数学模拟在电熔玻璃窑炉中的应用

2013-02-01朱永昌

中国建材科技 2013年4期

唐伟朱永昌

（1捷克玻璃服务公司青岛代表处，山东青岛266071；2中国建筑材料科学研究总院石英与特种玻璃研究院，北京100024）

1 引言

数学模型是对窑炉设计和操作的数学模拟，在对窑炉做任何调整之后能够预测窑炉的行为。数学模拟的结果是玻璃熔液和材料中的流动场，温度分布以及电气物理量（电压，电流，电流密度及焦耳热）[1～5]。CFD模拟软件是由捷克GLASS SERVICE自行研发的玻璃窑炉模型（GS-GFM），自1990年开始即应用于玻璃窑炉上。该模型的原理及计算程序如下：（1）玻璃窑炉中所有的传输现象（温度，能量，流动，电量）通过偏微分方程式（PDE）进行描述；（2）偏微分方程式（PDE）被转移到一系列称为差分方程式（DE）的代数等式（AE）中；（3）新的一系列代数等式（AE）通过使用以现代耦合技术为基础的迭代程序的有限差分方法而被数字化解决；（4）物理量不是以连续的变量来描述，而是以不连续的值。他们位于计算网格的节点处并存储在3-dim；（4）网格节点产生于矩形非一致错列的网格系统之上的控制值。电场的数学模型中电势不连续的值位于控制值的角上。电势分为实际的和虚拟的部分。每一个电势的相量为 ΦRE(x)，ΦIM(x)通过拉普拉斯等式（1）的迭代解决程序进行计算，在电极上使用特定的电压（代表边界条件）。迭代程序的最后，焦耳热qE 的量通过等式（2）进行计算，等式（2）代表释放到玻璃中的电能的平均值（tp 为AC 的时间周期）。

σ(T)为导电系数的温度函数，取决于材料（玻璃，耐火材料等）。

2 CFD模拟软件（GS-GFM）应用实例

图1描述的是12吨/天硼硅玻璃连续式全电熔窑一个案例研究，主要侧重于电极的位置。总的电功率为400KW。考虑三种不同的电极排布。

图1 电熔炉的电极分布

图2展示了每个案例的液流及温度场，为了选择最佳的电极排布，从熔化能力的角度来看，对三个案例中的窑炉质量标准进行计算。玻璃最短滞留时间从5.65小时到5.88小时，平均滞留时间从43.80小时到46.48小时，平均熔化指数从 6.00×106到8.49×106，平均澄清指数从0.68×106到3.98×106。从中即可发现顶插式电极是最好的，因为其质量标准最高：玻璃最短滞留时间为5.88小时，平均滞留时间46.48小时，平均熔化指数8.49×106，平均澄清指数3.98×106。

表1 数学模拟案例的参数

表2 模拟案例得到的质量标准

图2 液流和温度区域分布

表1、图3为E-玻纤窑炉（超过100吨/天）的一个案例研究，主要侧重于电极的排布和电助熔系统中电功率的分配。电功率应用于四个区域（电极组），位于料毯下方和鼓泡线附近。对于熔化能力和玻璃质量来说，电极的位置和功率分配是最重要的。使用数学模型，一共做了6个案例的模拟。表1显示了每个案例的参数，图3展示了每个案例中窑炉纵剖面上的液流和温度分布。

很明显，电极的位置从根本上影响了玻璃熔液的流动，进而极大的影响了玻璃的质量。玻璃的质量通过质量标准来测量。没有数学模拟几乎不可能找到最佳的解决方案。表2显示了每个案例中计算的质量标准。最重要的是熔化指数和澄清指数，以这些计算为基础，即可选出案例3 和案例6 为最佳的设计。