Προσομοίωση φαινομένων ροής και μεταφοράς σε λεκάνη τήξης γυαλιού

Abstract

Η παραγωγή γυαλιού στηρίζεται ακόμη και στις μέρες μας στην πρακτική εμπειρία και πολύ λίγο στην βαθύτερη επιστημονική γνώση. Στην προσπάθεια μείωσης του κόστους παραγωγής με παράλληλη αύξηση της ποιότητας της διεργασίας πρέπει να χρησιμοποιηθούν μαθηματικά μοντέλα γιατί μόνο αυτά μπορούν να επιτρέψουν χρήσιμα συμπεράσματα που να οδηγήσουν σε καινοτόμες επανασχεδιάσεις του υαλουργικού κλιβάνου. Η διατριβή αυτή αφορά στην μελέτη των φαινομένων ροής και μεταφοράς της υαλομάζας μέσα στην λεκάνη τήξης των πρώτων υλών σε υαλουργικούς κλιβάνους. Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε και που περιλαμβάνει την ροή και τα φαινόμενα μεταφοράς τόσο της υαλομάζας που μπορεί να θεωρηθεί συνεχές μέσο, όσο και των φυσαλίδων και κόκκων άμμου που αποτελούν μια διακριτή φάση, αποδείχτηκε ακριβές τόσο σε σχέση με άλλα αριθμητικά αποτελέσματα όσο και με την σύγκριση με πειράματα φυσικής συναγωγής που πραγματοποιήθηκαν στο Εργ. Ρευστομηχανικής & Στροβιλομηχανών του ΠΘ. Οι προσθήκες μαθηματικών μοντέλων όπως αυτό της επεκταμένης προσέγγισης Boussinesq, της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία με χρήση του μοντέλου διάχυσης ή του μοντέλου Ρ1, και της χημείας των συστατικών της υαλομάζας, καθώς και αριθμητικών μοντέλων όπως το σχήμα διακριτοποίησης QUICK, έδωσαν πρωτόγνωρες εμπειρίες. Το κύριο βάρος της εργασίας, που καθρεφτίζει και τα βαθύτερα ερευνητικά ενδιαφέροντα του γράφοντα, δόθηκε στην κατανόηση της ροής και των φαινομένων μεταφοράς στην υαλομάζα, στη ροϊκή και θερμική βελτίωση της τήξης της υαλομάζας, και τέλος στη προσθήκη δευτερευόντων μαθηματικών μοντέλων όπως αυτό της κίνησης και διάλυσης των κόκκων άμμου και των φυσαλίδων. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται και συζητούνται στη παρούσα διατριβή περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων κείμενα πρακτικών διαφόρων συνεδρίων, μελέτες που έχουν σταλεί για δημοσίευση και που βρίσκονται υπό ολοκλήρωση για να δημοσιευτούν. Στο τέλος, δίνονται αποτελέσματα που βρίσκονται στο στάδιο της ολοκλήρωσης. Η κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της υαλομάζας και οι επιπτώσεις που επιφέρει στην διαμόρφωση της ροής, των ανακυκλοφοριών και της μετάδοσης και κυρίως της διείσδυσης της θερμότητας στην υαλομάζα αποτελεί το βασικότερο θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διατριβή. Έγινε συσχέτιση των γεωμετρικών παραμέτρων της λεκάνης τήξης με βασικές για την ροή της υαλομάζας παραμέτρους όπως ο αριθμός Prandtl που είναι πολύ υψηλός, ο αριθμός Rayleigh που καθορίζεται από τις διαφορές θερμοκρασίας στην επιφάνεια της λεκάνης και οι απώλειες θερμότητας από τα τοιχώματα. Η συσχέτιση οδήγησε σε σαφή συμπεράσματα στα οποία περιλαμβάνονται τόσο ο προσδιορισμός του ροϊκού και θερμοκρασιακού πεδίου που δημιουργείται κατά περίπτωση όσο και της βέλτιστης κατανομής της θερμοκρασίας στην επιφάνεια. Έτσι, η παρούσα μελέτη δεν περιορίζεται μόνο σε θεωρητικά αποτελέσματα, αλλά τα αποτέλεσμα της μπορούν να εφαρμοστούν στην πράξη για να βελτιώσουν την διαδικασία της τήξης των πρώτων υλών και την ποιότητα του παραγόμενου γυαλιού. Εκτός από την μελέτη της βασικής ροής και της μετάδοσης θερμότητας στην υαλομάζα έτσι όπως γίνεται στους υαλουργικούς κλιβάνους, μελετήθηκε και η πιθανότητα περαιτέρω βελτίωσης της διαδικασίας με την προσθήκη επιπλέον διατάξεων. Με βάση την κατανόηση της δυσκολίας κίνησης της υαλομάζας λόγω του πρακτικά ασύμφορου θερμοκρασιακού πεδίου (ζεστό επάνω), η πρώτη σκέψη ήταν ότι οποιαδήποτε θέρμανση από κάτω σίγουρα θα ενίσχυε την ροή της υαλομάζας. Η λύση της θερμαινόμενης λωρίδας και έπειτα του θερμαινόμενου πρίσματος τοποθετημένων στον πυθμένα της λεκάνης δεν άργησε να προκύψει. Με βάση την μελέτη που παρουσιάζεται, και οι δύο μέθοδοι βοηθούν πάρα πολύ την ροή και την θέρμανση της υαλομάζας, και μέσα από τις παραμετρικές μελέτες που παραθέτονται ποσοτικοποιείται αυτή η επίδραση. Η παρακολούθηση της τροχιάς και της απορρόφησης των φυσαλίδων διαφόρων αερίων που είναι διαλυμένα στην υαλομάζα και των κόκκων άμμου των πρώτων υλών αποτελεί επίσης ένα σημαντικό μέρος των αποτελεσμάτων αυτής της διατριβής, που λόγο του διακριτού τρόπου που υλοποιήθηκε αποτελεί και μια μεγάλη πρωτοτυπία. Ανάλογα με την θέση, το μέγεθος, την ποσότητα, την θερμοκρασία και την ένταση της ροής της υαλομάζας παρακολουθούνται να διαλύονται στο τήγμα, να εγκλωβίζονται στις ανακυκλοφορίες, να αναδύονται ή τέλος να αποβάλλονται προς τον θάλαμο επεξεργασίας και έτσι να καταλήγουν στο τελικό προϊόν.