CH617162A5

CH617162A5 -

Info

Publication number: CH617162A5
Application number: CH1571776A
Authority: CH
Inventors: Robert Lee Houston
Original assignee: Owens Corning Fiberglass Corp
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-12-14
Publication date: 1980-05-14
Also published as: IT1065364B; DK564076A; FR2335830A1; ZA766994B; FI763602A7; GB1531820A; CA1070116A; BE849405A; FR2335830B3; AU2050276A; DE2655848A1; ES454243A1; US4090241A; AU503156B2; NL7613815A; NO764229L; JPS5273767A; BR7608336A; SE7614024L; NZ182879A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb der Einrichtung.

Der Ausdruck Glas wird im folgenden durchgehend im weitesten Sinne, d. h. als Bezeichnung für einen physikalischen Zustand, verstanden. Anorganische Gläser dienen im folgenden nur als Anwendungsbeispiele zur Erleichterung des Verständnisses.

Bei der Herstellung von Glaswolle wird gewöhnlich schmelzflüssiges Glas durch elektrisch beheizte Platindüsen oder Buchsen gedrängt, die ungefähr einen Durchmesser von 19 bis 32 mm haben. Das geschmolzene Glas fällt dann frei in einen Glaswollefaserbildner. Die Düsen, von denen eine je Faserbildner vorhanden ist, sind gewöhnlich in einer Reihe und in regelmässigen Abständen voneinander längs des Bodens des Zulieferungskanals eines Vorwärmeofens angeordnet. Die Massenstromgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases durch die Düse und schliesslich auch durch den entsprechenden Faserbildner wird gewöhnlich dadurch geregelt, dass man die Düsentemperatur verändert. Dadurch wird der durch die Viskosität verursachte Schleppeffekt beeinflusst, welcher auf das Glas beim Durchtreten durch die Düse wirkt.

Um die gewünschte Produktqualität aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, eine vorgegebene Massenstromgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Glases in Richtung auf den Faserbildner aufrechtzuerhalten. Eine solche Regelung ist besonders dann von Bedeutung, wenn eine grosse Anzahl von Faserbildner in Tandemanordnung angeordnet ist, wobei die Faserbildner zusammenwirken, um das Endprodukt zu bilden. Ein solches Vorgehen ist bei Herstellung von Isolationsmaterialien aus Glaswolle sehr verbreitet.

Bis jetzt ist die Massenstromgeschwindigkeit oder der Durchsatz bei einer typischen Glasverformung mittels der Fangeimermethode abgeschätzt worden. Dabei wird der Strom des schmelzflüssigen Glases, der von der über Kopf angebrachten Düse zum Faserbildner strömt, zeitweise dadurch unterbrochen, dass man einen Fangeimer in den Strom einsetzt und eine zeitlich abgemessene Menge schmelzflüssigen Glases auffängt. Dieser Anteil wird dann abgewogen, so dass die Massenstromgeschwindigkeit berechnet werden kann. Die manuelle Einstellung der Düsentemperatur wird dann so durchgeführt, dass die Massenstromgeschwindigkeit korrigiert wird.

Obwohl die Fangeimermethode der Durchsatzmessung in der Vergangenheit genügt hat, hat sie verschiedene Nachteile. Sie erfordert nämlich eine Probenahme des schmelzflüssigen Glases durch Unterbrechung der Strömung und damit auch durch Unterbrechung der Produktion des entsprechenden Glasbildungsapparats, der durch diesen Strom gespeist wird. Da der Massenstrom eines vorgegebenen Stroms schmelzflüssigen Glases sich mit der Temperatur des Glases verändert, das sich innerhalb dieses Stroms befindet, kann eine Rückwirkung auf die Bedingungen im Vorwärmeofen eintreten. Ausserdem liefert die Fangeimermethode nur Angaben, die für den Zeitpunkt der Probenahme gültig sind. Leider liefert die Fangeimermethode nur Stichprobenwerte. Derartige Werte sind jedoch nicht für eine automatische Regelung mit geschlossener Schleife geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung der eingangs genannten Art, um die Nachteile bekannter Ausführungen zu vermeiden und um insbesondere die Massenstromgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases selbsttätig zu regeln. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Massnahmen gelöst. Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der Einrichtung ist im Patentanspruch 8 umschrieben.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 umschrieben.

Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:

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Fig. 1 eine Einrichtung zur Glaswolleherstellung in Seitenansicht,

Fig. 2 und 3 zwei Darstellungen zur Erläuterung des Ausströmens von schmelzflüssigem Glas aus einer Düse,

Fig. 4 ein Fliessschema für die elektronische Rechenmaschine,

Fig. 5 und 6 Diagramme, in denen die dimensionslose Geschwindigkeit W über dem dimensionslosen Abstand § aufgetragen ist,

Fig. 7 ein Diagramm mit Messwerten aus drei Versuchsreihen und

Fig. 8 ein Steuerungsprogramm mit geschlossener Schleife.

Vor dem Eingehen auf die Figuren sollen einige grundsätzliche Bemerkungen vorausgeschickt werden.

Die neue Einrichtung hat den grossen Vorteil, dass sie es erlaubt, die Massenstromgeschwindigkeit von schmelzflüssigem Glas, welches aus einem über Kopf angeordneten Mundstück frei fällt, ohne Unterbrechung oder Störung des Stroms und somit auch des betreffenden Verarbeitungsverfahrens zu regeln. Es ist nämlich möglich, die Massenstromgeschwindigkeit erfolgreich zu bestimmen, und zwar nach Messung von mindestens zwei Durchmessern des strömenden Glasfadens und der Viskosität des strömenden Glases. Die Stromdurchmesser und die Viskosität müssen an Stellen gemessen werden, die in einem bekannten axialen Abstand voneinander entfernt liegen. Bei schmelzflüssigem Glas hat sich herausgestellt, dass die unbekannte und an beiden Messstellen verhältnismässig schwierig zu messende Viskosität näherungsweise durch einen Viskositätswert ersetzt werden kann, welcher sich bei Messung der GJ&atemperatur oberstrom der Durchmesser leicht erhalten -**#,"1asst. Die Temperatur eines freifallenden Stroms von schmelzflüssigem Glas zeigt eine direkte Beziehung zur Glastemperatur oberstrom der Düse. Bei einem typischen Verfahren zur Herstellung von Glaswolle entspricht beispielsweise ein Anstieg der oberstrom gemessenen Glastemperatur um 5,6° C einem ebenso grossen Anstieg an der Stelle der Messung des Stromdurchmessers. Nach geeigneter Eichung der Einrichtung kann also die oberstrom gelegene Stelle dazu benutzt werden, die Temperatur- und Viskositätsänderungen im Glasstrom selbst laufend zu verfolgen. Wenn einmal eine Eichung stattgefunden hat, kann nun die Einrichtung mit geschlossener Schleife so programmiert werden, dass die Massenstromgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases bei der Glasfaserherstellung optimal und ohne menschliches Zutun geregelt wird.

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Herstellung von Isolationsmaterialien aus Glaswolle. Die Ausgangsmaterialien sind in Behältern 10 gespeichert und werden aus diesen Behältern durch geeignete Vorrichtungen 11 zum Schmelzofen 12 gefördert. Die Fördergeschwindigkeit ist ausreichend, um die Massenstromgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Glases 13 aufrechtzuerhalten, welches durch den Zulieferungsvorwärmeofen 14 zu den einzelnen Stationen A, B, C strömt. Am Bodenteil des Vorwärmeofens 14 befindet sich in jeder Station eine elektrische widerstandsbeheizte Platindüse 15, durch welche das schmelzflüssige Glas 13 austritt und als schmelzflüssiger Strom 16 in den Faserbildner 20 freifällt, welcher sich darunter befindet. Die Massenstromgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Glases durch die Düse 15 wird in typischer Weise dadurch gesteuert, dass man die Düsentemperatur verändert, was weiter unten noch näher erläutert wird.

Der geschmolzene Strom 16 wird mittels einer Zentrifuge 21 aufgefangen, die radiale Ströme von schmelzflüssigem Glas ausschleudert, und zwar in einem sich in Querrichtung erstrek-kenden ringförmigen Luftstrom. Letzterer wird in typischer Weise nach unten gegen ein sich waagrecht bewegendes, sammelndes Förderband 24 gerichtet. Der ringförmige Luftstrom zieht die schmelzflüssigen Glasströme zu Fasern aus, welche von der Zentrifuge 21 abgeschleudert werden. Auf diese

Weise entsteht ein hohler zylindrischer Schleier 22, welcher nach unten sich fortbewegt und die ausgezogenen Glasfasern auf dem Förderband 24 ablegt. Während der Fortbewegung des Faserschleiers 22 in Richtung auf das Förderband 24 behandelt man gewöhnlich die Fasern mit einem Bindemittel oder einer Schlichte, die mittels Sprühdüsen 23 auf den Faserschleier 22 aufgebracht wird.

Wenn die Faserschleier 22 auf dem Förderband 24 abgelegt werden, wird eine Schicht aus nichtgehärteter Glaswolle aufgebaut, in der auch Glasfasern enthalten sind, welche mit dem Bindemittel oder der Schlichte beschichtet worden sind. Die Schicht 25 wird dann durch einen Ofen 26 geführt, wo das Bindemittel oder die Schlichte thermisch ausgehärtet wird. Die endgültige Glaswolleschicht wird dann zu Paketen 29 gewünschter Länge mittels eines geeigneten Stapelgeräts gestapelt und durch geeignete VerpackungsVorrichtungen verpackt, die nicht dargestellt sind.

Aus dem widerstandsbeheizten Mundstück 15 strömt also in freiem Fall ein Strom aus schmelzflüssigem Glas 16 zum eigentlichen Faserbildner 20, wo die Fasern in Form von Glaswolle abgeschieden und weiter verarbeitet werden.

Die Massenstromgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Glases, das durch die Düse 15 strömt, wird hauptsächlich durch die durchschnittliche Viskosität des geschmolzenen Glases, den Kopf des oberhalb der Düse angeordneten Glases, die Grösse der Düsenöffnung und die spezifische Viskosität der geschmolzenen Glasschicht beeinflusst, die der Düsenwandung unmittelbar benachbart ist. Die durchschnittliche Glasviskosität wird ihrerseits durch zwei Variable hauptsächlich beeinflusst. Erstens durch die chemische Zusammensetzung des Glases und zweitens durch die Temperatur des Glases bei seinem Eintritt in die Düse. Die Viskosität der Glasschicht, die der Düsenwandung unmittelbar benachbart ist, wird sehr stark durch die Temperatur der Düsenwandung beeinflusst. Glas ist nämlich eine newtonsche Flüssigkeit, und seine Viskosität ist ziemlich empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen. Beispielsweise tritt eine Änderung der Viskosität in der Grössenord-nung von 1 % auf, wenn sich die Temperatur um 1 bis 2 % verändert. Daher beeinflusst die Temperatur der Düsenwandung sehr stark die Viskosität einer relativ dünnen Glasschicht, welche sich unmittelbar in Nachbarschaft der Düsenwandung befindet. Das beeinflusst seinerseits den Geschwindigkeitsgradienten an der Düsenwandung und somit die Massenstromgeschwindigkeit des Glasstroms als Ganzem.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Düse 30, durch welche schmelzflüssiges Glas strömt und aus welcher es als freifallender Glasstrom 31 austritt. Es sind typische Geschwindigkeitsprofile in drei verschiedenen Zonen dargestellt. Die Zone I befindet sich im Innern der Düse 30, die Zone II befindet sich dicht unterhalb der Austrittsöffnung 32 der Düse 30, und die Zone III befindet sich unterhalb der Austrittsöffnung 32 in einem Abstand, der mehreren Düsendurchmessern entspricht. Die Strömung in der Zone I ist laminar; es findet also eine Mitnahme des geschmolzenen Glases durch endliche Scherkräfte und durch die Viskosität statt. Das Geschwindigkeitsprofil 34 ist gegen die Düsenwand oben durch eine Grenzlinie 33 begrenzt. Unterhalb der Austrittsöffnung 32 ist die Mitnahme des geschmolzenen Glases durch Scherkräfte oder aerodynamische Kräfte an das Glas-Aussenluft-Grenzflä-che 35 vernachlässigbar. Auf diese Weise wird es möglich, dass das Geschwindigkeitsprofil 36 als Zwischenform zwischen dem Geschwindigkeitsprofil 34 und dem gleichförmigen eindimensionalen Profil 37 der Zone III gebildet wird. Die Geschwindigkeitskomponente Vz der Zone III hängt nur von der Achskoordinate z ab, was hier als Voraussetzung angenommen wird:

Vz = Vz (z)

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4

Es wird ferner angenommen, dass jede radiale Geschwindigkeitskomponente Vr viel kleiner als Vz ist:

Vr^Vz.

Es hat sich gezeigt, dass die Strömungsbedingungen in der Zone III bei schmelzflüssigem Glas in einem Abstand von der Austrittsöffnung 32 herrschen, der im wesentlichen ungefähr zwei Düsendurchmessern entspricht.

Die Strömung in der Zone III ist dadurch gekennzeichnet, io dass sie eine Axialgeschwindigkeit V2 hat, die nur von z abhängt. Zusätzlich wird angenommen, dass eine radiale Geschwindigkeitskomponente Vr vorhanden ist, die sowohl vom radialen als auch vom axialen Abstand abhängt. Es wird jedoch vorausgesetzt, dass Vr in der Zone III ausreichend klein ist, so dass die wichtigsten Strömungsvariablen Funktionen von z allein sind. Das heisst, dass die wichtigsten Strömungsvariablen als eindimensional betrachtet werden.

Es wird angenommen, dass die Strömung stetig und axi-symmetrisch und das Glas inkompressibel ist: Vz = Vz (Z). s Alle Scherspannungen, die Oberflächenspannung und Aerodynamische Schleppeffekte werden vernachlässigt. Unter diesen Voraussetzungen zeigt Fig. 3 die Kräfte, die auf ein endliches Element 38 eines Stroms aus schmelzflüssigem Glas einwirken. Dann gilt Gleichung (1) für das axiale Moment:

Mf[Vz](Z)-Mf[Vz](Z + AZ) + (oAzlZ)g —[azzA](Z) + [azzA](Z +AZ)- P0{[Ä](Z) - [A](Z + AZ)} = 0 (1)

Ein darübergesetzter Balken kennzeichnet einen Durch-i5 schnittswert. Nach Division durch AT, und Umstellung erhält man daraus Gleichung (2):

Mf/V„_7(Z + AZ) - M ßz_7(Z)

AZ

a7(Z + AZ> - z)

(2)

AZ

P0/Ä_7(Z + AZ) - P0ZA_7 (2)

+ pAg

Für den Grenzfall A 0 folgen die Gleichungen (3) und

(4):

M,

dZ

dV,

dZ

d/a A/ — zz—

dZ

der radiale Hauptmassenstrom des Moments und die Scherspannungen unbedeutend sind, gilt Gleichung (9) für das 35 Gleichgewicht des radialen Moments:

+ P — + ( pA) g ° dZ

(3),

- P

o rr r

(9).

o d/(cr — z:

+ P )A/ o —

( pA)g (4).

40 Unter der Annahme P = P(z) liefern die Gleichungen (8) und (9) die Gleichung (10)

<7ZZ = —P0 + 3MdVz/dz) (10).

45 Bei Benutzung von Gleichung (10) und Gleichung (11)

ctzz ist die Normalspannung zur kreisförmigen Querschnittsfläche des endlichen Elements 38 in Fig. 3, die sich gemäss Gleichung (5) in Zylinderkoordinaten ausdrücken lässt:

50

CTzz = -P + 2lM(dVz/dz)

(5).

A = (Mf/oVz)

führt Gleichung (4) zur Gleichung (12)

dV „ dV

Den Druck P findet man durch Auflösen der Kontinuitätsgleichung (6) für die radiale Geschwindigkeitskomponente Vr:

PV

dZ

)

55

Vr = — (r/2)(dVz/dz)

(6).

Nach Einsetzen in die Gleichung für die Radialspannung erhält man Gleichung (7)

Bei Benutzung der Gleichungen (13) und (14)

w

60

und a„ = P + 2/u(óVr/(5 r)

(7).

= ( y

\ J>Ug / Z

■u T-n-

g ai)

(12) f Pg •

(13) (l*D,

Nach dem Einsetzen in Gleichung (5) erhält man Gleichung (8)

CTzz = CTrr~t~ 3«(dVz/dz) (8).

Wenn der Stromdurchmesser in Fig. 3 klein ist wie in Zone III der Fig. 2 und wenn weiter angenommen wird, dass lässt sich Gleichung (12) in die dimensionslose Gleichung (15) 65 überführen:

W

dW dÇ

= V/

d

/ 1 dW \

ç \ w d£ )

+ 1 (15).

5

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Die apostrophierten Grössen in der folgenden Gleichung (16) beruhen auf Differenzierung nach |

W" = (W')2/W + WW' -1 (16).

Wie Gleichung (13) zeigt, ist Gleichung (16) durch Vz beeinflusst. Wenn man in Gleichung (11) A = ;rd2/4 setzt, nach Vz auflöst und in Gleichung (13) einsetzt, erhält man Gleichung (17)

/ p V3 4Mf

•-fe) <»>■

Die abhängige Variable W kann also mittels Gleichung (13) als Funktion von Vz oder mittels Gleichung (17) als Funktion von d ausgedrückt werden.

Eine elektronische Rechenmaschine lieferte eine numerische Lösung der Gleichung (16) mit Hilfe des Taylorschen Expansionsverfahrens. Beim ersten Schritt wurde § = 60 gesetzt und ein willkürlicher Wert für W angenommen. Die numerische Lösung verläuft dann vom Anfangswert aus in Rückwärtsschritten. Durch Iteration wird W so lange verändert, bis § — 0 und W — 0. Fig. 4 zeigt das Arbeitsschema, Fig. 5 die numerische Lösung.

Da nicht Vz, sondern d die messbare, abhängige Variable ist, gibt die Kurve in Fig. 5 die Beziehung zwischen d und z mit g,fi und Mt als Parameter an. Die zu ermittelnde unbekannte Grösse ist M(. Wenn also d bei bekanntem z gemessen werden kann, lässt sich M{ direkt der Fig. 5 entnehmen. Leider ist z in Fig. 5 nicht von irgendeinem identifizierbaren Punkt der Glasstromachse, sondern dort gemessen, wo d unendlich (oder Vz null) ist.

Für gegebene Werte von Q,fi,g liefert Fig. 5 Vz = f(z). Das erfordert, dass die Geschwindigkeit von der Massenstromgeschwindigkeit unabhängig ist. In der Praxis ist jedoch die Geschwindigkeit in einem gegebenen Abstand von der Spitze durch die Anfangsgeschwindigkeit des von der Spitze ausgehenden Stroms zuzüglich des Anteils vom freien Fall bestimmt.

Wenn sich die Massenstromgeschwindigkeit ändert, so ändern sich auch die Anfangsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit an der gegebenen Stelle entsprechend. In der Praxis «schwimmt» also der z = O-Punkt wegen der Änderungen der Massenstromgeschwindigkeit, so dass es unmöglich ist, letztere mit Hilfe eines einzigen Messwerts für den Durchmesser zu bestimmen.

Die Unbestimmtheit des z = O-Punkts lässt sich dadurch ausschalten, dass man zwei d-Werte an Stellen misst, die um Az voneinander entfernt sind. Anhand der Fig. 5 ergeben sich somit die beiden Gleichungen (18) und (19) mit zwei Unbekannten:

Mf = F(z,d1;0,^,g) (18),

M, = F(z + Az,d2,Q,fi,g) (19).

Wenn q,ß,g bekannt sind und z eliminiert wird, erhält man Gleichung (20)

Mf = F(dz,di,d2,{?„M,g) (20).

Wie Fig. 6 zeigt, lässt sich der numerisch erhaltene Verlauf innerhalb der Grenzen 0,2 gWi 0,6 in guter Näherung durch eine Gerade ersetzen (Gleichung 21)

W = Si§ + b (21),

W und § und Umformung erhält man die Gleichungen (22) und (22a):

TM^ = C1d2y~1/3Z - C2ii1/3d~ (22),

Wenn an einer geeigneten Stelle z = zc der Glasstromachse ein Durchmesser d = dQ zu verzeichnen ist und an einer zweiten Stelle, die um die Strecke Az unterstrom von z = zD liegt, der Durchmesser d beträgt, gelten dafür die Gleichungen (23) und (24):

Mt = C1d20(a-1/3Z0 — C2lM1/3d20 (23),

Mf = CidV1/3(Z„ + AZ) - C2lM1/3d2 (24).

Nach Eliminierung von Zc erhält man Gleichung (25):

2 2 -V3 C.d d u /j5AZ

M = 0 (25).

1 d -d o

Hierbei ist der Hinweis wichtig, dass die Messstellen für den Glasstromdurchmesser innerhalb des Bereichs liegen müssen, für den die lineare Approximation gültig ist. Dieser Bereich lässt sich auf zwei Wegen bestimmen, a) Setzt man für W den Wert aus Gleichung (17) ein, erhält man den Bereich (26):

<- / n V/3 *

0,2 = (y-J —f" = 0,6 (26).

lì d P

b) Dem Bereich 0,2SW= 0,6 entspricht der Bereich 0,65 = £ = 1,4. Beim Einsetzen des £-Werts aus der Gleichung (14) erhält man den Bereich (27):

0,65 = ^ g1/3Z = 1,4 (27).

Z ist keine messbare Variable, aber die Differenz (A Z)max der sich aus Gleichung (27) ergebenden Grenzwerte von z ist messbar und von praktischer Bedeutung (Gleichung 28):

(AZ) = 0,75 ( — Ì 3 g~1/3 (28). v max \ P /

Bei obiger Modellvorstellung ist davon ausgegangen worden, dass der schmelzflüssige Giasstrom innerhalb eines gegebenen axialen Bereichs genügend isotherm ist, so dass die Gleichung (16) erfüllt ist. Ferner wurde davon ausgegangen, dass längs der z-Achse ein Bereich gefunden werden kann, in dem die lineare Approximation für die numerische Lösung der Gleichung (16) anwendbar ist.

Für diese Gerade ergibt sich aus Gleichung (25) die Gleichung (29):

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wobei Si der Steigungsfaktor ist, der sich nach der Methode Wenn die erwähnten Voraussetzungen erfüllt sind, ergibt der kleinsten Quadrate zu 0,57 ergibt. Nach Eliminierung von sich also beim Auftragen von 1/d2 überzlz eine Gerade mit

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6

dem von der Massenstromgeschwindigkeit abhängigen Steigungsfaktor s der Gleichung (30):

Mf y ' ^

Für die Anwendung der Gleichungen (22) und (26) auf die Herstellung von Materialien aus Glaswolle ist von einer Dichte des geschmolzenen Glases von 2,48 g/cc ausgegangen worden. Ein repräsentativer Wert für die Massenstromgeschwindigkeit ist 125 bis 170 g/sec und für die Viskosität des geschmolzenen Glases 600 Poise (gilt für etwa 1093° C). Beim Einsetzen dieser vorstehend genannten Werte zeigt Gleichung (26), dass die d-Werte innerhalb des Bereichs, in dem die lineare Approximation anwendbar ist, zwischen 1,09 und 1,28 cm liegen müssen. Die Lösung der Gleichung (27) zeigt weiterhin, dass die Ausdehnung längs der z-Achse bei diesem Durchmesserbereich ungefähr 6 cm beträgt.

Von typischen Glasströmen 16 (Fig. 1) wurden photographische Aufnahmen gemacht und es wurden Messungen des Stromdurchmessers d über einen .dz-Bereich von 6 cm durchgeführt, wobei ungefähr 4 cm unterhalb der Austrittsöffnimg 32 begonnen worden ist. Es wurde die Gleichung (29) auf diese Weise bestätigt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Mit Hilfe der Gleichung (25) wurde die Massenstromgeschwindigkeit des Modells berechnet. Die Werte für die Dichte und Viskosität des geschmolzenen Glasstroms 16 (Fig. 1) wurden ähnlich gewählt wie die des geschmolzenen Glases 13 unmittelbar oberstrom der Düse 15. Dort kann sie nämlich leicht mittels Thermoelementen bestimmt werden.

Die berechnete Massenstromgeschwindigkeit des Modells wurde versuchsweise mit der aktuellen Massenstromgeschwindigkeit mit Hilfe eines Eichkoeffizienten K in Beziehung gesetzt:

(Mf)actual K(Mf)IncH]ci (31 ) ■

Der Eichkoeffizient K wird empirisch für eine vorgegebene Glaszusammensetzung dadurch bestimmt, dass man eine genügende Anzahl von Versuchen mit verschiedenen Massenstrom-geschwindigkeiten durchführt. Auf diese Weise kann man die aktuelle Massenstromgeschwindigkeit über die theoretische Massenstromgeschwindigkeit in einem Diagramm auftragen. Der Steigungsfaktor der so erhaltenen Kurve liefert den Eichkoeffizienten K für die Gleichung (31).

Wenn die Eichkonstante K bestimmt wird, hat das schmelzflüssige Glas eine bestimmte Zusammensetzung und Temperatur. Einige Zeit später kann die Glaszusammensetzung oder die Temperatur sich geändert haben. Dann fällt die Eichkonstante K notwendigerweise anders aus. Es ist jedoch nicht erforderlich, die anfängliche zeitraubende Eichung zu wiederholen. Das anfängliche Eichverfahren wurde dazu benutzt, um eine vernünftige Beziehung zwischen dem Modellwert und dem aktuellen Wert für die Massenstromgeschwindigkeit herzustellen und um ebenso den jeweiligen K-Wert ausfindig zu machen. Daher können nachfolgende Änderungen des K-Werts einfach dadurch durchgeführt werden, dass man periodisch den mit Hilfe des Fangeimers manuell gewonnenen Wert mit dem berechneten aktuellen Wert für die Massenstromgeschwindigkeit vergleicht. Wenn diese Werte beträchtlich voneinander verschieden sind, kann ein neuer K-Wert dadurch bestimmt werden, dass man den alten K-Wert mit dem Verhältnis zwischen dem gemessenen und dem berechneten Modellwert für die Massenstromgeschwindigkeit multipliziert.

Auf diese Weise lässt sich die Eichkonstante K in regelmässigen Zeitabständen immer wieder auf den neusten Stand bringen. Wenn jedoch sehr starke Änderungen in den Verfahrensbedingungen durchgeführt werden, wie z. B. bei Verwendung einer vollständig anderen Glaszusammensetzung, muss die dynamische Viskosität neu berechnet werden, und zwar aus der oberstrom gemessenen Temperatur anhand der Viskositätstemperaturkurve, welche für die neue Glaszusammensetzung gilt. Wenn sich weiterhin die Glasdichte ändert, muss auch die Konstante Q entsprechend korrigiert werden.

Das ausgedehnte, anfängliche Eichverfahren ist jedoch nur dazu erforderlich, um zu bestätigen, dass die Abweichungen zwischen den aktuellen und den Modell-Werten für die Massenstromgeschwindigkeit noch annehmbar sind. Das ist im allgemeinen nur dann erforderlich, wenn so grosse Schwierigkeiten bei der Regelung auftreten, dass die erneute Bestätigung der ursprünglichen Eichung nahegelegt wird.

Fig. 8 zeigt ein Blockschema für die automatische Regelung mittels einer geschlossenen Schleife. Auf diese Weise wird der Durchsatz durch die Düse unter Verwendung der Schätzwerte für die Massenstromgeschwindigkeit eines freifallenden Glasstroms geregelt. Das schmelzflüssige Glas wird der Austrittsöffnung der Düse mittels eines über Kopf angeordneten Vorwärmofens zugeführt, in dem die Glastemperatur durch ein eingetauchtes Thermoelement oder irgendeine andere geeignete Temperaturmessvorrichtung gemessen wird. Unter Benutzung dieser Vorwärmofentemperatur wird die Viskosität des geschmolzenen Glases bestimmt. Dann werden die beiden Messungen für den Stromdurchmesser unter Verwendung der Gleichungen (26) bis (28) durchgeführt, wobei eine eindimensionale Strömung gewährleistet wird.

Die Massenstromgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Glases wird dann unter Benutzung der Gleichungen (25) und (31) berechnet. Die aktuelle Massenstromgeschwindigkeit wird dann mit dem eingestellten Wert für die Düse verglichen und ein Korrektursignal an die Düsenregelung weitergeleitet.

Wenn die aktuelle Massenstromgeschwindigkeit kleiner ist als der eingestellte Wert, wird die Heizung der Düse verstärkt. Auf diese Weise wird die Viskosität der dünnen Glasschicht verringert, die sich unmittelbar neben der inneren Wandung der Düse befindet. Die fluidynamische Reibung wird entsprechend verringert, was eine Vergrösserung der Massenstromgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung der Düse zur Folge hat. Wenn anderseits die aktuelle Massenstromgeschwindigkeit grösser ist als der eingesetzte Wert für die Düse, wird die Widerstandsbeheizung der Düse verringert. Das bewirkt ein Anwachsen der fluidynamischen Reibung, was eine entsprechend kleinere Massenstromgeschwindigkeit zur Folge hat.

Zur Gewinnung der erforderlichen Messwerte für den Stromdurchmesser gibt es eine ganze Anzahl von Messvorrichtungen. Bei einem schmelzflüssigen Glasstrom ist jedoch eine Zeilenabtast-Kamera vorzuziehen. Bei dieser wird eine lineare Anordnung von Photodioden benutzt, die auf die Ausstrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums ansprechen, und zwar beim Vergleich mit einem kontrastbildenden Hintergrund.

Liste der Symbole

A

Querschnittsfläche des Glasstroms b

Konstante (Gleichung 21)

Q

Konstante (Gleichung 22a)

c2

Konstante (Gleichung 22)

d, do

Durchmesser des Glasstroms g

Erdbeschleunigung

K

Eichkonstante

Mf

Massenstromgeschwindigkeit

(Mf)actuai

Aktuelle Massenstromgeschwindigkeit

(Mf)model

Berechnete Massenstromgeschwindigkeit

P

Druck

Po

Atmosphärendruck r

Radialer Abstand s

Neigung der Geraden nach Gleichung 29

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

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Si

Neigung der Geraden nach Gleichung 21

werten des Durchmessers (Gleichung 28)

Vr

Radialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit u

Dynamische Viskosität

V2

Axiale Strömungsgeschwindigkeit

ç

Dimensionsloser axialer Abstand nach dVz/dz

Axialer Geschwindigkeitsgradient

Gleichung 14

W

Dimensionslose axiale Strömungsgeschwindigkeit s

0

Dichte von geschmolzenem Glas

nach Gleichung 13 oder 17

@zz

Normalspannung in z-Richtung

L }

In Achsrichtung der Strömung gemessener Abstand

Qrr

0, 1,2

Normalspannung in radialer Richtung Indizes für die Stationen längs der Achse des

(A z)max

Maximalabstand zwischen den gemessenen Grenz-

Glasstroms in festgelegten Höhen s

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zum Regeln der Massenstromgeschwindig-keit eines Stroms aus schmelzflüssigem Glas, der einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, gekennzeichnet durch a) eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität des geschmolzenen Glases,

b) eine Vorrichtung zur Messung des Stromdurchmessers an mindestens zwei verschiedenen Messstellen längs des Stroms,

c) eine Vorrichtung zur Bestimmung der Ist-Massenstromge-schwindigkeit aus den Messwerten für die Viskosität und die Stromdurchmesser und d) eine Vorrichtung zum Einstellen einer Soll-Massenstrom-geschwindigkeit des Stroms unter Ansprechen auf den Ist-Wert.
2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungsvorrichtung ein auf die Ist-Massenstromgeschwindigkeit ansprechendes Signal erzeugt und dass eine Vorrichtung zum Vergleichen des Signals mit einem Bezugssignal sowie eine Vorrichtung zum Steuern der Einstellvorrichtung unter Ansprechen auf das Ergebnis des Signalvergleichs vorhanden sind.
3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung eine Heizvorrichtung für das schmelzflüssige Glas aufweist.
4. Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine beheizbare Düse aufweist, durch die der Strom hindurchgeht.
5. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung der Viskosität mindestens ein Thermoelement aufweist.
6. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse im wesentlichen kreisförmig ist und dass die Vorrichtung zur Messung der Stromdurchmesser so ausgebildet ist, dass sie Stromdurchmesser an Messstellen im Abstand von etwa zwei Düsendurchmessern von der Düse misst.
7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung der Stromdurchmesser eine Zeilenabtastkamera mit einer Anordnung von Fotodioden aufweist.
8. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen die Ist-Massenstromgeschwindigkeit Mf des geschmolzenen Glases nach der folgenden Gleichung berechnet wird g'VWo^z f (d20-d2)

worin

,u die Viskosität des geschmolzenen Glases,

dD ein Stromdurchmesser,

d ein zweiter, an einer tieferen Stelle des Stroms gemessener Stromdurchmesser,
At. der axiale Abstand zwischen den Messstellen für dD und d,

g die Erdbeschleunigung,

g die Dichte des geschmolzenen Glases und k ein Eichkoeffizient bedeuten.