CZ309094B6 - Způsob tavení skla ve sklářské tavicí peci a sklářská tavicí pec k provádění způsobu tavení skla - Google Patents

Abstract

Způsob tavení skla ve sklářské tavicí peci spočívá v tom, že se sklářská vsázka (18) taví v konverzním regionu (1) elektrodami (3) a/nebo hořáky (5), získaná tavenina (20) se v homogenizačním regionu (2) homogenizuje a v homogenizačním regionu (2) se ustaví efektivní uniformní nebo spirálový tok v části svolnou hladinou taveniny. Vsázka (18) má pohyblivou hranici (21), která se ustaví maximálně do 50 % , s výhodou do 20 až 30 % , délky homogenizačního regionu (2), pomocí nastavení energetických poměrů k1 a k1J. Poměr k1 je poměr energie, přiváděné elektrodami (3) a hořáky (5) do konverzního regionu (1) k celkové energii, přiváděné do obou regionů (1, 2). Poměr k1J je poměr energie, přiváděné elektrodami (3) konverzního regionu (1) k celkové energii, přiváděné do konverzního regionu (1) elektrodami (3) a hořáky (5) konverzního regionu (1). Hodnota obou poměrů k1 a k1J je v rozmezí 0 až 1, s výhodou je poměr k1 = 0,8 až 1 a k1J = 0,5 až 1. S výhodou je optimální rozmezí poměru k1 = 0,90 až 0,945 a k1J = 0,6 až 0,75, při nichž se dosahuje maximálního kritického tavícího výkonu Ṁcrit = 399,2 až 587,5 tun/den. Popsána je i sklářská tavicí pec k provádění tohoto způsobu.

Description

Způsob tavení skla ve sklářské tavící peci a sklářská tavící pec k provádění způsobu tavení skla

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu tavení skla ve sklářské tavící peci s horizontálním pracovním tokem taveniny ve směru její podélné osy. V úvodním konverzním regionu se přemění sklářská vsázka na skelnou taveninu. Na konverzní region navazuje homogenizaění region, v němž se dokončí homogenizační děje, rozpuštění sklářského písku a odstranění bublin, (čeření).

Vynález se též týká též sklářské tavící pece, která zahrnuje ve směru podélné osy konverzní region a na něj navazující homogenizační region. Konverzní region je opatřen vstupy pro sklářskou vsázku a je osazen elektrodami a/nebo hořáky. Homogenizační region je osazen elektrodami nebo hořáky a je vybaven výstupem hotové skelné taveniny.

Dosavadní stav techniky

Kontinuální sklářské tavící pece s horizontálním průtokem taveniny rovněž obsahují vstupní (konverzní) oblast s vrstvou vsázky na hladině a homogenizační oblast, v níž se postupně dokončují taviči děje, především rozpuštění sklářského písku a poté odstranění bublin [5], Jejich měrný výkon se obvykle pohybuje mezi 2 až 3 trouděn’¹, u špičkových zařízení, obvykle s elektrickým příhřevem, až 4 tm^den¹ [6]. Problémem těchto pecí bývá nízká konverzní rychlost vsázky především v důsledku málo intenzivního transportu tepla dovnitř vsázky a výsledná pomalá kinetika konverze [3] a rozsáhlá homogenizační oblast s dalším posláním. Tímto posláním je dodávka části energie nutné pro konverzi vsázky zpětným cirkulačním tokem taveniny; v důsledku tohoto recirkulačního toku vznikají v homogenizační oblasti velké objemy taveniny nevyužité pro uskutečnění homogenizačních dějů. Pro dosažení dostatečné homogenizační kapacity je potom třeba, aby byla homogenizační oblast rozsáhlá [5, 7], ale výsledné specifické výkony pece jsou následkem toho poměrně nízké.

Uvedené nízké konverzní rychlosti vsázky na sklo v konverzní oblasti se řeší urychlením kinetiky procesu konverze, především zlepšením transportu tepla do vrstvy vsázky optimalizováním spalovacího procesu, řízeným ohřevem taveniny, např. elektrickým příhřevem [8] nebo optimalizací mechanismů konverze [9].

Zmíněný problém velké homogenizační oblasti a jejího nízkého využití pro homogenizační děje je problém faktoru tavícího procesu, který lze nazvat cestou procesu. Kontinuální tavící proces není ovlivněn jen kinetikou a řazením jednotlivých tavících dějů, ale rovněž způsobem průchodu, cestou homogenizující se taveniny daným tavícím prostorem. Cesta tavícího procesuje obecně vysvětlena charakterem postupu vsázky a proudění taveniny v tomto prostoru a je známo, že způsob průchodu taveniny určuje využití tohoto prostoru pro jednotlivé děje, a tedy i efektivitu tavícího procesu.

První způsob vedoucí ke zvýšení využití aplikuje separaci průběhů jednotlivých tavících dějů do příslušných oddělených prostorů, příkladem je Beerkensova segmentová tavící pec [10]. Rozdělením pece na více malých prostorů podle jednotlivých dějů se zlepší podmínky pro jejich provozování a předejde se zpětným tokům taveniny z aktuálního do předešlého prostoru, takže se oblasti nevyužité pro vlastní tavící proces netvoří. Obecně vznikají však složitá zařízení s náročnou koordinací dějů v jednotlivých částech. Kvalitní cesta procesu není ve všech segmentech zajištěna.

Druhý přístup popisuje CZ 307659 B6 [17]. Jedná se o separátní tavící prostor kontinuální tavící pece bez vrstvy vsázky a s nátokem skla s nehomogenitami a o způsob tavení skla v tomto prostoru. Tavící proces je v prostoru rozdělen rozložením topné energie na dvě části a poměrem mezi dodávanými energiemi se ovlivňuje proudění v homogenizačním regionu tavícího prostoru tak, aby

- 1 CZ 309094 B6 se omezily, případně úplně odstranily jeho neužitečné oblasti a homogenizační kapacita prostoru se podstatně zvýšila. Na rozdíl od segmentových pecí zde oba homogenizační děje, rozpouštění a odstraňování bublin (čeření), probíhají paralelně. To umožní provozovat s vysokým výkonem menší prostor.

V CZ 307659 B6 [17] a [1, 2] byla zavedena relativní veličina nazvaná využití tavícího prostoru, která umožňuje kvantifikovat kvalitu proudění vzhledem k průběhu tavícího procesu a je poměrem mezi referenční dobou uskutečnění daného řídicího děje, např. v laboratorních kelímkových tavbách a geometrickou dobou zdržení taveniny v prostoru rovnou podílu objemu prostoru a objemového průtoku taveniny prostorem. Tato veličina vykazuje hodnotu 1 pro pístový tok, hodnotu mezi 0,45 až 0,65 pro uniformní tok [11] a dosahuje hodnot 0,6 až 0,8 pro nastolený spirálový tok [12, 13, 14], Nastolení spirálového toku ve sklářském tavícím prostoru uvádí české patenty [15, 16]. Naproti tomu bylo zjištěné využití tavícího prostoru pro průmyslově provozovanou sklářskou pec s vrstvou vsázky na hladině velmi nízké, a to mezi 0,05 až 0,10 [3], v důsledku mohutného zpětného cirkulačního proudění, specifický výkon se zde pohyboval mezi 2,3 až 4,6 t/m³den. Matematickým modelováním homogenizačního modulu se vstupem skelné taveniny obsahující písková zrna i bubliny a s řízeným prouděním se pak podařilo dosáhnout toku podobnému uniformnímu toku, který vykazoval hodnotu využití až 0,5 a tavící výkon až více než 500 t/den a specifický výkon běžně větší než 30t/m³den [4], Takového kontrolovaného proudění taveniny s vysokým využitím se dosáhlo vhodnou prostorovou distribucí topné energie. Rozměr modelovaného homogenizačního modulu s řízeným prouděním byl přitom podstatně menší než průmyslový tavící prostor a pohyboval se kolem 12,5 m³ oproti celkovému objemu tavící části průmyslové pece dosahujícího 100 m³ [3]. Podmínky provozování tohoto homogenizačního modulu popisuje tavící prostor kontinuální sklářské tavící pece [18, 19, 20, 21],

Při následném uvažování zahrnutí děje konverze vsázky procesu se tedy jevilo jako logické uvažovat spojení uvedeného výkonného homogenizačního modulu s vhodným typem regionu pro konverzi sklářské vsázky. V literatuře uváděné rychlosti konverze vsázky na skelnou taveninu se však pohybovaly v nízkých hodnotách mezi 0,05 až 0,1 kg/nrV¹, rozměry konverzního regionu by v peci s výkonem odpovídajícím výkonu homogenizačního modulu s řízeným prouděním dosahovaly značných rozměrů. Bylo tedy třeba navrhnout konverzní region s masivním ale technicky proveditelným otopem, jehož konverzní výkon by se přibližoval homogenizačnímu výkonu homogenizačního modulu nebo alespoň podstatně převyšoval běžně dosahované konverzní výkony. Takový konverzní region byl navržen využitím otopného systému vertikálních elektrod a vertikálních hořáků a matematickým modelováním bylo zjištěno, že lze dosáhnout vysokých hodnot kolem 0,25 kgm^s’¹. Na navržený konverzní region byl udělen užitný vzor [22] a je předmětem přihlášky vynálezu CZ PV 2019-747 A3. Vysoké konverzní rychlosti umožňují dosáhnout menšího rozměru konverzního prostoru.

Cílem vynálezu je oba regiony, konverzní a homogenní prostorově propojit, nastavit optimálně příkony obou typů energií do pece a zachovat citlivě nastavené proudění v homogenizačním regionu a nalézt sladěný konverzní a homogenizační výkon při maximálním využití tavícího prostoru pece.

Literatura

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

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

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

https://d0i.0rg/l 0.13168/cs.2017.0049.

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

https://doi.org/10.1016/i.inoncrysol.2017.12.009

[5] W . Trier: Glasschmelzofen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1984. [6] A. Smrček a kol.: Tavení skla. Česká sklářská společnost o.s. Jablonec nad Nisou 2008, str.

280.

- 2 CZ 309094 B6

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

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

[9] A. Paul: Chemistry of Glasses, Chapter 5, P. Hrma. Batch melting reactions. Chapman & Hall, second edition (1990).

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

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

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

httns://doi.org/10.1016/i.inoncrysol.2011.04.020

[13] M. Polák, L. Němec, J. Non-Cryst. Solids 358 (2012) 1210-1216. httns://doi.org/l 0.1016/i.inoncrysol.2012.02.021

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

[15] M. Polák, L. Němec, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Brada, M. Trochta: Sklářská tavící pec pro kontinuální tavení skel řízenou konvekcí. CZ patent 304 703 (2012).

[16] M. Polák, L. Němec, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Brada, M. Trochta: Způsob kontinuálního tavení skel řízenou konvekcí skloviny. CZ patent 304 432 (2012).

[17] L. Němec, L. Hrbek, M. Jebavá, J. Brada: Taviči prostor kontimuální sklářské tavící pece a způsob tavení skla v tomto prostoru. CZ 307 659 (2017).

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

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

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

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

[22] L. Němec, M. Jebavá, P. Cincibusová, V. Tonarová, P. Budík: „Sklářská tavící pec s konverzním regionem pro přeměnu sklářské vsázky na skelnou taveninu“. CZ 3 6964 U (20.12.2019). CZ PV 2019-747 A3.

[23] L. Němec, M. Vemerová, P. Cincibusová, M. Jebavá, J. Kloužek: The semi-empirical model of the multicomponent bubble behavior in glass melts. Ceramics - Silikáty, 2012.56(4): p. 367-373.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob tavení ve sklářské tavící peci podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sklářská vsázka se taví v konverzním regionu na taveninu elektrodami a/nebo hořáky, získaná tavenina se v homogenizačním regionu homogenizuje a v homogenizačním regionu se ustaví efektivní uniformní nebo spirálový tok. Vsázka má pohyblivou hranici, která se ustaví maximálně do 50 % délky homogenizačního regionu pomocí nastavení energetických poměrů kiakix

Poměr ki představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami a hořáky do konverzního regionu k celkové energii, která se přivádí do obou regionů, a to elektrodami konverzního regionu, elektrodami homogenizačního regionu, hořáky konverzního regionu a případně hořáky homogenizačního regionu.

Poměr ku představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami konverzního regionu k celkové energii, která se přivádí do konverzního regionu elektrodami a hořáky konverzního regionu.

Hodnota obou poměrů ki a ku se pohybuje v rozmezí 0 až 1.

- 3 CZ 309094 B6

Hodnota poměru ku = 0 znamená, že se do konverzního regionu přivádí energie pouze plynovými hořáky konverzního regionu.

Hodnota poměru ku = 1 znamená, že se do konverzního regionu přivádí energie pouze elektrodami konverzního regionu.

Hodnota poměru ki = 0 znamená, že pouze do homogenizačního regionu se přivádí všechna energie buď elektrodami homogenizačního regionu nebo hořáky homogenizačního regionu.

Hodnota poměru ku = 1 znamená, že pouze do konverzního regionu se přivádí všechna energie elektrodami konverzního regionu a hořáky konverzního regionu.

Optimální rozmezí poměru ki = 0,8 až 1, s výhodou ku = 0,5 až 1.

Je výhodné, když pro optimální rozmezí poměřuje ki =0,90 až 0,945 a optimální rozmezí poměru je ku = 0,6 až 0,75, čímž se dosahuje maximálního kritického tavícího výkonu M_cru = 399,2 až 587,5 tun/den, přičemž se v homogenizačním regionu dosahuje uniformního nebo spirálového toku taveniny.

Vynález se též týká sklářské kontinuální tavící pece podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že konverzní region je osazen vertikálními elektrodami ve dnu a/nebo hořáky zapuštěnými v klenbě konverzního regionu a homogenizační region je osazen vertikálními elektrodami ve dnu nebo hořáky zapuštěnými v klenbě homogenizačního regionu. Sklářská vsázka pokrývající taveninu konverzního regionu zasahuje z konverzního regionu svou pohyblivou a ustavenou hranicí maximálně až do 50 % délky ve směru podélné osy do homogenizačního regionu.

S výhodou sklářská vsázka pokrývající taveninu konverzního regionu zasahuje z konverzního regionu svou pohyblivou a ustavenou hranicí až do 20 až 30 % délky ve směru podélné osy do homogenizačního regionu.

Hlavní výhodou je nový způsob tavení skloviny, který zahrnuje celý taviči proces a využívá základní schopnosti dříve modelovaných regionů konverzního a homogenizačního, např. podle CZ PV 2019-747 A3. Tento způsob tavení skla i sklářská tavící pec podle tohoto vynálezu umožňují dosáhnout optimalizace konverze sklářské vsázky a nastavují podmínky společné pro konverzi vsázky i optimální typ proudění v homogenizačním regionu pomocí definovaného rozložení energie v celém prostoru sklářské tavící pece. Využívá se přitom flexibilní hranice sklářské vsázky na tavenině mezi konverzním regionem a homogenizačním regionem. V homogenizačním regionu je nastaveno řízené proudění. Pomocí flexibilní hranice vsázky se hledalo a dosáhlo maximální využití celého tavícího prostoru i jeho maximálního tavícího výkonu při ukončení homogenizačních dějů na definovaném místě před výtokem z prostoru a při dodržení žádané kvality skla.

Překvapivý a neočekávaný účinek tohoto vynálezu je na základě provedených měření a zkoušek během posledních 6 let, že tento vynález lze aplikovat na jakýkoliv druh kontinuální sklářské tavící pece s horizontálním průtokem skloviny. Konverzní region tvoří počáteční část celé sklářské tavící pece, má pravoúhlý nebo oblý tvar umožňující umístění vstupu nebo vstupů vsázky. Může mít tvar příčného kanálu orientovaného kolmo k délce pece. Konverzní region může být pravoúhlý i zaoblený tvar. Je opatřen vstupem nebo vstupy vsázky, které jsou umístěny symetricky vzhledem k výstupu z konverzního regionu, s výhodou příčného kanálu se dvěma bočními vstupy na každé kratší protilehlé stěně příčného kanálu. Přední oblast (stěna) tvoří čelo celé pece, v zadní oblasti (stěně) je centrálně umístěný odtokový otvor, neboje celá zadní oblast (stěna) odtokem a současně vstupem do následujícího homogenizačního regionu. Prostor konverzního regionu je osazený tyčovými vertikálními elektrodami umístěnými ve dnu a/nebo vertikálními plynovými hořáky umístěnými v klenbě. Konverzní region může mít rozmístěny topné tyčové vertikální elektrody po celé ploše dna a vertikální hořáky po celé ploše klenby v pravidelných formacích. Osy vertikálních

- 4 CZ 309094 B6 elektrod mohou být uspořádány v minimálním odstupu 0,3 m od sebe a od stěn. Osy vertikálních hořáků jsou uspořádané, např. v minimálním odstupu 0,5 m od sebe a od bočních stěn a špičky elektrod jsou vzdáleny od spodního povrchu vrstvy sklářské vsázky maximálně 0,4 m.

Homogenizační region má tvar podélného kanálu se vstupem do své celé čelní stěny ze zadní oblasti (stěny) konverzního regionu a je osazený topnými elektrodami nebo hořáky v uspořádáních umožňujících vytvořit v homogenizačním regionu s výhodou podélnou tepelnou bariéru. Nej častější bariérou je jedna nebo dvě řady tyčových vertikálních elektrod ze dna uspořádaných v podélných odstupech 0,3 až 0,4 m. Výška elektrod v homogenizačním regionu se pohybuje mezi 0,3 až 0,6 m.

Konverzní a homogenizační region jsou propojeny tak, že celá zadní oblast (stěna) nebo odtokový otvor konverzního regionu jsou připojeny k přední čelní stěně podélného homogenizačního regionu, přičemž plocha výstupu z konverzního regionu má rozměr příčného řezu homogenizačním kanálem, takže oba prostory vytvoří celistvý nový prostor, v případě konverzního regionu s výhodou tvaru příčného kanálu tvar písmena T naležato, kde konverzní region tvoří stříšku písmena T se vstupy na obou koncích stříšky a homogenizační region tvoří nožku písmena T se vstupem přední částí nožky a výstupem její zadní částí. Oba boční vstupy do stříšky jsou umístěny buď centrálně na koncích stříšky konverzního regionu, nebojsou posunuty k některé z delších stěn konverzního regionu tvořícího stříšku. Axonometrický pohled na typický prostor T-pece s centrálně umístěnými bočními vstupy je uveden v obrázku 1.

Předností uspořádání samotného konverzního regionu zvoleného ve tvaru příčného kanálu jsou popsány v přihlášce vynálezu [22] a jejich výsledkem je vysoká konverzní kapacita díky intenzivnímu odtavování sklářské vsázky na hladině taveniny soustředěným kombinovaným ohřevem sítě vertikálních hořáků a sítě vhodně rozmístěných vertikálních elektrod vyvolávajících vertikální toky horkých spalin a horké taveniny k vrstvě vsázky. Dosahovaná specifická rychlost konverze vsázky na sklo při plném energetickém zatížení je v tomto uspořádání mnohem vyšší, než bylo dosaženo pro konvenční horizontální sklářskou pec s regenerativním (plynovým) ohřevem a s menším elektrickým příhřevem.

Předností uspořádání samotného homogenizačního regionu ve formě tavícího modulu s nátokem taveniny obsahující zrna písku a bubliny byly popsány v patentu [19] a jejich výsledkem je vysoká homogenizační kapacita surové skelné taveniny na rozpouštění pískových zrn a odstraňování bublin, která je charakterizována vysokým tavícím výkonem nad 300 t/den při objemu konverzního regionu 12,5 m³. Toho se docílilo rozdělením regionu na vstupní a homogenizační oblast a soustředěním dodávané energie do vstupní oblasti, takže se v homogenizační oblasti regionu nastolilo proudění taveniny přibližně uniformního nebo spirálového toku, charakterizované vysokým využitím tavícího prostoru pro homogenizační děje.

Spojením obou regionů a po nastolení příslušně změněných a nových výhodných podmínek konverze, homogenizace a proudění lze pak získat nový složený prostor, s výhodou T-prostor, který je schopen zahrnout celý tavící proces, konverzí vsázky počínaje a homogenizací taveniny spočívající v rozpuštění částic sklářského písku a odstraněním bublin konče. Konverzní region nyní tvoří vstupní část pece se soustředěním energie a homogenizační region je určen pro homogenizaci taveniny v uniformním nebo spirálovitém toku. Předpokládaný celkový objem složené pece se pohybuje mezi 24 až 30 m³. Oba regiony se neliší, nebo jen málo liší svým objemem, větší rozdíl je oprávněný při nestejné efektivitě homogenizačních dějů.

Horizontální napojení obou regionů je voleno tak, že zajišťuje, aby pro bubliny vzniklé v konverzním regionu vznikla v homogenizačním regionu volná hladina, k níž jsou bubliny pracovním tokem unášeny a na níž se výstupem odstraní. To částečně omezí vznik silné vrstvy velkých bublin pod vsázkou, které se odstraňuji jen obtížně a zamezují toku tepla z taveniny do vrstvy vsázky.

- 5 CZ 309094 B6

Základem provozování složeného prostoru, s výhodou T-prostoru, je nastolení podmínek pro dosažení maximálního výkonu při využití prostoru celé tavící pece na tavící proces, tj. stavu, kdy se řídicí homogenizační děj (rozpouštění písku nebo odstranění bublin) dokončí nad příčnou přepážkou ze žáruvzdorného materiálu před výtokem taveniny z prostoru.

Maximální tavící výkon celého složeného prostoru a rozložení energie v něm jsou odhadnuty na základě modelování a zkušeností tak, že množství dodávané vsázky pokrývá při provozu alespoň celou hladinu konverzního regionu. Při plánování výkonu se vychází z plochy hladiny konverzního regionu a běžně dosahované průměrné rychlosti konverze vsázky.

V případě konverzního regionu s výhodou tvaru příčného kanálu je umístění dvou vstupů vsázky voleno v bočních stěnách proti sobě s cílem, aby došlo střetnutím obou proudů vsázky v podélné ose konverzního regionu a vyvolalo lokální zvýšení konverze vsázky v důsledku lokálního zpomalení jejího postupu.

Nastavení maximálního a technicky dosažitelného tavícího výkonu se provádí pomocí hodnot dvou faktorů (proměnných) ki a ku, vyjadřujících poměr mezi energiemi, a při splnění podmínky, že taviči děje budou ukončeny v určeném místě (nad příčnou přepážkou) před výstupem taveniny z tavícího prostoru. Poměr ki vyjadřuje poměr mezi celkovou energií dodanou do konverzního regionu a veškerou energií dodanou do celé pece a ku vyjadřuje poměr mezi Joulovou energií dodanou do konverzního regionu a veškerou energií dodanou do konverzního regionu, hodnoty obou faktorů se pohybují mezi 0 a 1.

Poměr ku se týká pouze konverzního regionu. Když je hodnota poměru ku rovna 0, znamená to, že konverzní region není vytápěn topnými elektrodami aje otápěn pouze plynovými hořáky. Když je hodnota poměru kjj rovna 1, znamená to, že konverzní region není vytápěn plynovými hořáky, aleje vytápěn pouze topnými elektrodami.

Poměr ki se týká celého prostoru, tj. konverzního regionu a homogenizačního regionu. Je-li ki = 1, znamená to, že celý prostor je vytápěn pouze v konverzním regionu topnými elektrodami a hořáky a homogenizační region je otápěn pouze odcházejícími spalinami a horkou taveninou přicházející z konverzního regionu a vlastní ohřev nepotřebuje. Když je hodnota poměru ki rovna 0, znamená to, že je vytápěn pouze v homogenizačním regionu topnými elektrodami nebo plynovými hořáky.

Tyto krajní hodnoty ki a kuysou mj. výhodné např., při výpadku elektrické energie v síti nebo při výpadku otopu plynem, případně v případě oprav žáromateriálu pece při horkých opravách. Využijí se i pro návrhy nových tavících zařízení.

S výhodou je poměr A/roven 0,8 až 1 a s výhodou poměr ku roven 0,5 až 1. V tomto případě se dosahuje nejvyšších kritických tavících výkonů a nejnižších tepelných ztrát.

Na základě příkladných provedení se pro optimální rozmezí poměru ki = 0,90 až 0,945 a optimální rozmezí poměru ku= 0,6 až 0,75 dosáhlo maximálního kritického tavícího výkonu M_Cru = 399,2 až 587,5 tun/den, přičemž se v homogenizačním regionu nastavil uniformní nebo spirálový tok taveniny.

Celkové rozdělení energie v příkladech uvedené T-peci s cílem nastolit řízené uniformní nebo spirálovité proudění v homogenizačním regionu je nastaveno tak, že největší podíl energie, přibližně ki = 0,8 až 1 celkově dodané energie, se dodá do regionu pro konverzi vsázky a v celém homogenizačním regionu se v podstatě rovnoměrně rozmístí zbylý podíl 0 až 0,2 celkově dodané energie. Tím se zajišťuje, že se uniformní nebo spirálovité proudění může nastolit případně po celé délce homogenizačního regionu.

Maximální podílA/ = 0,8 až 1 množství energie dodané do konverzního regionu zajišťuje nejen řízené proudění po délce homogenizačního regionu, ale i přímou dodávku tepla do vsázky

- 6 CZ 309094 B6 v konverzním regionu elektrodami zde umístěnými a přímé využití energie hořáků, které mají velkou konverzní kapacitu a jsou až na výjimku ohřevu homogenizaěního regionu hořáky umístěny pouze v konverzním regionu. Uvedené rozmístění energie současně ustavuje běžnou konverzní kapacitu regionu na 0,25 až 0,30 kgm^s’¹.

Poměr mezi energií dodanou do konverzního regionu Joulovým teplem a celkovým tam dodaným teplem, vyjádřený veličinou ku, mající hodnotu 1 pro otop konverzního regionu pouze Joulovým teplem a 0 pro otop v konverzním regionu pouze spalovacím teplem, svým poklesem ku pod 1 zvyšuje konverzní rychlost vsázky z hodnot 0,25 až 0,30 kgnrV¹ až na hodnoty nad 0,5 kgnrV¹ a současně snižuje rozdíl mezi průměrnými teplotami obou regionů. Nižší hodnoty poměru ku než 0,6 však znemožňují nastolení efektivního spirálovitého proudění v homogenizačním regionu a nižší než 0,5 přehřívají klenbu v konverzním regionu. Proto pro objemově malou pec, jako je Tpec s kombinovaným ohřevem konverzního regionu, jsou optimální hodnoty poměru ku mezi dodanou Joulovou a celkovou energií do tohoto regionu mezi 0,6 až 0,90. Poměr 1 pro otop v konverzním regionu charakterizující elektrickou pec je však rovněž přijatelný, je-li záměrem postavit celoelektrickou pec; zde se posléze využije výhody podpory spirálovitého proudění.

Vstupy se podle potřeby posouvají při stavbě nebo opravě pece, boční vstupy s výhodou konverzního regionu tvaru příčného kanálu se posouvají ze symetrické pozice blíže k čelní nebo zadní stěně kanálu, a to tak, aby se odstranila nebo redukovala místa se vznikající volnou hladinou v konverzním regionu a vsázka se o plochu původně připadající na volnou hladinu stáhla zpět, teploty ve spalovacím prostoru poklesly ve srovnání s případem původně umístěných vstupů, čímž se zmírňuje přehřátí klenby v konverzním regionu a rovněž se případně podpoří spirálovité proudění v homogenizačním regionu, které je výhodné.

Pro dosažení maximálního tavícího výkonu je rovněž třeba, aby se řídicí homogenizační děj, buď rozpouštění pískových zrn nebo odstranění bublin, vždy ukončil v homogenizačním regionu na dohodnuté hranici před výstupem (zde nad příčnou přepážkou ze žáruvzdorného materiálu před výtokem). Toho se dosahuje tím, že se poloha hranice vsázky nestanoví pevně na předělu obou regionů, ale je flexibilní, posunuje se s rostoucím tavícím výkonem z konverzního regionu přes předěl regionů směrem do homogenizaěního regionu a smí dosáhnout až 50 % délky homogenizačního regionu. Flexibilita hranice vsázky zaručuje sladění kapacity konverzního regionu s kapacitou homogenizačního regionu, které se vzhledem k původním objemům regionů vždy o něco liší. Posunem hranice vsázky se skutečný objem pro konverzi vsázky zvětší a skutečný objem pro homogenizaci taveniny zmenší oproti objemům regionů vyhrazeným konstrukcí. Takto je možné měnit vzájemné homogenizační kapacity regionů beze změn jejich skutečné velikosti. Pec je v tomto případě zařízením s proměnnou virtuální velikostí konverzního a homogenizačního regionu. Při dosažení těchto podmínek je vždy maximálně využit celý prostor pece a dosáhne se maximálního tavícího výkonu.

Je rovněž možné pracovat za jiných podmínek, než odpovídá podmínkám uvedeným pro maximální výkon, a tím se umožní výkonová flexibilita pece. Toho se dosáhne buď snížením optimální hodnoty ki, takže v homogenizačním regionu nevznikne uniformní nebo spirálové proudění, ale vytvoří se zpětné podélné cirkulace taveniny, klesne využití homogenizačního regionu a tím i kritický tavící výkon pece, nebo se udržuje konstantní optimální hodnota ki, typ proudění v homogenizačním regionu se nezmění, ale snížením výkonu (průtoku) v něm vznikne taviči reserva (homogenizace se uskuteční dřív než před výstupem). První způsob byl použit v následujících příkladech provedení, aby byl zřejmý vliv rozložení energie (ki) na podélné cirkulace taveniny a tím na využití prostoru a tavící výkon. Výkonové flexibility prostoru je tedy možno dosáhnout dvěma způsoby, v obojím případě však mírně stoupne specifická spotřeba energie.

Způsob provozování složeného tavícího prostoru, s výhodou T-pece, a výsledky matematického modelování tavícího výkonu a dalších relevantních veličin popisují následující příklady provedení.

- 7 CZ 309094 B6

Objasnění výkresů

Vynález je dále podrobně popsán na neomezujících příkladech provedení, osvětlený na připojených schematických výkresech.

V komentářích k obrázkům jsou uvedeny poměiy ki a ku Poměr ki představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami a hořáky do konverzního regionu k celkové energii, která se přivádí do obou regionů. Poměr ku představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami konverzního regionu k celkové energii, která se přivádí do konverzního regionu elektrodami a hořáky konverzního regionu.

Obecný případ T-pece je podrobněji popsán dále v příkladech provedení a je objasněn na připojených schematických výkresech na obr. 1 a 1.1, z nichž znázorňuje:

Obr. 1: Axonometrický pohled znázorňuje tvar a uspořádání typického tavícího T-prostoru s konverzním a homogenizačním regionem a částečně odkrytou klenbou obou regionů.

Obr. 1.1: Axonometrický pohled z obr. 1 ukazuje homogenizační region s klenbou s hořáky v podélné ose.

Příklad 1

Podrobně konkrétně popsaný příklad 1 pro malou T-pec lije objasněn na schematických výkresech na obr. 2 až 7, z nichž znázorňuje:

Obr. 2: Pohled shora na rozmístění hořáků a elektrod v malé T-pec II. V levé části (a) je rozmístění hořáků v klenbě konverzního regionu. V pravé části (b) je rozmístění elektrod ve dnu celé pece.

Obr. 3: Graf závislosti kritického tavícího výkonu M_cru malé T-pece II na podílu ki energie z celkové energie dodané do malé T-pece II, závislost je vyznačena „trojúhelníky“; a graf závislosti průtoků Mbal taveniny při vyrovnaném rozmístění energie na podílu kl energie z celkové energie dodané do malé T-pece II, závislost je vyznačená „plnými kroužky“. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 4: Pohled shora na malou T-pec II, znázorňující vsázku a proudnice na hladině taveniny v této T-peci, při maximální hodnotě kritického tavícího výkonu. Případ 05 v tabulce 1. Dole je ukázána teplotní stupnice. Je zřejmá míra vstupu vsázky do homogenizačního regionu. Hodnota ki = 0,90. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 5: Kolmý podélný řez (XZ) mezi podélnou osou malé T-pece II a boční stěnou, který ukazuje rozdělení konvektivních proudů do dvou oblastí. Dole je ukázána teplotní stupnice. Hodnota ki = 0,90. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 6: V horní části obr. 6 je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu. Optimální případ, hodnota ki = 0,90. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 7: Podélný řez podélnou osou malé T-pece II (v řezu XZ) mezi podélnou osou malé T-pece II a boční stěnou, který ukazuje teplotní pole nad hladinou taveniny. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 05, viz tabulka 1. Hodnoty ki = 0,90; ku= 0,75. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklad 1.1

- 8 CZ 309094 B6

Příkladné provedení je dále podrobně popsané pro malou T-pec II a je objasněno na schematických výkresech na obr. la, 2a, 3a, z nichž znázorňuje:

Obr. la: Pohled shora na hranici vsázky a proudnice na hladině taveniny v malé T-peci II při snížené hodnotě kritického tavícího výkonu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 04 v tabulce 1. Jsou zřejmé proudnice zpětného toku taveniny na hladině homogenizačního regionu. Hodnota ki = 0,693. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 2a: Kolmý podélný řez (XZ) mezi podélnou osou malé T-pece II a boční stěnou, který ukazuje podélné cirkulační proudění taveniny v homogenizačním regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Hodnota ki = 0,693. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 3a: V horní části obr. 3a je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v malé T-peci II při hodnotě ki = 0,693. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklad 2

Příkladné provedení je dále podrobně popsáno na konkrétní velké T-peci a je objasněno na schematických výkresech na obr. 8 až 11, z nichž znázorňuje:

Obr. 8: Pohled shora na rozmístění hořáků a elektrod ve velké T-peci. V levé části (a) je rozmístění hořáků v klenbě konverzního regionu. V pravé části (b) je rozmístění elektrod ve dnu celé velké Tpece.

Obr. 9: Graf závislosti kritického tavícího výkonu M_cru velké T-pece na podílu kl energie z celkové energie dodané do T-pece, závislost je vyznačená „trojúhelníky“; a graf závislosti průtoků Mbai taveniny při vyrovnaném rozmístění energie na podílu kl energie z celkové energie dodané do velké T-pece, závislost je vyznačená „plnými kroužky“. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 10: Pohled shora na velkou T-pec, znázorňující vsázku a proudnice na hladině taveniny v této T-peci, při maximální hodnotě kritického tavícího výkonu. Je zřejmá míra vstupu vsázky do homogenizačního regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Hodnota ki = 0,92. Případ 4, tabulka 2. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 11: V horní části obr. 1 je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu. Optimální případ při hodnotě ki = 0,92. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklad 3

Příkladné provedení je podrobněji popsáno dále aje objasněno na schematických výkresech na obr. 12 až 18, z nichž znázorňuje:

Obr. 12: Graf závislosti průměrné specifické rychlosti konverze vsázky MSbatch na podílu kl energie dodané do konverzního regionu malé T-pece II, závislost je vyznačená „plnými kroužky“ a „trojúhelníkem; malá T-pec II, průtok M = 3,5 kg/s. Msbatchsmaiithicki - průtok 4,5 kg/s. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 13: Graf závislosti průměrné specifické rychlosti konverze vsázky Msbatch na podílu ku Joulovy energie dodané do konverzního regionu. Je vyznačena závislost, a to „plnými kroužky“ pro malou T-pec II Msbatchsmak) „čtverci“ a „křížkem“ pro velkou T-pec s centrálním vstupem v boční stěně konverzního regionu (Msbatchiarge) a (Msbatchiar_ge2) „trojúhelníky“ pro velkou T-pec se vstupy posunutými ke vstupní čelní stěně regionu (MsbatMargep) a „prázdnými kroužky“ pro krajní

-9 CZ 309094 B6 hodnotu při ku = 1 pro malou T-pec I (Msbatchsmaiithicki)· Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 14: Pohled shora ukazující vliv pozice bočních vstupů na vsázku, v levé části (a) jsou uspořádány centrálně boční vstupy, v pravé části (b) jsou upořádány boční vstupy v blízkosti přední čelní stěny konverzního regionu velké T-pece při hodnotě ku = 0,6. Dole je ukázána teplotní stupnice. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 15: Pohled shora na uspořádání elektrod v malé T-peci I.

Obr. 16: Graf závislosti kritického tavícího výkonu Merit malé T-pece I na podílu ki energie z celkové energie dodané do pece T-pece, závislost je vyznačená „trojúhelníky“; a graf závislosti průtoků Ma taveniny při vyrovnaném rozmístění energie na podílu kl energie z celkové energie dodané do malé T-pece I, závislost je vyznačená „plnými kroužky“. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C. hodnota ki = 0,60.

Obr. 17: Pohled shora na malou T-pec I znázorňuj ici vsázku a proudnice na hladině taveniny v této T-peci, při maximální hodnotě kritického tavícího výkonu. Je zřejmá míra vstupu vsázky do homogenizačního regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 25, tabulka 3. Hodnoty ki =0,94; ku = 0,60. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 18: V horní části obr. 18 je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu malé T-pece 1. Optimální případ při hodnotách ki = 0,94; ku = 0,60. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklad 4

Příkladné provedení velké T-pece je podrobně popsané dále a je objasněn na schematických výkresech na obr. 19 až 21, z nichž znázorňuje:

Obr. 19: Graf závislosti kritického tavícího výkonu M_cru velké T-pece na podílu ki energie z celkové energie dodané do této pece T-pece, závislost je vyznačená „trojúhelníky“; a graf závislosti průtoků Μα taveniny při vyrovnaném rozmístění energie na podílu ki energie z celkové energie dodané do velké T-pece, závislost je vyznačená „plnými kroužky“. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C při hodnotě ku = 0,60.

Obr. 20: Pohled shora na velkou T-pec, znázorňující vsázku a proudnice na hladině taveniny v této T-peci, při maximální hodnotě kritického tavícího výkonu. Je zřejmá míra vstupu vsázky do homogenizačního regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 1 IPc, tabulka 4. Hodnoty ki = 0,945; ku = 0,60. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 21: V horní části obr. 21 je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu velké T-pece. Optimální případ 11 Pc, hodnoty ki = 0,945; ku = 0,60. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklad 5

Příkladné provedení pro velkou T-pec je dále podrobně popsané a je objasněno na schematických výkresech na obr. 22 až 24, z nichž znázorňuje:

Obr. 22: Pohled shora na velkou T-pec, znázorňující vsázku a proudnice na hladině taveniny v této T-peci, v případě ohřevu homogenizačního regionu hořáky umístěnými v podélné ose homogenizačního regionu Je zřejmá míra vstupu vsázky do homogenizačního regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 26, hodnoty ki = 0,9; ku= 0,6. Průměrná taviči teplota v prostoru je 1420 °C.

- 10 CZ 309094 B6

Obr. 23: Kolmý podélný řez (XZ) v podélné ose velké T-pece, který ukazuje přibližně uniformní tok taveniny v homogenizačním regionu. Dole je ukázána teplotní stupnice. Případ 26. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Obr. 24: V horní části obr. 24 je pohled shora v rovině XY a v dolní části pohled v rovině XZ na průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu velké T-pece. Případ 26. Hodnoty ki = 0,9; ku= 0,6. Průměrná tavící teplota v prostoru je 1420 °C.

Příklady uskutečnění vynálezu

Obecný případ příkladného provedení T-pece, podle tohoto vynálezu, ilustruje obr. 1 pro tvar a uspořádání typického tavícího T-prostoru s konverzním regionem 1 a homogenizačním regionem 2 a částečně znázorněnými klenbami 6 a 7 obou regionů 1, 2. Konverzní region 1 je otápěn elektrodami 3 a/nebo hořáky 5, přednostně elektrodami 3 i hořáky 5 společně. Homogenizační region 2 je otápěn elektrodami 4 nebo hořáky 2, přednostně elektrodami 4. V příkladném provedení sklářské pece na obr.l sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 35 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2.

Na obr. 1.1 je znázorněn pohled z obr. 1 na homogenizační region 2 s částečně znázorněnou klenbou 7 s hořáky 25 v podélné ose 24.

SklářskA tavící pec zahrnuje dva regiony, konverzní region 1 pro přeměnu sklářské vsázky 18 na skelnou taveninu 19 a homogenizační region 2 pro odstranění nehomogenit typu sklářského písku a bublin a přeměnu na skelnou homogenní taveninu 20.

Konverzní region 1 je opatřen částečně znázorněnou klenbou 6 se zapuštěnými vertikálními hořáky 5 s jejich osami 51. Homogenizační region 2 je opatřen částečně znázorněnou klenbou 7 se zapuštěnými vertikálními hořáky 25 s jejich osami 251. Klenby 6, 7 jsou částečně znázorněny proto, aby byl zřetelnější pohled na oba regiony 1, 2, např. kvůli uspořádání elektrod 3, 4 v obou regionech 1, 2. Konverzní region 1 je opatřen v příkladném provedení vertikálními elektrodami 3, s jejich osami 31 a špičkami 32, přičemž elektrody 3 jsou celé ponořeny pod hladinou taveniny 19 v konverzním regionu 1. Homogenizační region 2 je opatřen v příkladném provedení vertikálními elektrodami 4, s jejich osami 41 a špičkami 42, přičemž elektrody 4 jsou celé ponořeny pod hladinou taveniny 20 v homogenizačním regionu 2.

Konverzní region 1 s vysokou koncentrací topné energie pro přeměnu sklářské vsázky 18 na skelnou taveninu 19 má vrstvu sklářské vsázky 18 na roztavené skelné tavenině 19. Sklářská vsázka 18 může zasahovat svou hranicí 21 na hladině taveniny 20, jak je patrno z obr. 1, až do homogenizačního regionu 2. Konverzní region 1 oblého nebo pravoúhlého tvaru, s výhodou tvaru příčného pravoúhlého kanálu, obsahuje dno 8, odpovídající boční stěny 12, čelní stěnu 10 a protilehlou zadní čelní stěnu 10 s centrálním vstupem 15 taveniny 19 do homogenizačního regionu 2. Konverzní region 1 znázorněný na obr. 1 ve tvaru písmene T je opatřený dvěma symetrickými bočními vstupy 14 vsázky 18 a je otápěný elektrodami 4 a plynovými hořáky 5.

Homogenizační region 2 má v příkladném provedení tvar pravoúhlého podélného kvádru a je prostorově vymezený dnem 9, delšími protilehlými bočními stěnami 13, hladinou taveniny 20, čelním nátokem na vstupu 15 taveniny 19 z konverzního regionu 1 přes celý příčný řez homogenizačním regionem 2 a zadní stěnou 11 s výtokem 17 taveniny 20. Homogenizační region 2 je elektricky otápěný topnými elektrodami 4, které jsou uspořádané ve dně 9 v podélné ose 24 případně v bočních stěnách 13 (neznázorněno) pro vytvoření především podélné tepelné bariéry ve sklovině.

- 11 CZ 309094 B6

Konverzní region 1 je na homogenizační region 2 tak, že čelo homogenizačního regionu 2 je centrálně připojeno k zadní čelní stěně 10 konverzního regionu 1, takže výtok z konverzního regionu 1 v jeho zadní čelní stěně 10 je současně vtokem do homogenizačního regionu 1 jeho čelní stěnou, kdy velikost vtoku i odtoku je rovna ploše příčného řezu homogenizačním regionem 2. Pro konverzní region 1 s výhodou tvaru příčného kanálu má pec při pohledu shora tvar písmena T, kde stříšku písmena tvoří konverzní region 7 a jeho nožku homogenizační region 2.

Způsob tavení v konverzním regionu 1 a homogenizačního regionu 2 probíhá tak, aby oba navazující procesy, tj. konverze vsázky 18 a homogenizace taveniny 20 probíhaly za optimálních podmínek, byly sladěny, maximálně exploatovaly celý tavící prostor pece a aby vyprodukovaná tavenina 20 (skloviny) neobsahovala vady skla, přičemž oba procesy musí být ukončeny před dosažením přepážky 16 pro výstup taveniny 20 z homogenizačního regionu 2 sklářské pece.

Z hořáků 5 konverzního regionu 1 a z hořáků 25 homogenizačního regionu 2 vznikají spaliny 22 nad hladinou tavenin 19, 20 a vsázky 18, a postupují horizontálním směrem pod klenbami 6, 7 obou regionů 1, 2 a opouští sklářskou pec výstupem 23 homogenizačního regionu 22.

Příklad 1 (Obr. 2, 3, 4, 5, 6, 7)

1.1 Závislost kritických tavících výkonu malé T-pece II na charakteru proudění v homogenizačním regionu při konstantním příkonu energie hořáky.

Veličina ki, tj. podíl energie dodávané do konverzního regionu 7 z veškeré energie dodávané do malé T-pece II, určuje globální charakter proudění v celém prostoru. Protože v první sérii výpočtů kritických tavících výkonů M_cru je udržován konstantní příkon energie hořáky 5, hodnota ki byla řízena pouze změnou poměru příkonů Joulova tepla mezi konverzním regionem 1 a homogenizačním regionem 2. Malá T-pec II s méně rozsáhlým konverzním regionem 1 má rozměry tohoto regionu na styku s taveninou 19: X = 2m, Y = 6m, Z = Im a rozměry homogenizačního regionu 2 jsou X = 6,77m, Y = 2m, Z = Im. Geometrie ohřevu zahrnovala osm vertikálních hořáků 5 CH4/O2 (zemní plyn a kyslík) v klenbě konverzního regionu 1 a 42 molybdenových vertikálních elektrod 3 průměru 100 mm a výšky 0,8 m v konverzním regionu 1 a dvě podélné řady po 16 elektrodách 4 obklopující podélnou osu 24 v homogenizačním regionu 2, jejichž výška byla 0,6 m. Konstantní příkon energie hořáky 5 v konverzním regionu 1 byl ve všech řešených případech 2586 kW. Rozložení hořáků 5 v klenbě 6 konverzního regionu 1 je znázorněno na obr. 2, a to v levé části na obr. 2a a rozmístění elektrod 3 ve dně 8 je v pravé části na obr. 2b.

Typický postup získání výsledku představuje výpočet pomocí teplotních a rychlostních polí taveniny 19, 20 za dané zvolené hodnoty ki a při konstantním příkonu energie hořáky 5. Matematickým modelováním byla nejprve získána teplotní a rychlostní pole taveniny 19, 20 v prostoru sklářské pece. Následně byly ve vypočtených polích sledovány trajektorie a chování největších zrn písku a nejmenších bublin, bylo uvažováno rozpouštění pískových zrn i interakce bubliny s taveninou 19, 20 a vliv vztlaku. Při sledování interakcí částic s taveninou 19, 20 byla využita experimentální data a semiempirický model bublin [23], jako typicky vyráběné sklo sloužilo sklo typu float. Při výpočtu byly sledovány desítky tisíc trajektorií zrn písku a bublin, které startovaly na bočním vstupu 13 vsázky 18 (zrna písku) nebo na fázovém rozhraní mezi vsázkou 18 a taveninou 19,20 (bubliny). Byly nalezeny kritické trajektorie, které označovaly krajní výkonovou situaci, kdy příslušná kritická částice - zrno písku nebo bublina byly odstraněny nad přepážkou 16 před výstupem 17 z homogenizačního regionu 2 (viz obr. 1, vpravo vzadu), zatímco všechny ostatní částice se odstranily uvnitř prostoru sklářské pece. Průměrná teplota taveniny 19, 20 v prostoru sklářské pece byla vždy 1420 °C.

Jak již bylo uvedeno, teplo dodávané hořáky 5 konverzního regionu 1 bylo fixováno pro celou tuto řadu výpočtů a hodnota ki byla nastavována pouze poměrem Joulových energií v konverzním regionu 1 a homogenizačním regionu 2. Aby bylo dosaženo žádaného kritického stavu, konverzní výkon konverzního regionu 1 musí být stejný jako homogenizační výkon homogenizačního

- 12 CZ 309094 B6 regionu 2 při současném dosažení vyznačeného místa ukončení řídicího děje (rozpuštění písku nebo odstranění bublin) nad příčnou přepážkou 16 v homogenizačním regionu 2. Toho je dosaženo postupnými změnami průtoku taveniny 19, 20, M, které jsou automaticky následovány posuny hranice 21 vsázky £8. Pokud se jeví homogenizační kapacita homogenizačního regionu 2 nadbytečná, tj. objeví se reserva pro rozpuštění pískových zrn nebo odstranění bublin při současném zaplnění hladiny konverzního regionu 1 vsázkou 18, zvýšením průtoku se vsázka 1.8 vpustí do počáteční části homogenizačního regionu 2. To v optimálním případě umožnilo dosáhnout maximálního kritického výkonu v blízkosti vyrovnaného energetického stavu, tj. v blízkosti závislosti Mbai(ki), kdy má tok taveniny 20 uniformní nebo spirálovitý charakter s vysokým využitím prostoru sklářské pece. Vstupem vsázky 18 do počáteční části homogenizačního regionu 2 se současně o něco zvětší konverzní kapacita pece. Výsledky výpočtů kritických tavících výkonů Merit a průběh funkce průtoku taveniny 19,20 při vyrovnané distribuci energie Mbai v tomto prostoru v závislosti na hodnotě ki a další významné veličiny jsou soustředěny v tabulce 1 a obr. 3.

Hodnoty pro výpočet dovoleného průtoku taveniny pecí, kdy je v peci vyrovnané rozmístění energie Mbai byly získány z energetické bilance matematického modelu. Nově zahrnovaly výměnu tepla mezi spalinami 22 a taveninou 19, 20. Výpočet byl proveden podle rovnice:

^bal (Ημ+Η^μΧι-*,) (1), kde k/ je podíl z celkové energie dodané do konverzního regionu,

H^l je tok celkových ztrát rozhraními,

J^e tok tepla předaného v homogenizačním regionu mezi spalinami a taveninou, ξ je podíl ztrát stěnami v konverzním regionu,

Hm je teoretické specifické teplo a

Hg_aSMje specifické teplo pro ohřátí plynu a oxidovadla vztažené na 1 kg utaveného skla.

Tabulka 1

Hodnoty kritického tavícího výkonu Ment a průtok taveniny při vyrovnaném rozmístění energie Mbai a další významné hodnoty.

Případ	k,	ku	^batch ]	Merit [t/den]	Mbal [t/den]	[kJ/kg]	[s]	u	M$batch [kg/s]	tGlass [°C]
04	0,693	0,471	7,169	185,8	8,8	3279	2703	U[)— 0,102	0,299
01	0,782	0,69	14,015	328,30	98.6	2803	2411	ur,~ 0,162	0,271	1435,1
02	0,855	0,724	13,921	345,6	163,3	2735	2278	uD= 0,161	0,287	1418,6
05	0,90	0,753	15,909	399,2	297,2	2610	1943	Ur= 0,158	0,289	1404,2
03	0,924	0,746	13,838	354,2	339,7	2689	1947	U/.~ 0,141	0,296	-

Malá T-pec II (pec s menším konverzním regionem) pracující při konstantním příkonu z hořáků 5 odpovídajícím 2586 kW a při průměrné teplotě 1420 °C, ki je podíl energie z celkové dodané energie do T-pece II, kuje podíl Joulova tepla z celkového tepla dodaného do konverzního regionu 1, kde

- 13 CZ 309094 B6 u je využití prostoru, index F, kritickým dějem je odstraňování bublin (čeření), index D, kritickým dějem je rozpouštění pískových zrn,

Sbatch je plocha hladiny pokiytá vsázkou J_8,

Hm j^e specifická spotřeba tepla na tavení,

Msbatch je průměrná specifická rychlost konverze vsázky 18 v kgm²s^-1,

ZHref referenční doba řídicího homogenizačního děje a fciass je průměrná teplota taveniny 20 v homogenizačním regionu 2.

Optimální případ je uveden tučným písmem.

Závislost kritických tavících výkonů M_cru (k\) ukazuje zřetelný růst s rostoucí hodnotou ki a tento fakt je důsledkem slábnoucích podélných cirkulací v homogenizačním regionu 2 mířících proti směru hodinových ručiček, které odpovídají podélným cirkulacím v průmyslových tavících pecích. Dochází rovněž k pomalému poklesu referenční doby rozpouštění písku, což rovněž přispívá ke zvyšování kritického tavícího výkonu. Závislost Mbai(k\) ukazuje křivku, na níž podélné cirkulace vymizí. Vlevo od křivky Mbai(k\) pak existují v tavenině 20 zmíněné cirkulace jdoucí proti směru hodinových ručiček, které zesilují s rostoucí vzdáleností od křivky MbMkj a v souhlase s tímto trendem klesají i kritické taviči výkony na křivce M_cru(k\) s klesající hodnotou ki. Běžné hodnoty ki se u průmyslových pecí pohybují pod 0,6. V oblastech podél křivky Mbai(ki) pak podélné cirkulace vymizí, a proto kritické výkony dosažené blízko nebo na křivce Mbai(ki) jsou nejvyšší. Na obr.3 pak nejvyšší kritický tavící výkon není dosažen přímo na křivce Mbai(ki) ale v její blízkosti (399,2 t(den). Příslušný specifický taviči výkon sklářské pece činí 16,3 t/m³den). Vpravo od křivky Mbai(ki) se vyvíjejí podélné cirkulace ve směru pohybu hodinových ručiček a hodnoty M_cru začnou opět klesat, jak ukazuje poslední bod v obr.3. Hodnoty u v zásadě sledují rostoucí tendenci při růstu M_crit, avšak změna řídicího děje mezi ki = 0,84 až 0,90 a klesající hodnoty TUref, s A/ tuto tendenci oslabují. Výsledky nicméně prokazují efekt veličiny na kritický taviči výkon - změnu charakteru proudění v homogenizačním regionu 2. V porovnání s hodnotami dosahovanými v samotném homogenizačním modulu [4] jsou v daném případě hodnoty využití celé malé T-pece II menší, což je způsobeno velmi malým využitím konverzního region 1 s intenzivním míšením taveniny 19.

Hodnota maximálního kritického tavícího výkonu v obr.3 však ukazuje určitou odchylku od křivky Mbai, ačkoliv charakter proudění v homogenizačním regionu 2 vykazuje již efektivní, v tomto případě spirálovité proudění. To se projevuje proudnicemi na hladině, prakticky kolmými k bočním stěnám 13 homogenizačního regionu 2, jak ukazuje obr.4. V příkladném provedení sklářské pece na obr. 4 sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 30 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2.

Velmi pravděpodobným důvodem tohoto rozdílu je silný vertikální proud chladnější taveniny 19 ke dnu 9 začínající na hranici 21 vsázky 18, který je součástí intenzivní volné konvekce taveniny 19 v konverzním regionu Vytvoří se tak druhý silný cirkulační okruh taveniny 20 pod vsázku 18 proudící proti směru hodinových ručiček a rozdělí celý T-prostor na dvě vzájemně separované konvektivní oblasti. Stane se tak ovšem o něco dřív, tj. při nižších hodnotách ki, než odpovídá energeticky vyrovnanému stavu, který je touto separací toků charakterizován. Uniformní nebo v tomto případě spirálovitý tok se tedy v homogenizačním regionu 2 při růstu ki ustaví o něco dřív a závislost M_crit(ki) je oproti křivce Mbai(ki) posunuta mírně vlevo. Rozsah tohoto efektu roste s posunem hranice vsázky 18 směrem k výstupu 17 taveniny 20 z homogenizačního regionu 2 (s rostoucím využíváním homogenizačního regionu 2 pro konverzi vsázky 18). Rozdělení

- 14 CZ 309094 B6 konvektivních toků taveniny 19 a 20 na dvě proudové oblasti ještě před dosažením vyrovnaného energetického stavu ukazuje obr. 5.

Kritické trajektorie v optimálním dosaženém případě (případ 5 v tabulce 1) vykazují spirálový tvar, jak ukazuje obr. 6 Ten teplotně průměruje průběh homogenizaěních dějů a zvyšuje kapacitu homogenizačního regionu 2. Jeho výhodou je, že se nastolí i při slabých podélných cirkulacích v homogenizačním regionu 2.

Vznik spirálového proudění v homogenizačním regionu 2 má dva zdroje. Prvním jsou příčné cirkulace vyvolané podélnou teplotní bariérou složenou ze dvou paralelních podélných řad elektrod 4 umístěných v homogenizačním regionu 2. Energie, která může být k dispozici pro vznik příčného proudění, však pro vyvolání spirálovitého proudění nestačí. Druhým zdrojem je jev, kdy při aplikaci spalovacího tepla v malé T- peci II se bilance energie v tavenině zúčastní i teplo předávané mezi spalinami 22 a taveninou 20 (H^_as rovnice (1)). To ovlivňuje hodnoty Mbai v obr. 3 a tabulce 1 a má vliv i na charakter proudění v homogenizačním regionu 2. Pokud je konverzní region 1 zaplněn vsázkou 18 a podíl ku Joulova tepla k celkovému teplu dodávanému do konverzního regionu 1 je větší než 0,5 až 0,6, potom spaliny 22 odcházející nad taveninou 20 v homogenizačním regionu 2 jsou chladnější než tavenina 20 pod nimi. Spaliny 22 ochlazují shora taveninu 20 v homogenizačním regionu 2, nejvíce ihned za hranicí vsázky 18. To je zjevné z obr. 7, kde je uveden podélný kolmý řez T- prostorem a oblasti různé sytosti nad hladinou ukazují postupný růst teploty spalin 22 nad taveninou 20 v homogenizačním regionu 2. Vzniklá chladnější tavenina 20 je již existujícím příčným cirkulačním prouděním transportována k bočním stěnám 13 homogenizačního region 2, padá a posílí tyto již existující příčné cirkulace. Ty jsou pak dost silné, aby při daném průtoku taveniny 20 dovolily vzniku spirálovitého proudění. V případech s velkými výkony se tento efekt uplatňuje.

Uspořádání a podmínky nastolené v malé T-peci II prokázaly podle matematického modelu dostatečně vysoký výkon těsně pod 400 t/den (více než 16 t/m³den), specifická spotřeba energie na tavení činila 2610 kJ/kg, hodnoty matematického modelu tedy slibují dobré výsledky i v praktických případech. Byly splněny podmínky společného provozování obou regionů 1, 2, vsázka 18 v tomto případě obsadila kromě konverzního regionu 1 též 3,9 m² v homogenizačním regionu 2, homogenizační kapacita tohoto regionu však přesto postačovala tomuto tavícímu výkonu - též díky nastolení spirálového proudění - řídicí děj odstraňování bublin byl ukončen na dohodnutém místě a byla splněna podmínka kvality při maximálním využití prostoru sklářské pece.

Příklad 1.1 (Obr. la, 1b, 1c)

1.1.1. Kritický tavící výkon malé T-pece II za podmínek sníženého tavícího výkonu.

Jak již bylo řečeno, kritický výkon této sklářské T-pece II je flexibilní a je jej možno nastavit podmínky tak, aby kritický výkon byl menší než výkon maximální. Jsou možné dva způsoby, z nichž první pracuje s nižším využitím a bez tavící reservy a druhý při uniformním nebo spirálovém toku a s taviči reservou. Bude uveden popis prvního způsobu, při němž byla hodnota poměru ki dostatečně nízká, takže kritický tavící výkon klesl pod 200 t/den a v homogenizačním regionu 2 existovalo příslušně intenzivní podélné cirkulační proudění, které pokles tavícího výkonu způsobovalo. Výsledek odpovídá prvnímu bodu hodnot M_crU při ki = 0,693 a kritický výkon dosáhl pouze 185,8 t/den. Obr. la ukazuje pohled na hladinu taveniny 19, která při menším kritickém výkonu nezaplní celý konverzní region 1, obr. 1b pak ukazuje vyvinuté podélné cirkulace v homogenizačním regionu 2, které zasahují až pod vsázku 18 v konverzním regionu 1 a obr. 3a kritické trajektorie písku, které se v důsledku podélného cirkulačního proudění pohybují rychle vpřed u dna 9 homogenizačního regionu 2. Případ je méně výhodný z hlediska tavícího výkonu a vykazuje mírně zvýšenou hodnotu specifické spotřeby energie.

Příklad 2 (Obr. 8, 9, 10, 11)

- 15 CZ 309094 B6

2.1 Závislost kritických tavících výkonů velké T-pece na charakteru proudění v homogenizačním regionu 1_ při konstantním příkonu energie hořáky 5.

Veličina ki, tj. podíl energie dodávané do konverzního regionu 1 z veškeré energie dodávané do Tpece, opět určuje globální charakter proudění v celém prostoru a hodnota ki byla řízena pouze změnou poměru příkonů Joulova tepla mezi konverzním regionem 1 a homogenizačním regionem 2. Velká T-pec s rozsáhlejším konverzním regionem 1 měla rozměry tohoto regionu na styku s taveninou 19: X = 2,75m, Y = 6m, Z = Im a rozměry homogenizačního regionu 2 byly X = 6,77m, Y = 2m, Z = Im. Geometrie ohřevu zahrnovala deset vertikálních hořáků 5 CH4/O2 v klenbě 6 konverzního regionu 1 a šedesát dva molybdenových vertikálních elektrod 3 průměru 100 mm a výšky 0,8 m v konverzním regionu 1 a dvě podélné řady po šestnácti elektrodách 4 obklopující podélnou osu 24 v homogenizačním regionu 2, jejichž výška byla 0,6 m. Konstantní příkon energie hořáky byl ve všech případech 3233 kW. Rozložení hořáků 5 v klenbě 6 konverzního regionu 1 je znázorněno v obr. 8a a rozmístění elektrod 3 a 4 ve dně 8, 9 je ukázáno v obr. 8b.

Stejný postup pro získání hodnot M_Cru a Mbai jako v Příkladu 1 byl zvolen i zde. Tyto hodnoty a další relevantní veličiny jsou uvedeny v tabulce 2 a v obr. 9.

Tabulka 2

Hodnoty kritického tavícího výkonu M_cru a průtok taveniny při vyrovnaném rozmístění energie Mbai a další významné hodnoty.

Případ	k	kj	$batch 1	^crit [kg/s]	^bal [kg/s]	[kJ/kg]	τΗκί [s]	u	^Sbatch. [kg/s]
6	0,62	0,38	9,757	233,3	3,24	3111	1958	U/.=0,076	0,277
1	0,75	0,435	7,897	207,4	50,5	3188	2626	«/>=0,090	0,304
2	0,84	0,68	16,636	380,2	171,7	2749	2496	«D=0,157	0,264
8	0.90	0,73	18,230	449,3	382,1	2576	1943	«/.=0,145	0,285
4	0,92	0,74	18,426	460,5	478,6	2552	1954	«,=0,149	0,289
9	0,93	0,71	15,444	394,8	517,5	2624	1945	«,=0,127	0,296
3	0,95	0,71	15,064	381,9	694,7,9	2651	1954	///=0,124	0,293

Velká T-pec (pec s větším konverzním regionem 1) pracující při konstantním příkonu z hořáků 5 rovném 3233 kW a při průměrné teplotě 1420 °C, ki je podíl energie z celkové dodané energie do velké T-pece, kuje podíl Joulova tepla z celkového tepla dodaného do konverzního region 1, u je využití prostoru. F-kritickým dějem je odstraňování bublin (čeření), D-kritickým dějem je rozpouštění pískových zrn, Sbatch je plocha hladiny pokrytá vsázkou 18, je specifická spotřeba tepla na tavení, Msbatch je průměrná specifická rychlost konverze vsázky 18 v kgm²s¹, r//_re/je referenční doba řídicího homogenizačního děje. Optimální případ je uveden tučným písmem.

Závislost hodnot M_cru v obr. 9 prokazuje zřejmý nárůst s rostoucí hodnotou ki a v tabulce 2 příslušný růst hodnot využití řídicího děje. Maximální výkon činí 460,5 t/den, tj. 15,9 t/(m³den). Výjimku ve vývoji M_crU tvoří dvě hodnoty při nejnižších hodnotách ki. Důvodem anomálního chování je změna řídicího děje (viz tabulka 2). Při poklesu ki se dodává stále větší množství energie do homogenizačního regionu 2 a teplota v tomto regionu stoupá. Odstraňování bublin je na růst teploty v regionu citlivější a více se urychluje, zde došlo ke vzrůstu M_cnt dokonce při ki = 0,62. Hodnota maximálního kritického výkonu se v tomto prostoru nachází právě na křivce závislosti Mbai (ki), což odpovídá teoretickému předpokladu. Efekt klesajícího toku taveniny 19, 20 od hranice vsázky 18 ke dnu 9 zde tedy není významný jako v příkladu 1. Růst hodnot ki je doprovázen zeslabováním cirkulačního proudění se zpětným tokem na hladině v homogenizačním

- 16 CZ 309094 B6 regionu 2, pokračuje uniformním, v tomto případě spirálovitým tokem v místě závislosti Mbai (ki) vyznačeným proudnicemi kolmými k bočním stěnám 13 (viz obr. 10) a ukončuje se vznikem cirkulačního proudění ve směru hodinových ručiček, kdy kritický tavící výkon začne klesat. V příkladném provedení sklářské pece na obr. 10 sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 25 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2.

Kritické trajektorie částic poskytují obraz podobný předchozímu příkladu. V případě optimálních podmínek při ki = 0,92 se vyvinuly výhodné spirálové trajektorie bublin (odstraňování bublin je řídicí děj), jak ukazuje obr. 11.

Uspořádání a podmínky nastolené ve velké T-peci prokázaly podle matematického modelu maximální kritický výkon až 460 t/den (15,9 t/m³den), specifická spotřeba energie na tavení činila 2550 kJ/kg, hodnoty tedy slibují dobré výsledky i v praktických případech. I zde byly splněny podmínky společného provozování obou regionů 1,2, vsázka 18 v tomto případě obsadila kromě konverzního regionu 1 též 1,9 m² v homogenizačním regionu 2 a homogenizační kapacita tohoto regionu postačovala tomuto tavícímu výkonu též díky nastolení spirálovitého proudění, řídicí děj odstraňování bublin byl ukončen na přepážce 16 a byla splněna podmínka kvality taveniny 20 při maximálním využití prostoru.

Příklad 3 (Obr. 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)

3.1 Závislost kritických tavících výkonů malé T-pece I na charakteru proudění v homogenizačním regionu 2 při konstantním poměru Joulova tepla k celkovému teplu dodanému do konverzního regionu 1

Při hledání maximálního kritického tavícího výkonu T-pecí se konverzní schopnost konverzního regionu 1 jevila jako omezující faktor dosažitelného výkonu. Je tedy třeba hodnotit optimální podmínky tohoto děje. Použitý matematický model neuvažuje vliv vnitřních faktorů konverze vsázky 18, je však možno vyhodnotit a zahrnout vliv faktorů vnějších plynoucích z již nastolených podmínek popsaných v prvním a druhém příkladu. Těmito faktory je vliv konvekce taveniny a poměr mezi podílem spalovacího a Joulova tepla na specifickou konverzní rychlost vsázky 18. Vliv konvekce taveniny 19 v konverzním regionu 1 je možno popsat pomocí veličiny ki, neboť podíl energie vložený do konverzního regionu 1 je zásadní pro vyvolání výrazné konvekce taveniny 19 pod vsázkou 18 a tedy i pro případné urychlení konverze vsázky 18. Druhou podmínkou je veličina ku určující podíl Joulovy energie dodané do konverzního regionu 1, která indikuje rozdíl mezi intenzitou rozkladu vsázky 18 Joulovým a spalovacím teplem. Význam obou veličin byl podrobněji zkoumán u obou T-prostorů.

3.2 Vliv intenzity a charakteru konvekce taveniny na specifickou rychlost konverze vsázky Msbatch

Již dosavadní výsledky ukazovaly, že systém ohřevu vertikálními elektrodami 3 v konverzním regionu 1 dovoluje dosáhnout podstatně vyšších, dvojnásobných až trojnásobných hodnot specifické rychlosti konverze vsázky 18 na taveninu 19 a daný systém ohřevu je zakotven v děleném užitném vzoru [22], který se týká konverzního regionu 1. Zůstalo ještě nevyřešeno, jak se projevují změny hodnoty ki n celé T-peci, tj. po spojení konverzního regionu 1 s homogenizačním regionem 2. Zatím účelem byly provedeny výpočty na malé T-peci II, kde byla sledována závislost specifické konverzní rychlosti Msbatch na hodnotě ki. Výsledky jsou uvedeny v obr. 12.

Již předchozí výpočty ukazovaly, že při hodnotách ki > 0,7 vzrostla hodnota Msbatch asi o 13 %. Nebylo ale jasné, jaký vliv mají naopak malé hodnoty ki, kdy pod vsázku 18 přichází silný zpětný tok taveniny 20 z homogenizačního regionu 2_a vyvolává rovněž intenzivní konvekce pod vsázkou 18. Z dalších výpočtů vyplynulo, že při vysokých hodnotách ki se předchozí výsledky potvrdily, podle obr. 12 vyrostly hodnoty Msbatch mezi ki = 0,6 až 0,9 o cca 17 %, kolem ki = 0,6 procházejí hodnoty minimem, avšak při poklesu ke ki = 0,2 opět vzrostou asi o 10 %. Výsledky modelování

- 17 CZ 309094 B6 při nízkých hodnotách ki ukázaly, že vzrůst je způsoben rychlým a horkým zpětným proudem taveniny 20 při hladině z homogenizačního regionu 2_do konverzního regionu 1. Při vysokých hodnotách ki se tedy projevuje vliv konvekce vyvolané elektrodami 3 přímo pod vsázkou 18, při nízkých hodnotách ki pak vliv horkého a rychlého zpětného toku taveniny 20 z homogenizačního regionu 2, oba efekty jsou však celkově malé.

3.3 Vliv podílu Joulova tepla dodaného do konverzního regionu 1, ku na specifickou rychlost konverze vsázky 18, Msbatch.

Byly modelovány případy s hodnotami ku mezi 0,5 až 0,85 ve všech třech modelovaných typech T-pecí pro případ konverzního regionu 1 zakrytého vsázkou 18 a získány příslušné hodnoty Msbatch další hodnoty byly získány pro krajní hodnoty ku = 1. Výsledky jsou uvedeny v obr. 13.

Obr. 13 informuje, že pokles hodnoty ku, tedy přesun většího podílu energie v konverzním regionu 1 z elektrod 3 na hořáky 5, vede ke zvýšení průměrné specifické rychlosti konverze vsázky 18. Projevil se vliv rostoucí teploty spalovacího prostoru na rychlost konverze. Konverze působením vertikálních hořáků 5 spojená s těsným kontaktem až atakem vsázky 18 žhavými spalinami byla tedy při nižších hodnotách ku intenzivnější než konverze vyvolaná elektrodami 3 zdola. Zrychlením konverze vsázky 18 se zmenšuje celková plocha zaplněná vsázkou a při stejném zaplnění se může dosáhnout vyšších kritických tavících výkonů. Krajní hodnoty Msbatch při ku = 1 (celoelektrický prostor) získané na malé T-peci II s elektrodami 3 průměru 100 mm a při různých průtocích taveniny 19 (2,5 až 4,5 kg/s) vykazují v obr. 13 kontinuitu s prezentovanými závislostmi a nezávislost hodnot Msbatch jak na typu pece a elektrod 3, tak na průtoku taveniny 19, 20.

Hodnoty Msbatch získané posunutím bočních vstupů 14 vsázky 18 k přední čelní stěně 10 konverzního regionu 1 velké T-pece (obr. 13) vykázaly prakticky stejné hodnoty jako případy původních centrálních vstupů 14, s výjimkou o něco vyšší hodnoty při ku = 0,5. Posunutí bočních vstupů 14 vsázky 18 odstraňuje oblast volné hladiny taveniny 19, která se vytváří při čelní stěně 10 konverzního regionu 1 v případě velkých kritických výkonů a nižších hodnot ku. Vymizením nezakrytého prostoru v konverzním region 1 se následně hranice 21 vsázky 18 v homogenizačním regionu 2 stáhne zpět a umožní případné zvýšení kritického tavícího výkonu. To je zřejmé z následujícího obr. 14.

V příkladech 1 a 2 činily hodnoty ku v optimálních případech 0,74 až 0,75. Snížení této hodnoty spojené s růstem Msbatch může dle předchozího textu (viz obr. 13) vést k vyšším kritickým tavícím výkonům, než bylo zatím dosaženo ve zmíněných předchozích příkladech. Přesun energie do hořáků 5 rovněž odstraňuje přehřátí taveniny 19 v konverzním regionu 1 a zamezí nízkým teplotám taveniny 20 v homogenizačním regionu 2, které snižují jeho homogenizační kapacitu (především pro odstraňování bublin).

Avšak snižování hodnoty ku vede k postupnému zvyšování teplot spalin 22 v konverzním regionu 1, proto není schůdné snížit hodnotu ku pod 0,5, při níž teplota na klenbě 6 konverzního regionu 1 dosáhne v případě centrálních vstupů 14 teploty větší než 1500 °C; v případě vstupů 14 posunutých k čelní stěně 10 T-pece je však při maximálních výkonech nižší.

Snižování hodnot ku rovněž zeslabuje hnací sílu spirálového proudění v homogenizačním regionu 2. Z uvedených důvodů se při oboustranném ohřevu jako výhodné jeví hodnoty ku > 0,50.

Pro další výpočty kritických tavících výkonů byla použita malá T-pec I s elektrodami 3 a 4 průměru 76 mm. Podrobnější popis sklářské pece je uveden v příkladu 1, měnil se jen počet a uspořádání elektrod 3, 4. Uspořádání hořáků 5 je uvedeno v obr. 2. V konverzním regionu 1 pak bylo osazeno třicet šest elektrod 3 výšky 0,8 m a v homogenizačním regionu 2 byla umístěna centrální řada elektrod 4 s výškou 0,3 m, jako je uvedeno v obr. 15.

Po vyhodnocení výsledků studia průměrné specifické lychlosti konverze vsázky 18 se usoudilo, že

- 18 CZ 309094 B6 optimální použitelné hodnoty ku se pohybují mezi 0,6 až 0,7, hodnoty ki jsou pak diktovány potřebou řídit tok taveniny 20 v homogenizačním regionu 2 a zůstanou mezi 0,5 až 0,95. Pro výpočet optimálního kritického tavícího výkonu byly zvoleny případy ku = 0,6 a 0,675. V obou případech bylo s nastaveným hodnotami dosaženo vysokých maximálních kritických tavících výkonů, 475,2 a 457,9 t/den, což je v případě ku = 0,60 o 19,6 % více a v případě ku = 0,675 o 15,2 % vice, než v bylo dosaženo optimálním nastavením v příkladě 1. Nastavení hodnoty ku se tedy ukázalo jako účinné. Pro výpočty celé řady s proměnnými hodnotami ki byl zvolen případ s vyšším maximálním kritickým tavícím výkonem charakterizovaný hodnotou ku 0.60. Tento případ se projevil malými plochami volné hladiny taveniny 19 v rozích konverzního regionu 1 blíže homogenizačnímu regionu 2 (viz obr. 17), což nebylo shledáno závadou pro dosažení maximálního výkonu. Rozsah a existence těchto nežádoucích ploch jsou regulovatelné polohou vstupů 14 vsázky 18, zde malým posunem vstupů 14 ke středu boční stěny 12 konverzního regionu 1.

Výsledky výpočtů kritických výkonů v závislosti na hodnotě ki udává tabulka 3.

Tabulka 3

Hodnoty kritického tavícího výkonu Merit a průtok taveniny při vyrovnaném rozmístění energie Mbai a další významné hodnoty.

Případ	k,	ku	batch [m2]	Merit [t/den]	^bai [t/den]	nM [kJ/kg]	T/tref [s]	u	Msbatch [kg's]	^Glass [°C]
23	0,925	0,675	14,660	401,8	-	2547,1	2080	uo= 0,171	0,317	-
24	0,94	0,60	14,813	457,9	-	2572,7	1915	uF = 0,179	0,357	-
25*	0,94	0,60	15,330	475,2	321,4	2554,6	1960	uF = 0,190	0,359	1401,2
26*	0,85	0,60	14,738	397,4	128,7	2643,7	2222	uD=0,I80	0,312	1424,6
27*	0,75	0,60	14,321	345,6	70,0	2688,1	2327	Uj}- 0,164	0,279	1443,2
28*	0,60	0,60	11,744	241,9	30,2	2763,5	2407	«„= 0,119	0,238	1450,7
29*	0,50	0,60	11,19	216,0	18,6	2780,2	2500	Uf) ~0,110	0,223	1451,4

* vstup posunutý k čelní stěně 10 konverzního regionu 1

Malá T-pec I s elektrodami 3, 4 průměru 76 mm pracující při průměrné teplotě 1420 °C, kde ki je podíl energie z celkové dodané energie do malé T-pece I, ku v je podíl Joulova tepla z celkového tepla dodaného do konverzního regionu 1, u je využití prostoru. F-kritickým dějem je odstraňování bublin (čeření), D-kritickým dějem je rozpouštění pískových zrn, Sbatch je plocha hladiny pokiytá vsázkou 18, Hm je specifická spotřeba tepla na tavení, Msbatch je průměrná specifická rychlost konverze vsázky 18 v kgnfs'¹, znref je referenční doba řídicího homogenizačního děje a taass je průměrná teplota taveniny 20 v homogenizačním regionu 2. Optimální případ je uveden tučným písmem.

Závislost kritických tavících výkonů Merit a průtoků při vyrovnaném rozmístění energie Mai na podílu energie ki dodávané do konverzního regionu 1 k celkové dodané energie do pece je znázorněna v obr. 16. V obr. 16 je patrný rychlý vice než dvojnásobný růst kritického tavícího výkonu s růstem tedy s poklesem intenzity podélných cirkulací. Křivka MbaÁk\) se díky svému strmému růstu setkává s křivkou kritických tavících výkonů v oblasti k\ = 0,95 a očekávaně se zde nachází maximální kritický tavící výkon. Poslední bod na křivce MaAM) při ki = 0,96 byl získán při extrapolovaných hodnotách ztrát do spalin 22 v homogenizačním regionu 2 a specifické spotřeby H_qaSM tepla na ohřev plynů. Poloha maximálního tavícího výkonu těsně vlevo od křivky Mba/M) odpovídá předpokladu nej výhodnějšího výkonu při velmi nízké intenzitě zpětné cirkulace taveniny 20 v homogenizačním regionu 2. Charakter proudění na hladině ukazující toto nízké zpětné proudění pak ukazují proudnice na obr. 17. V příkladném provedení sklářské pece na obr.

- 19 CZ 309094 B6 sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 30 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2. Vsázka 18 obsadila v homogenizačním regionu 2 zhruba 3,3 m², což je jen o málo víc než v příkladu 1 (3,09 m²), ačkoliv dosahovaný výkon v tomto příkladu je o cca 20 % vyšší. Je to díky nižší hodnotě ku, při níž se dosahuje vyšší hodnoty specifické rychlosti konverze vsázky 18, v tomto příkladu 0,359 kgmV¹ oproti 0,289 kgm^s¹ v příkladu 1 a díky menšímu přehřívání konverzního regionu. V dané řadě klesá hodnota Msbatchs klesajícím ki, neboť současně klesá i množství energie dodávané hořákům 5 (viz tabulka 3). Objevují se menší rohy volné hladiny taveniny 19 blízko vstupů 14 a dále od přední čelní stěny 10 konverzního regionu 1, které lze odstranit malým posunem těchto vstupů od přední čelní stěny 10 konverzního regionu 1 směrem ke středu boční vstupní stěny 10.

Kritickým dějem v případě maximálního výkonu bylo odstraňování bublin, při nižších hodnotách to bylo rozpouštění písku. Obr, 18 ukazuje mírně spirálovou dráhu kritické bubliny. Spirálový účinek spalin je zde již malý, neboť při dané hodnotě ku mají odcházející spaliny 22 poměrně vysokou teplotu a málo ochlazují taveninu 20. Výsledek tavícího výkonu 475,2 t/den (specifický taviči výkon 19,4 t/(m³den) byl nejvyšší hodnotou kritického tavícího výkonu, kterého je možno na dané male T-peci I dosáhnout za daného uspořádání ohřevu a při uvažování jeho dalších vlivů.

Příklad 4 (Obr. 19,20,21)

4.1 Závislost kritických tavících výkonů velké T-pece na charakteru proudění v homogenizačním regionu 2 při konstantním poměru Joulova tepla k celkovému teplu dodanému do konverzního regionu 1.

I v případě velké T-pece, jejíž podrobný popis je uveden v příkladu 2, byly jako potenciálně výhodné testovány případy s hodnotami //./rovnými 0,6 a 0,675. Dosažené hodnoty maximálního kritického výkonu činily 587,5 t/den pro ku = 0,6 a 514,9 t/den pro ku = 0,675. To bylo pro ki = 0,6 o 27,6 % více, než bylo dosaženo v optimálním případě v příkladu 2 a o 11,8 % více pro ku= 0,675. Pro výpočty s proměnným ki byl opět zvolen výhodnější případ při ku = 0,6.

Výsledky výpočtů kritických výkonů v závislosti na hodnotě //udává tabulka 4.

Tabulka 4

Hodnoty kritického tavícího výkonu M_crU a průtok taveniny při vyrovnaném rozmístění energie Mbai a další významné hodnoty.

Případ	h	ku	Sbotek [M2]	Merit [t/den]	Mbai [ťdeu]	h°m [kJ/kg]	^HrefS] 1420 °C	li	^Sbmck [kg/s]	fGlass [°C]
16Pc	0,94	0,675	18,822	514,9	-	2577,6	1965	Uf = 0,168	0,317	-
HPc	0,945	0,60	19,024	587,5	428,5	2611,6	1964	Uf = 0,191	0,357	1404
17Pc	0,90	0,60	17,967	502,0	237,6	2687,3	1933	Uf = 0,161	0,323	1420,9
18Pc	0,85	0,60	17,926	466,6	158,1	2744,4	1939	Uf = 0,150	0,301	1442,1
19Pc	0,75	0,60	18,988	449,3	92.4	2769,1	1956	uf = 0,146	0,274	1456,6
20Pc	0,60	0,60	22,79	501,1	48,4	2730,9	1942	uf = 0,161	0,255	1462,6
21Pc	0,50	0,60	22,94	483,8	26,8	2732,1	1943	uf = 0,156	0,244	1469

Velká T-pec pracující při průměrné teplotě 1420 °C. ki je podíl energie z celkové dodané energie do T-pece, kuje podíl Joulova tepla z celkového tepla dodaného do konverzního regionu I, u je využití prostoru. Index F - kritickým dějem je odstraňování bublin (čeření), index D - kritickým dějem je rozpouštění pískových zrn, Sbatch je plocha hladiny pokrytá vsázkou 18, je specifická

-20 CZ 309094 B6 spotřeba tepla na tavení, Msbatch je průměrná specifická rychlost konverze vsázky 18 v kgm²s’' tHref je referenční doba řídicího homogenizačního děje a taass je průměrná teplota taveniny 20 v homogenizačním regionu 2. Všechny výpočty byly provedeny se vstupy 14 vsázky 18 posunutými k přední čelní stěně 10 konverzního regionu 1. Optimální případ je uveden tučným písmem.

Závislost kritických tavících výkonů M_crU a dovolených průtoků při vyrovnaném rozmístění energie Mbai na podílu energie dodávané do konverzního regionu 1, kde kije v obr. 19. Charakter závislosti se liší od závislosti v minulém případu. Při nízkých ki jsou hodnoty kritických tavících výkonů podstatně vyšší než u malé T-pece I (viz tabulka 3), s rostoucím ki však víceméně stagnují a pouze blízko u závislosti Mbai (ki) se zvýší a dosáhnou maxima při ki = 0,945. Důvodem pro toto chování je rozdílná velikost regionů 1,2, různý význam každého z těchto regionů pro uskutečnění toho či onoho děje a aktuální podmínky pro nastolení řídicího děje, určované kinetikou obou dějů a homogenizační kapacitou daného homogenizačního regionu 2.

Rozpouštění písku nastává již ve vsázce a hluboko v konverzním regionu 1. Zde se pak odehrává i další fáze rozpouštění pískových zrn v tavenině 19 míchané konvekcí vyvolanou elektrodami 3. Rozpouštění písku má tak své těžiště v konverzním regionu 1. Je-li rozpouštění písku řídicím dějem homogenizace, růstem se zvyšuje využití a současně se zkracuje průměrná doba rozpouštění písku v důsledku růstu teplot v konverzním regionu L Následkem těchto změn působících ve stejném směru klesá při zmenšujícím se ki strmě kritický tavící výkon, jak je zřejmé u předchozího případu malé T-pece. Naproti tomu bubliny se uvolňují ze vsázky 18 až na styčné ploše vsázky 18 a taveniny 19, velká část bublin se dostává do taveniny 20 homogenizačního regionu 2 až z míst blízkých hranici 21 vsázky 18. Odstraňování bublin má tedy těžiště v homogenizačním regionu 2. Je-li kritickým dějem odstraňování bublin, růst ki vyvolá sice rovněž růst využití (např. maximální podélné rychlosti taveniny 20 u dna 9 homogenizačního regionu 2 měřené zhruba v polovině délky cirkulačního okruhu a v centrálním řezu mezi řadou elektrod 4 a boční stěnou 13 klesly z hodnoty 22,2 mm/s při ki = 0,5 na 2,9 mm/s při ki = 0,945), avšak současně se prodlouží referenční doba odstranění bublin v důsledku klesající průměrné teploty taveniny 20 v homogenizačním regionu 2. Protože oba děje jdou proti sobě, roste při řízení odstraňováním bublin kritický taviči výkon jen málo, případně stagnuje, nebo se dokonce nepatrně sníží. To je zřejmé z tabulky 5, obr. 19 i vzorce pro výkon:

(2), kde p je hustota skelné taveniny,

Tje objem prostoru, rHrefje referenční doba řídicího homogenizačního děje a

Wh je využití prostoru pro řídicí homogenizační děj.

Tento rozdílný charakter dějů ovlivňuje jejich nastolení jako řídicího děje a průběh kritických tavících výkonů: jsou-li lepší podmínky v konverzním regionu 1, řídicím dějem se stane odstraňování bublin s pomalým vzrůstem kritického tavícího výkonu při růstu ki, jsou-li lepší podmínky v homogenizačním regionu 2, řídicím dějem je rozpouštění písku se strmějším růstem kritického tavícího výkonu. Při nízkých hodnotách ki jsou v homogenizačním regionu 2 vyšší teploty než v konverzním regionu 1 a řídicím dějem bývá obvykle rozpouštění písku, které má těžiště v konverzním regionu L Při vyšších hodnotách k\ jsou naopak vyšší teploty v konverzním regionu 1 a řídicím dějem se stává odstraňování bublin. V daném případě je však konverzní region 1 větší než region homogenizační region 2 a písková zrna mají lepší příležitost se v tomto regionu rozpouštět i za nižších hodnot k\ a nižších teplot. Řídicím dějem je potom odstraňování bublin, a

-21 CZ 309094 B6 protože teplota v homogenizačním regionu 2 je ještě vysoká, je i kritický taviči výkon vysoký, vzrůst výkonu s kj je však pomalý. S dalším růstem k\ se pak dále podporuje rozpouštění písku v konverzním regionu 1, kde rostou teploty s růstem dodávané energie, zatímco se odčerpává energie z homogenizačního regionu 2, kde teploty klesají. Čeření proto zůstává řídicím dějem. Pokles teploty v homogenizačním regionu 2 je zřejmý z tabulky 4, kde průměrná teplota poklesne z hodnoty 1469 °C při ki = 0,5 k hodnotě 1404 °C při ki = 0,945, tj. o 65 °C. To je větší pokles teploty, než jaký se odehrává v případě o něco nižších výkonů v tabulce 3 u malé T-pece I (50,2 °C). Snižující se teplota homogenizačního regionu 2 nakonec limituje maximální tavící výkon a křivka závislosti je plochá, jak ukazuje obr. 19.

Celkový charakter vlivu kj na kritický tavící výkon proto závisí na řídicím ději homogenizace: při řídicím ději rozpouštění písku kritický tavící výkon rychle stoupá s růstem ki, při řízení odstraňováním bublin stoupá jen pomalu nebo kolísá a význam hodnoty ki pro kritický tavící výkon je menší než v případě, kdy je řídicím dějem rozpouštění písku. Protože v homogenizačním regionu 2 jsou při nízkých hodnotách ki vysoké teploty a dochází k rychlému čeření, jsou hodnoty kritických tavících výkonů v případě řízení čeřením vysoké i při nižších hodnotách ki. Nicméně bývá a též v tomto příkladu je dosažen největší kritický tavící výkon za nejlepšího využití při kj = 0,945, tj. v okolí křivky MnAk 1). Proto je výhodnější pracovat při vysokých hodnotách ki, kde se odpovídající hodnoty Merit nacházejí.

V tomto uvedeném případě se projevil vliv rozdílu velikostí konverzního regionu 1 a homogenizačního regionu 2 (větší konverzní region 1 podpořil rozpouštění a řídicím dějem se stalo čeření), je tedy třeba uvažovat i o nastavení velikostí obou regionů 1, 2.

Jsou-li oba regiony 1, 2 nestejně velké, při dané hodnotě ki bude v menším regionu vždy vyšší koncentrace dodávané energie, a to bude podporovat vyšší teplotu v tomto regionu, naproti tomu bude mít menší region s vyšší teplotou menší homogenizační kapacitu. Podle tohoto případu se zdá, že velikost regionu má větší význam než ustavená teplota v regionu (konverzní region byl větší, lze v něm předpokládat nižší teplotu než v případě obou stejných regionů, avšak rozpouštění písku se nestalo řídicím dějem).

Stane-li se obecně řídicím dějem čeření, homogenizační region 2 nestačí svou čeřící kapacitou a řešením by bylo urychlit čeření v tavenině, např. lepším čeřivem nebo nastavit homogenizační region 2 o něco větší, než je konverzní region 1. Ve zde uvedených příkladných provedeních dle příkladů 1 až 3 předloženého vynálezu, se oba děje jevily jako přibližně stejně ry chlé a vyhovovala malá T-pec I a malá T-pec II s přibližně stejnými regiony 1,2. V příkladu 4 měla však velká T-pec větší kapacitu na rozpouštění písku v důsledku většího konverzního regionu 1. Čeření limitovalo maximální kritický tavící výkon a vyššího maximálního výkonu by tedy bylo možno dosáhnout prodloužením homogenizačního regionu 2.

Křivka Mbafa} v obr. 19 je podle očekávání strmá v oblasti nad ki = 0,90 a poslední bod při ki = 0,96 je extrapolovaný stejně jako v minulém příkladu. Hodnota maximálního kritického výkonu se opět očekávaně nachází těsně před závislostí MbaÁk\) kde se nachází nej výhodnější typ proudění. Vsázka 18 zabírá v optimálním případě cca 2,5 m² v homogenizačním regionu 2 (pohled na hladinu je v obr. 20), to je pouze o 0,6 m² více než v optimálním případě příkladu 2, kritický výkon je však vyšší o 27,6 %. V příkladném provedení sklářské pece na obr. 20 sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 20 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2. Je to opět díky vysoké hodnotě specifické konverzní rychlosti 0,357 kgnrV¹. Tato hodnota opět klesá s klesajícím ki n důsledku zmenšujícího se množství energie dodávané do konverzního regionu 1. Osvědčilo se posunutí vstupů 14 vsázky 18 k přední čelní stěně 10 homogenizačního regionu 2.

Obr. 21 přináší průměty kritických trajektorií bublin v homogenizačním regionu 2, odstraňování bublin je opět kritickým dějem. Trajektorie jsou výrazně spirálovité a přispěly k vysokému tavícímu výkonu velké T-pece. Dosažený kritický tavící výkon 587,5 t/den, specifický výkon

-22CZ 309094 B6

20,3 t/(m³ den) je opět maximální za daného nastavení ohřevu a uvažování jeho dalších vlivů.

Příklad 5 (Obr. 22, 23, 24)

5.1 Maximální kritický taviči výkon velké T-pece při ohřevu homogenizačního regionu 2 shora a při konstantním poměru ku Joulova tepla k celkovému teplu dodanému do konverzního regionu 2

Ohřev homogenizačního regionu 2 shora hořáky 25 může plnit funkci pro nastolení uniformního toku, nebude však příliš výhodný při nízkých hodnotách ki, neboť při dané konstrukci budou z T-pece odcházet velmi horké spaliny 22 i tavenina 20. Při provozování tavení blízko závislosti Mbai (při uniformním toku) je však ohřev homogenizačního regionu 2 slabý a problém mizí. Byl proto proveden výpočet kritického tavícího výkonu při hodnotě ku = 0,6 a dvou hodnotách ki 0,7 a 0,9, kde druhá hodnota poskytla přibližně uniformní tok a maximální hodnotu kritického tavícího výkonu. Za podobných energetických podmínek (ki > 0,9, ku = 0,6) přesahuje výsledná maximální hodnota kritického tavícího výkonu 617,8 t/den lehce analogickou hodnotu maximálního kritického tavícího výkonu případu s ohřevem taveniny 20 v homogenizačním regionu 2 zdola elektrodami 4, která činila 587,5 t/den. Teploty odcházející taveniny 20 činily 1450 °C a teploty odcházejících spalin 22 kolem 1500 °C, což je malou nevýhodou ohřevu hořáky 25 shora. Při hodnotě ki = 0,7 se v homogenizačním regionu 2 vyvinulo podélné cirkulační proudění proti směru hodinových ručiček a kritický tavící výkon logicky poklesl. Teploty odcházející taveniny 20 a spalin 22 byly vysoké. Obr. 22 ukazuje v případě optimální hodnoty ki = 0,9 polohu hranice 21 vsázky 18 v homogenizačním regionu 2 při pohledu shora. V příkladném provedení sklářské pece na obr. 22 sklářská vsázka 18 zasahuje z konverzního regionu 1 svou hranicí 21 až do cca 20 % délky ve směru podélné osy 24 do homogenizačního regionu 2. Obr. 23 ozřejmuje charakter podélného přibližně uniformního proudění v centrálním řezu XZ homogenizačním regionem 2.

Charakter proudění v tomto případu - analogickém případu s ohřevem homogenizačního regionu 2 elektrodami 4 byl odlišný, neboť na rozdíl od ohřevu elektrodami 4 zde nelze dosáhnout spirálového proudění. Díky hořákům 25 byly spaliny 22 v homogenizačním regionu 2 dost horké (viz zejména tenká vrstvička horkých spalin 22 z hořáků 25 v homogenizačním regionu 2 u hladiny taveniny 20 a nedocházelo k ohřátí spalin 22 taveninou 20, které je podmínkou nastolení spirálového toku. Kritické trajektorie však procházely horní částí homogenizačního regionu 2, kde jsou vysoké teploty, výhodné pro rychlou kinetiku homogenizačního děje. Pokrytí hladiny vsázkou 18 bylo v obou případech téměř stejné jako v případě s ohřevem elektrodami 4, což je v souhlase s téměř stejným kritickým tavícím výkonem. Ohřev homogenizačního regionu 2 hořáky 25 shora se ale osvědčil pouze pro hodnoty ki odpovídající vyrovnanému rozmístění energie a uniformnímu toku.

Claims (9)

1. Zobecnění výsledku

   Výpočty byly provedeny na peci, jejíž základní charakteristiky jako tvar, velikost a způsob otopu se jevily výhodnými pro uskutečnění myšlenky využití tavícího prostoru jako významného faktoru tavícího procesu skel. Byly přednostně sledovány podmínky, při nichž se charakter proudění taveniny 19, 20 kvantifikovaný hodnotou využití významně uplatňuje. Základní principy využití prostoru pro zvýšení efektivity tavícího procesu jsou však využitelné i pro jiné typy zařízení, počítaje v to i existující průmyslové taviči prostory. Je užitečné vymezit tyto obecné principy:

   • 1. Princip rozdělení tavícího prostoru na úvodní konverzní region 1 a následující homogenizační region 2 je přenosný na všechny horizontální tavící prostory, kde oba regiony 1, 2 nejsou od sebe pevně odděleny a oba základní děje- konverze vsázky 18 a homogenizace taveniny 20 probíhají za sebou v horizontálním směru. Pokud alternativně jsou oba regiony 1, 2 od sebe odděleny tak, že vsázka 18 se může vyskytovat pouze v konverzním regionu 1, optimalizace se může uskutečnit jen v omezené míře (viz bod 5).

   -23 CZ 309094 B6 • 2. Princip optimálního využití tavícího prostoru soustředěním většiny energie do úvodního konverzního regionu 1 pro dosažení maximálního tavícího výkonu při uniformním nebo spirálovém toku taveniny 20, který je popsaný hodnotou k\ platí obecně pro jakýkoliv poměr Joulova tepla a spalovacího tepla v konverzním regionu 1, popsaný hodnotou k\j, i pro dolní nebo horní ohřev taveniny 20 v následujícím homogenizačním regionu 2 v prostorech popsaných v bodě 1.

   • 3. Princip centrální podélné tepelné bariéry v homogenizačním regionu 2 je obecně uplatnitelný pro zařízení uvedená v bodě 1 a nutně uplatnitelný, pracuje-li se při hodnotách k\ menších než optimálních.

   • 4. Princip flexibility tavícího výkonu při provozování zařízení za jiných podmínek než optimálních (hodnoty k\ nižší než optimální nebo provozování zařízení s tavící reservou při optimálních hodnotách k\) je obecně uplatnitelný pro prostory popsané v bodě 1.

   • 5. Princip flexibility hranice vsázky 18, který dovoluje měnit vzájemnou homogenizační kapacitu obou regionů 1,2 a tím dosáhnout maximálního kritického tavícího výkonu při úplném využití tavícího prostoru, je obecně uplatnitelný pro prostory popsané v bodě 1, s výjimkou prostorů, kde se vsázka vyskytuje pouze v konverzním regionu 1.

   • 6. Princip přesunu energie v konverzním regionu 1 z Joulova tepla (elektrody 3) na spalovací teplo (hořáky 5), který zabraňuje přehřátí konverzního regionu 1 a umožňuje dosáhnout vyššího maximálního kritického tavícího výkonu, platí obecně pro prostory popsané v bodě 1.

   • 7. Princip dosažení spirálového proudění při vysokých hodnotách k\j ochlazením taveniny 20 v homogenizačním regionu 2 relativně chladnými spalinami 22 platí pro prostory z bodu 1, v nichž je v homogenizačním regionu 2 instalován dolní ohřev centrální řadou (nebo řadami) elektrod 4 a spaliny 22 proudí nad taveninou 20 v tomto homogenizačním regionu 2.

   • 8. Princip různé velikostí regionů 1, 2 sledující uplatnění daného homogenizačního děje jako řídicího nebo změnu homogenizační kapacity některého regionu 1, 2 je uplatnitelný pro pece popsané v bodě 1 s podmínkou, že je možná dodatečná změna konstrukce.

   • 9. Princip řízeného proudění kvantifikovaný hodnotou využití tavícího prostoru v pecích popsaných v bodě 1 je uplatnitelný pro jiné taviči teploty, typy skel a kinetiku jejich tavení s využitím principů 2 až 7.

   - 24 CZ 309094 B6

   PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob tavení skla ve sklářské tavící peci s horizontálním pracovním tokem taveniny (19,20) ve směru její podélné osy (24), zahrnující ve směru podélné osy (24) úvodní konverzní region (1), v němž se přemění sklářská vsázka (18) na skelnou taveninu (19), a na něj navazující homogenizační region (2), v němž se dokončí homogenizační děje, rozpuštění sklářského písku a odstranění bublin (čeření), kde konverzní region (1) je opatřen vstupy (14) pro sklářskou vsázku (18) a je osazen elektrodami (3) a/nebo hořáky (5), a homogenizační region (2) je osazen elektrodami (4) nebo hořáky (25) a je vybaven výstupem (17) hotové skelné taveniny (20), vyznačující se tím, že sklářská vsázka (18) se taví v konverzním regionu (1) na taveninu (19) elektrodami (3) a/nebo hořáky (5), získaná tavenina (20) se v homogenizačním regionu (2) homogenizuje a v homogenizačním regionu (2) se ustaví efektivní uniformní nebo spirálový tok v části s volnou hladinou taveniny, přičemž vsázka (18) má pohyblivou hranici (21), která se ustaví maximálně do 50 % délky homogenizačního regionu (2) pomocí nastavení energetických poměrů ki a ku, kde :

   kj představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami (3) a hořáky (5) do konverzního regionu (1) k celkové energii, která se přivádí do obou regionů (1, 2), a to elektrodami (3) konverzního regionu (1), elektrodami (4) homogenizačního regionu (2), hořáky (5) konverzního regionu (1) a případně hořáky (25) homogenizačního regionu (2); a ku představuje poměr energie, která se přivádí elektrodami (3) konverzního regionu (1) k celkové energii, která se přivádí do konverzního regionu (1) elektrodami (3) a hořáky (5) konverzního regionu (1); přitom hodnota obou poměrů ki a ku se pohybuje v rozmezí 0 až 1.
2. 2. Způsob tavení skla ve sklářské peci podle nároku 1, vyznačující se tím, že hodnota poměru ku = 0 znamená, že se do konverzního regionu (1) přivádí energie pouze plynovými hořáky (5) konverzního regionu (1).
3. 3. Způsob tavení skla ve sklářské peci podle nároku 1. vyznačující se tím, že hodnota poměru ku = 1 znamená, že se do konverzního regionu (1) přivádí energie pouze elektrodami (3) konverzního regionu (1).
4. 4. Způsob tavení skla ve sklářské peci podle nároku 1, vyznačující se tím, že hodnota poměru ki = 0 znamená, že pouze do homogenizačního regionu (6) se přivádí všechna energie buď elektrodami (4) homogenizačního regionu (6) nebo hořáky (25) homogenizačního regionu (6).
5. 5. Způsob tavení skla ve sklářské peci podle nároku 1, vyznačující se tím, že hodnota poměru ku = 1 znamená, že pouze do konverzního regionu (1) se přivádí všechna energie elektrodami (3) konverzního regionu (1) a hořáky (5) konverzního regionu (1).
6. 6. Způsob tavení skla ve sklářské tavící peci podle nároku 1, vyznačující se tím, že

   - 25 CZ 309094 B6 optimální rozmezí poměru ki = 0,8 až 1, s výhodou ku = 0,5 až 1.
7. 7. Způsob tavení skla ve sklářské peci podle nároku 6, vyznačující se tím, že pro optimální rozmezí poměru ki = 0,90 až 0,945 a optimální rozmezí poměru ku = 0,6 až 0,75 se dosahuje maximálního kritického tavícího výkonu Mrit = 399,2 až 587,5 tun/den, při nichž se v homogenizačním regionu dosahuje uniformního nebo spirálového toku taveniny.
8. 8. Sklářská tavící pec s horizontálním pracovním tokem taveniny (19, 20) ve směru její podélné osy (24), zahrnující ve směru podélné osy (24) úvodní konverzní region (1) pro provádění konverze sklářské vsázky na skelnou taveninu (19) a na něj navazující homogenizační region (2) pro homogenizaci skelné taveniny (20), kde konverzní region (1) je opatřen vstupy (14) pro sklářskou vsázku (18) aje osazen elektrodami (3) a/nebo hořáky (5), a homogenizační region (2) je osazen elektrodami (4) nebo hořáky (25) aje vybaven výstupem (17) taveniny (20), k provádění způsobu tavení skla podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že konverzní region (1) je osazen vertikálními elektrodami (3) ve dnu (8) a/nebo hořáky (5) zapuštěnými v klenbě (6) konverzního regionu (1); a homogenizační region (2) je osazen vertikálními elektrodami (4) ve dnu (9) nebo hořáky (25) zapuštěnými v klenbě (7) homogenizačního regionu (2), přičemž sklářská vsázka (18) pokrývající taveninu (19) konverzního regionu zasahuje z konverzního regionu (1) svou pohyblivou a ustavenou hranicí (21) maximálně až do 50 % délky ve směru podélné osy (24) do homogenizačního regionu (2).
9. 9. Sklářská tavící pec podle nároku 8, vyznačující se tím, že sklářská vsázka (18) pokrývající taveninu (19) konverzního regionu (1) zasahuje z konverzního regionu (1) svou pohyblivou a ustavenou hranicí (21) až do 20 až 30 % délky ve směru podélné osy (24) do homogenizačního regionu (2).

   28 výkresů

   Seznam vztahových značek