Bu çalışmada izlenen model tasanm yöntemi akış koşullannı incelemek üzere hazırlanmış olup genel başlıklar ile şu şekilde özetlenebilir (Tablo 1).

Transkript

1 FİZİKSEL MODELLEME YÖNTEMİ İLE THROAT TASARIMI Atilla ÜNSAL Türkiye Şişe ve Cam Fab. A.Ş. Proje ve Teknik Hizmetler Müdürlüğü ÖZET Günümüzde cam ev eşyası ve ambalaj atanında cam üretimi hala içinde bulunduğumuz yüzyılın ilk yansında geliştirilen rejeneratif fmn teknolojisi ile yapılmakta, ancak daha düşük üretim maliyeti için fınn tasanmlan özellikle kritik fınn bölgelerinde sürekli yenilenmekte, geliştirilen yeni refrakter malzemeler kullanılmaktadır. Günümüz fmnlannda kampanya süresi, cam kalitesi ve yakıl tüketimini etkileyen en önemli faktörlerden birisi de başlıca işlevleri; - Sâdece afınasyonu tamamlanmış camm çalışma bölgesine geçişinin sağlanması ve - ergitme ve çalışma bölgeleri arasında fiziksel bir engel oluşturarak cam sıcaklığının büyük miktarda düşürülüp foreheart'lar için gerekli sıcaklık değerine getirilmesi, olarak özetlenebilecek throat bölgesinin tasarımıdır. Throat yapısı sağladığı faydalar gözönüne alınarak, fırınlarda ilk kullanımından itibaren farklı boyutlar, şekiller ve sayılarda tasarlanmış, sonralan en uygun tasannu belirlemek amacı ile fınn koşullannda cam akımlannın izlenmesi güç olduğundan laboratuvarda fiziksel model üzerinde incelemeler ve matematiksel modelleme çalışmalan başlamıştır. Günümüzde uygulanan başlıca throat yapılan kullanılan refrakter malzemenin camla etkileşimi ve cam akımlan sonucu aşınması da gözönüne alınarak genellikle; düz, dalma, ve eğimli olarak değişik şekil ve boyutlarda uygulanmaktadır (Şekil 1). Bu çalışmada throat bölgesinde kritik cam akış hızı, cam geri dönüş akımlarının oluşumu ve throat boyutlan gibi önemli tasanm parametrelerinin belirlenmesi amacı ile hazırlanan fiziksel modelin uygulama sonuçlan teorik değerler ile karşılaştınlmış, aynca kampanya süresince refrakter aşınması sonuca throat kesit alanında meydana gelen artışın geri dönüş akımları üzerindeki etkisi incelenmiştir. TEORİ Bir fiziksel model çalışması model tasanmı aşamasında gerçek sistem-model benzerliğinin sağlanması amacı ile birbirini izleyen işlemler sürecinin uygun benzeşim değerleri elde edilene kadar tekrannı gerektirmektedir. Gerçek sistemi gerek ısı gerekse akış özellikleri ile aynı fiziksel model üzerinde incelemek çok güç olmakla birlikte uygun sınır koşullan kabul edildiğinde sadece ısıl veya akış özelliklerinin modellemesi de mümkün olmaktadır. Buna ek olarak fiziksel model çalışmasında throat gibi belirli bir fınn bölgesinin modellemesinde tüm fınnı kapsayan bir model yapılması gerekmediği literatür çalışmalannda belirtilmektedir. Bu çalışmada izlenen model tasanm yöntemi akış koşullannı incelemek üzere hazırlanmış olup genel başlıklar ile şu şekilde özetlenebilir (Tablo 1).

2 n Tablo U MODEL ÇALIŞMASI AKIM ŞEMASI Modellenecek t:l~ır*oat: tşovi-iblanı ve c:::am kar^al<t:er*lst:il< özellikler'inirı tseuı^lenmesi jmodel eıvıeının seçimi I ın^asi I Model ölçegirılrı tıelir^tenmeel T C3 r"» 2 Model ve fıntn ardasında derızeçimin ve modelde çalışma koşullar>ınırı dellr^lenmesl SONUÇ TREOAT TİPLERİ DÜZ DAI_MA N EGİMLJ Şekil 1.

3 12 1. Modellenecek throat boyutlannın ve sıcaklığa bağlı olarak yoğunluk, kinematik viskozite gibi cam karakteristik değişkenlerinin belirlenmesi, 2. Hazırlanacak modelin gerçek boyutlara göre hangi oranda küçültülerek yapılacağının belirlenmesi, ölçek, 3. Fırındaki sıcak cam akımlannı düşük sıcaklıklarda en iyi temsil edecek uygun model sıvısının seçimi, 4. Seçilen model sıvısının fiziksel özellikleri kullanılarak akış benzerliği için temel koşul olan bilimsiz Reynolds ve Grashoff sayılarının model ile fmn arasında benzeşiminin ve daha sonra modelde çalışma koşullarının belirlenmesi. Benzeşim kriterleri kullanılarak model çalışmasında çeşitli değişkenler için elde edilen sonuçlann gerçek fınn değişkenleri ile ilişkisi Tablo 2'de verilen benzeşim denklemleri yardımı ile kurulmuştur. Tablo l'de açıklanan işlem sırası benzeşim denklemlerinden gerçek throat cam akış koşullarına en yakın değerler elde edilene ve seçilen model sıvısı ile uygulanabilir akış ve sıcaklık koşullan sağlanıncaya kadar tekrarlanır. Cam akımlannı modellemek amacı ile özel akışkanlar geliştirilmiş ise de genelde Tablo 3*de verilen sıvılann model akışkanı olarak kullanıldığı bilinmektedir. Analitik ve son zamanlarda nümerik çözüm yöntemleri de uygulanarak yapılan teorik "akışkanlar dinamiği" çalışmalan, throat'a akış profillerini çeşitli katsayılar içeren denklemlerle tanımlama olanağı sağlamıştır. Bu çalışmalarda farklı katsayılar verilerek tanımlanan denklemler temelde Tablo 4'de verilen denklemlere dayanmaktadır. Bu tabloda önemi ileride detaylı olarak açıklanacak olan kritik akış değerinin throat yüksekliğinin dördüncü kuvveti ile tanımlandığı görülmektedir. Bu denklemlerin bulunmasında ve model tasanmının yapılmasında kabul edilen başlıca varsayımlar şu şekilde özetlenebilir. 1. Cam akımlan sadece yatay yönde oluşmaktadır. 2. Throat yan duvarlarında sürtünme ihmal edilmiştir. 3. Cam sıcaklığı throat boyunca sabittir. Throat akımlan konusunda yapılan deneysel ve teorik çalışmalarda throat bölgesinde cam akış profillerinin temelde üç değişik şekilde oluştuğu belirlenmiştir (Şekil 2). Bunlar; 1. Geri dönüş akımının olduğu durum, 2. Geri dönüş akımının yok olduğu nokta ve 3. Throat kesitinin tamamının ileri akım tarafından doldurulduğu durum, şeklinde özetlenebilir.

4 13 Tablo 2. BENZEŞİM DENKLEMLER! KİNEMATİK VİSKOZİTE : ^ = }i x i ÖLÇEK 1 m c 3/2 AKIŞ HIZI 1/2 V - X [ ÖLÇEK 1 m c * DEBİ 5/2 : M» M X [ ÖLÇEK ] m c 1/2 ZAMAN : t - t X [ ÖLÇEK 1 m c m = model c - cam TABLO.3 UODEL AKIŞKANLARI Gliserin ARıışlon Ki-Jİlanım Model sıvısı olarak yeterli, renksiz, büyük ölçekli model için viskozitesi düşük. Gliserin NaOH NaOIl viskoziteyi ve elektrik iletkenliğini arttırır. Gliserin -ı- LiCl LiCl viskoziteyi kontrol eder elektrikle ergitme modelleri için uygun bir akışkandır. Gliserin * Citric Asit Na-polymethacrylatc Citric asit viskositeyi kont rol eder, ancak viskozite sudan çok etkilenir. Yüksek alkali içeren camlar için uygundur, visko. ilave edilen su ile ayarlanır,ısı ile yüzeyi katılaşır.

5 - Tablo 4. AKIŞ PKOFİLİ DENKLEİlLESt B cç g ( T - To ) 6 J L 2 y y -. 2 KONVEKTİF AKIŞ 4 d* b - 3 M 2 h y ÇEKİŞ SONUCU OLUŞAN AKIŞ TOPLAM AKIŞ : - V + V ^ T. u P KRİTİK ÇEKİŞ OPTİMUM YÜKSEKLİK M. cr g ( d*- cç) b 24 M L h opt M p L cçct b g k ( T-T )

6 IK THROAT CAM AKIŞ i>uiw\lheul I.GERİ DÖNÜŞ AKIMI ILKRİrİK AKIŞ E E i o O tt a > - ) pnötral 1 TABAKA GERİ 3 O s (0 JC / a > - < u - O Boy* mm - O Boy* mm IIL NORMAL AKIŞ PROFİLİ 2 O o (0 a > - - O Boy* mm Şekil 2.

7 16 MODEL ÇALIŞMASI Bu çalışmada 2 ton/gün kapasitede renksiz soda camı üreten şişe fırınının tasarım değerleri esas alınmıştır. Şişe fınnlannda ortalama değerler olarak kabul edilen cm eni, 1 cm boyu ve 40 cm yüksekliği olan bir düz throat kullanılarak, mm cam derinliğinde ergitme ve çalışma havuzu tarafı taban cam sıcaklıklannın 13 C ve nso^c olarak sağlanacağı varsayılmıştır. Model çalışmasında kullanılan deney düzeneğinin şematik görünüşü Şekil 3'de verilmektedir. Modelin yapımında akımlann izlenebilmesi için şeffaf ve deney çalışma koşullannda gliserine dayanıklı pleksiglas malzeme kullanılmıştır. Isıtma/soğutma elemanlan, sıcaklık ölçüm ve kontrol cihazlan, tracer sıvısı enjektörü ve sabit debide hassas olarak kalibre edilebilen peristaltik çekiş pompası deney düzeneğinin diğer parçalarıdır. Kabul edilen değerler çerçevesinde yapılan hesaplamalar 1: boyutunda küçültülmüş bir model üzerinde yüzde 98.2 saflıkta gliserinin model akışkanı olarak -34 C sıcaklık aralığı ve ml/dakika akış kapasitesinde gerçek şişe fınnı için throat bölgesinde -2 ton/gün cam çekiş kapasitesini temsil edebileceği hesaplanmıştır. Deneylerde akış profilleri throat ortasından enjekte edilen renkli tracer sıvısı hareketlerinin belirli zaman aralıklannda fotoğrafı çekilerek belirlenmiştir. Tasarlanan model ve getçek throat'taki akış profillerinin benzerliği her iki sistemde cam ve gliserin kinematik viskozitelerinin sıcaklıkla değişim grafiğinden de izlenebilir (Şekil 4), Kullanılan benzeşim denklemleri incelendiğinde grafik üzerindeki eğriler birbirine yaklaştıkça benzeşim oranının arttığı hesaplanmıştır. DENEYSEL SONUÇLAR Model çalışmalannda deneyler başlıca iki grupta toplanmıştır. Öncelikle tasarlanan modelde tanımlaması daha kolay olan çekiş olmaksızın sıcaklık farklılığından oluşan konvektif akış koşullan incelenerek model tasanmının uygunluğu konusunda bilgi edinilmiş ve daha sonra değişik çekiş değerleri için deneylere geçilmiştir. A. Konvektif Cam Akımı Model Sonuçları Şekil 5'den izleneceği gibi ergitme havuzu kaynaklı sıcak ve yoğunluğu daha düşük cam, throat üst akımını oluşturarak çalışma havuzuna yönelmekte, buna karşılık çalışma havuzunun daha soğuk ve yoğun camı fınn tabanına doğru inerek throat tabanında ergitme havuzu tarafına ters yönlü bir akım oluşturmaktadır. Bu akımların hızlarının throat'un iki ucundaki sıcaklık farkıyla doğru orantılı olduğu ve akımları birbirinden ayıran nötral bir tabaka oluşumu da gözlenmiştir. Aynı koşullarda teorik olarak hesaplanan değerlere ait grafik ise Şekil 6'da verilmiştir. Deney ve teorik hesaplama ile bulunan hız değerleri karşılaştınldığmda teorik ''W

8 17 ERGİTtlC HAUUZU DENEY düzeneği THROAT ÇALİŞMA HAUÛZU SICAKLIK ÖLÇÜM4KONTROL ELEMANLARI SICAKLIK ÖLÇÜM+KONTROL ELEMANLARI TRACER ENJEKTÖRÜ ÇEKİŞ POMPA AKİS YONU Şekli 3. KİNEMATİK VİSKOZİTE-SICAKLIK GBAFİCİ 4SO 400 3SO CAM GLİSintN i*» X aso 7 M 0 İSO S loo ıiso laoo laso laoo laso 1400 SICAKLIK, C Şekil 4.

9 rf[ $EKİ'l.5 KOBİVEKTÎ? AKIŞ PEOFİLt Dene^a 1« C ı.tt. 38 ti- fct S8 -- Sur«Bs 8ur«'41ft Sur*"79s Sur«>lS ALT VUKSEKLİK, U8T ŞEKİL. 6 KONVEKTİF AKIŞ PROFİLİ Teorik C CPEVCHESİ 0 BOV m» SURE<s>> 1 SURE<s) ALT VUKSEKLIK. nn UST

10 19 hesapljtfın daha yüksek hız değerleri verdiği bulunmuş, ancak bu durumun teorik hesaplarda cam akımının throat yan duvarlannda sürtünme kaybı ihmal edilerek ^pılmasından kaynaklandığı sonucuna vanlmıştır. Aynca, deney sonuçlan teorik değerlerden farklı olarak nötral tabakanın throat ekseni üzerinde değil throat kapak taşına daha yakın bir yerde olduğunu göstermiştir. Sıcak üst akım içerisinde en yüksek akış hızının olduğu nokta teorik olarak throat eks^ınin 12 mm üzerinde belirlenirken deneysel sonuçlar modelde bu d^erin 1U55 mm olarak gerçekleştiğini göstermiştir. Sonuç olarak konvektif akış koşullannda modelde gözlenen akımlann ve elde edilen hız profilinin gerçek fınn koşullannı incelenen değişkenler bazında simule edebilecek hassasiyette olduğu sonucu ortaya çıkmıştır. B. Çekiş İçeren Model Sonuçları Çekiş içeren deneyler -2 ton/gün aralığında kritik akış noktasını belirlemek amacı ile çeşitli çekiş değerleri için tekrarlanmıştır. Bu çalışmalardan ton/gün cam çekiş değeri için elde edilen hız profili Şekil 7'de verilmektedir. Bu durumda çalışma havuzundan ergitme havuzuna throat tabanından soğuk cam geri dönüş akımının henüz yok olmadığı görülmektedir. Bu çalışmalarda elde edilen akış profili eğrilerinden geri dönüş akımının tamamen ortadan kalktığı kritik çekiş noktası yaklaşık 114 ton/gün değerinde gözlenmiştir Şekil 8. Deneysel sonuçlan doğrulayan ve aynı koşullarda teorik olarak belirlenen hız profili Şekil 9'da verilmektedir. Teorik olarak beklendiği üzere, cam çekişi arttıkça geri dönüş akımının zamanla zayıflayarak throat kesitinin tamamının sıcak akımın oluşturduğu ergitmeden çalışma yönüne doğru hareket eden üst akım tarafından doldurulduğu gözlenmiştir. Aynca konvektif akış deneylerinde belirlenen nötral tabakada throat tabanına doğru inmekte ve geri dönüş akımı azaldıkça yavaş yavaş ortadan kalkmaktadır. Fınn kapasitesinin 2 ton/gün, en yüksek çekiş, değerinde ise sıcak cam akımının throat kesitini tamamen doldurduğunu gösteren akış profili elde edilmiştir (Şekil ). Teorik hesaplamalarda yan duvarlarda sürtünme ihmal edildiğinden akış hızlannda teorik olarak hesaplanan değerler konvektif akış deneylerinde olduğu gibi daha yüksek değerler olarak bulunmuştur. DEĞERLENDİRME Konu üzerine ileride yapılacak daha gelişmiş model çalışmalanna temel oluşturabilecek bu çalışmada tüm teorik beklentiler deneysel olarak doğrulanmakla birlikte; modelleme aşamasında kabul edilen varsayımlar, deneysel hatalar ve model

11 sekil.7 CEKİS : TON/GÜN DENEVSEL SONUÇLAR BOV«nm ; <E -- ı X : a r «-- r:o i SURE- 7.96» SURE-İ6.24» SüRE«23.65s ALT VÜKSEKLIK, nn UST SEKİL. 8 ÇEKİŞ : 114 TON/GÜN BOVj nn 40 DENEV SONUÇLARI 40 Sure- 4.37* Sure- 9.29* Sure-13.s Sure«lS.29s ALT vukseklik, mm UST

12 21 40 BOV, ŞEKİL. 9 ÇEKİŞ : 114 TON/GÜN TEORİK SONUÇLAR SURE<s>» 4.37 SURE(s)s 9.29 SURE(s)"13.8 SURE<s)= VÜKSEKLIK, im CEKIS şekil. 2 TON/GÜN 40 Boy«MM DENEV SONUÇLARI «î i" Sur«> 2.48» Sur««S.STs Sura> 6.08» SureBie.72s ALT yuxseklik«mn UST

13 22 Üzerinde bulunan çeşitli kontrol/ölçüm ekipmanı hassasiyetlerinden ileri gelen farklılıklar, verilen nümerik değerlerin ancak üzerinde çalışılan model kapsamında doğruluğunu göstermektedir. Model çalışmaları throat tasanmı hakkında genelleme yapmayı sağlayacak bilgileri üretmekle birlikte asıl avantajı incelenen sistemin kendine özel karakteristik değerlerini belirleme olanağı sağlamasıdır. Deneysel ve teorik olarak elde edilen değerlerin uyumlu olduğunun gözlenmesi sonucu, bu çalışmada önemli tasarım değişkenlerinin bulunmasında kullanılan teorik denklemler, throat tasanmında faydamimasının yararlı olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Cam fırını tasarımında pek çok konuda kullanılan ve tecrübe ile belirlenerek genel kabul edilen oransal değerler throat tasanmında da bulunmaktadır. Bugün için throat kesitinin her desimetre karesinden ton cam çekiş değeri ortalama olarak kabul edilmekle birlikte detaylı tasanm aşamasında ileride açıklanacak olan daha pek çok değişken gözönünde bulundurulmakta ve optimum değerler belirlenmektedir. Bu çalışmada, deneysel ve teorik çalışmalardan geri dönüş akımının başladığı kritik cam çekiş değeri 114 ton/gün olarak belirlenen, 2 ton/gün kapasitede tasarlanan fınnda kabul edilen tasanm ölçüleri bazında % 45 kapasitede çalışırken geri dönüş akımının başlaması ile; - ergitme havuzuna geri dönen soğuk camın yeniden ısıtılması için ek eneıji harcanması sonucu fınn eneıji tüketiminde artış, - çalışma havuzu cam sıcaklığının düşmesi sonucu cam kalitesinin bozulması, - çalışma havuzu tabanından muhtemelen kirlenmiş camın ergitme havuzuna geri dönüşü, gibi problemlerle karşılaşılacaktır. Ortalama olarak kampanya süresince 2/3 oranında aşınmaya uğrayan throat kapak taşı kalınlığının, camın geçtiği throat kesit alanında artışa sebep olması benzer problemleri ilerleyen yıllarda daha yüksek cam çekiş kapasitelerinde de olma olasılığını arttırmaktadır. Örneğin, 90 ton/gün kapasiteli beyaz cam üreten ve throat boyutlan 1 cm boy, cm en ve cm yükseklik olarak belirlenen bir fınnda, genelde cm kalınlığında kullanılan kapak taşının cam korozyonu sonucu aşınması ile yükseklik değerinin cm artması bile throat kesit alanının yaklaşık % oranında ve kampanya başında 53 ton/gün olarak belirlenen kritik cam aiaş değeri, fınn nominal lapasitesi olan 90 ton/gün değerine ulaşarak geri dönüş akımının başlayacağı teorik olarak hesaplanmaktadır (Şekil 11). Literatürde, fınn kampanyası boyunca çekilen cam miktannın yaklaşık l/3"ü olarak belirtilen geri dönüş akımlannın meydana getirdiği ek yakıt tüketimi, teorik olarak hesaplarla, ortalama %3 olarak verilmektedir. Kampanya süresince harcanan toplam yakıt miktan gözönüne alındığında uygun throat tasanmı ile sağlanacak tasarrufun parasal değeri kolaylıkla bulunabilir.

14 23 Örneklemek gerekirse yine 90 ton/gün beyaz cam üreten ve yatat tüketimi 145 gr fuel-oil/kg cam olarak öngörülen bir fmnda günümüz fiyatlan ile geri dönüş akımlannın getirdiği ek maliyetin TL/yıl mertebesinde olacağı hesaplanmaktadır. Özel bir durum olarak, daha düşük taban sıcaklıklannda çalışan renkli cam fınnlarda oluşan geri dönüş akımlan yakıt tüketimini arttırmakla birlikte, taban sıcaklığının artırılarak cam hatalannın azalması ve daha fazla karışım etkisi ile cam homojenitesinin artması yönünde fayda sağlamaktadır. Böyle üretimlerde uygun throat tasanmı daha büyük önem kazanmaktadır. Literatürde verilen matematiksel model denklemlerinden de belirlendiği üzere throat yüksekliği; - cam akış hızı, dolayısı ile refrakter korozyonu ve - geri dönüş akımlannın oluşumu üzerinde diğer throat boyutlanna göre çok daha etkin bir parametredir. Bu sebeple yüksekliğin belirlenmesinde cam akış hızını ve sıcaklığını en düşük değerde tutacak optimum koşullann sağlanması gerekmektedir. Bu çalışmada vanlan sonuçlann yanı sıra, yapılan literatür çalışması ve fınnlanmızd'a kampanya sonu yapılan gözlemlerle elde edilen tecrübelere göre, throat tasanmında önem taşıyan başlıca unsurlar şu şekilde özetlenebilir; - öncelikle cam türüne göre geri dönüş akımının istenip istenmediğine karar verilmesi, - eğer geri dönüş akımı istenmiyor ise eni geniş, yüksekliği az ve boyu uzun throat kullanılması, - üretilen cam türüne uygun, aşınmaya en dayanıklı elektrodöküm refrakter malzemenin seçimi, ZrOî ve CrOî içeren refrakter kullanımı, aynca eğer üretilen cam türü için gerekli ise yüzeyleri platin veya molibden kaplı throat kullanılması, - throat blok yüzeylerinin pürüzsüz olması ve cam sızmalarının önlenmesi için bloklann boşluksuz yerleşimi, fınn atrampajinda çatlaklara ve blok kaymalanna izin verilmemesi, - - camla temas yüzeylerinde upward drilling'i yavaşlatmak için dik taş baglantılanndan kaçınilması, - - derece eğimli kapak taşı uygulaması ile upward drilling sonucu refrakter korozyonuna sebep olan gaz kabarcıklannın throttan uzaklaşmasının kolaylaştınlması, - throat'ta cam sıcaklığının düşürülmesi ve geri dönüş akıniı oluşumunun engellenmesi amacı ile dalma throat kullanılması, - refrakter korozyonunu azaltmak amacı ile k^ak taşında fınn kampanyasının başından itibaren blok soğutma uygulanması. Sonuç olarak throat tasanmında ana hedef "istenilen orijinal cam akış profilinin kampanya boytoıca korunması" şeklinde özetlenebilir.

15 2H Bu çalışmanın bir devamı olarak, cam akımlarının modellenmesi için geliştirilmiş model sıvılarını kullanarak ve daha geliştirilmiş bir model düzeneğinde, eğimli ve dalma throat yapılannın ve literatürde verilen akış profili denklem katsayılannın incelenmesi planlanmaktadır. ŞEKİL. 11 Ö8H1ÎK : 90 TOJtf/GUH KAPAStTKlJ FÎRÎH 15 KRİTİK ÇEKİŞ BAŞLANGİÇ 53T/G YÜKSEKLİK cm ^ O -15 KRİTİK ÇEKİŞ EĞRİSİ " I. İSTENİLEN AKİS PROFİLİ - O Boy» cm KRİTİK ÇEKİŞ 90T/G YÜKSEKLİK 40 cm E u i o 0) m Jü :d ^ - ) Y ( AŞINMA SONRASI U. KRİTİK AKIŞ VE GERİ DÖNÜŞ AKIMI OLUŞMASI -80 O Boy» cm