largeur de la base de la cavité et L la profondeur de cette cavité. Sur la fig. 3, les courbes représentées corres pondent à une distance de 30,48 cm entre la base de la cavité et le plan de cible, ce plan de cible étant 1,2 fois plus large que la base de la cavité. Les courbes sont aussi valables pour une cavité plus éloignée de la cible que 30,48 cm. La surface de cible a été choisie plus large que la base de la cavité de façon que, lorsque les cavités sont placées côte à côte, leurs champs respectifs de corps noirs se che vauchent en donnant un champ uniforme.
Les fig. 4 à 8 montrent la construction d'éléments de chauffage individuels et leur disposition dans des fours variés pour chauffer des feuilles de verre.
Ces éléments d'échanges de chaleur présentent une structure réfractaire creuse désignée générale ment par la référence 10 qui est formée d'une matière ayant un pouvoir émissif d'au moins 50 %. Les élé ments peuvent être construits par coulée d'une bar botine formée d'un mélange de silice et d'argile de façon à assurer des surfaces lisses à ces éléments.
Une façon typique de procéder pour obtenir par coulée de barbotine des éléments réfractaires de 30,48 cm de long,<B>15,23</B> cm de large, 7,93 cm de haut avec des rainures de 4,4 cm de large et 4,4 cm de profondeur formés par des parois ayant une épaisseur de 3,17 mm; comporte le mélange de 81,645 kg de silice fondue broyée passant au tamis à mailles de 0,230 mm avec 54,430 kg d'argile ordi naire, en ajoutant ce mélange solide à une solution contenant 3000 cc de Na2p4O; dans 24,494 kg d'eau distillée pour former une barbotine.
La barbotine est versée dans un moule en plâtre de Paris dont les parois intérieures ont la forme désirée pour les parois extérieures de la pièce réfractaire. La barbotine se solidifie dans la partie adjacente du moule en plâtre de Paris à une vitesse correspondant à une épaisseur de 3,17 mm toutes les 10 minutes. Après 10 minutes, l'excès de barbotine est enlevé et la barbotine soli difiée est laissée à sécher à l'air pendant environ 10 minutes. Le moule est ensuite écarté de la bar botine et la barbotine est cuite à une température de 1179 C pendant 72 heures.
Il faut avoir soin de limiter la température de cuisson, car la silice fondue prend une forme très dilatée lorsqu'elle est cuite à des températures sensi blement plus élevées. Il faut aussi que la silice fon due utilisée soit d'un grain assez fin pour permettre l'obtention de surfaces lisses.
Chaque élément réfractaire 10 est conçu pour présenter une série de parois 12 à surface lisse s'éten dant longitudinalement le long d'axes parallèles lon gitudinalement à la pièce 10 et clans des plans orien tés obliquement l'un vis-à-vis de l'autre, où leurs surfaces extérieures lisses 14 forment des cavités 16 à section en V qui s'étendent côte à côte sur la longueur de l'élément 10.
Des parois additionnelles 18, 20 et 22 sont fixées aux parois 12 les plus extérieures des cavités 16 latérales de façon à former une chambre évidée 24 avec les surfaces intérieures 26 des parois 12. Les parois 18 et 22 de chaque élément réfrac taire sont disposées pour s'étendre en ligne suivant des plans parallèles normaux aux plans suivant les quels est disposée la paroi 20. Les parois 18 et 22 présentent un évidement près des coins qu'elles for ment avec la paroi 20. Une partie de chaque évide ment forme une rainure 28 s'étendant longitudinale ment à l'élément réfractaire 10 le long de chaque paroi 18 et 22. Un étrier 30 ayant une base 32 fixée à la structure du four se termine par des pinces 34 qui sont insérées dans les rainures 28 pour fixer l'élément réfractaire 10 à la structure du four.
Les éléments réfractaires 10 sont disposés en ensembles alignés longitudinalement et transversale ment côte à côte de façon que le groupe de ces élé ments réfractaires 10 présente des lignes continues de cavités 16 disposées côte à côte. Ceci est obtenu en faisant buter l'une contre l'autre la paroi 22 d'un élément réfractaire 10 contre la paroi 18 d'un élé ment voisin.
Les fig. 5 et 6 montrent une variante de construc tion des éléments réfractaires 10, ayant pour but d'assurer que les éléments 10 de chaque jeu soient convenablement alignés en direction longitudinale. Ce résultat est obtenu en enfilant des tiges 36 dans les rainures 28 et en raccourcissant suffisamment les parois 20 et les parties évidées des parois 18 et 22 pour recevoir des flasques 38 ajourés suspendus à des plaques 40 fixées à la structure du four. Les ouvertures des flasques 38 sont placées en aligne ment avec les rainures 28 lorsque les éléments réfrac taires 10 sont convenablement placés.
C'est pour quoi les tiges 36 passent dans les rainures 28 et dans les ouvertures alignées des flasques ajourés 38 afin d'assurer un alignement convenable des éléments réfractaires 10 et de leurs cavités 16 en forme de V.
Lorsque les cavités 16 sont utilisées comme corps noirs radiants, une source de chaleur est requise pour coopérer avec chaque élément réfractaire 10. Cette source peut être constituée par le passage de fluides chauffés, tels que des gaz de combustion, dans la chambre 24 évidée des éléments réfractaires 10. Etant donné que les parois 12 de l'élément réfrac taire 10 sont minces, de préférence d'un ordre de grandeur de 3,17 mm à environ 6,34 mm d'épaisseur, le niveau d'énergie radiante du rayonnement émis par les cavités 16 répond rapidement à la capacité thermique des gaz chauds passant à travers les cham bres évidées 24.
Un autre moyen de chauffage peut être un élé ment chauffant 42 à résistance électrique supporté dans chaque cavité angulaire 16 et s'étendant dans la direction longitudinale de celle-ci. Cependant, lors qu'on utilise ce dernier type de source de chauffage, il convient de prendre soin que l'élément chauffant 42 soit bien placé aussi profondément que possible dans sa cavité 16 et qu'il couvre un maximum d'en viron 10 % de la section transversale de l'ouverture de ladite cavité. Si ces précautions ne sont pas prises, l'élément chauffant par résistance électrique fait per dre à la cavité ses caractéristiques de corps noir.
Sur la fig. 7, les éléments réfractaires 10 sont utilisés dans un four du type tunnel horizontal ou arche 44 ayant un toit ou une voûte 46, un plan cher 48 et des parois 50. Des rouleaux transporteurs 52 sont montés entre les parois 50 de façon à pou voir tourner et sont entraînés de façon classique par un dispositif moteur d'entraînement, par exemple avec chaînes et roues à chaîne (non représentés). Les feuilles de verre, ou des supports pour ces feuil les, sont entraînés dans le four-tunnel lorsque les rouleaux 52 tournent.
Un jeu d'éléments réfractaires 10 est fixé au toit 46 et un autre jeu de ces éléments 10 est fixé au plancher 48 du four 44. Des dispositifs de con trôle 54 thermosensibles traversent les parois 50 et convergent sur des zones des surfaces d'émission des éléments réfractaires<B>10</B> pour vérifier et contrôler la chaleur utile des éléments de chauffage 42 à résis tance électrique montés dans l'angle de chaque ca vité 16.
Les éléments de résistance électrique sont reliés entre eux pour former des circuits résistants couplés à des fils d'amenée 56 dont chacun est relié à une source de tension (non représentée) différente par l'intermédiaire d'un circuit de contrôle répondant à la lecture donnée par le dispositif de contrôle 54 ther mosensible. On dispose autant de circuits de contrôle qu'il est nécessaire le long du toit et du plancher pour contrôler le diagramme de chaleur radiante à la fois dans le sens de la longueur et dans le sens transversal du passage du verre à travers le four.
Dans le four horizontal 44, un écran 58 en forme de treillage à mailles ouvertes est supporté au-dessus du jeu inférieur d'éléments chauffants afin de retenir les débris de verre et de les empêcher de venir en contact avec les éléments de chauffage 42 à résis tance électrique disposés sous le transporteur. S'il n'en était pas ainsi, les fils de résistance pourraient être grillés par suite de la présence des débris de verre sur ces fils.
Un four vertical 60 dans lequel les éléments réfractaires 10 sont portés par des parois 62 verti cales est représenté sur la fig. 8. Dans cette forme d'exécution de l'appareil objet de la présente inven tion, des feuilles de verre G sont saisies par des morailles 64 portées par des chariots 66. Ces der niers sont transportés à travers le four 60 au moyen de rouleaux convoyeurs 68 entraînés par des moyens classiques (non représentés). On fait circuler des gaz très chauds dans les chambres évidées 24 pour consti tuer une source de chaleur radiante pour les cavi tés 16.
Il est bien compris que l'une ou l'autre source de chaleur décrite peut être utilisée dans l'un quel conque des fours représentés. De même, dans cha que cas des résistances électriques peuvent être logées dans les chambres évidées 24 pour servir de source de chaleur convenable aux cavités 16. Quoique les appareils des fig. 7 et 8 soient parti culièrement utiles pour le chauffage de feuilles de verre dans les traitements d'égalisation tels que ceux requis pour le recuit, la trempe ou l'obtention d'un revêtement, les éléments réfractaires 10 sont égale ment convenables pour être utilisés dans des arches pour bomber des feuilles de verre ou de glace.
Quand on bombe des feuilles de verre par paires avant de les laminer pour former des pare-brise en verre de sécurité stratifié, seule la surface supérieure d'un assemblage de pare-brise est exposée aux éléments de chauffage radiants et des masses de métal sont dis posées sous des portions sélectionnées de l'assem blage pour absorber la chaleur de ces portions qui doivent rester relativement plates. En conséquence, les éléments chauffants sont placés seulement au-des sus du trajet de déplacement des assemblages de feuilles de verre. Les éléments réfractaires 10 peu vent en conséquence être disposés seulement sur l'un ou l'autre côté du parcours des feuilles de verre ou sur les deux côtés de ce parcours.
Pour réaliser un chauffage uniforme d'une feuille de verre, on a fait l'expérience suivante. Un four de 0,609 m de long, 0,457 m de haut et 0,406 m de large a d'abord été réalisé en parois réfractaires plei nes comportant des éléments de canaux réfractaires de 0,038 m de profondeur et de 0,038 m de largeur ayant une section rectangulaire et séparés l'un de l'autre de 0,038 m en s'étendant longitudinalement dans le four, côte à côte le long des parois opposées du four. Des spires de chauffage de 0,012 m de diamètre étaient disposées dans les canaux sur toute leur longueur. Après trois heures de chauffage con tinu, la température de la surface radiante des parois pleines variait entre 648,880 C pour les spires chauf fantes et 598,890 C entre ces spires.
Une feuille de verre à la température ambiante ayant pour dimensions 25,4 X 30,2 cm et 6,3 mm d'épaisseur, fut suspendue suivant un plan vertical au milieu du four. L'introduction de la feuille de verre refroidit le four. Un courant suffisant fut fourni aux spires de chauffage pour que leur tem pérature remonte à 648,880 C. Après 45 minutes, durée pendant laquelle la température du four resta stable, la température de surface de la feuille de verre atteignit une valeur variant entre 593,33 C et 607,22 C.
La même expérience fut faite après avoir enlevé les parois réfractaires pleines en leur substituant des sections moulées d'une composition en silice-argile ayant des parois lisses formant des cavités angulaires de 4,44 cm de large et de 4,44 cm de profondeur s'étendant côte à côte le long des parois du four en remplacement des parois pleines. Des spires de chauf fage de 12,7 mm de diamètre furent installées dans les cavités et chauffées à 648,88 C. La température de surface des cavités variait de 646,120 C dans leur angle jusqu'à 640,59 C dans la partie la plus large de leur ouverture, après une heure de chauffage seulement.
Une feuille de verre aussi identique que possible en longueur, largeur, épaisseur et composition chi mique à la feuille chauffée par le four muni de parois réfractaires pleines fut placée au milieu du four chauffé muni d'éléments d'échange de chaleur du genre décrit ci-dessus. La feuille de verre atteignit une température de surface qui variait entre 646,12 C et 647,50 C. Cette gamme de tempéra ture fut atteinte après environ 15 minutes en par tant de la température ambiante (environ 240 C).
On utilisait une source de courant de 10 kilo watts pour chauffer les spires ou bobines dans les deux expériences décrites ci-dessus. En d'autres ter mes, la même puissance était disponible à l'entrée des deux types de construction de four.
D'après les résultats de ces expériences, le temps de réponse du four vide était réduit de 3 heures à 1 heure pour chauffer le four jusque dans des condi tions d'équilibre stable avec des spires chauffantes portées à 648,88 C, et ce temps était ramené de 45 minutes à 15 minutes pour chauffer la feuille de verre jusqu'à son point d'équilibre.
En outre, le gradient de température du dispositif de chauffage était réduit de 50o C à 8,3o C et la sur face du verre montait d'une gamme de températures comprise entre 47,21, C et 55,5o C au-dessous de la température des spires, dans une gamme de tempé ratures comprise entre 5,5 C et 8,3 C au-dessous de la température des spires en utilisant des échan geurs de chaleur du genre décrit ci-dessus au lieu des éléments réfractaires pleins de la technique anté rieure.
Comme il a été dit précédemment, certaines for mes d'exécution de l'appareil peuvent être construites pour constituer des absorbeurs de chaleur radiante. Une telle forme d'exécution est par exemple utilisée dans la fabrication de feuilles de verre ou de verre à vitres.
Dans la fabrication de feuilles de verre étiré, le verre est tiré généralement vers le haut sous la forme d'un ruban continu à partir de la surface d'un bain de verre en fusion. Le verre passe au cours de son trajet ascendant entre divers dispositifs de refroidisse ment. Les dispositifs classiques de refroidissement utilisés sont habituellement construits en matière ré fractaire, telle qu'un métal, habituellement sous la forme d'une pluralité de tubes connectés, tubes rec tangulaires ou carrés destinés au passage d'un fluide de refroidissement tel que l'eau et qui présentent au verre une surface plane continue.
La chaleur très forte à laquelle sont exposés ces dispositifs classiques de refroidissement provoque la formation sur leur surface de calamine ou d'écailles distribuées de façon non uniforme, ce qui diminue leur efficacité pour absorber la chaleur. La formation d'écailles ou- de calamine dans des dispositifs de refroidissement pose un problème particulièrement sérieux après une cer taine durée d'utilisation. Ces dispositifs de refroidis sement réfléchissent aussi de la chaleur qui revient sur le verre visqueux, ce qui réduit encore leur effi- cacité pour absorber la chaleur.
La combinaison des deux effets précités est une source de difficultés pour maintenir des dimensions ou une épaisseur unifor mes de la feuille et cela réduit matériellement la vitesse de tirage en sorte qu'on produit une quantité moindre de verre. Des tentatives variées ont été faites pour accrôi- tre la vitesse de tirage en augmentant la dimension des dispositifs de refroidissement. Cependant, il est évident que la formation de calamine et la réflexion en retour de la chaleur sur le verre laissent subsister le même problème.
C'est pourquoi des tentatives ont été faites pour contrôler l'épaisseur de la feuille en faisant varier les propriétés absorbantes des dispo sitifs de refroidissement, par exemple en plaçant des matelas d'une matière résistant à la chaleur, tels que de la transite ou de l'amiante, le long de la surface des dispositifs de refroidissement situés en face du verre. Cela exige une surveillance constante de la feuille et un changement de position constant des différents matelas, et en outre cela peut faire tomber la calamine des dispositifs de refroidissement dans le bain de verre en fusion qui se trouve ainsi contaminé.
Le changement de la position des matelas s'ajoute ainsi au problème d'un calaminage non uni forme et peut érafler ou marquer les dispositifs de refroidissement en diminuant ainsi leur vie utile.
Une forme d'exécution de l'appareil selon l'in vention a été utilisée pour procurer un transfert de chaleur maximum de la feuille de verre jusqu'au dispositif absorbeur de chaleur par unité de surface absorbante, pour procurer une surface absorbante de chaleur uniforme donnant une épaisseur plus uni forme à la feuille et pour maintenir une vitesse de tirage constante au-dessus du four en marche, indé pendante d'un revêtement inégal ainsi que du cala- minage ou des éraflures du dispositif absorbeur de chaleur.
Cet appareil échangeur de chaleur comporte une série d'éléments creux connectés et juxtaposés, mon tés l'un à côté de l'autre et interconnectés de préfé rence en série par leurs extrémités de façon qu'un fluide de refroidissement tel que de l'eau puisse cir culer à travers ces éléments. Chaque élément présente des parois à surface lisse s'étendant le long d'axes parallèles et dans des plans orientés obliquement l'un par rapport à l'autre et se terminant en formant un angle aigu avec chaque paroi adjacente. Les parois juxtaposées des éléments adjacents forment des cavi tés angulaires d'une largeur et d'une profondeur prédéterminées et s'étendent côte à côte.
L'assem blage présente une surface de cavités adjacentes â section en V présentant des angles aigus faisant face au ruban de verre qui s'élève. L'angle de chaque cavité est tel que toute énergie radiante qui pénètre à partir d'angles solides prédéterminés est absorbée à plus de 98 % même si le pouvoir d'absorption de la matière des dispositifs absorbeurs de chaleur est aussi bas que 50 %. Si l'on se reporte maintenant à la fig. 9, celle-ci montre une feuille de verre 100 qui est tirée d'un bain 102 de verre en fusion formé dans un four dont l'ensemble est désigné par 104.
Une barre d'étirage 106 s'étendant transversalement au four 104 est immergée dans le bain 102: La feuille de verre 100 dans son état visqueux forme une base ou ménisque<B>107</B> avec la surface du bain 102 et elle est tirée du bain 102 à travers la chambre d'étirage 108 du four 104 au moyen de rouleaux d'étirage 110 d'une machine à étirer classique dési gnée par la référence générale 112. La chambre d'étirage 108 est limitée par le bain 102, des blocs 114 en forme de L de type classique, des dispositifs de refroidissement 116 à eau et ventilateur, des parois d'extrémité 118 et des cuvettes de retenue 120.
Les dispositifs de refroidissement<B>116</B> à ventilateur sont disposés chacun entre les blocs 114 en forme de L et la base de la structure de la machine à étirer 112, et ils s'étendent sensiblement jusqu'aux parois d'extré mité 118 de la chambre d'étirage 108. La base de la machine à étirer 112 est sensiblement fermée au moyen des cuvettes 120 ayant une forme générale de U. Ces cuvettes forment des refroidisseurs et occu pent une position telle qu'elles peuvent retenir le verre brisé qui peut tomber de la machine en empê chant ainsi toute entrée de fragments de verre dans le bain 102. Ces cuvettes de retenue 120 s'étendent aussi sensiblement jusqu'aux parois d'extrémité 118 de la chambre d'étirage 108 et sont construites pour le passage de fluide de refroidissement tel que de l'eau.
L'un des bords de chaque cuvette de retenue 120 est disposé sensiblement parallèle à la feuille 100 et écarté de celle-ci.
Les absorbeurs de chaleur 122 (voir aussi fig. 10) sont prévus pour absorber une quantité maxi mum d'énergie radiante provenant de chaque surface unitaire de la feuille 100. Ces absorbeurs de chaleur 122 sont écartés au-dessus de la surface du bain 102 et sont disposés sur les côtés opposés de la feuille 100 en s'étendant sensiblement sur la largeur de la feuille, transversalement à la chambre d'étirage 108.
Comme le montre le dessin, chaque absorbeur de chaleur 122 est formé d'éléments creux 124 con nectés et juxtaposés, ayant une section de parallélo gramme et des parois 126-128 à surface lisse qui font face à la surface du ruban de verre 100. Les parois 126-128 de chaque élément s'étendant le long d'axes parallèles dans des plans orientés obliquement l'un par rapport à l'autre et se terminant pour former un angle aigu, comme on le voit en 130. Les parois juxtaposées 126-128 des éléments adjacents 124 for ment des cavités 132 qui s'étendent côte à côte, chaque cavité présentant un angle aigu 134. La sec tion transversale des éléments 124 peut différer de celle représentée du moment que les cavités 132 sont telles que décrites.
Les éléments 124 sont connectés en série à leurs extrémités pour le passage d'un fluide de refroidis sement à travers ces éléments, de l'eau par exemple, et, pour assurer les connexions en série et le pas sage de liquide de refroidissement, il est prévu des collecteurs 136. Des conduits 138 adaptés pour être reliés à une source de fluide de refroidissement et à une cuve ou puisard (non représentés) sont reliés aux collecteurs 136 pour l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement des éléments 124. Une semelle 140 est fixée à l'élément inférieur creux 124 en série avec celui-ci, cette semelle étant formée comme on le voit de plusieurs éléments rectangulaires creux 142 placés côte à côte.
Cette semelle offre une sur face plate au ruban de verre ascendant et une sur face plate à une partie du bain 102 en le condition nant au voisinage de la base de la feuille. Comme représenté, l'épaisseur de la semelle 140 en allant de la feuille 100 vers le bloc en forme de L est plus grande que celle des éléments 124.
Les expériences suivantes ont été effectuées avec une machine à étirer pour comparer l'effet des absor- beurs de chaleur radiante décrits ci-dessus avec des dispositifs de refroidissement conformes aux ensei gnements de la technique antérieure de l'étirage de verre en feuilles.
Une machine à étirer produisait un ruban de verre (épaisseur de 3,17 mm) à une vitesse d'étirage donnée en utilisant des dispositifs classiques de re froidissement à surface plane d'une hauteur prédé terminée, disposés dans un four ayant la construc tion représentée sur la fig. 9. En accroissant la hau teur des dispositifs de refroidissement à surface plane du type classique d'environ 30<B>%,</B> toutes autres con ditions restant identiques, on augmentait la vitesse d'étirage de la machine pour la même épaisseur de verre d'environ 16 %.
En utilisant des absorbeurs de chaleur ayant approximativement la même hau teur que le dispositif de refroidissement classique à surface plane déjà mentionné, sans semelle 140, toutes autres conditions restant encore constantes, il en résultait un accroissement de 17 % de la vitesse d'étirage pour la machine produisant un ruban de même largeur et de même épaisseur. En utilisant des absorbeurs de chaleur avec des semelles 140 ayant une dimension horizontale égale à 1,5 fois la dimension horizontale d'un élément 124, toutes autres conditions restant constantes, on obtenait un accrois sement de 6 % de la vitesse d'étirage pour la ma chine à étirer produisant un ruban de même largeur et de même épaisseur.
Cela représente un accroisse ment de 24 % de la vitesse obtenue en utilisant des dispositifs de refroidissement à surface plane du type classique, toutes autres conditions restant constantes, en produisant une feuille de même largeur et de même épaisseur.
Heat exchanging apparatus The present patent relates to a heat exchanging apparatus employed in the treatment of a sheet of glass, comprising refractory walls of a material having an emission or absorption power of at least 50%. that of a black body.
This heat exchanger apparatus can be used for cooling as well as for heating. When a strip, sheet or other shaped material is to be cooled in a controlled manner, it is of utmost importance that the heat exchanging apparatus provide as uniform and perfect a heat absorber as possible because, Otherwise, the cooling rate cannot be properly controlled or cannot be used with maximum efficiency respectively.
Since the emissive power of a hot body with respect to the area around it is the same as its absorption capacity when it is cooler than the area around it, the term emissive power as used in the description covers both emission capacity and absorption capacity.
The apparatus according to the invention is characterized in that the walls have smooth surfaces and are arranged in a successive order with respect to each other so that two successive walls define an angle between them to form a series of adjacent cavities forming acute angles of apex, a source of heat or cooling being provided in the immediate vicinity of the walls, the angle of apex of the cavities being chosen so that, by internal reflection, the total power of emission or absorption of cavities is roughly equal to unity.
The material forming the cavities is chosen from those having an emissivity of at least 50% of that of a black body, because lower emissivity rates would not allow to approach, after multiple reflections, the characteristics of a black body. . The walls forming the cavities can be made of refractory material or metal depending on their use.
A composition of silica and clay is particularly effective as a radiant element, although pure silica and compositions containing as little as 50% silica and 50% clay are effective. For the absorption of radiation, cold drawn steels have been used successfully for cooling the drawn glass sheets. However, other refractory materials can be used depending on the temperatures of the ambient medium considered in the heat exchange operation.
The term refractory used here also includes all materials resistant to heat at high temperature, including siliceous materials and metals such as steel.
The accompanying drawing shows, by way of example, embodiments of the object of the invention, as well as construction variants.
Fig. 1 is a schematic ray diagram showing how the geometry of an angular cavity is determined.
Fig. 2 is a diagram showing how the emissive power of a cavity varies (plotted on the ordinate) with the emissive power of the refractory material (plotted on the abscissa) used to form the refractory structure, the radiant energy being emitted without reflection, with one reflection, two reflections, three reflections, four reflections, before reaching the target area. This diagram is also true for the absorption of radiant energy hitting the cavity and emanating from the target area.
Fig. 3 is a diagram which shows the variation of the emissive power or the absorption power of an angular cavity (plotted on the ordinate) as a function of the ratio of the depth of the cavity to the width of its opening (plotted on the abscissa) .
Fig. 4 is an end view of a heat exchanger used as a heating element in a furnace, fragments of neighboring heat exchangers also being shown.
Fig. 5 is a view similar to FIG. 4 of an alternative construction of a heating element. Fig. 6 is a partial view taken at 90 in FIG. 5, corresponding to this, and showing how the individual heating elements are grouped. Fig. 7 is a schematic view of a so-called horizontal furnace using heating elements and in which the sets of heating elements are arranged in horizontal planes spaced from each other.
Fig. 8 is a schematic view of a so-called vertical oven in which the sheets of glass or ice are supported vertically by grippers to undergo heat treatment, the radiant heating elements being arranged on the opposite walls of the heating oven.
Fig. 9 is a schematic view of a machine for drawing a sheet of ice or glass using radiation heat exchangers or energy absorbers having approximately the characteristics of a black body.
Fig. 10 is a side view of one of the series of radiant or energy absorbing heat exchangers in the direction of the arrow x indicated in FIG. 9.
The first three figures of the drawing explain the influence of the factors by which a cavity forming part of a heat exchanger apparatus according to the invention behaves closely like a black body assembly.
Fig. 1 shows the two halves of the corner of an angular cavity formed between two walls with a smooth surface. ROP denotes a line corresponding to a target, such as the surface of a sheet of glass to be heated by a radiant heater or to be cooled by an absorbing device acting as a black body, and represents a surface cut by the angle solid of black body radiation emanating from the cavity. L denotes the depth of the angular cavity.
W denotes the half-width of the cavity or the half-width of the base of an isosceles triangle formed by connecting the spaced ends of the two side walls forming the cavity; d designates the distance between the base of the isocal triangle and the surface which serves as target. If the emission or absorption by the plane of the ROP target is to have a constant maximum, relatively insensitive to variations in the material of the cavity, then the cavity formed by the walls with a smooth surface should have an emissivity equal to that of a black body or individually.
Because most materials have an emissivity of less than 1, it is necessary to build the cavity in a shape such that all of the reflected radiation can be used in order to increase the emitted radiation.
In the present case, the radiation emitted by point A of the cavity on point P of the plane of the target consists of the radiation emitted directly by point A, that emitted from point B and reflected at point A , that emitted from point C and reflected at points B and A to point P, etc. If the emissivity of the material used for the walls of the cavity is at least 50%, the combination of emitted energy and reflected energy asymptotically approaches unity.
Fig. 2 which gives a comparison of the emissive power of the cavity as a function of the emissive power of the material used to make the cavity shows how the emissive power of a body approaches unity when using multiple reflections. For a straight wall, the emissive power is equal to the emissive power of the material chosen. As the number of internal reflections increases before energy is radiated from the cavity, the emitting power of the cavity approaches unity very quickly, even with materials of relatively low emissivity.
When an efficiency of 98% is desired, FIG. 2 shows that with a material having an emitting power of 50%, to produce it, an angular cavity must be formed giving at least four internal reflections. With a material having an emissivity of 70%, two internal reflections are sufficient to achieve an emissive capacity of the cavity equal to 98%.
Fig. 3 shows how the emissive power of a cavity increases with the ratio between its depth and the width of its opening. This figure shows that the smaller the angle of the cavity, the more it approaches the characteristics of a black body.
Fig. 1 shows that since point A has a large number of reflected components which reinforce the ray coming from point A of the cavity and which goes to point P of the target surface, this point A takes on characteristics similar to those of a black body radiant with respect to point P of the target plane. The ray shown starting from point A to point P is an extreme ray in the solid angle of the radiation substantially equal to that of a black body emanating from the cavity. This ray has the smallest possible number of reflected components.
Thus, if one obtains a radiation analogous to that of a black body for the ray going from point A to point P, then it follows that point A gives the emission of a black body for any another point of the ROP target plane.
It follows that any other point in the cavity gives maximum emission on the ROP target plane. Consequently, the cavity acts as an emitting black body vis-à-vis the target plane. Likewise, if it is desired to use the heat exchanging apparatus for cooling purposes, the radiation emitted by the ROP target plane is absorbed and the cavity behaves like an absorber blackbody.
In determining the dihedral angle of the cavity for a given distance from the target plane, it is first necessary to determine the number of reflected components required to increase the emissive power of the cavity to approximate unity. . This depends on the emissivity of the material used.
In fig. 2, the emissive power of the cavity was increased as a function of the emissive power of the refractory material for a variable number of reflected components containing directly emitted rays. For example, if the cavity is made from a refractory material having an emissivity of 0.80 and with an angle such that at least two reflected components occur, then the emissive power is at least of 0.992.
Knowing the number of reflected component rays desired, the angle of the cavity required to give this number of reflections can be determined. Referring again to fig. 1, the angle a which is the angle of direct emission of radiation from point A to point P can be determined by the equation
EMI0003.0011
formula in which W is the half-width of the base of the cavity, h is the half-width of the target plane, d is the distance between the target and the base of the cavity and x is the half-opening angle of the cavity.
Similarly, the angle b of the ray emitted by point B and which is added to the emission from point A for a first reflection, is given by the formula
EMI0003.0014
and c the angle of the ray emitted by the point C which increases the emissive power of the point A by a second order reflection is given by the formula
EMI0003.0016
From these equations, the opening angle of the cavity can be determined for any refractory material having a given emissivity so that a sufficient number of reflected rays is obtained to bring the emissive power of the cavity to a value substantially. equal to unity. 98% or 99% suffices in practice.
The dimensions of the cavity can be obtained by the relation
EMI0003.0018
W denoting half the width of the base of the cavity and L the depth of this cavity. In fig. 3, the curves shown correspond to a distance of 30.48 cm between the base of the cavity and the target plane, this target plane being 1.2 times wider than the base of the cavity. The curves are also valid for a cavity farther from the target than 30.48 cm. The target surface was chosen to be wider than the base of the cavity so that when the cavities are placed side by side their respective fields of black bodies overlap giving a uniform field.
Figs. 4 to 8 show the construction of individual heating elements and their arrangement in various furnaces for heating sheets of glass.
These heat exchange elements have a hollow refractory structure generally designated by the reference 10 which is formed of a material having an emissivity of at least 50%. The elements can be constructed by casting a bar botine formed from a mixture of silica and clay so as to ensure smooth surfaces for these elements.
A typical way of proceeding to obtain by slip casting refractory elements 30.48 cm long, <B> 15.23 </B> cm wide, 7.93 cm high with 4.4 cm grooves wide and 4.4 cm deep formed by walls having a thickness of 3.17 mm; comprises the mixture of 81.645 kg of ground fused silica passing through a sieve with a 0.230 mm mesh with 54.430 kg of ordinary clay, adding this solid mixture to a solution containing 3000 cc of Na2p4O; in 24.494 kg of distilled water to form a slip.
The slip is poured into a plaster of Paris mold, the interior walls of which have the desired shape for the exterior walls of the refractory part. The slip solidifies in the adjacent part of the plaster of Paris mold at a rate corresponding to a thickness of 3.17 mm every 10 minutes. After 10 minutes, the excess slip is removed and the solidified slip is allowed to air dry for about 10 minutes. The mold is then removed from the bar botine and the slip is baked at a temperature of 1179 C for 72 hours.
Care must be taken to limit the firing temperature, as the fused silica takes on a very expanded form when fired at significantly higher temperatures. The dark silica used must also be of a fine enough grain to allow smooth surfaces to be obtained.
Each refractory element 10 is designed to present a series of walls 12 with a smooth surface extending longitudinally along axes parallel longitudinally to the part 10 and in planes oriented obliquely with respect to the object. the other, where their smooth outer surfaces 14 form V-shaped cavities 16 which extend side by side along the length of element 10.
Additional walls 18, 20 and 22 are fixed to the outermost walls 12 of the lateral cavities 16 so as to form a recessed chamber 24 with the interior surfaces 26 of the walls 12. The walls 18 and 22 of each refractory element are arranged for extend in a line along planes normal parallel to the planes along which the wall 20 is disposed. The walls 18 and 22 have a recess near the corners which they form with the wall 20. A part of each recess forms a groove 28 extending longitudinally to the refractory element 10 along each wall 18 and 22. A stirrup 30 having a base 32 attached to the furnace structure ends in clamps 34 which are inserted into the grooves 28 to secure the refractory element 10 to the structure of the furnace.
The refractory elements 10 are arranged in longitudinally and transversely aligned sets side by side so that the group of these refractory elements 10 has continuous lines of cavities 16 arranged side by side. This is achieved by making the wall 22 of a refractory element 10 abut against one another against the wall 18 of a neighboring element.
Figs. 5 and 6 show an alternative construction of the refractory elements 10, aimed at ensuring that the elements 10 of each set are properly aligned in the longitudinal direction. This result is obtained by threading rods 36 into the grooves 28 and by shortening the walls 20 and the recessed parts of the walls 18 and 22 sufficiently to receive perforated flanges 38 suspended from plates 40 fixed to the structure of the oven. The openings of the flanges 38 are placed in alignment with the grooves 28 when the refractory elements 10 are properly placed.
This is why the rods 36 pass through the grooves 28 and through the aligned openings of the perforated flanges 38 in order to ensure proper alignment of the refractory elements 10 and their V-shaped cavities 16.
When the cavities 16 are used as radiant black bodies, a heat source is required to cooperate with each refractory element 10. This source can be constituted by the passage of heated fluids, such as combustion gases, in the hollow chamber 24 of the elements. refractory elements 10. Since the walls 12 of the refractory element 10 are thin, preferably of the order of magnitude of 3.17 mm to about 6.34 mm thick, the radiant energy level of the radiation emitted by cavities 16 responds rapidly to the heat capacity of hot gases passing through recessed chambers 24.
Another heating means may be an electric resistance heater element 42 supported in each angular cavity 16 and extending in the longitudinal direction thereof. However, when using the latter type of heating source, care should be taken that the heating element 42 is properly placed as deep as possible into its cavity 16 and that it covers a maximum of about 10%. of the cross section of the opening of said cavity. If these precautions are not taken, the electric resistance heating element causes the cavity to lose its black body characteristics.
In fig. 7, the refractory elements 10 are used in a horizontal tunnel or arch type furnace 44 having a roof or vault 46, an expensive plane 48 and walls 50. Conveyor rollers 52 are mounted between the walls 50 so as to be able to see rotate and are driven in a conventional manner by a drive motor device, for example with chains and chain wheels (not shown). The glass sheets, or supports for these sheets, are drawn into the tunnel oven when the rollers 52 rotate.
A set of refractory elements 10 is fixed to the roof 46 and another set of these elements 10 is fixed to the floor 48 of the furnace 44. Temperature-sensitive control devices 54 pass through the walls 50 and converge on areas of the emission surfaces. refractory elements <B> 10 </B> for checking and controlling the useful heat of the electrically resistant heating elements 42 mounted in the corner of each cavity 16.
The electrical resistance elements are connected together to form resistance circuits coupled to lead wires 56 each of which is connected to a different voltage source (not shown) via a control circuit responding to the reading. given by the control device 54 ther mosensible. As many control circuits are available along the roof and floor as necessary to control the radiant heat pattern both lengthwise and crosswise as the glass passes through the furnace.
In the horizontal furnace 44, an open mesh lattice-shaped screen 58 is supported above the lower set of heaters to trap glass shards and prevent them from coming into contact with the heaters 42 to. electrical resistance placed under the conveyor. If this were not so, the resistance wires could be burned out due to the presence of the broken glass on these wires.
A vertical furnace 60 in which the refractory elements 10 are carried by vertical walls 62 is shown in FIG. 8. In this embodiment of the apparatus which is the subject of the present invention, sheets of glass G are grasped by bits 64 carried by carriages 66. These latter are transported through the oven 60 by means of rollers. conveyors 68 driven by conventional means (not shown). Very hot gases are circulated in the recessed chambers 24 to constitute a source of radiant heat for the cavities 16.
It is well understood that either of the heat sources described can be used in any of the ovens shown. Likewise, in each case electrical resistors can be housed in the recessed chambers 24 to serve as a suitable heat source for the cavities 16. Although the apparatus of FIGS. 7 and 8 are particularly useful for heating glass sheets in leveling treatments such as those required for annealing, tempering or obtaining a coating, the refractory elements 10 are also suitable for use. in arches to bend sheets of glass or ice.
When glass sheets are bent in pairs before being laminated to form laminated safety glass windshields, only the top surface of a windshield assembly is exposed to the radiant heating elements and masses of metal are exposed. placed under selected portions of the assembly to absorb heat from those portions which must remain relatively flat. Accordingly, the heating elements are placed only above the path of travel of the glass sheet assemblies. The refractory elements 10 can therefore be disposed only on one or the other side of the path of the glass sheets or on both sides of this path.
To achieve uniform heating of a glass sheet, the following experiment was carried out. A furnace 0.609 m long, 0.457 m high and 0.406 m wide was first made of solid refractory walls comprising refractory channel elements 0.038 m deep and 0.038 m wide having a rectangular section and separated from each other by 0.038 m extending longitudinally into the furnace, side by side along opposing walls of the furnace. Heating coils 0.012 m in diameter were arranged in the channels over their entire length. After three hours of continuous heating, the temperature of the radiant surface of the solid walls varied between 648.880 C for the heating turns and 598.890 C between these turns.
A sheet of glass at room temperature having dimensions 25.4 X 30.2 cm and 6.3 mm thick, was hung in a vertical plane in the middle of the oven. The introduction of the glass sheet cools the oven. Sufficient current was supplied to the heating coils so that their temperature rose to 648.880 C. After 45 minutes, during which time the temperature of the furnace remained stable, the surface temperature of the glass sheet reached a value varying between 593.33 C and 607.22 C.
The same experiment was done after removing the solid refractory walls by substituting for them molded sections of a silica-clay composition having smooth walls forming angular cavities 4.44 cm wide and 4.44 cm deep. 'extending side by side along the walls of the furnace replacing the solid walls. Heating coils 12.7 mm in diameter were installed in the cavities and heated to 648.88 C. The surface temperature of the cavities varied from 646.120 C in their angle to 640.59 C in the most part. wide of their opening, after only one hour of heating.
A sheet of glass as identical as possible in length, width, thickness and chemical composition to the sheet heated by the furnace provided with solid refractory walls was placed in the middle of the heated furnace equipped with heat exchange elements of the kind described below. -above. The glass sheet reached a surface temperature which varied between 646.12 C and 647.50 C. This temperature range was reached after about 15 minutes from room temperature (about 240 C).
A 10 kilo watt current source was used to heat the turns or coils in the two experiments described above. In other words, the same power was available at the input of both types of furnace construction.
According to the results of these experiments, the response time of the empty furnace was reduced from 3 hours to 1 hour for heating the furnace to conditions of stable equilibrium with heating coils brought to 648.88 C, and this. time was reduced from 45 minutes to 15 minutes to heat the glass sheet to its equilibrium point.
In addition, the temperature gradient of the heater was reduced from 50o C to 8.3o C and the surface of the glass rose from a temperature range between 47.21 C and 55.5o C below the temperature of the turns, in a temperature range of between 5.5 C and 8.3 C below the temperature of the turns using heat exchangers of the kind described above instead of refractory elements full of the prior technique.
As has been said previously, certain embodiments of the apparatus can be constructed to constitute radiant heat absorbers. Such an embodiment is for example used in the manufacture of sheets of glass or window glass.
In the manufacture of sheets of drawn glass, the glass is generally pulled upward in the form of a continuous ribbon from the surface of a bath of molten glass. The glass passes on its upward path between various cooling devices. Conventional cooling devices used are usually constructed of refractory material, such as metal, usually in the form of a plurality of connected tubes, rec tangular or square tubes for the passage of a cooling fluid such as. water and which present a continuous flat surface to the glass.
The very high heat to which these conventional cooling devices are exposed causes the formation on their surface of scale or scales distributed unevenly, which decreases their effectiveness in absorbing heat. The formation of scales or carbon in cooling devices is a particularly serious problem after a certain period of use. These coolers also reflect heat back onto the viscous glass, further reducing their effectiveness in absorbing heat.
The combination of the two above-mentioned effects is a source of difficulty in maintaining uniform dimensions or thickness of the sheet and this materially reduces the speed of drawing so that less glass is produced. Various attempts have been made to increase the speed of draw by increasing the size of the coolers. However, it is evident that the formation of scale and the return of heat to the glass leave the same problem.
Therefore, attempts have been made to control the thickness of the sheet by varying the absorbent properties of the cooling devices, for example by placing mattresses of a material resistant to heat, such as transit or. of asbestos, along the surface of the cooling devices located in front of the glass. This requires constant monitoring of the sheet and a constant change of position of the different mattresses, and furthermore it can cause scale to fall from the cooling devices into the bath of molten glass which is thus contaminated.
Changing the position of the mattresses thus adds to the problem of uneven scaling and can scratch or mark the cooling devices thereby reducing their useful life.
One embodiment of the apparatus according to the invention has been used to provide maximum heat transfer from the glass sheet to the heat absorbing device per unit absorbent area, to provide a uniform heat absorbing area. giving a more uniform thickness to the sheet and to maintain a constant draw speed over the running oven, independent of uneven coating as well as sizing or scuffing of the heat absorber device.
This heat exchanger apparatus comprises a series of connected and juxtaposed hollow elements, mounted side by side and preferably interconnected in series at their ends so that a cooling fluid such as water can circulate through these elements. Each element has walls with a smooth surface extending along parallel axes and in planes oriented obliquely with respect to each other and terminating at an acute angle with each adjacent wall. The juxtaposed walls of adjacent elements form angular cavities of a predetermined width and depth and extend side by side.
The assembly has a surface of adjacent V-shaped recesses with acute angles facing the rising ribbon of glass. The angle of each cavity is such that any radiant energy which enters from predetermined solid angles is absorbed to more than 98% even though the material absorbing power of the heat absorber devices is as low as 50%. If we now refer to fig. 9, this shows a sheet of glass 100 which is drawn from a bath 102 of molten glass formed in a furnace, the assembly of which is designated 104.
A draw bar 106 extending transversely of the oven 104 is immersed in the bath 102: The glass sheet 100 in its viscous state forms a base or meniscus <B> 107 </B> with the surface of the bath 102 and it is drawn from the bath 102 through the drawing chamber 108 of the oven 104 by means of drawing rollers 110 of a conventional drawing machine designated by the general reference 112. The drawing chamber 108 is limited by the bath 102, conventional L-shaped blocks 114, water and fan coolers 116, end walls 118, and retaining cups 120.
The fan coolers <B> 116 </B> are each disposed between the L-shaped blocks 114 and the base of the stretching machine frame 112, and extend substantially to the walls of the machine. end 118 of the stretching chamber 108. The base of the stretching machine 112 is substantially closed by means of the cups 120 having a general U shape. These cups form coolers and occupy a position such that they can retain broken glass which may fall from the machine thus preventing any entry of glass fragments into the bath 102. These retaining cups 120 also extend substantially to the end walls 118 of the drawing chamber 108 and are constructed for the passage of coolant such as water.
One of the edges of each retaining cup 120 is disposed substantially parallel to the sheet 100 and spaced therefrom.
The heat absorbers 122 (see also fig. 10) are designed to absorb a maximum amount of radiant energy from each unit surface of the sheet 100. These heat absorbers 122 are spaced above the surface of the bath 102. and are disposed on opposite sides of sheet 100 extending substantially the width of the sheet, transverse to stretching chamber 108.
As shown in the drawing, each heat absorber 122 is formed of hollow elements 124 connected and juxtaposed, having a parallelogram section and smooth-surface walls 126-128 which face the surface of the glass ribbon 100. The walls 126-128 of each element extending along parallel axes in planes oriented obliquely with respect to each other and terminating to form an acute angle, as seen at 130. The juxtaposed walls 126-128 of the adjacent elements 124 form cavities 132 which extend side by side, each cavity having an acute angle 134. The cross section of elements 124 may differ from that shown as long as the cavities 132 are as described. .
The elements 124 are connected in series at their ends for the passage of a cooling fluid through these elements, water for example, and, to ensure the series connections and the passage of cooling liquid, it manifolds 136 are provided. Conduits 138 adapted to be connected to a source of cooling fluid and to a tank or sump (not shown) are connected to manifolds 136 for the inlet and outlet of the cooling fluid from the elements 124. A sole 140 is fixed to the lower hollow element 124 in series therewith, this sole being formed as can be seen from several hollow rectangular elements 142 placed side by side.
This sole provides a flat surface to the ascending glass ribbon and a flat surface to a part of the bath 102 by conditioning it in the vicinity of the base of the sheet. As shown, the thickness of the sole 140 going from the sheet 100 to the L-shaped block is greater than that of the elements 124.
The following experiments were carried out with a drawing machine to compare the effect of the radiant heat absorbers described above with cooling devices according to the teachings of the prior art of drawing sheet glass.
A stretching machine produced a ribbon of glass (thickness 3.17 mm) at a given drawing speed using conventional flat surface coolers of a predetermined height, arranged in an oven having the construction shown in fig. 9. By increasing the height of the flat surface coolers of the conventional type by about 30 <B>%, </B> all other conditions remaining the same, the drawing speed of the machine was increased for the same. glass thickness of about 16%.
By using heat absorbers having approximately the same height as the conventional flat surface cooler already mentioned, without a sole 140, all other conditions still being constant, this resulted in a 17% increase in drawing speed for the machine producing tape of the same width and thickness. Using heat absorbers with flanges 140 having a horizontal dimension equal to 1.5 times the horizontal dimension of an element 124, all other conditions being constant, a 6% increase in the drawing speed was obtained for the stretching machine producing a tape of the same width and thickness.
This represents a 24% increase in speed obtained using conventional flat surface coolers, all other conditions being constant, producing a sheet of the same width and thickness.