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低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 摘要 摘要 对玻璃进行钢化，可显著地提高其强度，随着建筑节能要求的提 高，l o w e 玻璃得到大量应用。由于l o w e 玻璃表面辐射特性，在 钢化加热过程中，采用传统的工艺难以使玻璃板加热均匀，使得产品 质量存在缺陷，如白色斑痕与光学缺陷、大的不均匀碎块、玻璃翘曲 不稳定、鞍形和弧形、辊波状、端部翘曲和膜层烧损、以及炉内弯曲 等。国外采用对流换热技术以弥补全辐射加热的不足。我国目前对该 技术尚未掌握。本文通过数学模型、物理模型以及玻璃应力测试三方 面工作，对l o w o e 玻璃的钢化过程进行了研究，本文的主要工作包 括： 1 根据传热理论，研究了l o w e 玻璃表面辐射性。对l o w e 玻璃板 建立了二维导热模型，由于传动辊在钢化加热中对玻璃温度场影 响很大，所以同时也对传动辊建立了二维导热模型，首次在国内 对两者耦合求解，互为边界条件。应用封闭腔理论对钢化炉加热 空间辐射热流分布进行数值模拟，以此为玻璃板上部边界条件， 并计算比较了普通透明玻璃和l o w - e 玻璃在全辐射与辐射一对流 条件下的温度分布。 2 根据相似理论，设计、制作了水平钢化炉的物理模型，首次在国 内对其内部气流分布进行了研究。用p i v 技术测定气流的速度分 布，研究了不同流量下对气流分布均匀性的影响。对钢化玻璃而 言，玻璃温度的均匀性是极其重要的，而采用对流技术的目的就 是要保证气流的均匀性。 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传熟研究 3 选用美国g u a r d i a n 公司镀膜玻璃在意大利i a n u a 公司和芬兰 t a m g l a s s 公司的钢化炉内，用不同操作参数进行钢化处理，制 得了样品，使用s m 1 0 0 型定量应力仪对透明玻璃和l o w e 玻璃 进行了应力测定。 通过数学模型，加深认识到对流换热的重要性，搞清了对流换热 系数和加热气体温度等参数对钢化操作的意义。通过物理模型，认识 到气流分布均匀性的重要性，经过计算，获得了对流换热系数。通过 应力测量，认识了全辐射和对流辐射条件下玻璃内应力状况，为今 后工艺操作奠定检测基础。 经过本研究，可知对流换热技术在钢化炉内的应用前景广 阔，能解决全辐射加热所引起的质量问题。 i i a b s t r a c t t h eg l a s ss t r e n g t hw i l lb ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yt h r o u g ht e m p e r i n g a st h er e q u i r e m e n t sf o re n e r g ys a v i n g si nb u i l d i n g sa r er a i s e dt oah i 曲 l e v e l ，l o w eg l a s sw a su s e dw i d e l y o w n i n gt o i t ss u r f a c er a d i a t i v e c h a r a c t e r i s t i c ，t h el o w - eg l a s sw i l ln o tb ee v e n l yh e a t e du pb yt r a d i t i o n a l o p e r a t i n gc o n d i t i o nw h e nt e m p e r i n g t h i sw i l lr e s u l td i r e c t l yi nw h i t eh a z e a n do p t i c a lf a i l u r e ，l a r g e u n e v e nf r a g m e n t a t i o n ，g l a s sb e n d i n gu n s t a b l e ， s a d d l ea n do d ed i r e c t i o n ，r o l l e rw a v e ，e n dc u r v i n g ，c o a t i n gb u m ，a n dg l a s s b e n d i n gi nt h ef u m a c e a l t h r o u g hc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rw a sa d o p t e d w i d e l yi nt h ew o r l d ，t h i st e c h n o l o g yi ss t i l lh a v en o tb e e ng r a s p e di no u r c o u n t r y i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s so fl o w - eg l a s st e m p e r i n gw a ss t u d i e d t h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，p h y s i c a lm o d e l i n ga n dt h e r m a ls t r e s s m e a s u r e m e n t s t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1b a s e do nt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r , t h es u r f a c er a d i a t i v ec h a r a c t e r i s t i c o fl o w eg l a s sw a ss t u d i e d t w od i m e n s i o n a lu n s t e a d i e ds t a t eh e a t c o n d u c t i o nm o d e lo fl o w eg l a s sp l a t ew a ss e tu p s i n c et h ee f f e c to f c o n v e y i n g r o l l e rt o t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni n g l a s s c a n n o tb e n e g l e c t e d ，t h et w od i m e n s i o n a lu n s t e a d i e ds t a t eh e a tc o n d u c t i o nm o d e l o fc o n v e y i n gr o l l e rw a ss e tu p i ti sf i r s tt i m ei no u r c o u n t r yt h a tt h e s e t w oe q u a t i o n sb es o l v e ds i m u l t a n e o u s l ya s b o u n d a r yc o n d i t i o n sf o r 1 1 1 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 a b s t r a c t e a c ho t h e r b ye n c l o s u r et h e o r y , t h er a d i a t i v eh e a tf l u xd i s t r i b u t i o ni n t e m p e r i n gf u m a c ew a ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t sw i l lb ea s b o u n d a r yc o n d i t i o nf o rg l a s st o ps u r f a c e m e a n w h i l et h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fc l e a rg l a s sa n dl o w - eg l a s sw a sc a l c u l a t e da n d c o m p a r e du n d e rb o t hr a d i a t i v ea n d r a d i a t i v e c o n v e c t i v ec o n d i t i o n s 2b a s e do i l s i m i l a r i t y o fc r i t e r i a ，t h e p h y s i c a lm o d e lo fh o r i z o n t a l t e m p e r i n gf u r n a c ew a sd e s i g n e da n dm a d eu p i ti s f i r s tt i m ei no u r c o u n t r yt h a tt h ef l o wd i s t r i b u t i o no fg a si nf u r n a c ew a ss t u d i e d b yp i v t e c h n o l o g y , t h ev e l o c i t yo fg a sw a sm e a s u r e dt os t u d yt h ee v e n n e s so f f l o wd i s t r i b u t i o no fg a su n d e rd i f f e r e n tf l o wq u a n t i t y i ti sv e r y i m p o r t a n tt ok e e pt h eg l a s st e m p e r a t u r ee v e n l y t h ep u r p o s e o f i n t r o d u c i n gc o n v e c t i v et e c h n o l o g yi st ok e e pt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o n i nf u r n a c e e v e n l y 3t h ec o a t e dg l a s sp r o d u c e db yg u a r d i a no fu s aw a sc h o s e nt ob e t e m p e r e di ni n h u ao fi t a l ya n di nt a m g l a s so ff i n l a n du n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fb o t hc l e a rg l a s sa n dl o w eg l a s s s a m p l e su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sm e a s u r e db ys m - 1 0 0 s t r e s sm e t e r i n c o n c l u s i o n ，t h ei m p o r t a n c eo fc o n v e c t i v eh e a t i n g i sf u r t h e r u n d e r s t o o d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n o p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c h a s c o e f f i c i e n to fc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ra n dt e m p e r a t u r eo fg a si sr e a l i z e d t h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ee v e n n e s so ff l o wd i s t r i b u t i o no fg a si n i v 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 a b s t r a c t f u r r l a c e i sr e a l i z e da n dt o e f 葑c i e n to fc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rw a s o b t a i n e df i r s tt i m et h r o u g hp h y s i c a lm o d e l t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fb o m c l e a r g l a s s a n dl o w - e g l a s ss a m p l e s u n d e rf u l l r a d i a t i v ea n d c o n v e c t i v e r a d i a t i v ec o n d i t i o n sw a su n d e r s t o o d a n dt h i sw i l lb ea sa m e a s u r e m e n tb a s i sf o rt e c h n o l o g i c a lo p e r a t i o n t h eq u a l i t yp r o b l e mt h a to f l o w eg l a s sc a u s e db yf u l l - r a d i a t i v eh e a t i n gc a nb es o l v e dt h r o u g ht h e t e c h n o l o g yo fc o n v e c t i v eh e a t i n g v 低辐射镀膜玻璃对流车昌射钢化过程的传热研究 第一章 第一章绪论 1 1引言 近年来，玻璃工业越来越注重玻璃的后期加工，在加工领域的开 发工作中，有很大一部分集中在玻璃的钢化工艺上。 对玻璃进行钢化，可以显著地提高其强度。物理钢化就是将玻璃 制品加热到转变温度t g 以上5 0 6 0 。c ，然后在冷却介质中急速均匀冷 却。在这过程中，玻璃的内层和表面层产生温度梯度，由此引起的应 力由于玻璃的蠕变而被松弛，冷却到最后，温度梯度逐渐消失，松弛 的应力即转化为永久应力，造成玻璃表面均匀分布的压应力层。 随着玻璃被大量地应用到建筑物等公共场合，安全法规要求这些 玻璃都必须经过钢化。在八十年代末和九十年代初，由于建筑节能的 需要，对低辐射率玻璃( l o we m i s s i v i t yg l a s s ，简称l o w e 玻璃) 的市场需求急速增加。德国在1 9 9 5 年1 月以法律形式确定的“能源 保护规则”( e c r 9 5 ) 使该类玻璃的应用得到广泛推广，在欧洲的大 部分国家，有关安全法规和建筑标准中都规定公共建筑物及高层办公 楼必须使用经钢化的l o w e 玻璃。随着人们对l o w e 玻璃的认识不 断深化，其使用数量在全球每年都在上升乜1 。由于l o w e 玻璃与普 通玻璃在传热过程中有各自不同的特点，所以在钢化过程中对设备和 操作也有不同的要求。 1 2 玻璃的传热特性 玻璃作为一种透明或半透明的非晶体材料，在传热过程中，表现 低辐射镀膜玻璃对流j 蕃射钢化过程的传热研究 出其独特的性能。 玻璃具有近程有序、远程无序的结构，在讨论它内部的传热机理 时，通常近似地把它当作只有几个晶格间距大小的极细晶粒组成的 “晶体来处理。其热传导可以看成是声子相互作用和碰撞的结果， 可用声子导热来描述玻璃的导热行为。同时，玻璃对可见光和红外部 分是透明或半透明的，当其受到外界热量时，其内部产生较高频率的 电磁辐射能，它与热力学温度的四次方成正比，这种传热过程称为光 子导热。在中低温以下，光子导热的影响很小，透明玻璃在室温下的 光子导热占总传热量的1 0 左右3 ，在高于3 0 0 c 左右时，两种导热 对总的传热贡献近乎相等。随着温度不断升高，声子导热系数趋于常 数，而光子导热的作用不断增大，玻璃内部发生容积辐射。r o s e l a n d 瞳3 首先提出把辐射传热过程化为导热来处理，综合声子导热和光子导热 共同作用的导热系数，被称为玻璃的有效导热系数，其值随温度升高 而增大。 普通透明玻璃具有很高的辐射率，它能很好的吸收热辐射能。在 普通玻璃的表面镀上具有低辐射性能的薄膜，就制成l o w e 玻璃。 薄膜可分为单层和多层膜系，薄膜材料可分为金属和化合物两大类 型。在i n 。0 。中掺入n i l 。f 称为i o f 膜，在s n o ：中掺入氟化物( n h 伊) 称为t o f 膜，这些组分被大量地用作l o w e 玻璃的镀膜1 。l o w e 玻璃的光学特性受薄膜材料的类别、膜层的层数以及膜层的厚度影响 1 ，一般用作l o w - - e 玻璃的多为多层膜系，一种以镍为膜层材料的 镀膜玻璃在经过钢化后，可透过7 6 的可见光，其半球辐射率小于 低辐射镀膜玻璃对流辐射钢化过程的传热研究第一章 0 1 6 ，法向辐射率约为o 1 2 口1 。但不是所有的低辐射率膜层都能随玻 璃经钢化处理的阴1 ，p p g 公司阳3 研制的一种以金属为膜层材料的镀膜 玻璃，其最高退火温度为5 3 8 。c 。 l o w e 玻璃最显著的特性是对远红外辐射具有高反射率，对近红 外辐射反射率低，对可见光透过率高，其典型的光谱曲线见图卜1 n 引。 在建筑物中使用l o w e 玻璃后，阳光中的可见光部分可透过，起到 采光作用，而能产生热效应的大部分红外辐射被挡在窗外。同样道理， 当室内温度高于室外温度时，室内温度较高的物体、墙体发射的远红 外线遇到窗上的l o w e 玻璃，则有9 0 左右反射回室内，起到保温 作用。 图卜1 玻璃的光谱曲线 r ( l e ) r e f l e c t i v i t yo f l o w - - eg l a s s ：t ( l e ) t r a n s m i t t a n c eo f l l a 啊一eg l a s s ： rt f ) r e f l e c t i v i wo f f l o a t g l a s s ：t ( f ) t r a n s m i t t a n c eo f f o a tg l a s s 从i n t e r n e t 上诸多经销l o w e 玻璃的网站可以了解到，很 多生产商根据客户的不同用途，如用在种植暖房或高层建筑中，提供 不同性能的l o w - - e 玻璃产品。由于l o w - - e 玻璃表面的改性，使其在 受到辐射传热时，其受热的状态会发生很大的变化，这种表面在传热 学里被称为“光谱选择表面川1 1 l 。 低辐射镀膜玻璃对湘辐射钢化过程的传热研究 1 3全辐射加热引起的问题 在全辐射水平钢化炉内加热玻璃时，其热源来自炉项和炉底的电 热元件，镍铬电阻丝通常被安装在金属矩形管内，通过管璧向玻璃辐 射热量。玻璃平放在传动辊上，通过辊的转动被送入炉内。 为能钢化大尺寸的平板玻璃，炉内电热元件一般尽可能排满炉顶 和炉底。玻璃在室温下被送入炉内时，受到电热元件的辐射传热和传 动辊对所接触玻璃的导热。由于炉温一般在7 0 0 左右，传动辊的温 度较高，此时玻璃通过导热得到的热量较大，使得玻璃下表面温度高 于上表面温度，在玻璃板的厚度方向造成不对称温度分布，玻璃立即 弯曲，边部上翘。此时，重量集中在玻璃板中部，形成辊印。不均匀 加热还会引起玻璃中心部位出现白斑，在钢化夹层玻璃的基片时，这 问题就更为严重。 l o w e 玻璃是在普通玻璃的单侧表面进行镀膜，钢化时，镀膜 表面朝上被送入钢化炉。从传热的角度分析，为了保证玻璃被均匀加 热，就要求加热时，通过玻璃上、下两个表面向玻璃内部的传热速率 保持一致。电加热元件主要通过辐射方式对l o w e 玻璃加热，其红 外辐射投射到物体上会产生明显的热效应，是热射线的主要组成部 分。据分析，在工程上所常遇到的温度范围内，例如在1 4 0 0 k 以下， 物体热辐射能量的9 0 以上在红外波段n 引。而l o w e 玻璃的辐射率 不均衡，玻璃的下表面具有很高的辐射率，为0 9 左右，在吸收大量 热量后，表面温度升高，有效导热系数增大，使热量进一步向内部传 递。而镀膜一侧辐射率可低至0 卜0 2 3 ，其反射了大量的红外辐射 低辐射镀膜玻璃对流偶射钢化过程的传热研究 第一章 能，使热辐射不易通过表面传递到玻璃内部。玻璃两侧受到不均衡加 热，既降低了钢化过程的速度，延长了加工时间，还使得玻璃在加工 过程发生弯曲，造成l o w e 玻璃存在以下质量缺陷：白色斑痕与光 学缺陷、大的不均匀碎块、玻璃翘曲不稳定、鞍形和弧形、辊波状、 端部翘曲和膜层烧损、以及炉内弯曲等n 。 为了解决上述问题，玻璃工业界在钢化炉中引入了强制对流换 热的技术n 副，与传统的电加热系统相比，在更低的加热温度下就能更 快地，更均匀地加热玻璃，降低了能耗，同时也有助于改进l o w e 钢化玻璃的光学特性和表面质量。 1 4辐射一对流加热工艺原理 固态平板玻璃内部一维方向的传热过程，可表示为 掣一孙t a r ( x , t ) 叫( 式1 - 1 a 缸k 氖 j l 氏 ) 式中：p 一密度；c 一比热；t 一温度；t 一时间；x 一玻璃内部一维空间坐 标；k 一玻璃导热系数( 声子导热系数) ；f 一辐射通量，由玻璃内部的 辐射热流场定出。根据玻璃有效导热系数k e 的概念，则可去掉f ， 令k 为k e 。 其初始条件为： t ( x ，0 ) = t 。 在钢化炉内装上强制对流换热加热系统之后，传热给玻璃的外界热源 主要是电热元件的辐射热及热气体与其表面的对流换热，如图卜2 所 示。其边界条件为： 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 x = l t _ o t ( 1 , t ) ：g 脚+ 吼p ( ，r ) 一瓦】。 缸 “”“7。1 x = 0 k e o t i ( o _ , t 一) ：g 刎+ 口， t c o , t ) 一瓦】 苏 “ 刚 ( 式1 - 2 ) ( 式t - 3 ) 式中：q 例是玻璃受到的辐射热；q 。和q 。分别为玻璃上、下表面的 对流换热系数，l 为玻璃厚度。 图1 - 2 辐射一对流加热系统示意图 从边界条件分析可知，在辐射型钢化炉内加热l o w e 玻璃时， 炉内强制对流换热量为零，辐射换热占主导地位，由于玻璃上、下表 面的辐射率差异太大，其边界条件的作用也就相差非常大，主要通过 非镀膜侧进行传热。因此，为使玻璃上、下表面热交换的能量保持一 致，在辐射加热的同时，通过对玻璃板的上、下表面引入不同流速的 热气流，即调整其不同的对流换热系数，以补偿玻璃两表面不均衡辐 射率所引起的不均衡加热，起到平衡加热的作用，从而达到玻璃在整 个加热过程中实现均匀传热的目的。 1 5 玻璃水平钢化炉的发展近况 当前国际上拥有该技术的主要是芬兰、美国、意大利等国家，在 这三个国家中最有代表性的是芬兰的t a m g l a s s 公司、美国的 低辐射镀膜玻璃对流豁射钢化过程的传热研究 第一章 该技术，拥有这个领域的第一个专利，该技术的应用范围也从l o w e 玻璃的钢化过程发展到l o w e 玻璃的弯曲和钢化全过程。 玻璃水平钢化炉的主要工艺为如下三种： 1 5 1 全电热辐射加热 辐射加热方式的热源来自炉项和炉底的电热元件，镍铬电阻丝通 常被安装在金属矩形管内，通过管璧向玻璃辐射热量。玻璃平放在陶 瓷传动辊上，通过辊的转动被送入炉内。设计炉子时，电热元件与玻 璃板之间的距离可根据需要设定。若离得较远时，电热元件般要升 温至8 0 0 9 0 0 0 c ，当靠得较近时，则在6 7 0 7 2 0 之间。从工艺的角 度看，电热元件的参数容易控制，温度的设定也可达到非常精确，炉 型比较简单，整个炉子的投资也少。 普通透明玻璃被送入全电热辐射炉时，在加热初期，玻璃板翘曲 相当严重。这弯曲主要是因为玻璃板上下受热不均匀造成的。传动辊 在炉内处于较高温度，玻璃板在室温下被送入炉内，由于玻璃的重力 作用使传动辊对所接触玻璃的导热显著增加，玻璃板下表面温度急剧 升高，导致玻璃边部向上弯曲，这通常被称为“油罐效应。若钢化 l o w e 玻璃，则翘曲更加厉害。 全电热辐射加热除了引起玻璃板下表面过热外，还会造成玻璃板 边部过热。电热元件通常布满炉顶和炉底，与玻璃靠得很近。由于玻 璃板宽度不可能与炉宽相等，在边部处所受到的辐射源相对较多，而 接受热量的玻璃有限，对厚度较大的玻璃板而言，其接受热量的面积 也相对较大。尽管炉壁处由于散热的存在使得该处炉温较低，但玻璃 低辐射镀膜玻璃对流辐射钢化过程的传热研究第一章 是从室温下进入炉内，两者之间温差很大，辐射换热以热力学温度四 次方的关系进行，边部过热的现象经常发生。 边部过热使边部上翘，在镀膜玻璃的边角部会出现有色应力斑， 影响了成品。边部过热的影响程度取决于炉内温度以及如何控制辐射 传热。通过分别控制电热元件，使辐射热集中在中央部位，可以使玻 璃板的温度分布均匀。 优质钢化对玻璃板均匀加热的要求很高，有时为达到该要求，只 能延长加热时间。用全电热辐射加热生产l o w e 玻璃的加热时间是 生产普通透明钢化玻璃的1 5 0 2 0 0 。在钢化复杂形状玻璃，或有槽、 钻孔的玻璃时，由于该部位应力集中，加热稍不均匀，即发生炸裂。 所以，传统的全电热辐射加热工艺已不能胜任目前的生产要求。 1 5 2 辐射一强制对流加热 为了消除全电热辐射加热所造成的缺陷，在工艺中引入了强制对 流加热的技术。最初的考虑主要是为了消除传动辊导热过快的影响， 芬兰的t a m g l a s s 公司1 1 6 】和美国的g l a s s t e c h t l7 1 公司都在炉顶和 炉底安装了气体管道，热气体从喷嘴直接喷向玻璃板，以对流换热方 式补偿传动辊导热过快引起的不均匀加热，改善了玻璃的质量。对 l o w e 玻璃的钢化要求大大地促进了钢化技术的发展f 1 8 - 1 9 1 ，使大型 镀膜玻璃得以顺利钢化，强制对流技术得到进一步推广。 1 5 2 1 带预热的二级辐射对流炉 t a m g l a s s 公司的这种炉型在八十年代出现在市场上，其主要技 术特征是二级加热系统。玻璃板先被送入第一级全对流炉内进行预 低辐射镀膜玻璃对流骺射钢化过程的传热研究 第一章 热，加热初期是钢化的关键。此时炉内温度保持在3 5 0 4 5 0 c ，该温 度对辐射传热的影响较小，高速流动的热气体通过对流使玻璃板均匀 预热。第一级炉内温度不高，炉子造价也较低。然后玻璃板被送入第 二级辐射一对流炉内进一步加热，炉内温度在6 8 0 7 1 0 ( 2 。辐射传热的 作用是使玻璃板快速而均匀的加热。当玻璃板从预热炉被送往加热炉 时，因为有第一级炉的预热，玻璃板所受到的“热震”效应也大大降 低。 用2 0 0 0 3 0 0 0 6 毫米的皮尔金顿镀膜玻璃在该炉所做的工业试 验显示，玻璃端部弯曲小于o 0 5 毫米，这在所有做试验的玻璃中几 乎是不可测的。整块玻璃沿长度方向弯曲平均为l 毫米，沿宽度方向 弯曲平均为2 8 毫米，质量得到明显的提高。其产量一般是全电热辐 射炉的1 5 1 7 倍。钢化厚度从4 至1 9 毫米的产品均无困难。由于采 用了二级加热，炉子的尺寸较大，占地面积多。同时玻璃在炉内停留 的时间略长些，这有可能导致l o w e 玻璃镀膜层的损坏。 1 5 2 2 辐射对流混合加热炉 意大利i a n u a 公司的辐射对流混合加热钢化炉于1 9 9 6 年正式投 产，其特点是在单级加热炉内使用辐射对流混合加热系统。电热元 件被安装在矩形管道内，通过管壁向玻璃辐射热量，管壁面开有小 孔，气体流经电热元件温度上升后，喷向玻璃表面。炉顶、炉底的加 热原理相同，唯一不同的足，炉底加热时热气体从喷嘴喷出。这主要 考虑到底部有传动辊的存在，使热气体的导向作用更为明显( 图1 3 ) 。 其对流加热系统是密封式的，热气体被循环使用。这种混合加热方式 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 第一章 使玻璃的上、下表面得到均匀加热。整个加热炉分为上下两部分，上 部分由机电式千斤顶提升，便于维修。炉子的保温层由多种保温材料 复合组成，最内层是陶瓷纤维。 气体 图1 3 辐射一对流加热系统示意图 玻璃板上下两个对流加热系统相互独立，电辐射加热元件在炉内 纵向排列，每根加热元件都独立控制，可根据玻璃装载的排列方式及 玻璃品种没定相应的温度控制曲线。当玻璃进炉时，装在上片台与加 热炉之间底部的感光器全自动测量玻璃的长度，其作用是计算玻璃在 炉内最佳传送速度及往复来回的次数，使玻璃得到最佳的均匀加热。 当加热结束时，玻璃正好处于出口位置，使玻璃离开炉子进入淬火段 的运动时问减至最短。 钢化玻璃时所用的一个指标是加热速率，其单位是“秒毫米 ， 意义是加热每一毫米厚玻璃时所需的时间。全电热辐射炉温度约为 7 i o 。c ，加热速率4 0 秒毫米，且当玻璃板厚度从薄向厚改变时，需 等炉温从7 1 0 。c 下降至6 7 0 。c ，才能送厚玻璃入炉，否则厚玻璃可能 1 0 低辐射镀膜玻璃对流偶射钢化过程的传热研究 第一章 在炉内炸裂。而辐射对流混合加热炉的加热速率是3 0 秒毫米，玻璃 板厚度改变不影响操作，可以即刻入炉。 该炉型最大特点是将辐射与对流加热合并在一个炉内完成，占地 紧凑，且能钢化的品种较多，对l o w - e 玻璃的钢化，其加热时间与 加热普通透明玻璃相差不大。 1 5 3 全强制对流加热 g l a s s t e c h 公司的强制对流技术阻2 副，以燃烧天然气的对流加热器 ( f c h ) 为其技术核心。由于采用全对流方式，特别适合钢化l o w e 玻璃。天然气在炉外燃烧后，与部分炉内气体混合，直接喷向玻璃表 面。该技术能在较低温度( 6 7 0 6 9 0 。c ) 就使玻璃加热均匀，它提高 了加热速率，因此减少了玻璃在传动辊上的时间。尤其是能减少玻璃 软化温度与淬火温度之间的时间，这样，就减少了变形的机会，改善 了玻璃的质量。对于镀膜层来说，在高温下停留时间的减少，也就减 少了膜层之间相互扩散的可能性。最近，该公司又设计出一种新工艺 瞳3 l ，在钢化镀膜玻璃时，玻璃上表面采用对流加热，玻璃下表面，即 在传动辊下安装电热元件，采用辐射方式加热。 美国c a t t i n 公司堙钊的强制对流炉足一种非常紧凑的辊式平底炉， 其顶部和底部的炉壳相互对称。由于装有特殊设计的喷管系统，可产 生很强的对流热送到玻璃板的上、下表面，该技术能使循环的热气体 压力损失减少，气体流动速度提高，炉内温度均匀。由于全对流钢化 炉不能设定炉内温度曲线，对操作的要求很高，需要一个很好的控制 系统心5 | 。美国的g r i ( g a sr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 专门研究设计强制 低辐射镀膜玻璃对流辐射钢化过程的传热研究 第一章 对流换热设备汹1 ，研究如何通过控制气体速度来控制加热。 1 6 本论文的研究内容 当前，钢化炉的种类较多。相比较而言，辐射一对流加热技术对 玻璃钢化有着明显的优越性，特别是在处理l o w e 玻璃、有孔和开 槽等特殊规格的玻璃时，比传统的电辐射加热有着更为突出的优点。 目前我国尚未有一条辐射一对流加热钢化生产线，这与国内的钢化产 品以普通透明玻璃为主导有关，随着可热弯、钢化的l o w e 玻璃在 国内市场的大量使用，该技术定会有十分广阔的应用前景。 要在一种类型的炉子内生产出各种不同类型、不同规格的钢化 产品以满足客户的需要，除了对钢化炉的性能要了解外，还要掌握各 类产品在钢化过程中的传热特性，以及传热过程对其质量的影响。从 理论上研究玻璃内部传热的方法较多瞳7 。3 引，有关浮法玻璃在退火窑内 的传热研究也早就开始进行呤 3 6 l ，但研究玻璃在钢化炉内传热的论文 比较少见1 。对流技术的引进使传热问题变得复杂，喷射气流与固体 壁面之间的换热较难处理嘞1 。 在设计钢化炉的加热部分时，要了解玻璃板和炉内环境之问的热 传递过程，对于不同类型的玻璃，炉子的情况也有不同。为了控制钢 化玻璃的热传递过程，在理论上就必须了解玻璃的光谱辐射性质，同 时还要了解炉内的传热情况。对于l 0 w e 玻璃来说，它的钢化过程， 要求在加热循环中均匀恰当地控制热传递，而其中对流传热起着非常 重要的作用。这就要求在理论上研究对流传热，本文通过数值模拟和 物理模拟的方法来来系统研究： 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 1 通过采用数值模拟的方法，研究玻璃在不同的加热方式下的温 度场的分布。 2 通过建立一个钢化炉模型，利用这个模型研究在玻璃钢化炉内 气体流场的变化规律以及对对流换热系数的影响。 3 研究不同的玻璃钢化方式对玻璃钢化质量的影响。 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 第二章 第二章低辐射率玻璃表面热辐射的数值模拟 本章主要研究了l o w - e 玻璃表面的热辐射特性，它是研究玻璃 在钢化过程中，其温度场及应力场分布情况的前期工作，对提高产品 合格率，确定最佳工艺参数有重大意义。 由于建筑节能的需要，低辐射率玻璃( 简称l o w e 玻璃) 被大 量地应用到建筑物等公共场合，为保证安全使用，这些玻璃必须经过 物理钢化处理。即将玻璃制品加热到其转变温度t g 以上5 0 6 0 。c ， 然后在冷却介质中急速均匀冷却，使玻璃表面生成均匀分布的压应力 层。在加热过程中，l o w - e 玻璃与普通透明玻璃的辐射传热情况相差 极大，经常导致玻璃出现各种类型的缺陷。 实际物体的热辐射性质很复杂，方向、波长、表面温度、表面 粗糙度等都对热辐射性质有影响。l o w - e 玻璃是在普通玻璃的单侧表 面镀上具有低辐射性能的薄膜，使该玻璃表面的辐射特性发生很大的 变化。 2 1l o w e 玻璃的热辐射 物体因本身的温度而向外以电磁波的形式发射能量的现象称为热 辐射，热辐射的波谱包括波长自o 1 l a m 到1 0 0 9 m 的所有电磁波【3 9 1 。 其中0 3 8 0 7 6 9 m 是可见光区域，大部分热辐射发生在从紫外区一直 到红外区的范围之内。 l o w e 玻璃根据其表面膜层材料的类别、膜层的层数及厚度， 其半球辐射率一般在o 1 0 2 3 。其光谱曲线显示，对可见光透过率高， 低辐射镀膜玻璃对流辐射钢化过程的传热研究 第二章 对红外辐射具有高反射率，所以在建筑物中使用l o w - e 玻璃后，阳 光中的可见光部分可透过，起到采光作用，而能产生热效应的大部分 红外辐射被挡在窗外。当室内温度高于室外温度时，室内温度较高的 物体、墙体发射的远红外线遇到窗上的l o w - e 玻璃，则有9 0 左右 反射回室内，起到保温作用。 l o w - e 玻璃在辐射加热过程中，其镀膜侧的表面反射了大量的红 外辐射能。而没有镀膜的表面具有普通透明玻璃的性质，辐射率为 0 9 左右。在吸收了大量辐射热量后，表面温度急剧升高。在玻璃厚 度方向造成不均匀温度分布，影响了钢化质量。 对玻璃传热现象的研究，大多数文章都集中在玻璃内部的传热 过程【4 蝴】，而对于玻璃与外界的辐射换热，也通常将玻璃当作灰体处 理( 即与波长无关) 1 4 5 - 4 6 1 。普通透明玻璃的辐射被作为容积现象处理， 而不关注于其表面【4 刀。l o w - e 玻璃显示其镀膜侧表面的辐射特性与波 长密切相关，应属于非灰表面。对漫非灰表面之间的辐射换热， h o t t e l l 4 8 j 在区域法中提出先求单色总交换面积( s is i ) 。，然后在计算 i 区与j 区之间辐射换热量时，对整个光谱曲线进行积分，求得总换 热量。笔者考虑到钢化炉内气体对热辐射而言是透明的，所以采用封 闭空间的谱带模型1 4 9 1 ，并同时结合玻璃既有吸收又有透射的特性，来 研究l o w e 玻璃表面的辐射换热。使模型更确切地反映玻璃辐射传 热的物理过程，为进一步研究l o w e 玻璃的传热特性作好基础工作。 低辐射镀膜玻璃对流毒吾【射钢化过程的传热研究第二章 2 2 玻璃与加热元件之间的辐射换热 2 2 1 普通透明玻璃与加热元件之间的辐射换热 普通透明玻璃与加热元件之间的辐射换热计算可通过封闭腔理论 来实现。将玻璃、加热管、以及玻璃与加热管之间四周的假想面组成 一个封闭空间。为考察不均匀加热对玻璃表面受热的影响，沿纵向分 为多根加热管，每根加热管可以赋以不同的温度或功率，将玻璃板沿 纵向和横向分为多个大小相同的单元。该空间除了玻璃板的n 个计算 单元外，还有加热管和4 个假想面总共n 个表面( 如图2 1 所示) 。 假设： ( 1 ) 该封闭空间的每个表面都是等温的。因为对任何一个非等温表 面，都可以通过不断细分来满足该条件。 ( 2 ) 每个表面发射的和反射的辐射能都是漫分布的。 ( 3 ) 每个表面的有效辐射沿该表面不变。 h e a t i n gt u b e s i m a g i n a r yp l a n e g l a s ss u r f a c 跫 c a l c u l a t i n ge l e m e n t s 图2 1 由玻璃计算单元、加热管及假想面组成的封闭空间 由假设( 2 ) 可知，漫反射表面完全消除了入射辐射原来的方向 性，当它们在该封闭腔的表面之间来回反射时，不必考虑具体的射线。 而且，由于从一个表面离开的辐射等于其所发射的辐射能加上所反射 的辐射能，这样，离开一个表面的辐射通量b ，也满足漫分布( 均匀 低辐射镀膜玻璃对流，辐射钢化过程的传热研究 第二章 的) 。每个表面的有效辐射( 单位面积上离开的辐射流量) b 为： b = e t r t 4 + p h r ( 式2 1 ) 也是漫分布。( 右端第一项为该表面发射的辐射能，为该表面反射 的辐射能) 对封闭腔表面之间的辐射换热进行分析： 封闭腔内所有1 1 个表面的温度t 都给定的情况。分析目的在于确 定每个表面的热流量。 h ：表面单位面积上的入射辐射能。 p ：表面反射率，对于灰体：p ：i 一。 q ：及收翠，对于灰体：q = 等= q ，即表面的辐射热流 & = a t r t , 4 + p h = 舀盯死4 + ( 1 一日) 忍 q _ 4 _ _ ，l - - - 占i o t i 4 一 t c i h i - e ，t r t i 4 - c i h ， 两式联立，消去h i 得： 譬：士( 以4 一屡) 一一 j ，- i ，、 爿，l 一& 、 ( 式2 - 2 ) ( 式2 - 3 ) 要确定给定温度的表面上的热通量，仅需要确定表面的有效辐射。 对于封闭腔中每一个表面，有效辐射b 。为： & = 日仃冗4 + p d - - a = & 仃正4 + ( 1 日) 屈( 式2 5 ) 所以要确定b i ，仅要确定h i 。 投射到表面i 上的辐射通量来自封闭腔的其他表面。考虑来自任 意表面j 的辐射，则a ，f 州即从表面j 投射到a ；上的辐射能流量。 据互换律：a j f 褂；：a f 吐j ，可得知：t r t 4 a f , f - 一4 y 是从表面j 投射到a ；上 1 7 低辐射镀膜玻璃对流媚射钢化过程的传热研究 第二章 的辐射能通量。所以，h i 可表示为： 肌套等芦= 丢n 踊 ( 船6 ) 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 5 ) 得： b f = t z j o t f 4 + ( 1 一刚b j f 肛母 。 _ ，= 1 f ， 对于封闭腔的每个表面都可以写出与此类似的方程。将有效辐射b 1 、 b 2 b n ，看成未知数，便得到了关于b ；的n 个线性代数方程。将 该代数方程组的等式两边都除以( 1 一& ) ，化简方程，得： 威n 2 一瓜+ ( 一西1 ；) b 2 + b 3 f a z 州+ + 碥柏= 一忐竹：4 ( 式2 8 ) 一点历+b溉础+历凡-a：l+-q-1肌一勘：1 冀矾4 ( 式2 - 9 ) 一自 立 用矩阵形式表示： l 1 一自 局2 1 1 ，么一4 l p ，c y t l 4 i ：。一i ，l1 一自i 凡卜胞兄卜出凡卜砌 - b 1 一i 1 7 ：一触忍：一向l 成 l _ ；b 3 一脏一上l 夙 l ： i l，。i i 岛洲目 11 - - 占： ! - j ( 式2 1 0 ) 此线性方程组中只有f ，即角系数未知，若各角系数己知，那么， 解这个线性方程组，便就可求出b ；，然后代入式( 2 4 ) ，求得q a ， 即辐射热流量，最后再确定管壁和玻璃带的温度分布。 譬丛一 乳1翻一l 低辐射镀膜玻璃对流糯射钢化过程的传热研究 2 2 2l o w - e 玻璃与加热元件之间的辐射换热 l o w e 玻璃镀膜层表面与加热元件之间的辐射换热计算也可通过封 闭腔理论来实现。但l o w - e 玻璃镀膜层表面的辐射换热与波长关系 密切，投射在其表面的能量一部分被反射外，其余的或透过或被吸收， 如图2 2 ( a ) 所示。加热管通常由金属制成，其辐射换热发生在表面， 如图2 2 ( b ) 所示。 ( a ) l o w - e 玻璃区( b ) 表面区 图2 - 2 单色辐射能量平衡