胡家楨

(中國建材國際工程有限公司，上海 200063)

玻璃行業(yè)是社會(huì)生活生產(chǎn)的重要組成部門，應(yīng)用在人民生活的方方面面。而人民生活品質(zhì)的提高和社會(huì)建設(shè)水平的不斷發(fā)展都對(duì)玻璃行業(yè)提出了更高的要求，尤其是特種玻璃和玻璃深加工產(chǎn)業(yè)基本形成，使平板玻璃廠的玻璃原片質(zhì)量變得尤為重要。

錫槽是每條浮法玻璃生產(chǎn)線的核心，也是決定性的質(zhì)量因素。在錫槽中，玻璃的溫度從入口處的1 050 ℃下降到出口處的600 ℃左右，玻璃帶以成型和預(yù)硬化的狀態(tài)離開錫槽。錫槽作為浮法玻璃的關(guān)鍵成型設(shè)備，其平穩(wěn)高效運(yùn)行是浮法玻璃正常生產(chǎn)的必要先決條件，是高成品率和長期運(yùn)行的保障。

1 錫槽通風(fēng)

錫槽通風(fēng)系統(tǒng)是錫槽溫度控制和安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。安裝在錫槽風(fēng)機(jī)房的離心通風(fēng)機(jī)主送風(fēng)，輔以軸流風(fēng)機(jī)，通過鋼制或混凝土主風(fēng)道送至分流管的各個(gè)支風(fēng)管處用于錫槽槽底鋼結(jié)構(gòu)框架梁、槽底底殼鋼板和錫槽底磚等的冷卻。錫槽通風(fēng)設(shè)計(jì)需滿足的基本要求是底殼溫度不超過120 ℃。

考慮到錫槽前端槽底溫度更高，故高溫區(qū)、中溫區(qū)、低溫區(qū)用于冷卻的分流管截面面積逐級(jí)遞減，單位面積支風(fēng)管數(shù)目遞減。離心通風(fēng)機(jī)數(shù)量視錫槽規(guī)格、冷卻強(qiáng)度、地理位置、玻璃規(guī)格等多項(xiàng)因素綜合考慮可采用三臺(tái)風(fēng)機(jī)二用一備、四臺(tái)風(fēng)機(jī)三用一備等。由于錫槽高溫區(qū)所需冷卻風(fēng)量較大，故主風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口更傾向于設(shè)置在高溫區(qū)附近。

作為錫槽通風(fēng)氣體輸入設(shè)備的離心通風(fēng)機(jī)無論是采用電機(jī)直聯(lián)型、皮帶傳動(dòng)型還是聯(lián)軸器傳動(dòng)型，其動(dòng)力都源自于電動(dòng)機(jī)。在實(shí)際使用時(shí)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)并非是理想的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而是受到切向力和徑向力的非圓周運(yùn)動(dòng)：其中切向力產(chǎn)生切向振動(dòng)，徑向力產(chǎn)生徑向振動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，此類振動(dòng)會(huì)由固體傳導(dǎo)至槽底鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)而造成錫液的振動(dòng)，從而影響玻璃質(zhì)量，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以在錫槽通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)需采取減振措施。

通用的減振措施有減振、隔振、阻振三個(gè)大類，其中隔振與阻振需要增加外部設(shè)備。故考慮到經(jīng)濟(jì)效益，在錫槽通風(fēng)設(shè)計(jì)中減振措施不采用隔振與阻振，而是通過增設(shè)風(fēng)機(jī)減振基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)與主風(fēng)道間設(shè)帆布軟連接，從而避免風(fēng)機(jī)的振動(dòng)影響錫液。

同時(shí)，在錫槽通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮到錫槽收縮段后，錫槽底殼抬起，此處錫槽冷卻風(fēng)風(fēng)嘴與底殼距離應(yīng)與抬起前保持一致，即底殼抬起后支風(fēng)管應(yīng)該加長。

2 CFD模擬

2.1 主風(fēng)管的幾何模型

在錫槽通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用截面為正方形的主風(fēng)道，也有個(gè)別采用截面為圓形的風(fēng)道，利用ANSYS軟件建立了如下三個(gè)截面不同的主風(fēng)道模型，其截面形狀如圖1所示。

有截面為2 m×2 m，長度50 m的方形風(fēng)道A；與A同等截面積(即半徑約為1.128 m)，長度為50 m的圓柱形風(fēng)道B；半徑為1 m，長度為50 m的圓柱形風(fēng)道C。三者均從左側(cè)端頭均勻進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)量為200 000 Nm3/h，風(fēng)壓為1 800 Pa。其余條件均一致。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置

對(duì)上述幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用幾何尺寸為100 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型。方形及圓柱形主風(fēng)道網(wǎng)格化示意見圖2。

數(shù)值模擬按照離心通風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工況下進(jìn)行計(jì)算，入口邊界條件設(shè)置為均勻入口，風(fēng)壓指的是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程可以得出，離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速的關(guān)系如下

Wp=0.5·r0·v2

(1)

其中，Wp為風(fēng)壓，kN/m2；r0為空氣密度，kg/m3；v為風(fēng)速，m/s。由于空氣密度r0與重度r的關(guān)系為

r=r0·g

(2)

將式(2)帶入式(1)可得Wp=0.5·r·v2/g

(3)

即標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在氣壓為101.325 kPa，溫度為15 ℃時(shí)，空氣重度r=0.012 25 kN/m3。北緯45°重力加速度g=9.8 m/s2，代入式(3)得

Wp=v2/1 600

(4)

將Wp=1 800 Pa帶入式(4)得，v≈1 697 m/s。

出口邊界條件設(shè)置為出流邊界，計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，邊界參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 邊界參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果及分析

建立模型并確定邊界條件后，壓力速度耦合方案選擇Coupled，梯度設(shè)置Least Sqares Cell Based，壓力設(shè)置Second Order，動(dòng)量設(shè)置Second Order Upwind，湍流消散率設(shè)置First Order Upwind，迭代次數(shù)選擇500次，運(yùn)行計(jì)算完成模擬。

在ANSYS中利用Fluent對(duì)壓力進(jìn)行模擬，在左側(cè)端頭進(jìn)風(fēng)且不考慮主風(fēng)道的出風(fēng)口時(shí)，主風(fēng)道靜壓模擬如圖3所示：在進(jìn)風(fēng)口空氣流速相同時(shí)，圓柱形風(fēng)道壓降遠(yuǎn)大于方形風(fēng)道；圓柱形風(fēng)道半徑與壓降成反比。

主風(fēng)道流速分布圖如圖4所示：靠近壁面處因粘性摩擦流速更小，三種主風(fēng)道空氣流速損失差別不大；在靠近進(jìn)風(fēng)口約15 m范圍內(nèi)空氣流速較大，故進(jìn)風(fēng)口更適合設(shè)置在錫槽入口地坑內(nèi)。

3 結(jié) 語

錫槽通風(fēng)系統(tǒng)通過降低槽底鋼板溫度、調(diào)節(jié)橫向溫差等有效提高錫槽整個(gè)體系的穩(wěn)定性，從而使玻璃生產(chǎn)平穩(wěn)有序進(jìn)行。利用ANSYS模擬冷卻風(fēng)在主風(fēng)道中的流動(dòng)情況，與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，加速工藝設(shè)置和工藝優(yōu)化，在錫槽的整個(gè)生命周期中發(fā)揮重要作用。比較壓力分布與速度分布可得，方形主風(fēng)道壓力損失更小，且進(jìn)風(fēng)口置于錫槽入口處對(duì)高溫區(qū)冷卻更為有利。