УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ОСВЕТЛЕНИЯ СТЕКЛОМАССЫ

Полезная модель относится к области стекловарения, в частности, к зоне осветления стекломассы стекловаренных печей.
Известно, что процесс осветления стекломассы является очень длительным, часто лимитирующим производительность и качество продукции стекловаренных агрегатов [1-3]. В случае применения известных способов (введение поверхностно активных веществ, повышение температуры варки, создание зон тонкослойного осветления) значительно увеличить скорость осветления, а, следовательно, и снизить длительность процесса осветления стекломассы не удается [1-5].
Известны устройства воздействия акустических колебаний на всплывание газовых пузырей и интенсификацию осветления [4-7]. Это происходит путем создания резонансных по отношению к газовым пузырям частот акустических колебаний, при которых происходит столкновение газовых пузырей, коагуляция и более интенсивное всплывание укрупненных пузырей. В частности, рекомендовано использовать ультразвуковые акустические колебания [4, 5]. Однако недостатком этого устройства является высокая частота ультразвуковых колебаний, что обеспечивает возможность воздействия только на очень мелкие пузыри в расплаве стекломассы, в то время как для воздействия на более крупные пузыри требуются уже более низкие частоты - менее 3000 Гц [4, 5].
Известно также устройство использования волноводов, принятое за прототип, предназначенное для осветления стекломассы, при оснащении газоструйными акустическими излучателями, работающими в диапазоне сравнительно низких частот - в пределах 100-4000 Гц [6]. Однако недостатком этого устройства является сравнительно низкая частота акустических колебаний (звуковой диапазон), что не позволяет эффективно воздействовать на сравнительно мелкие газовые пузыри в стекломассе с целью их укрупнения.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение воздействия на газовые пузыри в стекломассе в широком диапазоне частот акустических колебаний для создания условий коагуляции и ускоренного всплывания в стекломассе как мелких, так и сравнительно крупных газовых пузырей и тем самым интенсифицировать процесс осветления.
Эта задача решается тем, что устройство интенсификации осветления стекломассы включает звуковой акустический излучатель с корпусом волновода, снабженный трубопроводами подачи и отвода рабочего газа, соплом, резонатором и рефлектором, перфорированной охлаждающей трубой с рядом отверстий для подачи газа, отличается тем, что дополнительно введен ультразвуковой акустический излучатель с корпусом волновода, снабженный подводом электроэнергии и магнитострикционным преобразователем, при этом корпуса волноводов ультразвукового и звукового акустических излучателей расположены параллельно друг другу на расстоянии 120-125 мм, при этом торец корпуса волновода ультразвукового акустического излучателя размещен на расстоянии 120-125 мм от торца звукового акустического излучателя, а корпуса волноводов жестко соединены между собой жароупорными стяжками.
Применение одновременно двух волноводов и акустических излучателей объясняется тем, что существующие конструкции акустических излучателей обеспечивают два избирательных диапазона частот: ультразвуковые в диапазоне до 20 000 Гц и выше и звуковые - в диапазоне 100-4000 Гц. В то же время в процессе варки стекла и соответственно в зоне осветления стекломассы образуются как очень мелкие, так и крупные газовые пузыри. По данным [4, 5], для воздействия на очень мелкие газовые пузыри с целью их коагуляции и ускоренного всплывания требуется диапазон частот от 3000 до 20 000 Гц - приближающегося к ультразвуковому диапазону. При этом рекомендовано использовать ультразвуковые волноводы. Однако для воздействия на более крупные газовые пузыри требуются уже более низкие частоты.
Действительно, в соответствии с данными [8] резонансная частота, обеспечивающая эффективное воздействие акустических колебаний на газовые пузыри равна
с
ч
где R - радиус газовых пузырей; ν - коэффициент кинематической вязкости среды; ρ и ρ - плотности среды и газа в пузырях, соответственно.
Как следует из данного уравнения, с ростом квадрата радиуса газового пузыря, требуются по условию коагуляции более низкие резонансные частоты.
Более низкие частоты обеспечиваются звуковыми излучателями, в частности, газоструйными акустическими излучателями, работающими в диапазоне частот 100-4000 Гц [6].
Таким образом, в данных специфических условиях - отсутствия универсального по всему диапазону частот акустического излучателя требуется использование для коагуляции и удаления пузырей из стекло-расплава комбинации двух акустических излучателей, работающих как в звуковой, так в ультразвуковой области частот.
Для наиболее эффективного воздействия акустического излучения на газовые пузыри в стекломассе ультразвуковой и звуковой акустические излучатели размещены в объеме стекломассы таким образом, чтобы оси симметрии корпусов обоих волноводов были перпендикулярны поверхности стекломассы (см. рис. 1). При этом обеспечивается наибольший охват объема стекломассы для одновременного комбинированного воздействия двух акустических излучателей на газовые пузырьки.
По данным [4, 5] расстояние от корпуса волновода ультразвукового акустического излучателя, на которое распространяется действие акустических колебаний на газовые пузырьки в объеме стекломассы не превышает H=120-125 мм. Так как в данном варианте звуковой акустический излучатель наиболее эффективно воздействует на уже укрупненные газовые пузыри за счет воздействия ультразвукового акустического излучения, то его расположение должно быть ограничено указанным расстоянием, т.е. корпуса волноводов не должны быть расположены на расстоянии друг от друга более L=120-125 мм (см. рис. 1).
Однако при меньшем расстоянии L затруднено конструктивное размещение элементов устройства и ограничивается объем обработки стекломассы.
Поэтому расстояние L=120-125 мм является в данном случае наиболее приемлемым.
Для обеспечения активного воздействия на газовые пузыри, укрупненные при работе ультразвукового акустического излучателя, его торец волновода расположен таким образом, чтобы укрупненные всплывающие пузыри могли сразу же дополнительно подвергаться воздействию звуковых акустических колебаний для дополнительного укрупнения и интенсификации всплывания. Для этого обеспечен наибольший контакт звукового акустического излучателя с всплывающими укрупненными газовыми пузырями и торец звукового излучателя расположен в зоне действия ультразвукового акустического излучателя - в пределах величины H=120-125 мм от торца ультразвукового акустического излучателя. При этом все укрупненные под действием ультразвукового излучения газовые пузыри в зоне его действия H=120-125 мм находятся под воздействием звуковых колебаний и дополнительно укрупняются. При определенной площади зоны осветления стекловаренной печи расположение ультразвукового и звукового акустических излучателей представит собой ряд пар чередующихся таким образом акустических излучателей.
Для фиксации указанных размеров устройства (L и H на рис. 1) корпуса волноводов жестко соединены между собой двумя жароупорными стяжками - наружной по отношению к поверхности стекломассы и погружаемой в стекломассу.
Таким образом, обеспечена жесткость всей единой конструкции устройства, фиксация его важнейших конструктивных размеров, что особенно важно при погружении устройства в стекломассу и при его функционировании в сложных условиях расплавленной массы стекла.
На рис. 1 представлено устройство, реализующее данный способ. Оно включает: 1 - расплав стекломассы в зоне осветления, 2 - ультразвуковой акустический излучатель; 3 - звуковой акустический излучатель; 4 - подвод электроэнергии; 5 - магнитострикционный преобразователь; 6 - ультразвуковой волновод; 7 - корпус волновода - жароупорный чехол; 8 - трубопровод подачи рабочего газа; 9 - трубопровод отвода рабочего газа; 10 - газоструйный акустический излучатель; 11, 12, 13 - соответственно, сопло, резонатор и рефлектор газоструйного акустического излучателя; 14 - волновод; 15 - перфорированную газоподающую трубу; 16 - наружную по отношению к поверхности стекломассы жароупорную стяжку и погружаемую в стекломассу жароупорную стяжку 17.
Устройство работает следующим образом.
В расплав стекломассы в зоне осветления 1 помещаются акустические излучатели ультразвуковой 2 и звуковой 3. Ультразвуковой акустический излучатель 2 снабжен подводом электроэнергии 4, магнитострикционным преобразователем 5, волноводом 6 и корпусом волновода - защитным чехлом 7 из жароупорного материала для обеспечения акустического воздействия на стекломассу 1 в ультразвуковом диапазоне частот - до 20000 Гц и выше. Звуковой акустический излучатель 3 снабжен трубопроводами подачи 8 и отвода 9 рабочего газа, например, компрессорного воздуха к газоструйному акустическому излучателю 10. Звуковой газоструйный акустический излучатель имеет сопло 11, резонатор 12 и рефлектор 13 для обеспечения генерации звуковых акустических колебаний в диапазоне частот 100-4000 Гц. Перфорированная охлаждающая труба 15 обеспечивает передачу акустических колебаний струями рабочего газа через ряды отверстий на корпус волновода 14 и одновременно создает защиту корпуса волновода 14 от перегрева путем охлаждающего действия струями рабочего газа, набегающих на внутреннюю стенку корпуса волновода 14.
При этом корпуса волноводов ультразвукового 1 и звукового 2 акустических излучателей перпендикулярны поверхности стекломассы и параллельны друг другу, причем расстояние между их корпусами не превышает величину L=120-125 мм. Уровни взаимного расположения корпусов волноводов в расплаве стекломассы определены таким образом, что торец ультразвукового акустического излучателя располагается на расстоянии H=120-125 мм ближе к уровню поверхности стекломассы по сравнению с уровнем торца звукового акустического излучателя (при этом корпус волновода ультразвукового акустического излучателя находится в пределах длины корпуса звукового акустического излучателя).
Корпуса волноводов 2 и 3 жестко соединены между собой жароупорными стяжками: 16 - над поверхностью стекломассы и 17 - внутри стекломассы, что обеспечивает выполнение требований к фиксации основных конструктивных размеров и единство самой конструкции устройства (см. размеры L и H на рис. 1) при погружении устройства в стекломассу и в процессе его эксплуатации.
При этом наиболее эффективным является активное воздействие на газовые пузыри, так как укрупненные под действием ультразвуковых колебаний газовые пузыри сразу же подвергаются дополнительному воздействию звуковых колебаний, что обеспечивает их дополнительное укрупнение, интенсивное всплывание, ведущее к ускоренному осветлению стекломассы.
Дополнительно рабочие и эксплуатационные параметры устройств соответствующих акустических излучателей приведены в [4, 5] и [6].
Устройство обеспечивает интенсификацию коагуляции и удаления газовых пузырей из расплава стекломассы в зоне осветления, уменьшение времени процесса осветления, экономию энергетических ресурсов и повышение производительности стекловаренных печей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. Справочное издание. В 4-х кн. Кн. 2 / Под ред. В.Г. Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2005. - 912 с.
2. Дзюзер В.Я., Швыдкий B.C. Проектирование энергоэффективных стекловаренных печей / Под ред. В.Я. Дзюзера. - М.: Теплотехник, 2009. - 340 с.
3. Лисиенко В.Г., Крюченков Ю.В., Гущин C.H., Кутьин В.Б. Стекловарение: теплотехника, моделирование, управление и экология / Под ред. В.Г. Лисиенко. Екатеринбург: РУО АНН, 2010. - 452 с.
4. Киселев В.Н., Панкова Н.А. Осветление стекломассы в прямоточных стекловаренных печах // Стекло и керамика, 1984, №12. - С. 8-10.
5. Панкова Н.А., Живило И.Г. Возможная интенсификация осветления стекломассы с помощью ультразвука // Сб. научных тр. «Исследование по рациональному использованию сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в стекольной промышленности». М.: 1984. - С. 62-76.
6. Лисиенко В.Г. Волновод для осветления стекломассы. Патент на изобретение РФ №2476387. Заявл. 20.05.2011; опубл. 27.02.2013.
7. T.N. Erpelding, K.W. Hollman, M.О. Donnell. Bubble-Based Acoustic Radiation Force Elastic Imaging // IEEE Translation on Ultrasoncs, Ferroelectrics and Frequency Control. Vol. 52, 2005, No. 6. - P. 971-979.