CZ304299B6 - Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním - Google Patents

Abstract

Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním, v němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny (7), zahrnuje nejméně jednu čeřicí odstředivku, obsahující rotující těleso (1). Válcovité rotující těleso (1) má celkový vnitřní prostor V.sub.0.n., který je částečně naplněný sklovinou (7) určenou k čeření o obsahu V a je spojený s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny (7). Celkový vnitřní prostor V.sub.0 .n.má střední poloměr (r.sub.0.n.) v rozmezí 0,05 až 1,0 m; a celkovou výšku h.sub.0 .n.v rozmezí 0,1 až 1,5 m. Podíl obsahu V rotujícího tělesa (1) naplněného sklovinou (7) určenou k čeření je ku celkovému vnitřnímu obsahu V.sub.0 .n.rotujícího tělesa (1) v poměru V/V.sub.0 .n.= 0,20 až 0,80. Počet otáček rotujícího tělesa (1) čeřicí odstředivky při odstřeďování v rozmezí 10 až 200 rad.s.sup.-1.n..

Description

(57) Anotace:

Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním, v němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny (7), zahrnuje nejméně jednu čeřicí odstředivku, obsahující rotující těleso (1). Válcovité rotující těleso (1) má celkový vnitřní prostor V_o, který je částečně naplněný sklovinou (7) určenou k čeření o obsahu V aje spojený s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny (7). Celkový vnitřní prostor V_omá střední poloměr (r₀) v rozmezí 0,05 až 1,0 m; a celkovou výšku h_ov rozmezí 0,1 až 1,5 m. Podíl obsahu V rotujícího tělesa (1) naplněného sklovinou (7) určenou k čeření je ku celkovému vnitřnímu obsahu V_orotujícího tělesa (1) v poměru V/V₍₎ = 0,20 až 0,80. Počet otáček rotujícího tělesa (1) čeřicí odstředivky při odstřeďování v rozmezí 10 až 200 rad.s¹.

Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení k čeření skloviny odstřeďováním, v němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny. Zařízení zahrnuje nejméně jednu čeřící odstředivku, obsahující rotující těleso rotačního tvaru, které je opatřeno na jednom konci dnem, na druhém konci případně víkem, a je vybaveno prostředky pro nátok a výtok skloviny. Při odstřeďování je vnitřní prostor tělesa čeřící odstředivky částečně naplněný sklovinou a spojený s okolní atmosférou za účelem úniku bublin ze skloviny.

Dosavadní stav techniky

Proces odstraňování bublin při tavení skel, nazývaný čeření, je obvykle procesem nejpomalejším, který vyžaduje vysoké teploty, dlouhé časy a použití často toxických nebo ekologicky nežádoucích komponent sklářské taviči 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 nejčastěji 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, který 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 [2-3].

V nedávné minulosti byly učiněny pokusy využít pro separaci bublin ze skloviny odstředivé síly, v analogii s odstřeďováním emulzí a suspenzí. 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 modulový systém, kteiý 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 sklovina 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. Zde je sklovina vystavena vyšší teplotě a střihovému tření díky otáčejí- 1 CZ 304299 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 tavící 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, Inc., 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-Illinois, Inc., 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 čeří v.

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 zařízením k čeření skloviny odstřeďováním, v němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny. Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním podle tohoto vynálezu zahrnuje nejméně jednu čeřicí odstředivku. Podstata tohoto vynálezu spočívá v tom, že nejméně jedna čeřicí odstředivka zahrnuje rotující těleso válcovitého tvaru s obvodovým pláštěm, dnem a případně víkem, které vykazuje osovou symetrií v ose rotace rotujícího tělesa. Rotující těleso má celkový vnitřní prostor V_o, kterýje částečně naplněný sklovinou o obsahu V, určenou k čeření a který je spojen s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny. Celkový vnitřní prostor V_o má střední poloměr r₀ v rozmezí 0,05 až 1,0 m; a celkovou výšku ho v rozmezí 0,1 až 1,5 m. Podíl obsahu V rotujícího tělesa naplněného sklovinou určenou k čeření je ku celkovému vnitřnímu obsahu rotujícího tělesa v poměru V/V_o ⁼ 0,20 až 0,80. Počet otáček rotujícího tělesa čeřicí odstředivky při odstřeďování je v rozmezí 10 až 200 rad.s'¹.

-2 CZ 304299 B6

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'^sm až 1 χ 10 ⁴ m. Dochází tak k účinnému odstranění i těch nejmenších prakticky očekávaných bublin ze skloviny s poloměrem v rozmezí 5xl0‘⁵ m až lxlO'⁴ 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 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 znalostí je také přenos optimálních podmínek 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.

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.

-3 CZ 304299 B6

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 poloměru ro 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 odstřeďováním, 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 nepředpokládají. Průměrná dobou zdržení 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 h₀ 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 uzavíra-4CZ 304299 B6 telným otvorem pro výtok skloviny. Čeřící 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 čeřící odstředivky, nebo mimo ně.

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

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

Pro většinu konkrétních řešení je výhodné, když rotující těleso, dno, boční stěny a případně víko čeřící odstředivky pro odstřeďování bublin ze skloviny, je zhotoveno ze žáruvzdorné keramiky, nebo žáruvzdorného kovu či slitiny, aje 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 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 ve 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 čeřící odstředivky.

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

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.

Zařízení pro 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

-5CZ 304299 B6 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 schematických 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 čeřicí odstředivky při naplnění sklovinou, obr. 2b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při odstřeďování,a obr. 2c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při výtoku skloviny;

obr. 3 axonometrický pohled na rotující těleso čeřicí odstředivky, bez skloviny, kde těleso má víko s otvorem, dole má uzavřené dno, obr. 3a axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při naplnění sklovinou, obr. 3b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při odstřeďování, a obr. 3c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí 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 čeřicí odstředivky při naplnění sklovinou, obr. 4b axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřicí odstředivky při odstřeďování, a obr. 4c axonometrický pohled na toto rotující těleso čeřící odstředivky při výtoku skloviny.

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

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

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 lxl O'⁴ m na průměrné tloušťce vrstvy skloviny při 1400 °C.

-6CZ 304299 B6

Obr. 8 znázorňuje závislost optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5x10'⁵ a lxl O’⁴ m na průměrné tloušťce vrstvy skloviny při 1450 °C.

Obr. 9 znázorňuje závislost optimální doby odstranění bubliny o poloměru 5xl0'⁵ a lxlO'⁴ m 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 a v optimálním případě skloviny rotující ve válci poloměru 0,25 mas polovičním plněním sklovinou, jako funkce teploty.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Čeřící odstředivka

Zařízení k čeření skloviny 7 odstřeďováním může být určeno pro přetržitý provoz. Jeho podstatná část, čeřící odstředivka může být otápěna plynem nebo elektricky, případně mikrovlnným ohřevem (neznázoměno). Rotující těleso i, dno 3, plášť 4 a případně víko 2 čeřící odstředivky pro odstřeďování bublin ze skloviny 7, je obvykle zhotoveno ze žáruvzdorné keramiky nebo žáruvzdorného 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 čeřící odstředivky, z nichž některá jsou uvedena dále.

Na obr. 1 je axonometricky znázorněno rotující těleso i čeřící odstředivky pro zařízení k čeření skloviny 7 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 čeřící odstředivky má rotační tvar s osovou symetrií shodnou sjeho osou 8.

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 Vo rotujícího tělesa i.

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

Na obr. lb je šipkou naznačen směr 11 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 1 během odstřeďování.

-7CZ 304299 B6

Na obr. lc je naznačen směr J_0 výtoku skloviny 7 z tohoto typu tělesa 1 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! čeřící odstředivky, kde těleso !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 U Avšak v tomto případě těleso ! 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 ! má uzavřené dno 3, 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 1 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 čeřicí odstředivky příslušným nátokovým otvorem 5. Nátokový otvor 5_představuje buď celá otevřená horní plocha příslušného typu tělesa ! 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 7 v tělese i, určená k čeření skloviny 7.

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

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

Sklovina 7 vytéká z tělesa !, které má plné dno 3 při naklonění tělesa !, buď z otevřené horní plochy tělesa 1, 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 !, jak je znázorněno na obr. 2c, 4c.

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

Užitečné je konstatování, že nejvýhodnější uskutečnění pro výrobu i funkci těchto uvedených typů těles 1 je takové, že výtokový otvor 6 a/nebo nátokový otvor 5 je situován přímo v ose 8 tělesa !, kdy osa 8 je současně i osou rotace tělesa U

I když to není znázorněno, horní plocha tělesa 1 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 1 nebo tělesa 1 větších rozměrů.

-8CZ 304299 B6

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 ťýa/nebo nátokové otvory 5 jsou situovány mimo osu 8 tělesa i.

Na obr. 1, 2, 3, 4 je znázorněn celkový vnitřní prostor V_o různých typů válcovitého tělesa I, a pro tomuto celkovému vnitřnímu prostor Vo odpovídá celková výška ho a odpovídající střední poloměr r₀.

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

Pro všechny uvedené typy těles i čeřící odstředivky platí, že celkový vnitřní prostor V_o tělesa i vykazuje střední poloměr r_flv 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 1 naplněného sklovinou 7, určenou k čeření ku celkovému vnitřnímu obsahu V_n rotujícího tělesa Ije v poměru V₇/Vo = 0,20 až 0,80.

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

Zařízení k čeření skloviny 7 odstřeďováním pracuje následovně:

Pro vícesložkové bubliny · a jen takové se vyskytují 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, kteráje 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 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 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 obec-9CZ 304299 B6 né 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 čeřící výkon zařízení nebo na základě konstrukčního požadavku na rotující těleso i a 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 1 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, kteráje 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 optimálních podmínek, daných zmíněným optimem, spojit s existencí nejmenších přítomných bublin nebo maximálních bublin, které ještě dovoluje za rozměr takových nejmenších bublin přijmout poloměr 5xl0'⁵ m nebo lxlO⁴ 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 k jejich 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 nejpřísnější.

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.

- 10CZ 304299 B6

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 velikostí 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 situace 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 čeřicími 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 čeřicí přísady a dále podmínky odstřeďování: poloměr a výšku h₀ rotujícího celkového válcového vnitřního prostoru Vq 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 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 1, 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 ajejich 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 podřadnou 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 cio ⁼ 5xl0'⁵ 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 10'⁷ m.s'¹, středně čeřitelná skla hodnoty mezi 10'⁶ až 10⁷ m.s'¹ a velmi dobře čeřitelná skla hodnoty menší než nad 10⁶ m.s'¹. 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 po- 11 CZ 304299 B6 dobnosti 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 nasycením 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 odstředivý tlak vznikající rotací, 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 nebojejich 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 závisí 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 1. 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 1.

Tloušťka vrstvy skloviny 7 u pláště 4 válcovitého rotujícího tělesa 1, 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 ajiné 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‘⁶ m.s'¹, poloměry rotujících těles J_ čeřících

- 12CZ 304299 B6 odstředivek od 0,1 do 0,75 m a stupeň plnění rotujícího tělesa J ve tvaru válce sklovinou 7 daný poměrem mezi objemem J^zskloviny 7 a celkovým vnitřním objemem rotujícího tělesa 1 V/Vo 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 ajsou 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	1350	1400	1450	1500	1550
o — útopt [rad.s ] kritické bubliny při odstřeďování	2,19.10'8	3,39.10'7	1,33.10'6	2,71.10'6	4,62.1 θ'6
ω = 0 [rad.s'1] kritické bubliny bez odstřeďování	1,13.107	4,34.10'7	1,01.10'6	2,08.10'6	3,21.10'6

Tabulka 1 ukazuje průměrné hodnoty rychlosti růstu bublin kritické velikosti 5.10'⁵ m, pohybujících se ve válci poloměru 0,25 m, s plněním 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 5.10'⁵ 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 = Orad.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 typ (obr. 12):

da/ά,τ = A exp (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 = 5x10'⁵ nebo lxlO'⁴ m a úhlovou rychlostí

- 13 CZ 304299 B6 rotace válcového čeřicího 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 τ_ορ, je za dané teploty (rychlosti růstu bublin) přímo úměrná tloušťce vrstvy skloviny 7 ve válci v širokém rozmezí poloměrů válce a jeho plnění. To demonstrují obrázky 7 až 9, pro teploty 1400, 1450 a 1500 °C, a pro kritické bubliny poloměru 5xl0'⁵ a lxl0'⁴m; 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‘⁵a lxl0'⁴m.

Z obrázků 7 až 9 je tedy za dané teploty, možno odečíst dobu odstranění kritické bubliny za dané teploty a pří 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_ορι na průměrné tloušťce vrstvy má pak tvar:

^/=^(05 + ^(0 (2) kde: τ_ορΙ je optimální doba [s] odstranění bubliny, k(t) je konstanta [s.m jzávislá 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 ro_opt, určující rychlost rotace válce v aplikovaném případě. Příkladem modelované závislosti optimální úhlové lychlosti (o₀pt na průměrné tloušťce vrstvy taveniny při různých teplotách je modelování pro kritickou bublinu o poloměru 5xl0'⁵ 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_0[Λ na teplotě jen velmi málo.

Pro přesné získání příslušné hodnoty ω_αρ, poslouží hodnoty součinů ω„_ρ1τ_ορί ,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 součinu a>„_piT_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.

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

V

V opt + ⁰ (3) kde: <n_op,je optimální úhlová rychlost [rad.s'¹] rotace válce odstředivky, τ_ορ1 je optimální doba [s] odstranění bubliny z taveniny [s], k(t) je konstanta [rad] závislá na teplotě, Vje množství [m³]

-14CZ 304299 B6 taveniny ve válci odstředivky, lý je objem [m³] válce odstředivky, V/Voje plnění válce odstředivky taveninou, q(t) je konstanta [rad] závislá na teplotě.

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

P<Uo²-ť) ρ_ω =-² (4) kde: ρ_ω je tlak [Pa] způsobený odstředivou sílou na plášť válce o poloměru r₀ [m], ω_ορ, je úhlová rychlost [rad.s'¹] rotace v optimu, p je hustota [kg.nť³] taveniny a ^rfc 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, a, se vyjádří empirickou rovnicí, např. polynomického nebo exponenciálního typu jako v následujícím příkladu modelové taveniny:

á[m/s] = exp [l8.969 - t e (1350; 1550)°C (5) kde: ά je průměrná rychlost [m.s¹], růstu bublin Z 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 r₀, 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/V_o v povoleném rozmezí 0,25 až 0,75. Při zvoleném plnění válce (doporučuje se použít jako první hodnotu V/Vo = 0,5) se vypočte průměrná tloušťka vrstvy taveniny podle rovnice:

= r₀

(6) kde: δ je průměrná tloušťka [m] vrstvy skla na plášti válce, r₀ poloměr [m] válce, V/V_Q je plnění válce odstředivky taveninou.

3. Odečte se nebo vypočte se hodnota τ_ορ, pro danou hodnotu kritické velikosti (a_n = 5xl0⁵ m nebo lxlO⁴ m) bubliny z grafů na obrázku 7 až 9 nebo z empirických rovnic získaných zpracováním přímkových závislostí τ_ορι na průměrné tloušťce vrstvy. Tyto rovnice mají formální tvar rovnice (2), při čemž parametry přímek vyhovují rovnicím:

- 15 CZ 304299 B6 (7)

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

k_T =63,42 exp

830,3 Z —1238,3 kde: k_Topt je konstanta [s.m¹], Z je teplota [°C].

Pro úsek na ose y:

q_Topt = 0;Z e <1400; 1550>,q = 30Z-42000;Z e <1350; 1400>

(8) kde: q_Topt je konstanta [s], Z je teplota [°C], Pro ao = lxl O'⁴ m činí směrnice

39,65 exp ⁶ 1007,7 j-1216,6, (9) kde: fc_Topt je konstanta [s.m’¹], Z je teplota [°C],

-5.071Z Z —1348.6 (10) kde: q_Topt je konstanta [s], Z je teplota [°C] .

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

^VJ = opt (11) kde: V_ef je efektivní výkon [m³.s‘'] zařízení, V je objem [m³] válce odstředivky, t„_pt je optimální doba [s] odstranění bubliny z taveniny.

Hodnota V_ef [m³.s''] po dosazení hodnot pro V a !_opl závisí na plnění válce přibližně podle , K/K

V_ef = konsty ⁰

		1/2
1-	1--

(12) kde: V_ef je efektivní výkon [m³.s^_1] zařízení, V/Vo je 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.

- 16CZ 304299 B6

4. Získá se hodnota ω_ορ, pro daný případ. Využije se situace, že průměrný součin ω_ορί τ_ορΙ při dané teplotě a pro daný kritický rozměr bubliny roste v daném rozmezí plnění válce 0,25 až 0,75 lineárně s plněním 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 ao = 5x10‘⁵ m a směrnici máme z modelových výpočtů:

749,3 exp ' 500,6 j-1264,7, (13) kde: k_MoptT je konstanta [rad], Z je teplota [°C] Pro q z modelových výpočtů máme:

= exp

5,23 +

451,6 Z—1270,8 (14) kde: <7ω_{ορ[τ t} je konstanta [rad], Z je teplota [°C],

Pro a_fl = lxl O'⁴ m pak dostáváme z modelových výpočtů:

= 915 exp ' 436,6 1 J-1271.J (15) kde: k_Topt je konstanta [rad], t je teplota [°C], = exp

5.07 + 410,5 ř —1275,4 (16) kde: <7_ωθρ(._{τ f} je konstanta [rad], Z je teplota [°C]

Ze získané hodnoty ω„_ρ,τ_ορ, se pak vypočte a>„_p, při již známém t_opt.

Tím jsou podmínky pro odstřeďování dané taveniny získány. Jsou dány sadou hodnot r₀ , V/V_o,, Utopí, t_opt 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.

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.

- 17CZ 304299 B6

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 ao, rychlosti růstu ά z vrstvy statické taveniny tloušťky/ výstupem ode dna je dána rovnicí:

^{1 =} (^α°^{τ + αθάτ2 + (17)} kde: l 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, a₀ je 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 τ 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 τ= Os'¹ a r= τ„ρί. 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 4.10⁷m.s'').

Tabulka 2

ro [m]	0,10	0,175	0,25	0,375	0,50	0,75
/[°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 G)_uptT_(ipí, 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.

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 % hmot. 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. Mini- 18CZ 304299 B6 mální 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. Sb₂O₃ při teplotě 1450 °C má průměrnou rychlost růstu bublin ά - 5,3 0x10“⁷ mV¹.

B. Sklo s 0,35 % hmotn. Sb₂O₃ při teplotě 1420 °C má průměrnou rychlost růstu bublin ά = 3,20x10 ⁷ ms^=}.

1. Najdeme pro obě varianty příslušné teploty odpovídající stejné rychlosti růstu bublin v modelovém skle. Použijeme 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 ao= 5x10'⁵ m a z rovnice (2) optimální dobu odstranění kritické bubliny, τ_ορ,:

Pro sklo A činí hodnota τ _t 731 s.

Pro sklo B činí hodnota τ ,1326 s.

4. Zjistíme příslušné hodnoty ú)_opt, optimální úhlové rychlosti rotace válce. Nejprve z rovnic (13 a 14) zjistíme směrnice a úseky na ose y lineární závislosti mezi (O_optT_opt a plněním válce 7/r_oa z rovnice (3) vypočteme součin a>_op,T_opt

Pro sklo Aje získaná hodnota co_optT_opt 17900 rad. S použitím hodnoty -731s dostáváme hodnotu otáček válce ω_αρ1 = 24,5 rad.s’¹.

Pro sklo B je získaná hodnota ω_ορ,τ_ορ, 40070 rad. S použitím hodnoty r_op(=1326s dostáváme hodnotu a>_opt = 30,2 rad.s'¹.

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

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.

- 19CZ 304299 B6

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., aje 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 h₀ je 1 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 tavící výkon 70 t/24h, povolená tolerance výkonu jsou 3 %. Maximální dosažitelná teplota ve válci je 1450 °C, cožje 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~^]. Naplnění válce z pece a jeho vyprázdnění do pracovního zásobníku zabere 1800 s. 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, pří čemž předpokládaný poloměr nejmenší bubliny je 5xl0'⁵m.

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/V_o - 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_ορΙ versus δσ pomocí rovnice (7) a vypočteme T_opt z rovnice (2). Dostáváme hodnotu optimální dobu čeření τ_ορ1 = 462 s .

4. Z hodnot součinu a>_optT_opt získáme hodnotu ω _t. Nejprve z rovnic (13 a 14) získáme hodnotu směrnice závislosti mezi α>_ορίτ_ορ( a plněním válce V/V_o i úsek na ose y a poté z rovnice (3) vypočteme příslušnou hodnotu (θ_ιψίτ_t za daných podmínek rovnou 9575 rad. Při známé hodnotě ^To_Pt vypočteme ze součinu α>_ορίτ_ορι optimální otáčky válce hodnotu ω„_ρ, = 20,7 rad.s⁴.

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 h vyčeřit 86400/2262 = 38,2, tj. 38 dávek skla, tj. 34,3 t/24 h. Při společné funkci obou zásobníků má pec čeřící výkon 68,6 t/24 h. Při povolené toleranci 3 % je výkon dostatečný a dané podmínky odstředivého čeření je možno přijmout.

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 vyěeřeno. 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

-20CZ 304299 B6 hodnota rychlosti růstu bublin ά = l,5xl0'⁶m. 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 směrnice τ _t versus σ pomocí rovnice (7) a vypočteme T_opt z rovnice (2). Dostáváme hodnotu τ , = 90 s.

5. Z hodnot součinu <y _řT_0/,₍ získáme hodnotu d)_opt. Nejprve z rovnic (13-14) získáme hodnotu směrnice závislosti mezi a>_optT_opt a plněním válce V/V_o i úsek na ose y a poté z rovnice (3) vypočteme příslušnou hodnotu G)_upti_opl za daných podmínek rovnou 5973 rad. Při známé hodnotě τ _f vypočteme ze součinu (O_optT_opt hodnotu <a_opt = 66,4 s'¹. Optimální úhlová rychlost rotace rotujícího tělesa 1 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 1500 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_ορί = (86400-48,lxl500)/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 1,17x1 θ'⁶ m.s'¹.

7. Je třeba změřit v úzkém rozmezí teplot průměrnou rychlost růstu bublin a nalézt teplotu, která odpovídá průměrné rychlosti růstu bublin 1,17x10'⁶ m.s'¹.

-21 CZ 304299 B6

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

Tabulka 3

Příklad číslo	ro [m]	ho [m]	V/Vo	da/dx [m/s]	T [°C]	θ^ορΐ [rad/s]	^crit [S]	To [s]	P [t/den]
2A	0,25	0,50	0,6	5,3 0x10’7	1450	24,5	731	1500	5,23
2B	0,25	0,50	0,6	3,20x10’7	1420	30,2	1326	1500	4,13
1	2x0,50	1,00	0,5	9,00x107	1450	20,7	462	1800	68,6
3	0,10	0,20	0,7	l,50xl0'6	1480	66,4	90	-	0,01
4	0,30	0,40	0,6	l,17xl0’6	1460	26,6	296	1500	7,5

V tabulce 3 představuje:

r₀ [m] poloměr celkového vnitřního prostoru V_o válcového rotujícího tělesa i, h₍₎ [m] výšku celkového vnitřního prostoru V_o válcového rotujícího tělesa 1,

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

V [m³] prostor válcového rotujícího tělesa i, naplněný sklovinou 7 v m³,

V/V_o podíl válcovitého rotujícího tělesa 1 naplněný sklovinou 7 k celkovému vnitřnímu prostoru V_o rotujícího tělesa I, da/άτ derivace průměrné rychlosti [m.s¹] růstu poloměru bublin ve sklovině 7, při dané teplotě v rotujícím tělese 1, aje poloměr [m] bublin v metrech, rje čas [s] růstu bublin daného poloměru v sekundách, ω_ορ,optimální úhlová rychlost [rad.s¹] rotace válce v radiánech za sekundu, t teplota [°C] skloviny 7 v rotujícím tělese 1 ve stupních Celsia,

T_cnte doba [s] odstředění bubliny kritického poloměru 5x10⁵ m při optimální rychlosti rotace,

To celková doba [s] naplnění a vyprázdnění rotujícího tělesa 1 v sekundách, a

P skutečný výkon čeření odstřeďováním skloviny v tunách za den v nerotujícím tělese 1 s ohledem na dobu potřebnou pro jeho naplnění a vyprázdnění.

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.

-22CZ 304299 B6

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (11)

1. Zařízení k čeření skloviny odstřeďováním, v němž se účinkem odstředivé síly provádí separace bublin ze skloviny (7), zahrnuje 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) je vybaveno prostředky pro nátok a výtok skloviny (7), vyznačující se tím, že válcovité rotující těleso (1) má

a. celkový vnitřní prostor V_o částečně naplněný sklovinou (7) určenou k čeření o obsahu F spojený s okolní atmosférou pro únik bublin ze skloviny (7);

b. celkový vnitřní prostor V_o, který vykazuje střední poloměr (r₀) v rozmezí 0,05 až 1,0 m; a celkovou výšku h₀ v rozmezí 0,1 až 1,5 m; přitom podíl obsahu V rotujícího tělesa (1) naplněného sklovinou (7) určenou k čeření je ku celkovému vnitřnímu obsahu Vo rotujícího tělesa (1) v poměru V/V_o = 0,20 až 0,80; a

c. počet otáček rotujícího tělesa (1) čeřící odstředivky při odstřeďování v rozmezí 10 až 200 rad.s'¹.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotující těleso (1) s válcovitým pláštěm (4) a dnem (3) je na horním okraji ústí zcela otevřené, a toto otevřené ústí slouží jako nátokový otvor (5) skloviny (7).

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotující těleso (1) s válcovitým pláštěm (4) a dnem (3) má na svém horním konci plnou stěnu navazující na plášť (4) neboje horní konec opatřený odnímatelným víkem (2), přičemž horní stěna nebo víko (2) je vybaveno nejméně jedním vratně uzavíratelným nátokovým otvorem (5) skloviny (7), a to nátokovým otvorem (5) v ose (8) rotujícího tělesa (1) a/nebo nátokovými otvory (5) mimo osu (8) rotujícího tělesa (1).

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, rotující těleso (1) sválcovitým pláštěm (4) má dno (3) bez výtokového otvoru (6) skloviny (7).

5. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že rotující těleso (1) s válcovitým pláštěm (4) má dno (3) opatřeno alespoň jedním vratně uzavíratelným výtokovým otvorem (6), a to výtokovým otvorem (6) v ose (8) rotujícího tělesa (1) a/nebo výtokovými otvory (6) mimo osu (8) rotujícího tělesa (1).

6. Zařízení jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že rotující těleso (1) čeřící odstředivky, jeho dno (3), plášť (4) a případně víko (2), je zhotoveno ze žáruvzdorné keramiky nebo žáruvzdorného kovu či slitiny, s vnějším ocelovým pláštěm a případně je pod ocelovým pláštěm umístěna tepelná izolace.

7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že čeřící odstředivka je otápěna plynem nebo elektricky a případně mikrovlnným ohřevem.

8 výkresů

-23 CZ 304299 B6

Vztahové značky:

1 těleso

2 víko 2 tělesa

5 3 dno 3 tělesa

4 plášť 4 tělesa 1

5 nátokový otvor

6 výtokový otvor

7 sklovina

10 8 osa 8 tělesa 1

9 směr 9 nátoku skloviny 7

10 směr 10 výtoku skloviny 7

11 směr 11 rotace tělesa 1

-24CZ 304299 B6

Obr. lb

Obr. 1c

-25 CZ 304299 B6

Obr. 2b

Obr. 2a

I

C 1 r