浮法玻璃生产线中锡槽通风的作用及其CFD模拟

胡家桢

(中国建材国际工程有限公司，上海 200063)

玻璃行业是社会生活生产的重要组成部门，应用在人民生活的方方面面。而人民生活品质的提高和社会建设水平的不断发展都对玻璃行业提出了更高的要求，尤其是特种玻璃和玻璃深加工产业基本形成，使平板玻璃厂的玻璃原片质量变得尤为重要。

锡槽是每条浮法玻璃生产线的核心，也是决定性的质量因素。在锡槽中，玻璃的温度从入口处的1 050 ℃下降到出口处的600 ℃左右，玻璃带以成型和预硬化的状态离开锡槽。锡槽作为浮法玻璃的关键成型设备，其平稳高效运行是浮法玻璃正常生产的必要先决条件，是高成品率和长期运行的保障。

1 锡槽通风

锡槽通风系统是锡槽温度控制和安全生产的一个重要环节。安装在锡槽风机房的离心通风机主送风，辅以轴流风机，通过钢制或混凝土主风道送至分流管的各个支风管处用于锡槽槽底钢结构框架梁、槽底底壳钢板和锡槽底砖等的冷却。锡槽通风设计需满足的基本要求是底壳温度不超过120 ℃。

考虑到锡槽前端槽底温度更高，故高温区、中温区、低温区用于冷却的分流管截面面积逐级递减，单位面积支风管数目递减。离心通风机数量视锡槽规格、冷却强度、地理位置、玻璃规格等多项因素综合考虑可采用三台风机二用一备、四台风机三用一备等。由于锡槽高温区所需冷却风量较大，故主风道进风口更倾向于设置在高温区附近。

作为锡槽通风气体输入设备的离心通风机无论是采用电机直联型、皮带传动型还是联轴器传动型，其动力都源自于电动机。在实际使用时，电机运动并非是理想的匀速圆周运动，而是受到切向力和径向力的非圆周运动：其中切向力产生切向振动，径向力产生径向振动。在实际生产时，此类振动会由固体传导至槽底钢结构进而造成锡液的振动，从而影响玻璃质量，造成经济损失，所以在锡槽通风设计时需采取减振措施。

通用的减振措施有减振、隔振、阻振三个大类，其中隔振与阻振需要增加外部设备。故考虑到经济效益，在锡槽通风设计中减振措施不采用隔振与阻振，而是通过增设风机减振基础、风机与主风道间设帆布软连接，从而避免风机的振动影响锡液。

同时，在锡槽通风设计时还应该考虑到锡槽收缩段后，锡槽底壳抬起，此处锡槽冷却风风嘴与底壳距离应与抬起前保持一致，即底壳抬起后支风管应该加长。

2 CFD模拟

2.1 主风管的几何模型

在锡槽通风设计时，通常采用截面为正方形的主风道，也有个别采用截面为圆形的风道，利用ANSYS软件建立了如下三个截面不同的主风道模型，其截面形状如图1所示。

有截面为2 m×2 m，长度50 m的方形风道A；与A同等截面积(即半径约为1.128 m)，长度为50 m的圆柱形风道B；半径为1 m，长度为50 m的圆柱形风道C。三者均从左侧端头均匀进风，进风量为200 000 Nm3/h，风压为1 800 Pa。其余条件均一致。

2.2 网格划分及边界设置

对上述几何模型进行网格划分时，采用几何尺寸为100 mm的结构化网格模型。方形及圆柱形主风道网格化示意见图2。

数值模拟按照离心通风机满负荷工况下进行计算，入口边界条件设置为均匀入口，风压指的是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程可以得出，离心式风机风量、风压、风速的关系如下

Wp=0.5·r0·v2

(1)

其中，Wp为风压，kN/m2；r0为空气密度，kg/m3；v为风速，m/s。由于空气密度r0与重度r的关系为

r=r0·g

(2)

将式(2)带入式(1)可得Wp=0.5·r·v2/g

(3)

即标准风压公式。在气压为101.325 kPa，温度为15 ℃时，空气重度r=0.012 25 kN/m3。北纬45°重力加速度g=9.8 m/s2，代入式(3)得

Wp=v2/1 600

(4)

将Wp=1 800 Pa带入式(4)得，v≈1 697 m/s。

出口边界条件设置为出流边界，计算模型采用标准k-epsilon湍流模型，边界参数设置见表1。

表1 边界参数

2.3 模拟结果及分析

建立模型并确定边界条件后，压力速度耦合方案选择Coupled，梯度设置Least Sqares Cell Based，压力设置Second Order，动量设置Second Order Upwind，湍流消散率设置First Order Upwind，迭代次数选择500次，运行计算完成模拟。

在ANSYS中利用Fluent对压力进行模拟，在左侧端头进风且不考虑主风道的出风口时，主风道静压模拟如图3所示：在进风口空气流速相同时，圆柱形风道压降远大于方形风道；圆柱形风道半径与压降成反比。

主风道流速分布图如图4所示：靠近壁面处因粘性摩擦流速更小，三种主风道空气流速损失差别不大；在靠近进风口约15 m范围内空气流速较大，故进风口更适合设置在锡槽入口地坑内。

3 结 语

锡槽通风系统通过降低槽底钢板温度、调节横向温差等有效提高锡槽整个体系的稳定性，从而使玻璃生产平稳有序进行。利用ANSYS模拟冷却风在主风道中的流动情况，与实际生产经验相结合，加速工艺设置和工艺优化，在锡槽的整个生命周期中发挥重要作用。比较压力分布与速度分布可得，方形主风道压力损失更小，且进风口置于锡槽入口处对高温区冷却更为有利。