УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАКАЛКИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА

УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАКАЛКИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА


RU (11) 2199496 (13) C2

(51) 7 C03B27/048 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 2003.02.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2001117979/03 
(22) Дата подачи заявки: 2001.06.27 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.06.27 
(45) Опубликовано: 2003.02.27 
(56) Аналоги изобретения: SU 939414 A, 30.06.1982. EP 1069085. A2, 17.01.2001. US 5647882 A, 15.01.1997. WO 97/34841 A1, 25.09.1997. ШУТОВ А.И. и др. Определение охлаждающей способности воздушной подушки для закалки тонкого стекла. - Стекло и керамика, 1980, №1, с.6-8. 
(71) Имя заявителя: Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов 
(72) Имя изобретателя: Шутов А.И.; Крамарев С.Н. 
(73) Имя патентообладателя: Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов 
(98) Адрес для переписки: 308012, г.Белгород, ул. Костюкова, 46, БелГТАСМ 

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАКАЛКИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА 
Изобретение относится к производству закаленного строительного и технического стекла, в частности к конструкциям закалочных установок для закалки стекла. Изобретение направлено на улучшение качества закаленного стекла устранением волнообразной деформации и снижение энергозатрат на подачу охлаждающего воздуха. Установка для закалки листового стекла включает печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел. Каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла. Под верхней обдувочной решеткой на расстоянии B= Z+b+ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопел до стекла, b - толщина стекла, - расстояние от стекла до системы модулей, причем шаг рассчитывают по формуле



где , и - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха, S - площадь системы модулей, щ - площадь щели, D0 - диаметр ниппельного колодца, - расстояние до охлаждаемой поверхности, - коэффициент теплоотдачи, vп - скорость воздуха в воздушной подушке. Количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку. 2 ил., 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области производства упрочненного листового стекла и преимущественно может быть использовано на стекольных заводах при производстве закаленного листового стекла, применяемого на транспорте и в строительстве.
В практике воздухоструйной закалки стекла используются схемы горизонтальной и вертикальной закалки. Наибольшее распространение получила схема горизонтальной закалки, которая может производиться двумя способами: охлаждающими решетками и на воздушной подушке.
Известны установки для закалки листового стекла, включающие горизонтальную туннельную нагревательную печь, воздухоструйные закалочные решетки и валковый транспортер, на котором листы стекла поступают в печь и нагреваются до 620-650o С, после чего подвергаются охлаждению между воздухоструйными решетками различной конструкции [1] и охлаждением на воздушной подушке в устройстве, где стекло интенсивно охлаждается между системами модулей воздушной подушки [2] . Первый вариант предусматривает обязательное транспортирование заготовок по роликовому конвейеру с получением характерного дефекта изделий в виде волнообразной деформации, а второй вариант предусматривает использование двухсторонней воздушной подушки, что затрудняет прохождение заготовок через узкую щель, создаваемую охлаждающими модулями, и приводит к значительному браку в виде боя, который трудно удалять из зоны закалки.
Известна установка для закалки листового стекла, выбранная в качестве прототипа, включающая печь нагрева, транспортирующий механизм, обдувочные решетки с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла [3].
Недостатком известной конструкции является получение характерного дефекта изделий в виде волнообразной деформации, лимитированной действующим стандартом на закаленное стекло, а также большой расход воздуха и, как следствие, большие энергозатраты.
Изобретение направлено на улучшение качества закаленного стекла за счет устранения волнообразной деформации и снижение энергозатрат на подачу охлаждающего воздуха.
Это достигается тем, что в установке для закалки листового стекла, включающей печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами, регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, согласно предлагаемому решению под обдувочной решеткой на расстоянии B=Z+b+ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопел до стекла, b толщина стекла, - расстояние от стекла до системы модулей, шаг модулей рассчитывают по формуле



где , и - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха;

S - площадь системы модулей;

Ащ - площадь щели;

D0 - диаметр ниппельного колодца;

- расстояние до охлаждаемой поверхности;

- коэффициент теплоотдачи;

vп - скорость воздуха в воздушной подушке,

а количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид установки для закалки листового стекла; на фиг. 2 показан увеличенный вид I (поперечный разрез сопла и модуля с конструктивными параметрами).
Устройство для закалки листового стекла содержит верхнюю закалочную решетку 1 с соплами 2, регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, причем каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана 3, кинематически соединенного с диафрагменной камерой 4, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла. Под обдувочной решеткой находится система модулей, например, ниппельного типа 5, соединенная с системой подачи воздуха 6. Система модулей ниппельного типа известна из [4] и представляет собой набор элементов 7, где каждый элемент имеет ниппель с несколькими отверстиями малого диаметра, и они расположены так, что их оси параллельны охлаждаемой поверхности.
Установка для закалки листового стекла работает следующим образом. Нагретое до температуры закалки 640oС стекло толщиной b=4 мм перемещают по транспортирующим валкам 8 в зазор между верхней закалочной решеткой 1 с соплами 2 длиной L=120 мм, диаметром сопел D=8 мм, шагом сопел Х'=30 мм, расстоянием Z= 50 мм. Все параметры были выбраны в соответствии с [1] до охлаждаемой поверхности регуляторами расхода воздуха из обдувочных сопел. Каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана 3, кинематически соединенного с диафрагменной камерой 4, полость которой сообщена с внутренним пространством в данном случае двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, и системой модулей ниппельного типа 5, которая представляет собой набор известных элементов 7, где каждый элемент имеет ниппель с диаметром ниппельного колодца Do= 14 мм, уровнем заглубления ниппельных отверстий ho=9.5 мм, диаметром ниппельных отверстий d=3 мм, зазором между нижней поверхностью стекла и верхней плоскостью модулей =0.6 мм, все параметры были выбраны в соответствии с [4], и шагом Х=25.75 мм, который составляет расстояние между колодцами модулей, расположения элементов, который рассчитывается по алгоритму, представленному ниже. В установке для закалки листового стекла заготовки транспортируются за счет силы инерции и охлаждаются с коэффициентом теплоотдачи =450 Вт/(м2К) [1].
Для того чтобы обеспечить коэффициент теплоотдачи =450 Вт/(м2К), необходимо в верхнюю закалочную решетку подавать воздух под давлением Р, равным 5 кПа, при этом расход воздуха в закалочной решетке при условии, если площадь закалочной решетки будет равна 1 м2, составит 3.338 м2/с, а в систему модулей ниппельного типа, которая соединена с системой подачи воздуха 6, необходимо подавать воздух под давлением Р, равным 7.34 кПа, при этом расход воздуха составит 0.25 м3/c, при условии, если площадь системы модулей ниппельного типа, расположенных с шагом Х=25.75 мм, будет равна 1 м2. Количество элементов, расположенных с определенным шагом, в установке для закалки листового стекла выбирают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей ниппельного типа, состоящей из набора элементов. Элементы выполняются из жаростойкого металла с толщиной стенки k, которая вычисляется по формуле k=(X-Do)/2, в данном случае k=5,87 мм, и собираются при помощи сварки на уголки 9. После чего устанавливаются в корпус системы модулей на уголки, соединенные с помощью сварки по периметру корпуса на расстоянии, равном высоте элементов. В данном случае количество элементов в системе модулей ниппельного типа составляет 1508 элементов с шагом расположения Х=25.75 мм.
Достижение заявляемого эффекта состоит в согласовании действия обдувочной решетки и системы модулей ниппельного типа с точки зрения идентичности коэффициента теплоотдачи по обеим сторонам стекла и безусловного обеспечения достаточного для транспортировки заготовки зазора .
Для того чтобы вычислить шаг Х в мм расположения элементов, нужно произвести расчет.
Исходными данными для расчета являются: параметры закалочной решетки, такие как давление Р в коробе закалочной решетки в кПа, длина L сопел в миллиметрах, шаг X' сопел в мм, диаметр D сопел в мм, расстояние Z от сопел до охлаждаемой поверхности в мм, толщина b стекла в мм.
Задаемся коэффициентом теплоотдачи в Вт/(м2К), зазором в мм, диаметром Do ниппельного колодца в мм, диаметром d ниппельных отверстий в мм, уровнем заглубления ниппельных отверстий ho в мм.
Рассмотрим вначале равновесие пластины под действием известной группы сил. Вниз на пластину стекла действуют: сила тяжести

Fт=mg , (1)

где m - масса стекла,

g - ускорение свободного падения

и сила динамического давления струй воздуха из решеток

Fd = F1nc , (2)

где F1 - сила динамического давления, создаваемая одним соплом,

nс - количество сопел.
Вверх на стекло действует сила давления воздуха в воздушной подушке

Fп=рпА, (3)

где рп - давление в подушке,

А - площадь заготовки стекла.
Силовой баланс в данном случае будет обеспечиваться равенством

Fп = FT + Fd

или с учетом (3)



Единственная неизвестная составляющая формулы (4) - Fd может быть определена по соотношению [3]

Fd = Aсvа 2nс,

где - плотность воздуха,

Ac - площадь сечения струи,

vа - активная (ударная) скорость струи, причем







где, в свою очередь, - коэффициент истечения,

а - коэффициент турбулентности струи воздуха.
Таким образом, после некоторых преобразований



а давление воздуха в воздушной подушке легко определяется по соотношению (4).
По известному давлению рп вычисляются скорость воздуха в воздушной подушке по формуле Сен-Венана [5]



(к - показатель адиабаты, р0 - атмосферное давление воздуха) и расход

V = vпAщ, (7)

где Aщ - площадь щели.
Полученные данные позволяют перейти к расчету охлаждающей способности системы модулей ниппельного типа [2]



где , и - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха,

vc - среднее значение скорости воздуха в щели,

dг - гидравлический диаметр.
А гидравлический диаметр равен [2]

dг = 2( D0)0.5 (9)

При заданном значении вычисляем vc, а расход воздуха из одного элемента системы модулей ниппельного типа вычисляется по формуле

V1 = 0c, (10)

где 0 - площадь ниппельного колодца.
Из [2] 

Полный расход будет

V = V1nk, (12)

где nk - количество элементов системы модулей ниппельного типа, обслуживающих закалку данного изделия.
Подставив (8), (9), (10), (11) в (12) получим



Приравнивая (13) и (7) можем выразить количество элементов системы модулей ниппельного типа



Шаг элементов, при условии если система модулей ниппельного типа имеет площадь 1 м2, будет равен



И подставляя (14) мы выразим шаг элементов



В таблице представлены результаты испытаний установки для закалки листового стекла второго примера выполнения. Но параметры известного устройства системы модулей ниппельного типа, такие как диаметр ниппельного колодца D0= 14 мм, уровень заглубления ниппельных отверстий h0=9.5 мм, диаметр ниппельных отверстий d=3 мм, остаются неизменными.
Волнообразная деформация определяется углом возникновения оптических искажений, полученных на установке типа "зебра". Предельное нижнеее значение угла =40o.
Дефект волнообразной деформации устраняется по сравнению с прототипом за счет того, что стекло в закалочной установке транспортируется не по роликовому конвейеру, а на воздушной подушке. По этой же причине появляется возможность закалять тонкие стекла. Кроме того, по сравнению с двухсторонней воздушной подушкой снижается количество брака за счет того, что в установке для закалки стекла больше расстояние между стеклом и верхней воздухоструйной решеткой. Расход воздуха снижается на 46-47% за счет небольшого расхода в системе модулей ниппельного типа.
Установка для закалки листового стекла устраняет характерный дефект изделий в виде волнообразной деформации, позволяет закалять тонкие стекла, исключает затраты на ремонт и эксплуатацию транспортирующего механизма под обдувочной решеткой и снижает энергозатраты на подачу охлаждающего воздуха по сравнению с аналоговыми устройствами.
Источники информации

1. Аэродинамические характеристики и охлаждающая способность воздухоструйных устройств для закалки листового стекла / Шабанов А.Г., Шутов А.И. , Потапов В.И. и др.// Стекло и керамика. -1982. - 1. -С. 10-12.
2. Аппен А. А., Асланова М.С., Амосов Н.М и др. Стекло. Спавочник. Под ред. Павлушкина Н.М. -М.: Стройиздат, 1973, с. 261.
3. А.с. 939414, С 03 В 27/00, 1980, БИ 24 (прототип).
4. Шутов А.И., Чистяков А.А., Чуриков В.Д. Определение охлаждающей способности воздушной подушки для закалки тонкого стекла.// Стекло и керамика. -1980. - 1. -С.6-8.
5. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. -М.: Стройиздат, 1987, 414 с. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Установка для закалки листового стекла, включающая печь нагрева, верхнюю обдувочную решетку с соплами и регуляторы расхода воздуха из обдувочных сопел, где каждый регулятор расхода воздуха выполнен в виде клапана, кинематически соединенного с диафрагменной камерой, полость которой сообщена с внутренним пространством, по крайней мере, двух сопел, расположенных в направлении движения стекла, отличающаяся тем, что под верхней обдувочной решеткой на расстоянии B=Z+b+ установлена система модулей, создающая воздушную подушку, где Z - расстояние от среза сопл до стекла, b - толщина стекла, - расстояние от стекла до системы модулей, причем шаг между элементами модуля составляет



где , и - соответственно, коэффициент теплопроводности, плотность и динамическая вязкость воздуха;

S - площадь системы модулей;

Aщ - площадь щели;

D0 - диаметр ниппельного колодца;

- расстояние до охлаждаемой поверхности;

- коэффициент теплоотдачи;

vп - скорость воздуха в воздушной подушке,

а количество модулей рассчитывают из условия равенства максимальной площади закаляемого изделия и площади системы модулей, создающей воздушную подушку.