CZ304044B6 - Zpusob cerení skloviny odstredováním - Google Patents

Abstract

Cerení skloviny (7) odstredováním separací bublin ze skloviny (7), aniz by pritom docházelo k rozpustení bublin ve sklovine (7), se provádí ve sklovine (7) o teplote 1000 az 1600 .degree.C, s výhodou 1200 az 1500 .degree.C, v rotujícím telese (1) cericí odstredivky. Celkový vnitrní prostor V.sub.0.n. rotujícího telesa (1) je cástecne naplnený sklovinou (7) urcenou k cerení o obsahu V, je spojený s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny (7) a vykazuje strední polomer r.sub.0.n. v rozmezí 0,05 az 1 m a celkovou výsku h.sub.0.n. v rozmezí 0,1 az 1,5 m. Podíl obsahu V rotujícího telesa (1) naplneného sklovinou (7) urcenou k cerení je ku celkovému vnitrnímu obsahu V.sub.0.n. rotujícího telesa (1) v pomeru V/V.sub.0.n.=0,20 az 0,80. Cerení skloviny (7) se provádí za následných podmínek, a to pri otáckách rotujícího telesa (1) cericí odstredivky pri odstredování v rozmezí 10 az 200 rad.s.sup.-1.n.; pri prumerné rychlosti rustu bublin v odstredované sklovine (7) v rozmezí 5x10.sup.-8.n. m.s.sup.-1.n. az 5x10.sup.-5.n. m.s.sup.-1.n., s výhodou 1x10.sup.-7.n. m.s.sup.-1.n. az 5x10.sup.-6.n. m.s.sup.-1.n.; az do odstranení nejmensích bublin o polomeru v rozmezí 5x10.sup.-5.n. m az 1x10.sup.-4.n. m. Tím se dosáhne toho, ze celková doba odstredení i nejmensích bublin o polomeru v rozmezí 5x10.sup.-5.n. m az 1x10.sup.-4.n. m se pohybuje v casovém intervalu desítek az tisíc sekund.

Description

Způsob čeření skloviny odstřeďováním

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu čeření skloviny odstřeďováním, při němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny. Způsob se provádí v zařízení, zahrnující nejméně jednu čeřící odstředivku, obsahující rotující těleso válcovitého tvaru s obvodovým pláštěm, dnem a případně víkem, vykazující osovou symetrii v ose rotace rotujícího tělesa. Rotující těleso je vybaveno prostředky pro nátok a výtok skloviny.

Dosavadní stav techniky

Proces odstraňování bublin při tavení skel, nazývaný čeření, je obvykle procesem nej pomalejším, který vyžaduje vysoké teploty, dlouhé časy a použití často toxických nebo ekologicky nežádoucích komponent sklářské tavící směsi. Přitom i malé množství bublin ve skle je z hlediska jeho kvality nepřijatelné. Snaha urychlit tento proces a dosáhnout vysoké kvality skel, stejně jako snaha podstatně snížit spotřebu energie, vedla k použití čeřících činidel (dnes nej častěji používanými jsou oxid antimonitý kombinovaný s oxidovadlem a síran sodný kombinovaný často s redukčním činidlem), a případně dalších způsobů, kterými se proces odstraňování bublin urychlí. Vedle tradičního chemického účinku čeřiv, které uvolňují ze skla do bublin plyny, a zvětšují tak rozměr bublin, a ty v důsledku vztlakové síly rychle stoupají k hladině, používá se i sycení taveniny rychle difundujícími plyny jako helium, nebo se využije dalšího prostředku, kteiý buď sám, nebo v kombinaci s gravitační silou, urychluje separaci bublin od taveniny. Takovým dalším prostředkem je např. použití ultrazvuku, který podporuje růst bublin i jejich koalescenci [1]. Jinou možností je upravení tvaru a proudění v tavícím prostoru tak, aby bubliny v gravitačním poli měly co nejkratší nebo nejsnazší cestu k hladině [2 až 3].

V nedávné minulosti byly učiněny pokusy využít pro separaci bublin ze skloviny odstředivé síly, v analogii s odstřeďováním emulzí a suspenzi. Tento proces je ovšem třeba chápat spíše jako dostřeďování, neboť bubliny jako inkluze velmi malé hustoty se v odstředivém poli pohybují směrem ke středu rotace. Předpokládal se rychlý a dokonalý separační proces, avšak výsledky obou způsobů nebyly často dokonalé. Skla byla obvykle zbavena větších bublin, avšak obsahovala často i značné množství bublin malých a prachových, jejichž odstranění se nedařilo ani změnou parametrů odstřeďovacího procesu, nejčastěji zvýšením otáček. Při použití vysokých otáček pak přistoupily i náročné požadavky na pevnost rotujícího zařízení vzhledem k vysokému tlaku na jeho plášť.

Využití odstředivé síly bylo vyzkoušeno již dříve v některých firmách, zejména se jím, podle podaných patentů, zabývala firma Owens Illinois, lne. z Ohia, US. Existuje několik jejich patentů zabývajících se čeřením skloviny v odstředivém poli.

Patent US 3 819 350 majitele Owens-Illinois, lne., US, publikovaný 25.6. 1974, popisuje metodu a zařízení určené k rychlému tavení a čeření skloviny. Jedná se zde o modulovaný systém, který má za úkol značně urychlit celý proces tavení a homogenizace a tím celou výroby skla urychlit a zlevnit.

První částí zařízení je tavící agregát. Sem je přiváděn kmen, je ohříván a taven. Vznikající směs taveniny a kmene je promíchávána míchadlem. Vzniká utavená sklovína obsahující neroztavená zrnka písku, šlíry a velké množství bublin.

Tato tavenina je přivedena do druhé části zařízení. Ve druhém agregátu jsou umístěny topné elektrody a míchací zařízení. Zdaje sklovína vystavena vyšší teplotě a střihovému tření díky otáčejí- 1 CZ 304044 B6 čímu se válci uvnitř agregátu. Dojde k rozpuštění křemenných zrn, šlír a k dokončení všech reakcí. V tavenině však stále zůstává velké množství plynných inkluzí.

Tato napěněná sklovina je přivedena do třetí části zařízení. Zde je sklovina vystavena odstředivé síle. Dochází k odstraňování bublin a vyčeřená a utavená sklovina je vypouštěna ze zařízení ke zpracování.

Využitím tohoto zařízení je možné dosáhnout stejného výkonu tun/den jako v tradičních tavících zařízeních, avšak se značnou úsporou místa potřebného pro taviči aparát a doby potřebné k utavení skloviny o přijatelné kvalitě.

Podrobný popis třetího agregátu tohoto zařízení, odstředivky, uvádí patent GB 1 360 916, majitele Owens-Illinois, lne., US, publikovaný 24.6.1974. Předem utavená sklovina s velkým množstvím bublin je vlita do válce odstředivky. Na vtoku skloviny v horní části válce je umístěn talíř s několika otvory. Ten má za úkol rozvádět natékající sklovinu ke stěnám válce odstředivky. Na spodní straně válce je umístěn další podobný kroužek, ovšem s jinak rozmístěnými otvory než je běžné - po obvodu. Má také za úkol odvádět sklovinu zpět ke stěnám válce odstředivky.

V preferovaném uspořádání je vzdálenost vrcholu paraboloidu a dna válce minimálně poloviční, lépe stejná, jako délka paraboloidu.

Podobně jako v předchozím patentu, též GB 1 416 027 majitele Owens-Illinos, lne., US, publikovaný 3. 12. 1975, přináší metodu a zařízení pro čeření taveného skla.

Zařízení je podobné jako v předchozím případě: válec odstředivky s nátokem a horním víčkem s otvory. Rozdílný je výtok skloviny z odstředivky. V tomto případě není výtok skloviny ve středu válce, ale po jeho obvodu výtokovými kanálky.

Bylo odzkoušeno několik režimů provozu tohoto zařízení:

- tloušťka vrstvy skloviny je 1 palec (cca 25 mm); tloušťka vrstvy skloviny se mění od 0,001 do 1 palce;

- konstantní tloušťka vrstvy skloviny podél celé stěny odstředivky;

- sklo je s i bez přítomnosti čeřiv.

Všechny výše zmiňované postupy a zařízení jsou určeny pro kontinuální provoz a velké výkony tavících agregátů. Uvedené postupy a zařízení umožňují sice vyčeření skloviny a odstranění velkých bublin, avšak nezbavují sklo prachových bublin, takže čeření skloviny je nedokonalé.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatně omezí způsobem čeření skloviny - taveniny skla - odstřeďováním, při němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny, podle tohoto vynálezu. Čeření se provádí v zařízení, zahrnující nejméně jednu čeřicí odstředivku, obsahující rotující těleso válcovitého tvaru s obvodovým pláštěm, dnem a případně víkem a vykazující osovou symetrii vose rotace rotujícího tělesa, které je vybaveno prostředky pro nátok a výtok skloviny. Podstata tohoto vynálezu spočívá v tom, že čeření skloviny odstřeďováním se provádí separací bublin ze skloviny, aniž by přitom docházelo k rozpuštění bublin ve sklovině, při teplotě skloviny v rozmezí 1000 až 1600 °C, s výhodou 1200 až 1500 °C. Způsob čeření skloviny se provádí v rotujícím tělese čeřicí odstředivky. Její celkový vnitřní prostor V_o je částečně naplněný sklovinou o obsahu V určenou k čeření, a je spojený s okolní atmosférou za účelem úniku bublin ze skloviny. Celkový vnitřní prostor V_o vykazuje střední poloměr r₀ v rozmezí 0,05 alma celkovou výšku h₀ v rozmezí 0,1 až 1,5 m. Podíl obsahu V rotujícího tělesa naplněného

-2CZ 304044 B6 sklovinou určenou k čeření k celkovému vnitřnímu obsahu Vo rotujícího tělesa je v poměru V7V₀ = 0,20 až 0,80.

Čeření skloviny se provádí při otáčkách rotujícího tělesa čeřící odstředivky při odstřeďování v rozmezí 10 až 200 rad.s”¹. Důležitou podmínkou optimálního způsobu čeření skloviny odstřeďováním bublin ze skloviny je splnění podmínek průměrné rychlosti růstu bublin v odstřeďované sklovině, a to v rozmezí 5xl0 ⁸m.s'' až 5xl0”⁵ m.s“¹, s výhodou lxlO’⁷ m.s”¹ až 5x1ο^-6 m.s”¹, přičemž tyto hodnoty byly získány experimentálně. Do rozsahu průměrné rychlost růstu bublin spadá i čeření za přítomnosti čeřících přísad. Čeření skloviny odstřeďováním se provádí až do doby, kdy dojde k odstranění nejmenších bublin o poloměru 5x10”⁵ m až lxlO”⁴ m.

Hlavní výhodou tohoto vynálezu je, že při čeření skloviny odstřeďováním, dochází k separaci bublin, aniž by se bubliny ve sklovině rozpouštěly. Při optimálním vedení čeření skloviny odstřeďováním, při nárokovaném rozmezí poloměru a výšky vnitřního prostoru rotujícího tělesa čeřící odstředivky, jeho definovaném naplnění sklovinou a při nárokovaném rozmezí otáček rotujícího tělesa, lze v překvapivě krátké době dosáhnout odstřeďování bublin ze skloviny, v časovém intervalu desítek až tisíc sekund i pro nejmenší bubliny o poloměru v rozmezí 5xl0”⁵ m až lxlO*⁴ m. Dochází tak k účinnému odstranění i těch nejmenších prakticky očekávaných bublin ze skloviny s poloměrem v rozmezí 5x10’⁵ m až lxl(Γ* m, což doposud nebylo dosahováno.

Řešení umožňuje využití i více čeřících odstředivek. Např., sklovina tavená kontinuálně, může být zpracovávána paralelně ve více odstředivkách s časově posunutým režimem potřebnou dobu a teprve potom může postoupit do dalšího kroku. Čeření lze provádět ve velmi širokém rozmezí teplot 1000 až 1600 °C, přičemž pro většinu průmyslových skel je reálná oblast rozmezí 1200 °C až 1500 °C. Vyšší teploty jsou určeny pro tvrdší typ skel, jako jsou např. borosilikátová skla nebo skla pro LCD obrazovky. Nižší teploty jsou vhodné pro měkká skla, např. vysoce alkalická skla nebo vysoce olovnatá skla.

Definovaná rozmezí velikosti zařízení, teplot skloviny a průměrné rychlosti bublin byla získána matematickým modelováním a experimentálními zkouškami.

Podobnosti mezi chováním bublin v různých sklech z hlediska jejich separace od taveniny, zjištěné řadou nezávislých měření, je využito pro postup jednoduchého přenosu optimálních podmínek z modelového skla, na němž byly získány základní poznatky o chování bublin v rotující tavenině, na jiná průmyslová a speciální skla.

Tento přenos se uskuteční pomocí souboru výpočetních dat na modelovém skle, seskupených do několika empirických rovnic, a s použitím teplotní závislosti rychlosti růstu bublin, za podmínek bez aplikace odstředivé síly, která se změří laboratorně na skle, které má být použito pro proces odstřeďování.

Získaná data zahrnují optimální frekvenci otáček daného rotujícího válce při jeho zadaném plnění taveninou a při zadané teplotě procesu a očekávanou dobu odstranění odhadnuté nejmenší přítomné bubliny, startující ze známé nej nevýhodnější polohy ve válci s taveninou.

Původní v tomto souboru znalosti je způsob, jak přenést optimální podmínky na jiný typ skla. Tento přenos se děje na základě:

a) Zjištění rychlosti růstu bublin ve skle, které má být odstřeďováno, v laboratoři za podmínek bez použití odstředivé síly.

b) Přenos výsledků laboratorního měření pomocí empirických rovnic udávajících optimální podmínky pro modelové sklo v definovaném rozmezí vyšetřovaných podmínek, tj. v oblasti rychlosti růstu kritické bubliny, u běžných skel a odpovídajícímu teplotnímu rozmezí čeřících teplot, a pro rotující válcovitá tělesa nárokovaných rozměrů a nárokovaného plnění.

-3 CZ 304044 B6

Rotující těleso vykazující rotační tvar s osovou symetrií, je např. válec či kónus. Válec je nejvýhodnějším provedením z hlediska výroby i funkce v provozu. Těleso odstředivky válcového tvaru je výhodné z hlediska samotného odstřeďování při rotaci, kdy viskózní kapalina během odstřeďování za vyšších otáček může vytvořit na vnitřní stěně pláště tělesa odstředivky téměř rovnoměrnou vrstvu, přispívající k rovnoměrnému odstřeďování a separaci bublin v této tloušťce skloviny. Těleso odstředivky může rotovat kolem své svislé osy, může rotovat i v ose kolmé ke svislé ose a může rotovat i při ose nakloněné, přičemž při naplnění tělesa i jeho výtoku je výhodné využít gravitace a rotující těleso odstředivky natočit v tomto smyslu. Tedy, čeřící odstředivka má osu rotace, která může být nakláněna z vertikální polohy do horizontální polohy i šikmé polohy, ale preferována je vertikální poloha.

Toto optimální, a dokonce nastavitelné nárokované rozmezí daných hodnot podle jednotlivých případů, které musí být navzájem sladěné, je výsledkem několikaletého výzkumu a vývoje.

Při nižší nárokované hranici středního průměru r₀ vnitřního prostoru rotujícího tělesa, bude čeřící zařízení zabírat menší prostory.

Při vyšším nárokovaném středním poloměru r₀ vnitřního prostoru rotujícího tělesa, se dá předpokládat, že zařízení sice bude robustní a těžké, avšak bude možný při stejném plnění Čeřící odstředivky sklovinou vyšší výkon.

Při menší nárokované výšce ho rotujícího tělesa, může mít rotující těleso větší střední poloměr r₀ vnitřního prostoru, a rotující těleso bude mít tvar podobný disku, v tom případě např. bude vhodné, aby rotující těleso bylo opatřeno dnem i víkem.

Při vyšší nárokované výšce h₀ rotujícího tělesa, může mít rotující těleso nižší střední poloměr r₀ vnitřního prostoru, a čeřící odstředivka bude mít tvar protáhlého válce či kónusu a v takových případech nebude muset mít čeřící odstředivka víko.

Nárokované rozmezí plnění rotujícího tělesa sklovinou je takové, aby sklovina nevyplnila celý prostor uvnitř rotujícího tělesa čeřící odstředivky, a aby vzniklý volný prostor měl tvar rotačního paraboloidu, jehož výška roste s otáčkami a posléze se podobá cylindrické mezivrstvě konstantní tloušťky. Je kontrolována rychlost rotace, a množství skloviny v odstředivce po naplnění tělesa, tak aby sklovina nevyplnila celý prostor uvnitř válce odstředivky. Rotace způsobuje radiálně se zvyšující tlakový gradient, jenž nutí bubliny migrovat radiálně k hladině skloviny.

Při menším podílu naplnění rotujícího tělesa sklovinou, než je nárokovaná spodní hranice, vykáže odstředivka příliš malý výkon na jedno naplnění. Při vyšším podílu naplnění rotujícího tělesa viskózní sklovinou, nad horní nárokovanou hranici, může dojít k rozpuštění malých bublin u pláště válcovitého rotujícího tělesa, což by značně prodloužilo dobu jejich úplného odstranění.

Při nižším počtu otáček rotujícího tělesa, než je nárokovaná spodní hranice, bylo zjištěno, že nemusí být splněna podmínka účinné a dostatečné separace bublin u dna válcovitého rotujícího tělesa. Při vyšším počtu otáček rotujícího tělesa, nad horní nárokovanou hranici, dochází opět k rozpuštění malých bublin u pláště válce, což by opět značně prodloužilo dobu potřebnou pro jejich odstranění. Rovněž by se zvyšovaly nároky na materiál odstředivky. Rychlost rotace by měla být volena taková, aby byla vytvořena optimální radiální tloušťka skla na povrchu vnitřního pláště rotujícího tělesa čeřící odstředivky. V praxi pro kontinuální čeření, nevyčeřená sklovina natéká do rotujícího tělesa takovou rychlostí, aby v něm zůstávalo stále stejné množství skloviny a aby sklo vytékalo dole z tělesa převážně u středové osy.

Tento vynález, ve srovnání s tradičním způsobem, odstraňuje bubliny poměrně rychle. Při zachování optimálních podmínek by sklovina neměla obsahovat žádné bubliny větší než 0,1 mm; tedy, sklovina by měla být prosta bublin, protože menší bubliny než průměru 0,1 mm se ve sklovině

-4CZ 304044 B6 nepředpokládají. Průměrná dobou zadržení skloviny v odstředivce je okolo 15 minut nebo kratší. Doba odstřeďování závisí zejména na teplotě v tavenině skla - sklovině.

Pro některé případy zařízení, zejména velké výšky ho a nízkého středního poloměru r₀ rotujícího tělesa čeřící odstředivky, může být rotující těleso na konci přivráceném nátoku skloviny otevřené. Toto otevřené ústí slouží jako nátokový otvor skloviny. To předpokládá menší množství odstřeďované skloviny, což se týká např. luxusních nebo speciálních typů sklovin. Toto řešení připadá v úvahu při kontinuálním průběhu čeření.

Ve většině výhodných uskutečnění čeřící odstředivky, rotující těleso čeřící odstředivky na straně přivrácené nátoku skloviny obsahuje víko s nejméně jedním vratně uzavíratelným otvorem pro nátok skloviny a na straně přivrácené výtoku skloviny obsahuje dno s nejméně jedním uzavíratelným otvorem pro výtok skloviny. Čeřicí odstředivka se dnem a víkem je nejvýhodnější aplikace vynálezu, která zajišťuje bezpečný průběh čeření v uzavřeném prostoru. Otvory ve víku a dně zajišťují nerušený, případně regulovatelný nátok a výtok skloviny a odvod plynů. Otvory pro nátok a/nebo výtok skloviny mohou být situovány v ose rotace tělesa čeřicí odstředivky, nebo mimo ně.

Čeřicí odstředivka může být neotápěná v případě výborné tepelné izolace válce nebo při rychlém čeření menšího množství čeřené skloviny odstřeďováním.

Ve většině výhodných uskutečnění čeřicí odstředivky, a v praktickém využití pro většinu sklovin v teplotním rozmezí 1000 až 1600 °C, a též podle technických a konstrukčních možností, je čeřicí odstředivka otápěna plynem nebo elektricky, případně mikrovlnným ohřevem.

Pro většinu konkrétních řešení je výhodné, když rotující těleso, dno, boční stěny a případně víko čeřicí odstředivky pro odstřeďování bublin ze skloviny, je zhotoveno ze žáruvzdorné keramiky, nebo žáruvzdorného kovu či slitiny, a je tepelně izolováno, a má vnější kovový plášť. Toto řešení připadá v úvahu pro většinu běžných sklovin, čeřených v teplotním rozmezí 1000 až 1600 °C.

Při kontinuálním způsobu čeření musí být zajištěn kontinuální průtok skloviny čeřícím zařízením, tj. musí být zajištěna a seřízena rychlost nátoku skloviny, odpovídající rychlosti výtoku skloviny.

Rotující těleso může obsahovat nejméně jeden vratně uzavíratelný otvor pro nátok viskózní kapaliny, zejména skloviny, situovaný s výhodou ve vratně uzavíratelném víku. Víko není nezbytně nutné v případě úzkého rotujícího tělesa odstředivky, a potom je pro nátok viskózní tekutiny určena celá tato plocha. U většiny případů se však předpokládá využití vratně uzavíratelného víka, s jedním vtokovým otvorem pro malé množství viskózní kapaliny, nebo více vtokových otvorů u těles většího průměru na nátoku, a většího množství odstřeďované tekutiny.

Rotující těleso také může obsahovat nejméně jeden vratně uzavíratelný otvor pro výtok skloviny, situovaný s výhodou v dnu rotujícího tělesa. Výtok skloviny, může být situován v rotujícím tělesu odstředivky kdekoliv, ale toto umístění je nejjednodušší jak pro výrobu, tak pro provoz. Podle velikosti typu rotujícího tělesa odstředivky a množství viskózní kapaliny pro separaci bublin z ní, může být těchto otvorů i více v jednom tělese. U typů rotujících těles s malým průměrem, např. u těles konického typu, dole se zužujících, může sloužit jako otvor pro výtok i celé dno.

Rotující těleso nemusí nebo může být otápěno. Otop nemusí být realizován v případě, že se jedná o menší množství odstřeďované viskózní tekutiny nebo o rychlé vyčeření bublin, kde vzhledem ke krátké době setrvání skloviny v rotujícím tělese též není nutný ohřev čeřicí odstředivky.

Rotující těleso může být otápěno, a to v případě odstřeďování sklovin při vysokých teplotách a větším množství, např. plynem či, elektricky, případně mikrovlnami.

-5CZ 304044 B6

Rotující těleso, určené pro odstřeďování bublin ze skloviny, je s výhodou zhotoveno ze žárovzdomé keramiky nebo žárovzdomého kovu či slitiny. Tyto odolné žárovzdomé materiály jsou použity proto, že teplota většiny sklovin, při odstřeďování a separaci bublin ve skle čeřením, se pohybuje v rozmezí 1000 až 1600 °C. Velmi záleží na typu skla, zda se jedná o skla měkčího typu, např. olovnatá a vysoce olovnatá, u nichž se předpokládá nižší teplota pro čeření. Teplota většiny běžných skel při čeření se bude pohybovat cca 1400 °C, u tvrdšího typu skel, např. borosilikátových se předpokládá vyšší teplota.

Způsob čeření skloviny odstřeďováním, může být určeno pro přetržitý provoz pro menší množství odstřeďované viskózní kapaliny, zejména skloviny, a to např. sklovin tavených ručně nebo luxusních sklovin. Zde se předpokládá, že k čeření bude stačit jedno rotující těleso odstředivky. Zařízení může pracovat též pro větší množství odstřeďované skloviny, kde se předpokládá využití více rotujících těles odstředivky, uspořádaných tak, že jejich režimy jsou navzájem časově posunuty, např. při karuselovém uspořádání.

Čeřící účinek odstraněných plynných inkluzí může být zvýšen optimalizací otáček, teploty, residenční doby, nebo kombinací těchto podmínek nebo změnou rozměrů čeřícího zařízení.

Nevyčeřené sklo je přivedeno do rotujícího tělesa čeřící odstředivky, který rotuje okolo středové, v podstatě vertikální, osy. Sklo stéká vlivem gravitační síly dolů po vnitřní stěně rotujícího tělesa. Rychlost rotace, teplota a rychlost vtoku jsou takové, že sklovina vytváří radiální vrstvu na vnitřní stěně rotujícího tělesa a umožňují vyčeřené sklovině po ukončení rotace opustit toto těleso vhodným výtokovým otvorem, s výhodou v radiálním směru.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je podrobně popsán dále na příkladných provedeních, a objasněn pomocí schématických výkresů, z nichž rotující těleso odstředivky představuje:

obr. 1 axonometrický pohled na rotující těleso čeřící odstředivky, bez skloviny, kde těleso je nahoře otevřené, dole má uzavřené dno, obr. la axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při naplnění sklovinou, obr. lb axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při odstřeďování, a obr. lc axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při výtoku skloviny.

obr. 2 axonometrický pohled na rotující těleso čeřící odstředivky, bez skloviny, kde těleso je otevřené nahoře, a s otvorem ve dnu, obr. 2a axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při naplnění sklovinou, obr. 2b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při odstřeďování, a obr. 2c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při výtoku skloviny;

obr. 3 axonometrický pohled na rotující těleso čeřící odstředivky, bez skloviny, kde těleso má víko s otvorem, dole má uzavřené dno, obr. 3a axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při naplnění sklovinou, obr. 3b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při odstřeďování, a obr. 3c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při výtoku skloviny;

obr. 4 axonometrický pohled na rotující těleso čeřící odstředivky, bez skloviny, kde těleso má otvor ve víku i dně, obr. 4a axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při naplnění sklovinou,

-6CZ 304044 B6 obr. 4b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při odstřeďování, a obr. 4c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při výtoku skloviny.

Na dalších obrázcích jsou znázorněny různé závislosti související s odstraňováním bublin ze 5 skloviny při čeření odstřeďováním.

Obr. 5 znázorňuje závislost doby potřebné k odstranění nejmenší bubliny ze skloviny na rychlosti rotace.

ío Obr. 6 znázorňuje závislost doby vyčeření na rychlosti růstu bublin ze skloviny za podmínek bez uplatnění odstředivé síly.

Obr. 7 znázorňuje závislost optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5x10‘⁵ a 1x10^ m na průměrné tloušťce vrstvy skloviny při 1400 °C.

Obr. 8 znázorňuje závislost optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5xl0^-5 a lxlO”⁴ m na průměrné tloušťce vrstvy skloviny při 1450 °C.

Obr. 9 znázorňuje závislost optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5xl0“⁵ a lxltT⁴ m 20 na průměrné tloušťce vrstvy skloviny při 1500 °C.

Obr. 10 znázorňuje závislost optimální úhlové rychlosti rotace rotujícího tělesa na průměrné tloušťce vrstvy skloviny pro bublinu o poloměru 5x10’⁵ m při polovičním plnění rotujícího tělesa sklovinou.

Obr. 11 znázorňuje závislost součinu úhlové rychlosti rotace rotujícího tělesa a optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5x10^-5 m na stupni plnění rotujícího tělesa sklovinou.

Obr. 12 znázorňuje průměrné rychlosti růstu bublin ve sklovině bez účinku odstředivé síly 30 a v optimálním případě skloviny rotující ve válci poloměru 0,25 mas polovičním plněním sklovinou, jako funkce teploty.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Čeřicí odstředivka

Zařízení k čeření skloviny 7 odstřeďováním může být určeno pro přetržitý provoz. Jeho podstatná část, čeřicí odstředivka může být otápěna plynem nebo elektricky, případně mikrovlnným ohřevem (neznázoměno). Rotující těleso i, dno 3, plášť 4 a případně víko 2 čeřicí odstředivky pro odstřeďování bublin ze skloviny 7, je obvykle zhotoveno ze žáruvzdorné keramiky nebo žáru45 vzdorného kovu či slitiny, s vnějším ocelovým pláštěm a případně je pod ocelovým pláštěm tepelná izolace. Zařízení k čeření skloviny 7 odstřeďováním může zahrnovat různé typy tělesa I čeřicí odstředivky, z nichž některá jsou uvedena dále.

Na obr. 1 je axonometrický znázorněno rotující těleso I čeřicí odstředivky pro zařízení k čeření skloviny 2 odstřeďováním. V rotujícím tělese i se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny 7, aniž by přitom docházelo k rozpuštění bublin ve sklovině 7. Rotující těleso i má válcovitý plášť 4, horní plochu na straně přivrácené nátoku skloviny 7, a protilehlou dolní plochu tvořenou dnem 3. Rotující těleso i čeřicí odstředivky má rotační tvar s osovou symetrií shodnou s jeho osou 8.

-7CZ 304044 B6

Na obr. 1 je znázorněno prázdné rotující těleso i čeřící odstředivky, bez skloviny 7, které je nahoře otevřené, a dole je uzavřeno dnem 3 bez otvoru pro výtok skloviny 7. Těleso I má tedy horní plochu na straně přivrácené nátoku skloviny 7 zcela otevřenou, a tato otevřená horní plocha slouží jako nátokový otvor 5 skloviny 7 do celkového vnitřního prostoru Vg rotujícího tělesa I.

Na obr. laje znázorněno rotující těleso I těsně po naplnění sklovinou 7. Na tomto obr. laje naznačen šipkou směr 9 nátoku skloviny 7 do tohoto typu rotujícího tělesa I čeřící odstředivky, konečné množství skloviny 7 při naplnění rotujícího tělesa I o obsahu V, a konečná hladina skloviny 7 v tělese 1 určené k čeření.

Na obr. lb je šipkou naznačen směr U rotace tohoto tělesa 1 čeřící odstředivky při odstřeďování skloviny 7, a též vytvoření parabolického útvaru skloviny 7 na vnitřní stěně pláště 4 a dnu 3 tělesa I během odstřeďování.

Na obr. lc je naznačen směr 10 výtoku skloviny 7 z tohoto typu tělesa I po ukončení odstřeďování a při pohledu na vylévání skloviny 7 horní otevřenou plochou tělesa I čeřící odstředivky.

Na obr. 2 je znázorněn jiný typ tělesa I čeřící odstředivky, kde těleso I je opět jako v předchozím příkladu provedení otevřené nahoře, takže otevřená horní plocha slouží jako nátokový otvor 5 skloviny 7 do vnitřního prostoru V_o tělesa L Avšak v tomto případě těleso I čeřící odstředivky má dno 3 opatřeno výtokovým otvorem 6.

Na obr. 3 je znázorněn další typ tělesa I čeřící odstředivky, bez skloviny 7, kde těleso I má uzavřené dno 3j bez otvoru pro výtok. Těleso 1 je však na své horní ploše opatřeno víkem 2 s nátokovým otvorem 5 pro nátok skloviny 7.

Na obr. 4 je vyobrazen další typ tělesa I čeřící odstředivky, bez skloviny 7, jehož dno 3 je opatřeno centrálním výtokovým otvorem 6 pro výtok skloviny 7, a víko 2 je opatřeno nátokovým otvorem 5 pro nátok skloviny 7.

Obdobně jako na obr. laje na obr. 2a, 3a, 4a znázorněn příslušný popsaný typ tělesa I čeřící odstředivky, a to vždy v okamžiku naplnění sklovinou 7, která zaujímá obsah V. Na těchto obrázcích la, 2a, 3a, 4a je naznačen šipkou směr 9 nátoku skloviny 7 do tohoto typu tělesa I čeřící odstředivky příslušným nátokovým otvorem 5. Nátokový otvor 5 představuje buď celá otevřená horní plocha příslušného typu tělesa i jak je znázorněno na obr. la, 2a, nebo nátokový otvor 5 je vytvořen jako centrální otvor v horním vratně uzavíratelném víku 2 tělesa, jak je znázorněno na obr. 3a, 4a. Na těchto obrázcích la, 2a, 3a, a 4a je patrná též hladina skloviny ]_ v tělese I, určená k čeření skloviny 7.

Obdobně jako na obr. lb, je na obr. 2b, 3b, 4b znázorněn příslušný popsaný typ tělesa 1 čeřící odstředivky, a to v okamžiku rotace tělesa I se sklovinou 7. Směr 11 rotace tělesa i je označen šipkou. Všechny typy těles I se otáčí kolem svislé centrální osy 8 tělesa L Z obrázků je též patrné, že sklovína 7 při rotaci tělesa I vytváří paraboloid.

Obdobně jako na obr. lc je též na obr. 2c, 3c, 4c znázorněn příslušný popsaný typ tělesa I čeřící odstředivky, a to vždy v okamžiku vylévání skloviny 7 z výtokového otvoru 6 tělesa 1. Směr 10 výtoku skloviny 7 z tělesa I je naznačen na obr. lc, 2c, 3c, 4c šipkou.

Sklovina 7 vytéká z tělesa I, které má plné dno 3 při naklonění tělesa I, buď z otevřené horní plochy tělesa i, nebo z nátokového otvoru 5 ve víku 2, které se při tomto úkonu stávají i výtokovými otvory 6, jak je znázorněno na obr. lc, 3c.

V případě, kdy je dno 3 opatřeno ve dně 3 centrálním výtokovým otvorem 6 pro výtok, sklovina 7 vytéká z tohoto výtokového otvoru 6 ve dnu 3 vlastní vahou, bez naklánění tělesa I, jak je znázorněno na obr. 2c, 4c.

-8CZ 304044 B6

Nejčastější a nejvýhodnější volba typu tělesa je znázorněna na obr. 4, 4a, 4b, 4c s nátokovým otvorem 5 ve víku 2 tělesa I a výtokovým otvorem 6 ve dnu 3 tělesa I, z hlediska výroby tělesa 1 i jeho funkce.

Užitečné je konstatování, že nejvýhodnější uskutečnění pro výrobu i funkci těchto uvedených typů tělese I je takové, že výtokový otvor 6 a/nebo nátokový otvor 5 je situován přímo v ose 8 tělesa I, kdy osa 8 je současně i osou rotace tělesa L

I když to není znázorněno, horní plocha tělesa I na straně přivrácené nátoku 5 skloviny 7, která je opatřena víkem 2 může být opatřena větším počtem uzavíratelných nátokových otvorů 5 skloviny 7, v případě širšího typu tělesa I nebo tělesa I větších rozměrů.

V obdobných případech, i když to není znázorněno, též dno 3 může být opatřeno větším počtem výtokových otvorů 6. Je zřejmé, že v těchto příkladech výtokové otvory 6 a/nebo nátokové otvory 5 jsou situovány mimo osu 8 tělesa i.

Na obr. 1, 2, 3, 4 je znázorněn celkový vnitřní prostor Vo různých typů válcovitého tělesa I, a pro tomuto celkovému vnitřnímu prostor Vo odpovídá celková výška h₀ a odpovídající střední poloměr ro.

Na obr. la, 2a, 3a, 4a je znázorněn obsah V skloviny 7 určený k čeření, při naplnění tělesa U

Pro všechny uvedené typy těles 1 čeřicí odstředivky platí, že celkový vnitřní prostor V_o tělesa 1 vykazuje střední poloměr r₀ v rozmezí 0,05 až 1 m; a celkovou výšku h₀ v rozmezí 0,1 až 1,5 m.

Přitom podíl obsahu V vnitřního prostoru rotujícího tělesa I naplněného sklovinou 7, určenou k čeření ku celkovému vnitřnímu obsahu V_o rotujícího tělesa i je v poměru V₇/V_o = 0,20 až 0,80.

Důležitým parametrem pro čeření skloviny 7 odstřeďováním je rychlost rotujícího tělesa i čeřící odstředivky při odstřeďování, která je v rozmezí 10 až 200 rad.s”¹.

Způsob čeření skloviny 7 odstřeďováním je popsán dále.

Pro vícesložkové bubliny - a jen takové se vykazují při výrobě skla - se uplatní dva mechanismy odstranění bublin ze skloviny 7, ale pouze jeden je přípustný pro splnění požadavku rychlého čeření: odstředění. Byla nalezena oblast přípustných podmínek pro rychlý proces odstředění, která je kromě parametrů samotného procesu závislá i na typu skla, respektive na transportu plynů mezi bublinami a sklovinou 7.

Výskyt především velmi malých bublin ve sklovině 7 po odstředění velmi omezoval použitelnost způsobu čeření skel pro náročné sklářské výroby. Nabízela se spíše možnost použít odstředění tam, kde jsou požadavky na kvalitu skla nižší (norma pro některá skla připouští velmi malé bubliny), nebo použít odstřeďování pouze jako první stupeň procesu odstraňování bublin. Obě možnosti jsou však ústupkem od možnosti používat odstředivou sílu jako plnohodnotný nástroj k získání skla zcela bez bublin. Požadavkem úspěšného používání odstřeďování je získat za dobu znatelně kratší než při klasickém čeření v gravitačním poli sklovinu 7 zcela bez bublin, tedy i bez velmi malých bublin - kyšpy. Pro tento účel však chyběla detailní znalost chování bublin. Při aplikaci odstředivé síly pro odstraňování bublin nastanou totiž poměry odlišné od chování kapiček nebo pevných částic, které jsou odstřeďováním běžně separovány. V důsledku stlačitelnosti plynů se bubliny v okamžiku zahájení rotace smrští a účinek odstředivé síly se zmenší, neboť je závislý na druhé mocnině okamžitého rozměru bublin. Zvýšení tlaku v bublinách má rovněž za následek zvýšení koncentrace jednotlivých plynů přítomných v bublinách na povrchu bublin podle Henryho zákona, a tím se podporuje rozpouštění plynů z bubliny do skloviny 7. Další pokles rozměru bubliny tak dál snižuje její rozměr a malé bubliny se mohou při vysokých

-9CZ 304044 B6 otáčkách zcela rozpustit. Pokud k úplnému rozpuštění nedojde, bubliny po ukončení rotace opět narostou úměrně k původnímu zvýšení tlaku, což se jeví jako vada. Tento jev byl pravděpodobnou příčinou výskytu většího množství malých bublin po odstředění, jak uváděla výše zmíněná patentová řešení. Pro odstřeďování bublin se tedy jeví jejich stlačitelnost a následná očekávaná interakce se sklovinou 7 jako zásadní pro účinnost procesu. Rovněž možný mechanismus úplného rozpuštění bublin vyžaduje svoje vyhodnocení.

Z řečeného je zřejmé, že úspěšné technické řešení není ani tak primárně založeno na technickém uspořádání samotného čeřícího zařízení, např. zda jde o přetržitý nebo nepřetržitý provoz, jako na přesné a obecné znalosti chování bublin v odstředivém poli. Nedávná studie navrhovatelů tohoto patentu využila matematického modelu chování vícesložkových bublin v modelovém skle pro výrobu televizních obrazovek k parametrické studii chování bublin v odstředivém poli tak, aby bylo vysvětleno předpokládané složité chování bublin za těchto podmínek a nalezeny jeho obecné rysy. Použití modelového televizního skla bylo motivováno především faktem, že u tohoto ve své době široce vyráběného skla bylo známo velké množství dat, především dat týkajících se koncentrací, rozpustností a difúzních koeficientů plynů, která jsou pro oživení modelu chování bublin potřebná.

Ucelený systém dat získaný systematickým matematickým modelováním chování bublin kritické velikosti na modelovém skle je zpracovaný s cílem přenosu na jiný typ skla a uvedený ve formě jednoduchých semi-empirických a empirických rovnic. Princip přenosu dat na jiná skla spočívá ve využití prokázané podobnosti chování bublin v různých typech skel, jestliže platí, že veličina rychlost růstu bublin v sklovině 7 za podmínky bez aplikace odstředivé síly (měřitelná laboratorně) je stejná pro modelové a k aplikaci uvažované sklo. Na základě změřené průměrné rychlosti růstu bublin nebo teplotní závislosti průměrné rychlosti růstu bublin za předpokládaných podmínek (teplot, případně tlaku) ve skle určeném pro aplikaci a na základě požadavku na efektivní čeřicí výkon zařízení nebo na základě konstrukčního požadavku na rotující těleso ia ze systému modelových dat se získá hodnota optimální úhlové rychlosti rotace válce a příslušná optimální doba potřebná k odstranění všech bublin včetně malých bublin udané kritické velikosti.

Pro matematický model bylo zvoleno rotující těleso I ve tvaru válce, znázorněného na obr. 1, 2, 3, 4. Výsledky sledování chování bublin ve sklovině 7 ve válci ukázaly, že je třeba využívat částečného plnění válce sklovinou 7 skla, takže odstraňování bublin ze skloviny 7 odstředivou sílou - dostřeďování - probíhá ve vrstvě skloviny 7 u pláště rotujícího válce a že podmínky odstřeďování musí být dosti přesně nastaveny. Důvodem pro přesné nastavení byl fakt, že při rotaci byly bubliny odstraňovány skutečně dvěma mechanismy: úplným rozpuštěním malých bublin ve sklovině 7 a dostřeďováním větších bublin v důsledku jejich pohybu směrem k zakřivené hladině. Proces rozpouštění se však ukázal pro technické využití jako nevhodný, neboť časy rozpouštění malých bublin byly příliš vysoké oproti časům potřebným běžně pro separaci odstředěním. K rozpouštění velmi malých bublin docházelo za vyšších otáček u pláště válce a při dalším zvyšování otáček se začaly rozpouštět stále větší bubliny, které ovšem potřebovaly ke svému rozpuštění stále delší časy. Při velmi nízkých otáčkách naopak byl účinek odstředivé síly malý a separace bublin dostředěním byla rovněž pomalá.

Z uvedeného chování bylo zřejmé, že rozpouštění malých bublin je třeba vyloučit a současně je třeba zajistit dostatečný účinek odstředivé síly, aby separace bublin byla rychlá. Obrázek 5 ukazuje na příkladu, že za daných podmínek, tj. složení skla, teploty, tlaku a počáteční velikosti bubliny, je doba potřebná k odstranění bubliny z rotující vrstvy skloviny 7 poměrně složitou funkcí účinku odstředivé síly, která je v daném případě u válce o poloměru 0,5 m do poloviny naplněného taveninou televizního skla reprezentovaná úhlovou rychlostí rotace válce. Minimální čas při poměrně nízkých otáčkách, vyjádřené zde úhlovou rychlostí rotace v rad.s“¹, ukazuje podmínky pro nejrychlejší odstranění bubliny separací, odstředěním k hladině skloviny 7, zatímco maximum znázorňuje již rozpuštění této bubliny. Při ještě vyšších otáčkách se pak bublina již jen rozpouští a narůstá tlak na plášť 4 rotujícího tělesa I. Je-li přítomen celý soubor bublin různých velikostí, nastává rozpuštění vždy nejprve u nejmenších bublin, a proto je třeba hledání

-10CZ 304044 B6 optimálních podmínek, daných zmíněným optimem, spojit s existencí nejmenších přítomných bublin nebo maximálních bublin, které ještě dovoluje za rozměr takových nejmenších bublin přijmout poloměr 5x10^-5 m nebo lxl O^-4 m při nižší normě kvality skla. Vycházejíce z laboratorních zkušeností a zkoumání vad typu bublin, se bubliny v roztavených sklech v daném tavícím stadiu obvykle nevyskytují, vzhledem kjejich předchozímu pobytu ve skle za vyšších teplot, kdy bubliny velmi pomalu rostou. Jestliže se při hledání optimálních podmínek zaměříme na tyto nejmenší bubliny, najdeme pro daný případ podmínky nepřísnější.

Na křivce v obr. 5 je znázorněn v nejvyšším bodě nejhorší možný stav odstranění bubliny a změna mechanizmu při odstřeďování, tj. změna z odstřeďování na rozpuštění bubliny. Křivka vlevo od nejvyššího bodu představuje stav, kdy bubliny jsou ve sklovině 7 odstřeďovány.

Na křivce vlevo na obr. 5 je též ukázán ideální stav v nejnižším bodu křivky, odpovídající nejkratší době odstranění bubliny odstředěním. Křivka vpravo od změny mechanizmu, od nejvyššího bodu této křivky představuje stav, kdy se bublina ve sklovině 7 rozpustí.

Předchozí uvedená fakta svědčí o tom, že nastavení vhodných podmínek pro odstřeďování je omezeno na poměrně úzkou oblast velikosti účinku odstředivé síly. Jak již bylo předpokládáno, účinek odstředivého tlaku způsoboval nejen smrštění bublin, což je z hlediska odstřeďování nepříznivé, ale vyvolal i difúzi plynů z bublin do taveniny - skloviny 7 čímž se dále zmenšoval jejich rozměr a účinek odstředivé síly. Druhý účinek byl pak závislý na počtu přítomných plynů v bublině a rychlosti, kterou byly plyny schopny difundovat sklovinou 7. Zdálo by se tedy, že použití odstředivé síly za takové je spojeno s příliš vysokými požadavky na proces jejího nastavení, na druhé straně však výsledky modelovací studie prokázaly, že za příznivých podmínek je rychlost procesu separace bublin, vyjádřená čeřícími časy nejmenších bublin, podstatně vyšší než při odstraňování bublin vyplutím k hladině pouze gravitací. Pro praktické využití odstředivé síly k odstraňování bublin z roztavených skel je tedy třeba získat zobecnění stručně zmíněných výsledků modelování bublin tak, aby pomocí zobecněných výsledků bylo možno nalézt u jakékoliv skloviny 7 oblast optimálních podmínek odstředění.

Pro praktické použití je třeba pro daný typ skla správně volit případné čeřící přísady a dále podmínky odstřeďování: poloměr ro a výšku h₀ rotujícího celkového válcového vnitřního prostoru Vo tělesa I, stupeň jeho naplnění sklovinou 7 a rychlost rotace tohoto vnitřního prostoru V_o. Je třeba rovněž odhadu kritických nejvyšších čeřících dob nejmenších bublin.

Tento předložený vynález se týká přetržitého způsobu čeření, který má význam zejména pro skla připravovaná v menších množstvích nebo pro použití v nepřetržitém provozu, kde je odebírání vyčeřené skloviny 7 možno dosáhnout použitím více rotujících válců těles I, případně se zásobníkem vyčeřené skloviny 7.

Nastavení vhodných podmínek odstřeďování by u každého skla vyžadovalo matematického modelování chování bublin v předpokládaném rotujícím prostoru a nalezení optimálních podmínek opakovanými výpočty. Potřeba velkého množství dat, zejména dat plynů vyskytujících se rozpuštěných ve sklech nebo v bublinách, však tuto možnost téměř znemožňuje, neboť potřebná data se získávají speciálními měřicími metodami a jejich získání vyžaduje dlouhodobá měření. Zkušenosti ze stávajících patentovaných a známých řešení pak ukazují, že odhad parametrů bez bližší znalosti chování bublin nevede ke kvalitnímu procesu odstranění bublin ze skloviny 7. Zkušenosti původců tohoto vynálezu však ukazují, že bubliny se ve sklech chovají velmi podobně během jejich odstraňování ze skloviny 7, vyplouváním k hladině vlivem vztlaku. Mnoho provedených měření prokázalo, že i při použití různých čeřících přísad na různých typech skel a za rozdílných příhodných teplotních nebo tlakových podmínek, mají bubliny velmi podobné doby čeření potřebné k vystoupání k hladině, pokud vykazují stejnou rychlost růstu svých rozměrů. Za podmínek racionálního provozování čeřícího procesu, je tedy rychlost růstu bublin, která určuje okamžitý rozměr malých kritických bublin, rozhodující pro dobu jejich vyčeření a ostatní vlastnosti skloviny 7 významné pro vzestup bublin, jako je její hustota a viskozita, hrají jen pod- 11 CZ 304044 B6 řádnou roli. Znamená to rovněž, že rychlost stoupání bubliny v různých sklovinách 7 nebo za různých teplotních podmínek se příliš neliší, jestliže jsou shodné rychlosti růstu bublin, což bylo zjištěno experimentálně. Tento fakt dosvědčuje závislost doby čeření velmi malých bublin o počátečním poloměru ao = 5x10”⁵ m na rychlosti jejich růstu v obrázku 6, získaná na různých typech skel za různých teplotních i tlakových podmínek. V široké oblasti rychlosti růstu bublin je doba čeření funkcí rychlosti jejich růstu a údaj o rychlosti růstu bublin je tudíž jediným potřebným a značně spolehlivým údajem o tzv. čeřitelnosti skel. Zkušenosti z praxe ukázaly, že špatně čeřitelná skla vykazují hodnoty rychlosti růstu bublin menší než ΗΓ⁷ m.s'¹, středně čeřitelná skla hodnoty mezi ΗΓ⁶ až 10“⁷ m.s'¹ a velmi dobře čeřitelná skla hodnoty menší než nad 10* m.s¹. Hodnota rychlosti růstu bublin je snadno měřitelná v laboratoři vysokoteplotním sledováním závislosti poloměru bublin na čase a odečtením směrnice téměř lineární závislosti mezi poloměrem bublin a časem. Z měření většího množství bublin je pak získána průměrná rychlost růstu bublin. Tento fakt podobnosti skel při čeření vyplouváním k hladině v gravitačním poli může být využit i při hledání optimálních podmínek jejich odstřeďováním.

Protože i v odstředivém poli se bubliny odstraňují mechanismem založeným na rozdílu hustot bubliny a skloviny 7 (rovnice pro radiální rychlost bubliny má formálně stejný tvar jako Stokesova rovnice pro vzestup bublin v gravitačním poli), lze velmi dobře předpokládat, že bubliny se stejnou rychlostí růstu bublin se budou velmi podobně chovat i v odstředivém poli. Tento předpoklad vychází z výsledků matematického modelování v odstředivém poli, které ukázaly, že velmi důležitým parametrem odstraňování bublin je především jejich schopnost rozpouštět se nebo růst, která je obecně určována přesycením nebo nasyceným skloviny 7 za daných podmínek bez uplatnění odstředivé síly. Tato schopnost je dobře reprezentována zmíněnou rychlostí růstu bublin, která je laboratorně měřitelná. Jako další významný a obecný faktor čeřícího procesu uplatňující se již v rotujícím válcovém prostoru se pak ukazuje odstřediví tlak vznikající rotaci, který působí proti přesycení nebo stupni nasycení skloviny 7 plyny způsobenému především aplikací čeřícího činidla za příslušné teploty. Tento odstředivý tlak může za určitých podmínek vyvolat i částečné rozpouštění bublin nebo jejich úplné rozpuštění. Pro radiální pohyb bublin ke středu válce působí dostředivé zrychlení. Posledním důležitým faktorem čeřícího procesu v odstředivém poli se pak ukazuje čas, který stráví bublina v sklovině 7 do dosažení zakřivené hladiny. Tento čas může být reprezentován tloušťkou vrstvy skloviny 7, kterou musí projít kritická bublina, startující od pláště válce. Role jednotlivých faktorů je tedy následující:

Rychlost růstu bublin změřená za daných teplotních a tlakových podmínek na daném typu skla bez účinku odstředivé síly představuje obecnou schopnost bublin růst nebo se rozpouštět za atmosférického tlaku i za změněných tlakových podmínek způsobených rotací.

Odstředivý tlak vyvolaný rotací představuje faktor omezující účinek přesycení nebo nasycení plyny, jehož hodnota závidí na parametrech odstřeďování, tj. rychlosti rotace, poloměru válcového prostoru a tloušťce vrstvy skloviny 7 při odstřeďování, při němž sklovina 7 ulpívá zejména na plášti 4 rotujícího tělesa L Odstředivý tlak poskytuje současně informaci o potřebné pevnosti rotujícího prostoru, který musí snadno snášet tlakové zatížení.

Dostředivé zrychlení spoluurčuje rychlost, jakou se bude bublina pohybovat směrem ke středu válcovitého rotujícího tělesa I.

Tloušťka vrstvy skloviny 7 u pláště 4 válcovitého rotujícího tělesa I, určuje čas odstranění bubliny.

Tento vynález je založen na předpokladu podobného chování bublin v odstředivém poli, jestliže podmínky odstřeďování vyústí ve stejné hodnoty rychlosti růstu bublin a vztahují se ke stejné tloušťce vrstvy odstřeďované skloviny 7. Jestliže můžeme na modelovém skle definovat podmínky nejkratšího času odstranění kritických bublin, tj. nejmenších bublin startujících z nejnevýhodnějšího místa na dně 3 válce a u jeho pláště, dostředěním směrem ke středu rotujícího válce, které odpovídají minimu pro praktické využití. Tyto podmínky jsou přenositelné i na jiné sklo a jiné

- 12CZ 304044 B6 uspořádání odstřeďovacího procesu. Podobné chování bublin potom znamená, že pro kritické bubliny stejné rychlosti růstu a stejnou průměrnou tloušťku vrstvy skla budou doby odstranění kritické bubliny v jiném skle přibližně stejné a rovněž optimální frekvence rotace válce bude mít stejnou hodnotu.

Aby bylo možno takový přenos provést, bylo nutno rozšířit počet modelovaných případů tak, aby byla pokryta široká oblast prakticky dosahovaných rychlostí růstu bublin a tlouštěk vrstev skloviny 7 v rotujících válcích. Různých tlouštěk vrstev skloviny 7 při odstřeďování je možno dosáhnout buď ve válcích většího poloměru s menším či průměrným plněním nebo ve válcích menšího průměru a vyšším plněním sklovinou 7. Byly vzaty v úvahu na modelovém skle teploty v rozmezí 1350 až 1550 °C, což odpovídá širokému rozmezí rychlostí růstu bublin v modelovém skle za normálního tlaku 1,13x10^-7 m.s“¹ až 4,62x10“® m.s’¹, poloměry rotujících těles I čeřících odstředivek od 0,1 do 0,75 m a stupeň plnění rotujícího tělesa I ve tvaru válce sklovinou 7 daný poměrem mezi objemem V skloviny 7 a celkovým vnitřním objemem rotujícího tělesa 1 VZV), od 0,25 do 0,75. Při každé teplotě byly odečteny průměrné rychlosti růstu bublin za normálního tlaku z oblasti přibližně lineární závislosti poloměru bubliny na čase, které reprezentují rychlost růstu bublin z Tabulky 1 a jsou u jiných skel než skla modelového dostupné laboratorním měřením. Tyto hodnoty jsou uvedeny v Tabulce 1, spolu s průměrnou rychlostí růstu kritické bubliny v optimálním případě získanou modelováním odstřeďování ve válci poloměru 0,25 m naplněného do poloviny taveninou modelového TV skla (televizního skla). Pro přenos výsledků je totiž důležité, aby rychlosti růstu bublin v případě bez odstřeďování a s odstřeďováním byly podobné. To následující Tabulka 1 dokazuje.

Tabulka 1

teplota [°C] rychlost růstu [m.sfyv.	1350	1400	1450	1500	1550
ω = ωΟρΐ [rad.s'1 ] kritické bubliny při odstřeďování	2,19.10'®	3,39.10'7	1,33.10'®	2,71.1 θ'®	4,62.10'6
ω = 0 [rad.s1] kritické bubliny bez odstřeďování	1.13.10'7	4,34.10'7	1,01.10·®	2,08.1 θ'®	3,21.10·®

Tabulka 1 ukazuje průměrné hodnoty rychlosti růstu bublin kritické velikosti 5.10“⁵ m, pohybujících se ve válci poloměru 0,25 m, s plněném 0,5 za optimálních podmínek a při různých teplotách. V tabulce 1 je ukázána průměrná hodnota rychlosti růstu bublin v modelovém TV skle při odstřeďování skla a bez odstřeďování TV skla při ω = 0 rad.s“¹.

Tyto výsledky jsou rovněž uvedeny na obrázku 12, kde jsou uvedeny dvě závislosti. Jedna křivka ukazuje průměrné hodnoty rychlosti růstu kritické bubliny v modelovém TV skle počátečního poloměru 5x10⁵ m pohybujících se ve válci poloměru 0,25 m s plněním 0,5 za rotace při optimálních podmínkách a při různých teplotách. Druhá křivka ukazuje průměrné rychlosti růstu kritické bubliny v modelovém TV skle bez rotace, při ω = 0 rad.s“¹, za různých teplot.

Pro teplotní závislost průměrné rychlosti růstu bublin modelové skloviny, dále pro jednodušší vyjádření taveniny (TV skloviny), viz Tabulka 1, je vytvořena empirická rovnice např. polynomického nebo exponenciálního typu (obr. 12):

- 13 CZ 304044 B6

(1) kde: a je poloměr [m] bubliny, b je konstanta [s], c je konstanta [s], τ je čas [s], A je konstanta [m.s^-1]. Konstanty se získají z experimentálních hodnot.

Podrobnými modelováním jednotlivých případů byly získány závislosti mezi dobami vyčeření kritických bublin o velikosti počátečního poloměru ao = 5x10³ nebo lxlO”⁴ m a úhlovou rychlostí rotace válcového čeřícího prostoru. Z těchto závislostí bylo odečteno minimum čeřícího času kritických bublin při optimální úhlové rychlosti rotace pro praktické použití (viz minimum v obrázku 5). Závislost nejkratší - optimální - doby T_opt je za dané teploty (rychlosti růstu bublin) přímo úměrná tloušťce vrstvy skloviny 7 ve válci v širokém rozmezí poloměrů válce ajeho plnění. To demonstrují obrázky 7 až 9, pro teploty 1400, 1450 a 1500 °C, a pro kritické bubliny poloměru 5xl0’⁵ a lxlO”⁴ m; kdy plnění válce sklovinou 7 se pohybuje mezi 0,25 a 0,75.

Pro jednodušší vyjádření, vzhledem k následujícím rovnicím a výpočtům, je dále užíván pro sklovinu 7 termín tavenina, a pro válcovité rotující těleso 1 je dále užíván termín válec, všude kde je to vhodné.

Na obr. 7 až 9 je znázorněna závislost optimální doby odstranění bubliny (času potřebného pro odstranění bubliny při optimální úhlové rychlosti rotace) na průměrné tloušťce vrstvy skelné taveniny ve válci odstředivky při teplotách 1400, 1450 a 1500 °C. Poloměry kritických bublin jsou 5xl0”⁵ a 1x10^* m.

Z obrázků 7 až 9 je tedy za dané teploty, možno odečíst dobu odstranění kritické bubliny za dané teploty a při dané tloušťce vrstvy taveniny ve válci. Protože u dané taveniny, zjistíme laboratorně rychlost růstu bublin odpovídající libovolné teplotě v rozmezí teplot vyšetřovaném modelováním, je třeba z modelovacích pokusů získat empirickou rovnici vyjadřující závislost konstant přímkových závislostí na obrázcích 7 až 9 na teplotě modelového skla.

Přímková závislost τ_ορ, na průměrné tloušťce vrstvy má pak tvar:

τ_ηρ, = k(ť)d + q{ť) (2) kde: τ_ηρί je optimální doba [s] odstranění bubliny, k(t) je konstanta [s.m ⁴] závislá na teplotě, δ je průměrná tloušťka [m] vrstvy skla na plášti válce, q(t) je konstanta [s] závislá na teplotě.

Další potřebnou přenosnou hodnotou je hodnota optimální úhlové rychlosti ω_ορ,, určující rychlost rotace válce v aplikovaném případě. Příkladem modelované závislosti optimální úhlové rychlosti ω_ορ, na průměrné tloušťce vrstvy taveniny při různých teplotách je modelování pro kritickou bublinu o poloměru 5xl0”³ m, při poměru plnění válce V/V_o = 0,5 je znázorněno na obrázku 10. Je zřejmé, že při vyšších tloušťkách vrstvy taveniny ve válci závisí hodnota ω_ορ, na teplotě jen velmi málo.

Pro přesné získání příslušné hodnoty a>_opt poslouží hodnoty součinů a>_optT_opt, které představují počet radiánů (a tedy i počet otáček), které musí válec vykonat, aby bublina dosáhla hladiny. Modelování ukázalo, že hodnoty tohoto součinu pro bublinu dané velikosti, plnění válce a teploty jsou zhruba nezávislé na poloměru válce a daný stav může být charakterizován průměrnou hodnotou tohoto součinu. Hodnoty průměrného so\icm\i(a_op,T_opt pro kritickou bublinu poloměru 5x10”⁵ m jsou pak vyneseny jako funkce plnění válce V/V_o na obrázku 11. Modelované závislosti jsou v rozmezí zkoumaných plnění válce přímkové.

- 14CZ 304044 B6

Pro získání příslušné hodnoty a>_opt při libovolné modelové teplotě odpovídající laboratorně změřené rychlosti růstu bublin je však třeba získat teplotní závislost obou konstant charakterizujících přímkovou závislost ω_ορ,τ_ορ, na plnění V/V_o ve tvaru:

V = k(f)—+q(ť) (3) kde: <v_op,je optimální úhlová rychlost [rad.s^-1] rotace válce odstředivky, r„p,je optimální doba [s] odstranění bubliny z taveniny [s], k(t) je konstanta [rad] závislá na teplotě, V je množství [m³] taveniny ve válci odstředivky, Vo je objem [m³] válce odstředivky, V/V ₀ je plnění válce odstředivky taveninou, q(t) je konstanta [rad] závislá na teplotě.

Příslušná hodnota ω_ορ, v daném případě se pak získá z hodnoty ω_ορ,τ_ορ, vypočtené z rovnice (3) při již známé hodnotě τ,_ψί z rovnice (2). Současně se pro kontrolu vypočte průměrný odstředivý tlak u pláště válce odpovídající minimu, tj. optimální úhlové lychlosti rotace, podle vztahu:

~^rh)

Po o (4) kde: ρ_ω je tlak [Pa] způsobený odstředivou silou na plášť válce o poloměru r_o[m], ω_ορ, je úhlová rychlost [rad.s^-1] rotace v optimu p je hustota [kg.m^-3] taveniny a /7, je průměrný poloměr [m] zakřivené hladiny.

Je třeba vzít v úvahu, že místní tlak na plášť válce bude o něco větší než vypočtený v místě, kde startuje kritická bublina, tedy u dna válce v důsledku zakřivení hladiny. Výpočet tlaku se provádí jen pro kontrolu, zda za daných optimálních podmínek nedochází k příliš vysokému tlaku na plášť válce (tento tlak může být pro daný válec dán předepsanou hodnotou).

Konkrétní postup stanovení optimálních podmínek odstřeďování pro daný případ je tedy tento:

1. Laboratorním měřením je zjištěna teplotní závislost průměrné rychlosti růstu bublin za dané teploty nebo při více teplotách (teplotní závislost). Teplotní závislost průměrné rychlosti růstu bublin, d, se vyjádří empirickou rovnicí, např. polynomického nebo exponenciálního typu jako v následujícím příkladu modelové taveniny:

d[m/s] = exp [i8.969 - 1 t € <1350; 1550>°C (5) kde: oje průměrná rychlost [m.s^-1], růstu bublin /je teplota [°C].

Ze získané teplotní závislosti se odečte hodnota rychlosti růstu bublin při dané teplotě a z grafu v obrázku 12 nebo z rovnice (1) se pro tuto rychlost růstu bublin odečte příslušná teplota, která odpovídá teplotě modelové taveniny, při níž má modelová tavenina stejnou rychlost růstu bublin jako tavenina aplikovaná.

2. Volíme některé parametry odstřeďování. Obvykle je zvoleným parametrem teplota odstřeďování plynoucí z podmínek provozování celého tavícího procesu a poloměr rotujícího válce r_n, který je dán technickými možnostmi konstruktérů a uspořádáním celého zařízení. Dále je třeba zjistit průměrnou tloušťku vrstvy taveniny v rotujícím válci, která by odpovídala našim nárokům na výkon zařízení. Pro tento účel je třeba odhadnout plnění válce taveninou V/Vo v povoleném rozmezí 0,25 až 0,75. Při zvoleném plnění válce (doporučuje se použít jako první hodnotu V/V_Q = 0,5) se vypočte průměrná tloušťka vrstvy taveniny podle rovnice:

- 15 CZ 304044 B6 kde: δ je průměrná tloušťka [m] vrstvy skla na plášti válce, r₀ poloměr [m] válce, V/V_o je plnění válce odstředivky taveninou.

3. Odečte se nebo vypočte se hodnota T_opt pro danou hodnotu kritické velikosti (a₀ = 5x10‘⁵ m nebo lxl (Γ* m) bubliny z grafů na obrázku 7 až 9 nebo z empirických rovnic získaných zpracováním přímkových závislostí τ_ορ, na průměrné tloušťce vrstvy. Tyto rovnice mají formální tvar rovnice (2), při čemž parametiy přímek vyhovují rovnicím:

Pro a₀ = 5x10 ⁵ m a směrnici máme z modelových pokusů:

63,42 exp

830,3 /-1238,3 (7) kde: kr_opl je konstanta [s.m ’], Z je teplota [°C]. Pro úsek na ose y:

<7 =0;/ e (1400; 1550), <7 = 30/ -42000;í e (1350; 1400) kde: qT_opt je konstanta [s]m / je teplota [°C].

Pro ao⁼ lxlθ'⁴ m činí směrnice = 39,65 exp

1007,7 ^Λ ,/-1216,6, (9) kde: kT_op, je konstanta [s.m ’], /je teplota [°C],

-5.071/ “/-1348.6 kde: qT„_p, je konstanta [s], /je teplota [°C], (10)

Po získání hodnoty τ_ηρΙ je dobré se přesvědčit o výkonnosti zařízení výpočtem efektivního výkonu zařízení, kterým je výraz:

^τ°ρ> (11) kde: je efektivní výkon [m³.s^_1] zařízení, Tje objem [m³] válce odstředivky, r_op/je optimální doba [s] odstranění bubliny z taveniny.

Hodnota ^r «1 [m³.s ’] po dosazení hodnot pro V a t_c opt závisí na plnění válce přibližně podle

V.

= konst

VIV,

	r d	1/2’
1-	1--
	y

(12)

V · 3-1 kde: ^ef je efektivní výkon [m .s ] zařízení, V7V_oje plnění válce odstředivky taveninou.

£

Tato funkce má lehce klesající charakter s rostoucím plněním válce, pokles efektivního výkonu od plnění 0,25 k plnění 0,75 je 19,6%, při plnění 0,5 činí pokles pouze 8,5% Proto se doporučované plnění válce pohybuje kolem 0,5, při menším plnění se sice lehce zvětší efektivní výkon, ale válec bude nutné častěji vyprazdňovat a plnit taveninou.

4. Získá se hodnota ω„_ρ, pro daný případ. Využije se situace, že průměrný součin ω_ορ,τ_ορ, při dané teplotě a pro daný kritický rozměr bubliny rostě v daném rozmezí plnění válce 0,25 až 0,75 lineárně splněním válce jeho a příslušná hodnota se odečte z obrázku 11 (6) nebo rovnice (3). Pro obě konstanty lineární závislosti pak v daném rozmezí plnění platí empirické teplotní závislosti:

Pro a₀ = 5x10'⁵ m a směrnici máme z modelových výpočtů:

(13) kde: kco_nptT_op, je konstanta [rad], / je teplota [°C]

Pro q z modelových výpočtů máme:

/-1270,8 J (14) kde: qco_op,T_opt je konstanta [rad], / je teplota [°C].

Pro ao⁼ lxl θ'⁴ m pak dostáváme z modelových výpočtů:

(15) kde: kT_opl je konstanta [rad], / je teplota [°C].

kde: qa>_Op,T„p_tje konstanta [rad], /je teplota [°C]

Ze získané hodnoty ω_ορ,τ_ορ, se pak vypočte ω_ορ, při již známém T_opt.

Tím jsou podmínky pro odstřeďování dané taveniny získány. Jsou dány sadou hodnot r₀, V/V_o, tBopi, hpt a V_ef

Uvedený postup neposkytne obvykle podmínky optima úplně přesně, ale najde oblast optimálních podmínek procesu odstřeďování, kterou nelze pouhým odhadem najít ani zcela přibližně vzhledem ke složitosti chování bublin ve skelné tavenině a za působení odstředivé síly. Poskytuje podmínky pro nejméně příznivý případ v daném uspořádání a pro dané parametry odstřeďování, pracuje tedy s určitou rezervou. Bez uvedené znalosti chování bublin vedou obvykle zákroky jen ke zhoršení situace. Naopak lze sledováním kvality skla za odstředivkou při aplikaci podmínek získaných pomocí tohoto modelu podmínky přiblížit optimu, pokud případ zlepšení vyžaduje:

I. Je-li sklo za odstředivkou bez bublin, může existovat v procesu rezerva a je možno opatrně zvýšit otáčky válce nebo zvětšit plnění válce.

- 17CZ 304044 B6

II. Vykazuje-li odstředěné sklo větší bubliny (průměr desetiny mm a větší), podmínky pro čeření jsou nedostatečné, nejvhodnějším prostředkem je snížení plnění válce taveninou, případně je možno opatrně zvyšovat otáčky válce.

III. Vykazuje-li sklo za odstředivkou více velmi malých bublin, jde velmi pravděpodobně o případ, kdy se velmi malé bubliny u pláště válce rozpouštějí, vhodným krokem je snížení rychlosti rotace nebo snížení plnění válce.

Při čeření v laboratorním měřítku se uvedené nedokonalé podmínky projeví i v rozložení bublin v tavenině po vychladnutí. Vady podle bodu 2 se projeví v celé mase taveniny, případně u zakřivené hladiny, vady podle bodu 3 hlavně u pláště válce.

Při aplikaci výsledků je třeba ještě řešit i otázku efektivnosti použití odstřeďování za daných podmínek. Může se totiž stát, že podmínky pro aplikaci odstřeďování budou poskytovat časy odstranění kritické bubliny vyšší nebo srovnatelné s případem, kdy nebyla rotace použita. Proto je třeba získanou hodnotu τ„_ρ, pro kritickou bublinu vždy srovnat s hodnotou doby odstranění stejné bubliny za podmínky volného čeření v gravitačním poli (válec nerotuje a tavenina vytvoří ve válci statickou vrstvu). Doba odstranění bubliny počátečního poloměru a_g, rychlosti růstu ά z vrstvy statické taveniny tloušťky I výstupem ode dna je dána rovnicí:

^{1 =} (^αο^{τ+ α<>άτ2 +} ~r) (^1?) kde: I je tloušťka [m], statické vrstvy taveniny, g je gravitační zrychlení [m.s'²], p je hustota [kg.m'³] taveniny, η je dynamická viskozita [Pa.s] taveniny, a_oje počáteční poloměr [m] bubliny, ά je rychlosti [m.s^-1] růstu bubliny, rje doba [s] potřebná pro odstranění bubliny ze skloviny.

Pokud je tedy doba r získaná z rovnice (17) nižší nebo srovnatelná s hodnotou získanou pro získané podmínky odstředění, nemá odstřeďování smysl. Následující tabulka ukazuje hodnoty teplot, nad nimiž počíná být výhodnější při plnění válce V/V_o ⁼ 0,5 použití rotace před prostým stoupáním kritické bubliny vrstvou skloviny 7. Jde o sadu válců, kde h0 = 2r0. Hodnoty v tabulce označují teploty, při kterých je doba odstranění kritické bubliny ve válci stejná pro r = Os'¹ a r= Tnpt. Výsledky ukazují ve shodě s výsledky modelování, že odstřeďování je pro modelové sklo rychlé a výhodné nad teplotami 1400 °C (pro jiná skla při rychlostech růstu bublin nad cca 4.10“⁷ m.s'¹).

Tabulka 2

ro[m]	0,10	0,175	0,25	0,375	0,50	0,75
ř[°C]	<1350	<1350	1357	1367	1376	1385

Tab. 2 ukazuje hodnoty teplot, nad nimiž je při plnění válce V/V_o = 0,5 výhodnější použít odstřeďování za optimálních podmínek Ο)_ορ,τ_ορ,, než za prostého vzestupu kritické bubliny vrstvou skloviny 7, která by se ve válci ustavila bez rotace. Pro rozměry válců platí, že h₀ = 2r₀.

Obecně lze říci, že použití odstřeďování pro skla obsahující čeřící činidla je méně výhodné nebo nevýhodné za nízkých rychlostí růstu bublin (za nízkých teplot) a při tlustých vrstvách skloviny 7 v rotujícím válci.

-18CZ 304044 B6

Příklad 2

Pro odstředění je k dispozici duté rotující těleso I, ve tvaru bubnu o poloměru 0,25 m a výšky 0,5 m, uvedeného např. na obr. 4.Ve válci má být vyčeřena sklovina 7 sodnodraselného křišťálu, který je do pece nakládán jako vsázka s 35 hmotn. % vlastních střepů. Vyčeřené sklo se vypouští do zásobníku skla pro zpracování po ochlazení na teplotu ručního zpracování. Je třeba porovnat dvě varianty čeřícího procesu, lišící se obsahem čeřiva přidávaného ke vsázce a teplotou. Minimální skutečný výkon rotujícího bubnu byl předepsán na 5t/24h. Pro naplnění a vyprázdnění bubnu se rezervuje 1500 s. Je třeba rozhodnout, zdaje použitelný případ s nižší teplotou částečně kompenzovanou vyšší koncentrací čeřiva. Pro oba kmeny s předepsaným množstvím čeřiva a při předepsaných teplotách byly získány hodnoty průměrné rychlosti růstu bublin:

A. Sklo s 0,35 % hmotn. St^Ch při teplotě 1450 °C má průměrnou rychlost růstu bublin ά = 5,30xl0“⁷ ms~'.

B. Sklo s 0,35% hmotn. Sb₂O₃ při teplotě 1420 °C má průměrnou iychlost růstu bublin ά = 3,20x10^-7 nuT'.

1. Najdeme pro obě varianty příslušné teploty odpovídající stejné rychlosti růstu bublin v modelovém skle. Použije rovnici (1):

Sklo A vykazuje pro modelové sklo teplotu čeření 1408 °C.

Sklo B vykazuje pro modelové sklo teplotu 1383 °C.

2. Zvolíme si plnění válce, které by se mělo pohybovat mezi 25 a 75% objemu válce. Zvolíme hodnotu VZVo = 0,6 a vypočteme průměrnou tloušťku vrstvy skla ve válci podle rovnice (6). Tloušťky vrstev pak jsou:

Sklo A i B vykazují průměrnou tloušťku vrstvy skla 0,092 m.

3. Z rovnic (7 a 8) zjistíme směrnici, případně úsek na ose y pro lineární závislost optimální doby odstranění kritické bubliny a₀ = 5x10^-5 maz rovnice (2) optimální dobu odstranění kritické bubliny, τ_ορ,·.

Pro sklo A činí hodnota τ_ορ, 731 s.

Pro sklo B činí hodnota τ_ορι 1326 s.

4. Zjistíme příslušné hodnoty ω„_ρ„ optimálně úhlové rychlosti rotace válce. Nejprve z rovnic (13 a 14) zjistíme směrnice a úseky na ose y lineární závislosti mezia>_oplT_opl a plněním válce V/ V_o a z rovnice (3) vypočteme součin ω_ορίτ_υρί.

Pro sklo A je získaná hodnota ω_ορ,τ_ορ, 17900 rad. S použitím hodnoty τ_ορ, = 73 ls dostáváme hodnotu otáček válce ω_ορ, = 24,5 rad.s^-1.

Pro sklo B je získaná hodnota ύ)_ορ,τ_ορι 40070 rad. S použitím hodnoty τ_ορι = 1326s dostáváme hodnotu ω_ορ, = 30,2 rad.s^-1.

5. Zjistíme skutečný výkon čeřícího bubnu. Jedna dávka vyčeřeného skla při daných rozměrech válce a jeho plnění 0,6 činí 135,4 kg skla. Při požadovaném výkonu 5t/24h je třeba vyčeřit 37 dávek skla za 24 h.

- 19CZ 304044 B6

Výsledek:

Pro sklo A je doba optimální doba čeření rovna 731 s, doba rezervovaná na plnění a vyprázdnění válce je pak 1500 s, celková doba pro jednu dávkuje tedy 2231 s. Na uskutečnění 37 dávek je pak třeba 82 547 s. Požadovaný výkon 5t/24 h je mírně překročen na 5,23 t/24 h, vzniká tedy mírná rezerva.

Pro sklo B je doba optimální doba čeření rovna 1326 s, celková doba pro uskutečnění jedné dávky pak 2826 s. Na uskutečnění 37 dávek je třeba 104 562 s, denní výkon bubnu by pak byl pouze 4,13 t/24 h. Sklo B tedy nesplňuje požadovanou podmínku výkonu odstředivky 5t/24 hod., a je tedy nutno použít sklo A a jeho příslušné podmínky odstředění.

Příklad 3

Sklárna má např. k dispozici 2 rotující válce (neznázoměno) o vnitřním poloměru r₀ 0,5 m a s vnitřní výšce h₀1 m. Vyráběné sklo je obalové sklo a předpokládá se, že dva válce budou odebírat sklovinu 7 z kontinuální pece a dodávat vyčeřenou taveninu střídavě do zásobníku skla, které po ochlazení na teplotu zpracování bude strojově formováno. Pro celou pec je předepsán celkový taviči výkon 70 t/24h, povolená tolerance výkonu jsou 3%. Maximální dosažitelná teplota ve válci je 1450 °C, což je teplota dostatečná k efektivní funkci čeřícího činidla síranu sodného. V laboratoři změřená průměrná rychlost růstu bublin při teplotě 1450 °C činila ά =9x10^-7 ms^x. Naplnění válce z pece a jeho vyprázdnění do pracovního zásobníku zabere 1800s. Válce se přistavují střídavě ke společnému výtokovému otvoru z pece knátoku a nad pracovní zásobník, nad nímž se čeří a vyprazdňují. Nad zásobníkem mohou být oba válce i současně. Je třeba stanovit plnění válce taveninou, optimální rychlost rotace válce a dobu odstranění všech bublin, při čemž předpokládaný poloměr nejmenší bubliny je 5x10“⁵ m.

1. Najdeme příslušnou teplotu odpovídající stejné rychlosti růstu bublin v modelovém a aplikovaném skle. Použijeme rovnici (1). Teplota stejné rychlosti růstu bublin v modelovém skle činí 1440 °C.

2. V prvním kroku zvolíme plnění válce V/Vo = 0,5 a vypočteme hodnotu průměrné tloušťky taveniny ve válci podle rovnice (6). Vypočtená průměrná tloušťka vrstvy taveniny ve válci činí 0,146 m.

3. Zjistíme hodnotu směrnice τ_ορ, versus δ σ pomocí rovnice (7) a vypočteme τ_ορ, z rovnice (2). Dostáváme hodnotu optimální dobu čeření τ_ορ, = 462 s.

4. Z hodnot součinu ω_ορ,τ_ορ, získáme hodnotu a>„_pt. Nejprve z rovnic (13 a 14) získáme hodnotu směrnice závislosti mezi ω_ορ,τ_ορί a plněním válce V/Vo i úsek na ose y a poté z rovnice (3) vypočteme příslušnou hodnotu a>_optT_opt za daných podmínek rovnou 9575 rad. Při známé hodnotě τ_ηρ, vypočteme ze součinu ω_ορ,τ_ορ, optimální otáčky válce hodnotu ω_ηρ, = 20,7 radš¹.

5. Hodnota jedné dávky vyčeřeného skla jedním válcem činí 902,7 kg skla a toto množství je získáno za 462 s. Celková doba potřebná k naložení, vyčeření a vylití jedné dávky skla je potom 1800 + 462 = 2262 s. Jeden válec tedy je schopen za 24 hod vyčeřit 86400/2262 = 38,2, tj. 38 dávek skla, tj. 34,3 t/24 h. Při společné fůnkci obou zásobníků má pec čeřící výkon 68,61/24 h. Při povolené toleranci 3% je výkon dostatečný a dané podmínky odstředivého čeření je možno přijmout.

-20CZ 304044 B6

Příklad 4

Je třeba odstranit bubliny z 10 kg speciálního boritokřemičitého skla v rotujícím tělese I, např. v malém válci o poloměru 0,1 m a výšky 0,2 m. Sklo je v daném válci nejprve utaveno ze surovin a poté vyčeřeno. Válec je používán i pro odstranění bublin z již utavených skel, kdy jsou do něho dávkovány střepy nevyčeřeného skla. Laboratorním měřením byla při 1480 °C zjištěna průměrná hodnota rychlosti růstu bublin ά = 1,5x1ο^-6 m. Jedná se o jednorázovou přípravu kvalitního skla. Zvolí se následný postup:

1. Najdeme příslušnou teplotu odpovídající stejné rychlosti růstu bublin v modelovém a aplikovaném skle. Použijeme rovnici (1). Teplota stejné rychlosti růstu bublin v modelovém skle činí 1480 °C.

2. Vypočteme plnění válce pro danou hmotu čeřeného skla v daném válci: V/V_o ⁼ 0,7.

3. Podle rovnice (6) činí vypočtená průměrná tloušťka taveniny ve válci 0,045 m.

4. Zjistíme hodnotu směrniceτ_ορ, versus σ pomocí rovnice (7) a vypočteme τ_ορ, z rovnice (2).

Dostáváme hodnotu τ_ορ1 = 90 s.

5. Z hodnot součinu ω_ορ,τ„_ρ, získáme hodnotu a>_opt. Nejprve z rovnic (13 a 14) získáme hodnotu směrnice závislosti mezi ω_ορ,τ_ορ, a plněním válce VZV₀ i úsek na ose y a poté z rovnice (3) vypočteme příslušnou hodnotu ω_ορ,τ_ορ, za daných podmínek rovnou 5973 rad. Při známé hodnotě τ_ορ, vypočteme ze součinu ω_ορ,τ„_ρί hodnotu ω„_ρ, = 66,4 s^-1.

Optimální úhlová rychlost rotace rotujícího tělesa I tedy činí 66,4 s“¹, což odpovídá 19,09 otáčkám za sekundu. Sklovina 7 je zbavena bublin v čase kratším než 2 min, konkrétně za 90 s.

Příklad 5

Máme najít teplotu provozování rotujícího válce o poloměru 0,3 m s výškou 0,4 m, který má mít výkon 7,5 t/24h sodnodraselného křišťálového skla. Doba plnění a vyprazdňování válce je

1 500 s.

Zvolí se následný postup:

1. Zvolíme hodnotu plnění válce V/V_o - 0,6.

2. Zjistíme hmotnost jedné dávky taveniny, která v daném případě činí 156 kg skla.

3. Vypočteme počet potřebných dávek, aby se dosáhlo výkonu 7,5 t/24 h. Počet dávek činí 7500/156 = 48,1 dávek.

4. Vypočteme hodnotu τ_ορ1 = (86400 —48,1 xl500)/48,1 = 296 s.

2. Podle rovnice (6) vypočteme průměrnou tloušťku taveniny ve válci, která činí 0,11 m.

5. Z rovnice (2) vypočteme hodnotu směrnice k - 296/0,11 = 2691 s.m^-1. Tato hodnota směrnice odpovídá teplotě modelového skla 1460 °C.

6. Teplotě modelového skla 1460 °C odpovídá průměrná rychlost růstu bublin 1,17x10⁶ m.s^-1.

-21 CZ 304044 B6

7. Je třeba změřit v úzkém rozmezí teplot průměrnou rychlost růstu bublin a nalézt teplotu, která odpovídá průměrné rychlosti růstu bublin 1,17x1ο^-6 m.s^-1.

Tabulka 3 uvádí hodnoty veličin pro uvedené příklady provedení 2A, 2B, 3, 4 a 5:

Tabulka 3

Přiklad číslo	r0 [m]	ho [m]	V/Vo	da/dT [m/s]	T fC]	[rad/s]	Tcrtl [s]	To [s]	P [t/den]
2A	0,25	0,50	0,6	5,30x10'7	1450	24,5	731	1500	5,23
2B	0,25	0,50	0,6	3,20x10'	1420	30,2	1326	1500	4.13
1	2x0,50	1,00	0,5	9,00x10'7	1450	20,7	462	1800	68,6
3	0,10	0,20	0,7	1,50x10^	1480	66,4	90	-	0,01
4	0,30	0,40	0,6	1,17x10-®	1460	26,6	296	1500	7,5

V Tabulce 3 představuje:

r₀ [m] poloměr celkového vnitřního prostoru V_o válcového rotujícího tělesa i, h₀ [m] výšku celkového vnitřního prostoru V_o válcového rotujícího tělesa i,

Vo [m³] celkový vnitřní prostor V_o válcového rotujícího tělesa i v m³,

V [m³] prostor válcového rotujícího tělesa i, naplněný sklovinou 2 v m³,

V/Vo podíl válcovitého rotujícího tělesa i naplněný sklovinou 7 k celkovému vnitřnímu prostoru V_o rotujícího tělesa i, dci/άτ derivace průměrné rychlosti [m.s^-1] růstu poloměru bublin ve sklovině 7, při dané teplotě v rotujícím tělese i, a je poloměr [m] bublin v metrech, τ je čas [s] růstu bublin daného poloměru v sekundách, ω_ορ, optimální úhlová rychlost [rad.s^-1] rotace válce v radiánech za sekundu, t teplota [°C] skloviny 7 v rotujícím tělese i ve stupních Celsia,

T_cnl e doba [s] odstředění bubliny kritického poloměru 5x10^-5 m při optimální rychlosti rotace,

To celková doba [s] naplnění a vyprázdnění rotujícího tělesa i v sekundách, a

P skutečný výkon čeření odstřeďováním skloviny v tunách za den v nerotujícím tělese I s ohledem na dobu potřebnou pro jeho naplnění a vyprázdnění.

-22CZ 304044 Β6

Uvedená příkladná provedení nejsou omezující a jsou možné i jiné varianty a kombinace konstrukčního uspořádání rámci rozsahu patentových nároků.

Průmyslová využitelnost

Řešení je vhodné pro sklářský průmysl, pro kontinuální a zejména pro diskontinuální tavení s následným čeřením skla.

Claims (1)

1. Způsob čeření skloviny odstřeďováním, při němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny (7), který se provádí v zařízení, zahrnující nejméně jednu čeřící odstředivku, obsahující rotující těleso (1) válcovitého tvaru, s obvodovým pláštěm (4), dnem (3) a případně víkem (2), vykazující osovou symetrií v ose (8) rotace rotujícího tělesa (1), rotující těleso (1)

20 je vybaveno prostředky pro nátok a výtok skloviny (7), vyznačující se tím, že odstřeďování skloviny (7) separováním bublin ze skloviny (7), aniž by přitom docházelo k roz25 puštění bublin ve sklovině (7), se provádí

- ve sklovině (7) o teplotě v rozmezí 1000 až 1600 °C, s výhodou 1200 až 1500 °C;

- v rotujícím tělese (1) čeřící odstředivky, kde celkový vnitřní prostor V_o : je částečně

30 naplněný sklovinou (7) určenou k čeření o obsahu h; je spojený s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny (7); vykazuje střední poloměr r₀ v rozmezí 0,05 až 1 m; a celkovou výšku h₀ v rozmezí 0,1 až 1,5 m; přičemž podíl obsahu hrotujícího tělesa (1) naplněného sklovinou (7) určenou k čeření je ku celkovému vnitřnímu obsahu V_o rotujícího tělesa (1) v poměru V/V_o = 0,20 až 0,80;

- při otáčkách rotujícího tělesa (1) čeřící odstředivky při odstřeďování v rozmezí 10 až 200 rad.s“¹-;

- při průměrné rychlosti růstu bublin v odstřeďované sklovině (7) v rozmezí 5x10“⁸ m.s“¹

40 až 5xl0“⁵ m.s“¹, s výhodou lxlO“⁷ m.s“¹ až óxlO“⁶ m.s“¹;

- až do odstranění nejmenších bublin o poloměru v rozmezí 5xl0“⁵ m až 1x10^* m;

za dosažení celkové doby odstředění i nejmenších bublin o poloměru v rozmezí 5x10“⁵ m až 45 lxlO^¹ m se pohybuje v časovém intervalu desítek až tisíc sekund.