Ванная печь

3. Печь, отличающаяся  тем, что введен дополнительный  водоохлаждаемый элемент, выполненный плавающим с возможностью регулирования степени выдвижения в варочный бассейн, расположенный над основным водоохлаждаемым элементом и имеющий одинаковую с ним конфигурацию.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ  ВАНН СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Патент Российской Федерации

Суть изобретения:

Использование: способ измерения температуры ванн стекловаренных печей относится  к области промышленной энергетики, в частности к стекловаренным печам при производстве листового, бутылочного стекла, стекломассы  и т.д. Сущность изобретения заключается  в том, что одновременное измерение  температуры поверхности кладки /обмуровки/ Т_к и подины Т_п печи и дополнительное измерение падающего на кладку спектрального потока излучения E^λ_пад.к при условии, что длина волны излучения соответствует окнам прозрачности спектра излучения газов атмосферы печи λ = 0,65 -0,9; 1,69; 2,9 и 3,9 мкм. Способ позволяет увеличить точность измерения на 30 - 40^oC. 1 ил.

Номер патента:

2096745

Класс(ы) патента:

G01J5/60, G01K7/02, C03B5/10

Номер заявки:

94003329/25

Дата подачи заявки:

28.01.1994

Дата публикации:

20.11.1997

Заявитель(и):

Региональное  Уральское отделение Академии инженерных наук РФ

Автор(ы):

Лисиенко В.Г.; Гущин С.Н.; Лисиенко В.В.; Кутьин В.Б.

Патентообладатель(и):

Региональное  Уральское отделение Академии инженерных наук РФ

Описание изобретения:

Изобретение относится к области промышленной энергетики, в частности к стекловаренным печам при производстве листового, бутылочного стекла, стекломассы  и т.д. Известен способ определения температуры ванн стекловаренных печей, при котором применяют погруженные термопары со специальными защитными чехлами [1] О температуре ванн судят также по температуре термопары, установленной в подине печи [1] Недостатком этих способов является то, что в первом случае не удается обеспечить непрерывный длительный замер температуры ванны вследствие сравнительно низкой стойкости наконечников и других элементов погружных термопар при высокой температуре в химически агрессивной среде. Во втором случае погрешность измерений оказывается очень велика, так как термопара, установленная в подине, определяет температуру подины, которая может существенно (до 100^oС) отличаться от температуры стекломассы. Известен способ измерений температуры ванн стекловаренных печей [2, с. 273] который наиболее близок к предлагаемому техническому решению и выбран в качестве прототипа. При этом для измерения температуры стекломассы применяются стационарно установленные термопары. Термопары вводят через боковые стенки или дно. Недостатком такого способа является то, что фактически происходит измерение температуры локальной области стекломассы вблизи кладки печи. Вместе с тем, поскольку по объему расплава имеет место значительный градиент температур (до 100^oС), точность этого метода нельзя считать приемлемой.

Технической задачей изобретения является увеличение точности измерения температуры ванны стекловаренных печей при одновременном обеспечении длительного срока службы аппаратуры и непрерывности измерения.

Указанная задача достигается тем, что с помощью  спектрального радиометра полусферического излучения, устанавливаемого в кладке (своде) стекловаренной печи, определяется спектральная плотность потока падающего  на кладку излучения E^λ_пад. При этом интерференционный светофильтр радиометра подбирается таким образом, чтобы излучение поступало в одно из окон прозрачности. Как известно, газы поглощают (и излучают) энергию селективно, т.е. лишь в определенных интервалах длин волн, в так называемых полосах. Вне этих полос газы прозрачны. Для газов, заполняющих рабочее пространство печи, окно прозрачности может быть обеспечено при длинах волн λ 0,65 0,9; 1,69; 2,19 и 3,9 мкм.

Одновременно  с помощью термопар, установленных  в кладке подины и обмуровки печи, определяется температура поверхности  подины Т_п и температура обмуровки Т_к.[8]

Величина  плотности падающего на поверхность  обмуровки полусферического монохроматического излучения равна: где λ длина волны; E₀(Т) спектральная плотность излучения а.ч.т. при соответствующей температуре; Т_к, Т_п и Т_в- температуры, соответственно, поверхности обмуровки, поверхности подины и ванны, f^l_кк,f^l_кп и f^l_квспектральные разрешающие угловые коэффициенты излучения соответственно с обмуровки на обмуровку, с обмуровки на подину и с обмуровки на ваннуИз данного уравнения при известных величинах Т_к, Т_п, f^λ_кк,f^λ_кп и f^λ_кв величина температуры ванны Т_в определяется численным методом. Величина E^λ_o(Т_в) равна:

При этом спектральные плотности потоков излучения  а.ч.т. E₀(Т) определяются по формуле Планка:

Спектральные  разрешающие угловые коэффициенты излучения при известных спектральных степенях черноты обмуровки ε^λ_к подины ε^λ_п и ванны ε^λ_в находятся известными методами (например, методом Монте-Карло, двухэтапным методом через обобщенные угловые коэффициенты излучения, методом параллельных плоскостей и т.д.) [3 5]Поскольку ванны стекловаренных печей представляют собой для извлечения полупрозрачную (мутную) среду, то степень черноты ванны определяется в соответствии с законом Бугера-Бера по соотношению:

где K^λ_пв спектральный коэффициент поглощения стекломассы (с учетом отражающей поверхности); S_эфэффективная длина луча [6]S_эф 0,9F/P, где F площадь поверхности ванны; P периметр. Величина спектрального коэффициента поглощения зависит от химического состава стекломассы, может быть заранее определена экспериментальным путем или найдена из справочных данных [7] В случае зависимости коэффициента поглощения K^λ_пв от температуры ванны определение разрешающих угловых коэффициентов излучения и температуры ванны проводится методом последовательных приближений. На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Оно сдержит термопару, установленную в обмуровке, или радиационный пирометр, наведенный на визирный стакан, термопару, установленную вблизи поверхности подины, радиометр монохроматического полусферического излучения, установленный в обмуровке, снабженный интерференционным светофильтром (с длиной волны 0,65 -0,89, 1,69; 2,19 и 3,9 мкм в окнах прозрачности спектра излучения газов печной атмосферы), вычислительный блок, блок банка данныхи блок отображения информации.Устройство работает следующим образом. Спектральный поток полусферического излучения на обмуровку (кладку) E^λ_пад.к попадает через интерференционный фильтр на приемное устройство радиометра. Сигнал с выхода радиометра поступает на вычислительный блок. Кроме того, на выход вычислительного блока поступают показания термопары в виде температуры кладки Т_к и показания термопары в виде температуры подины Т_п на вход вычислительного блока поступают и данные блока данных. В блоке содержатся данные о геометрии системы, спектральных степенях черноты поверхностей кладки и подины, спектральном коэффициенте поглощения ванны, эффективной длине луча и заранее вычисленные значения спектральных разрешающих угловых коэффициентов излучения с кладки на кладку, с кладки на подину и кладки на ванну: f^λ_кк,f^λ_кп и f^λ_кв. В случае зависимости спектрального коэффициента поглощения ванны от температуры процедуры определения разрешающих угловых коэффициентов излучение переносится в вычислительный блок, решение задачи проводится численным методом последовательных приближений. В вычислительном блоке 11 вначале определяется величина плотности монохроматического излучения E^λ_o(T_в) по формуле:

В этом уравнении  величины E^λ_o(T) находятся по формуле Планка при соответствующей температуре Т и длине волны λ:

.

Температура Т_в при известном значении E^λ_o(T_в) определяется из формулы Планка численным методом. Данные о температуре Т_в выдаются на устройство отображения информации. Применение данного способа по сравнению с обычно применяющимся способом определения температуры ванны по показаниям температуры подины Т_п позволяет увеличить точность измерения на 30 40^oC. Это связано с тем, что подина экранируется от излучения факела и кладки ванной, а ванна активно поглощает излучение факела и кладки и поэтому ее температура заметно превышает температуру подины. По сравнению с погружными термопарами при данном способе обеспечивается непрерывность получения информации о температуре ванны.[5]

Формула изобретения:

Способ измерения  температуры ванн стекловаренных печей, заключающийся в том, что одновременно измеряют температуру поверхности  кладки Т_к и подины Т_п печи, отличающийся тем, что одновременно дополнительно измеряют падающий на кладку спектральный поток излучения E^λ_пад.к при условии, что длина волны излучения соответствует окнам прозрачности спектра излучения газов атмосферы печи λ = 0,65 0,9; 1,69; 2,19 и 3,9 мкм, а температуру ванны печи Т_в определяют из выражения

где E^λ_o(T) - функция Планка при соответствующих температурах Т и длине волны λ;

f^λ_кк, f^λ_кп, f^λ_кв - спектральные разрешающие угловые коэффициенты излучения соответственно от кладки на кладку, от кладки на подину и от кладки на ванну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Краткое описание конструкции  и работы печи

 

 

Ванная стекловаренная печь представляет собой сложный  теплотехнический агрегат, конструкция  которого зависит от способа обогрева, направления движения газов, способа  разделения бассейна и пламенного пространства. Она состоит из рабочей камеры, горелок, устройства для использования  тепла отходящих газов (рекуператоров или регенераторов), переводных клапанов, фундаментов, опор и каркаса.

Обычно  различают верхнее и нижнее строение ванной печи. Верхнее строение состоит  из рабочей камеры и горелок, а  нижнее, соединенное каналами с верхним, включает теплоиспользующие устройства, каналы для отвода отходящих газов, фундамент и стены или колонны, поддерживающие верхнее строение.

Рабочая камера ванной печи состоит из бассейна, пламенного пространства и свода. Бассейн ванной печи представляет собой ванну, состоящую из стен и дна, наполненную расплавленной стекломассой, с ссылочным карманом в торце и примыкающим к нему выработочным каналом. В бассейне ванной печи непрерывного действия различают технологические зоны варки, осветления, студки и выработки, которые располагаются одна за другой на различных участках по длине бассейна. Часть бассейна, в которой расположены зоны варки и осветления, называют варочной или отапливаемой, а часть, где находятся зоны студки и выработки, выработочной. Бассейн, конструктивно не разделенный на зоны, имеет прямоугольную форму. При переходе от варочной части печи к выработочной бассейн постепенно сужается. Площадь бассейна определяет производительность печи. Бассейн печи располагается на самостоятельном фундаменте. Для загрузки шихты в торце бассейна сооружают широкие выступающие карманы [5].

Дно бассейна печи в варочной и в выработочной частях выкладывают из многошамотных брусьев размером 300×400×1000 мм. Длинная сторона брусьев должна быть параллельна продольной оси бассейна. Толщина дна 300 мм. Для продления срока службы дна бассейна его покрывают плитками из литого огнеупорного материала толщиной 100 мм и размером в плане 500×400 мм. При кладке плиток предусматривают температурные швы. Стены бассейна выкладывают из огнеупорных брусьев, например высокоглиноземистых, каолиновых и электроплавильных, которые обычно имеют размеры (250-300)×400×600 мм. Размер стенового бруса 250-300 мм соответствует толщине, а 600 мм - высоте стен. Увеличение высоты стеновых брусьев уменьшает длину горизонтальных швов, которые интенсивно разрушаются стекломассой.

Кладка стен бассейна ванной печи ведется насухо. Верхние ряды стен варочного бассейна в зоне максимальных температур, а иногда и всю стену  выкладывают из особо огнеупорных высококачественных материалов - электроплавильных огнеупоров. При кладке стен бассейна в студочной и выработочной частях также широко применяют электроплавильные огнеупоры. Электроплавильные огнеупоры все чаще используют для кладки и других элементов ванной печи, таких, как влеты горелок, стены пламенного пространства, выстилка дна бассейна и др.

Чтобы уменьшить разъедание огнеупора стекломассой в швах, стеновые брусья укладывают в перевязку и искусственно охлаждают с наружной стороны. Для кладки стен и дна бассейна в местах изменения его конфигурации применяют фасонные брусья.

Шихта загружается  в печь через загрузочный карман 1, расположенный в торце варочной части 2 бассейна. На одном конце  ванны происходит непрерывная загрузка шихты и боя, а на другом - выработка изделий. К ванной печи примыкает выработочный канал 4 с машинами для вертикального вытягивания лент стекла. Под воздействием высоких температур шихта превращается в расплавленную стекломассу, которая непрерывно движется из варочной части бассейна в студочную, откуда распределяется по выработочным каналам и с помощью машин ВВС в виде непрерывной ленты вытягивается вверх, где раскраивается на листы заданных размеров.

 

а — план, б — продольный разрез, в — поперечный разрез; 1— загрузочный  карман. 2 — варочная часть, 3 — студочная часть. 4 — выработочные каналы, 5 — горелки, 6 — регенератор, 7 — пламенное пространство, 8 — свод, 9 — подвесные стены, 10 — дно бассейна, 11 — стены бассейна.

 

Рис. 1. Регенеративная ванная печь с неразделенным бассейном для выработки листового стекла

Обоснование распределения  температур в печи

Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов  образует однородный расплав, называется стекловарением.

Сыпучую или гранулированную  шихту нагревают в ванной печи, в результате чего она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая  сложные физико-химические взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного температурного интервала.

Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).

Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и  требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение  температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств стекла и условий варки. При варке темно-зеленого стекла  температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420˚С, так как в этой части бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250˚С. В зоне осветления температура газовой среды поддерживается максимальной-1500˚С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240˚С, что приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.

Для установления стационарного  температурного режима газовой среды  в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого в печь, тщательно  их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.

Возможность установления определенного  температурного режима предусматривается  конструкцией ванной печи.

На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повышение  давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных  частей печи, так как объем рабочей  камеры максимально заполняется  пламенем. Создание разряжения в печи приводит к уменьшению распространения  пламени и присосу холодного  воздуха через отверстия. Это  ухудшает равномерность распределения  температур и вызывает понижение  температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух [6].