浮法玻璃生產線中錫槽通風的作用及其CFD模擬

胡家楨

(中國建材國際工程有限公司，上海 200063)

玻璃行業是社會生活生產的重要組成部門，應用在人民生活的方方面面。而人民生活品質的提高和社會建設水平的不斷發展都對玻璃行業提出了更高的要求，尤其是特種玻璃和玻璃深加工產業基本形成，使平板玻璃廠的玻璃原片質量變得尤為重要。

錫槽是每條浮法玻璃生產線的核心，也是決定性的質量因素。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，玻璃帶以成型和預硬化的狀態離開錫槽。錫槽作為浮法玻璃的關鍵成型設備，其平穩高效運行是浮法玻璃正常生產的必要先決條件，是高成品率和長期運行的保障。

1 錫槽通風

錫槽通風系統是錫槽溫度控制和安全生產的一個重要環節。安裝在錫槽風機房的離心通風機主送風，輔以軸流風機，通過鋼制或混凝土主風道送至分流管的各個支風管處用于錫槽槽底鋼結構框架梁、槽底底殼鋼板和錫槽底磚等的冷卻。錫槽通風設計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、中溫區、低溫區用于冷卻的分流管截面面積逐級遞減，單位面積支風管數目遞減。離心通風機數量視錫槽規格、冷卻強度、地理位置、玻璃規格等多項因素綜合考慮可采用三臺風機二用一備、四臺風機三用一備等。由于錫槽高溫區所需冷卻風量較大，故主風道進風口更傾向于設置在高溫區附近。

作為錫槽通風氣體輸入設備的離心通風機無論是采用電機直聯型、皮帶傳動型還是聯軸器傳動型，其動力都源自于電動機。在實際使用時，電機運動并非是理想的勻速圓周運動，而是受到切向力和徑向力的非圓周運動：其中切向力產生切向振動，徑向力產生徑向振動。在實際生產時，此類振動會由固體傳導至槽底鋼結構進而造成錫液的振動，從而影響玻璃質量，造成經濟損失，所以在錫槽通風設計時需采取減振措施。

通用的減振措施有減振、隔振、阻振三個大類，其中隔振與阻振需要增加外部設備。故考慮到經濟效益，在錫槽通風設計中減振措施不采用隔振與阻振，而是通過增設風機減振基礎、風機與主風道間設帆布軟連接，從而避免風機的振動影響錫液。

同時，在錫槽通風設計時還應該考慮到錫槽收縮段后，錫槽底殼抬起，此處錫槽冷卻風風嘴與底殼距離應與抬起前保持一致，即底殼抬起后支風管應該加長。

2 CFD模擬

2.1 主風管的幾何模型

在錫槽通風設計時，通常采用截面為正方形的主風道，也有個別采用截面為圓形的風道，利用ANSYS軟件建立了如下三個截面不同的主風道模型，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的圓柱形風道B；半徑為1 m，長度為50 m的圓柱形風道C。三者均從左側端頭均勻進風，進風量為200 000 Nm3/h，風壓為1 800 Pa。其余條件均一致。

2.2 網格劃分及邊界設置

對上述幾何模型進行網格劃分時，采用幾何尺寸為100 mm的結構化網格模型。方形及圓柱形主風道網格化示意見圖2。

數值模擬按照離心通風機滿負荷工況下進行計算，入口邊界條件設置為均勻入口，風壓指的是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，根據伯努利方程可以得出，離心式風機風量、風壓、風速的關系如下

Wp=0.5·r0·v2

(1)

其中，Wp為風壓，kN/m2；r0為空氣密度，kg/m3；v為風速，m/s。由于空氣密度r0與重度r的關系為

r=r0·g

(2)

將式(2)帶入式(1)可得Wp=0.5·r·v2/g

(3)

即標準風壓公式。在氣壓為101.325 kPa，溫度為15 ℃時，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。

出口邊界條件設置為出流邊界，計算模型采用標準k-epsilon湍流模型，邊界參數設置見表1。

表1 邊界參數

2.3 模擬結果及分析

建立模型并確定邊界條件后，壓力速度耦合方案選擇Coupled，梯度設置Least Sqares Cell Based，壓力設置Second Order，動量設置Second Order Upwind，湍流消散率設置First Order Upwind，迭代次數選擇500次，運行計算完成模擬。

在ANSYS中利用Fluent對壓力進行模擬，在左側端頭進風且不考慮主風道的出風口時，主風道靜壓模擬如圖3所示：在進風口空氣流速相同時，圓柱形風道壓降遠大于方形風道；圓柱形風道半徑與壓降成反比。

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

3 結 語

錫槽通風系統通過降低槽底鋼板溫度、調節橫向溫差等有效提高錫槽整個體系的穩定性，從而使玻璃生產平穩有序進行。利用ANSYS模擬冷卻風在主風道中的流動情況，與實際生產經驗相結合，加速工藝設置和工藝優化，在錫槽的整個生命周期中發揮重要作用。比較壓力分布與速度分布可得，方形主風道壓力損失更小，且進風口置于錫槽入口處對高溫區冷卻更為有利。