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DE10333869A1 - Laying out installation for melting and/or refining glass melt comprises using target value for dimensions and/or operating parameters of installation - Google Patents

Laying out installation for melting and/or refining glass melt comprises using target value for dimensions and/or operating parameters of installation Download PDF

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DE10333869A1
DE10333869A1 DE2003133869 DE10333869A DE10333869A1 DE 10333869 A1 DE10333869 A1 DE 10333869A1 DE 2003133869 DE2003133869 DE 2003133869 DE 10333869 A DE10333869 A DE 10333869A DE 10333869 A1 DE10333869 A1 DE 10333869A1
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DE
Germany
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bubble
bubbles
equation
melt
installation
Prior art date
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DE2003133869
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Andreas Dr. Bensberg
Christian Dr. Breitbach
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Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Abstract

Laying out an installation for melting and/or refining a glass melt comprises determining a target value for the dimensions and/or operating parameters of the installation, determining a first set of installation dimensions, determining a first set of operating parameters and material parameters of the glass melt, simulating the melting and/or refining process with simulation of behavior of the bubbles in the melt, comparing the simulation results with the corresponding target value, determining a further set of dimensions of the installation based on the comparison results, determining a further set of operating parameters of the installation and material parameters based on the comparison results, repeating the previous 4 steps until the simulation result lies in the framework of a prescribed confidence interval around a prescribed value. Independent claims are also included for the following: (1) installation melting and/or refining a glass melt; and (2) a glass product produced by the installation.

Description

Die Erfindung betrifft das Auslegen einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas gemäß Anspruch 1.The The invention relates to the design of a plant for melting and / or Purify of glass according to claim 1.

Beim Herstellen von Glas wird in der Regel eine Schmelze hergestellt, die geläutert wird, bevor sie der weiteren Verarbeitung zugeführt wird. Unter Läutern versteht man das Beseitigen von Blasen und gelösten Gasen aus Glasschmelzen, das kontinuierlich in Vorrichtungen wie der in der Anmeldung DE 199 39 779 A1 der Anmelderin beschriebenen Anlage durchgeführt werden kann.In the manufacture of glass, a melt is usually produced, which is refined before being fed to further processing. Lautering is understood to mean the removal of bubbles and dissolved gases from molten glass, which are continuous in devices such as those in the application DE 199 39 779 A1 Applicant described installation can be performed.

Üblicherweise wird die Läuterung von Glasschmelzen durch das Hinzufügen von Stoffen durchgeführt, die bei einer Temperaturerhöhung Gase freisetzen, welche in vorhandene Blasen hinein diffundieren und diese vergrößern. Dadurch können die Blasen schneller aus der Schmelze aufsteigen und aus dieser entweichen.Usually will the purification made of glass melts by adding substances that at a temperature increase Release gases that diffuse into existing bubbles and enlarge them. Thereby can the bubbles rise faster from the melt and out of this escape.

In kontinuierlich betriebenen Anlagen kann das Läutern durch Anlegen von reduziertem Druck erfolgen. Dieses Verfahren und seine Ausführungsformen sind beispielsweise in EP 0 989 099 A1 , EP 0 967 180 B1 , EP 0 231 518 B1 und JP 11255519 A beschrieben.In continuously operated plants, the refining can be done by applying reduced pressure. This method and its embodiments are, for example, in EP 0 989 099 A1 . EP 0 967 180 B1 . EP 0 231 518 B1 and JP 11255519 A described.

Zum Beseitigen von Schaum kann außerdem Läutergas durch Läutermittel in der Glasschmelze erzeugt werden, beispielsweise gemäß der Anmeldung der Anmelderin DE 199 39 771 A1 .In order to remove foam, refining gas can also be produced by refining agents in the molten glass, for example according to the Applicant's application DE 199 39 771 A1 ,

Beim Läutern kann des weiteren das von der Anmelderin entwickelte Hochfrequenzläuterverfahren ohne den Einsatz von toxischen Läutermitteln wie As2O3 oder Sb2O3 eingesetzt werden. Dieses Verfahren basiert darauf, dass die Schmelze durch ein elektrisches Wechselfeld einer Spule geführt wird, wobei das Feld direkt in das Glas eingekoppelt wird. Die Aggregatwände sind als Skull ausgeführt, wobei die Glasschmelze eine Temperatur von mehr als 1900°C erreicht. Das Hochfrequenzläuterverfahren ist in folgenden Patenten DE 199 39 773 A1 und DE 199 39 786 A1 detailliert beschrieben.Further, when refining, the high frequency explanation method developed by the Applicant can be used without the use of toxic refining agents such as As 2 O 3 or Sb 2 O 3 . This method is based on that the melt is passed through an alternating electric field of a coil, wherein the field is coupled directly into the glass. The aggregate walls are designed as skulls, whereby the glass melt reaches a temperature of more than 1900 ° C. The high-frequency explanation method is in the following patents DE 199 39 773 A1 and DE 199 39 786 A1 described in detail.

Beim Läutern kann des Weiteren das von der Anmelderin entwickelte Hochtemperaturläuterverfahren eingesetzt werden. In der Anmeldung DE 102 56 657.7 werden eine Heizvorrichtung und ein Schmelzaggregat beschrieben, welche aufgrund einer verbesserten Kühlung eine effiziente Beheizung der Schmelze ermöglichen. In DE 102 56 594.5 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung von Schmelzen beschrieben, so daß die Wände des Schmelzaggregates ausreichend gekühlt werden können und gleichzeitig der Schmelze mehr Energie zugeführt wird, als ihr durch die gekühlten Wände entzogen werden.When refining, furthermore, the high temperature refining method developed by the applicant can be used. In the application DE 102 56 657.7 describes a heating device and a melting unit, which allow efficient heating of the melt due to improved cooling. In DE 102 56 594.5 describe a method and apparatus for heating melts so that the walls of the melter can be cooled sufficiently and at the same time more energy is supplied to the melt than are withdrawn through the cooled walls.

Bedingt durch die beim Einschmelzprozess ablaufenden Reaktionen enthält eine Glasschmelze Gase in chemisch und/oder physikalisch gelöster Form sowie in Form von Blasen.conditioned due to the reactions occurring during the melting process contains a Glass melt Gases in chemically and / or physically dissolved form as well as in the form of bubbles.

Das Ziel eines jeden Läuterprozesses ist, soweit wie möglich die in der Glasschmelze enthaltenen Blasen sowie wenigstens einen Teil der gelösten Gase zu entfernen. Zu diesen Gasen gehören beispielsweise H2O, CO2, SO2, N2, O2 und Ar.The goal of any refining process is to remove, as far as possible, the bubbles contained in the molten glass and at least part of the dissolved gases. These gases include, for example, H 2 O, CO 2 , SO 2 , N 2 , O 2 and Ar.

Grundlagen zu den beim Läutern ablaufenden Vorgänge sind in der deutschen Patentanmeldung der Anmelderin DE 103 04 973.8-45 erläutert, deren Inhalt durch Bezugnahme vollumfänglich auch in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.Fundamentals of the processes occurring during refining are described in the German patent application of the applicant DE 103 04 973.8-45 whose content is incorporated by reference in its entirety in the present application.

Um bereits in der Designphase der Anlage Aussagen beispielsweise über das Betriebsverhalten der Produktionsanlage unter verschiedenen Bedingungen zu gewinnen, kann das Betriebsverhalten der Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas durch Simulationsrechnungen ermittelt und/oder simuliert werden. Dazu ist es erforderlich, das Verhalten der in der Schmelze dispergierten Blasen, welche die Kontinuumsphase bildet, möglichst realitätsnah beschreiben zu können.Around already in the design phase of the plant statements for example about the Operating behavior of the production plant under different conditions To win, the operating behavior of the plant can melt and / or lautering of glass determined by simulation calculations and / or simulated become. This requires the behavior of the melt dispersed bubbles, which forms the continuum phase, if possible realistically to be able to describe.

In ihrem Beitrag "Behaviour of bubble files in glass melting space", Glass Sci. Technol. 76 (2003), S. 71–80 beschreiben J. Matyáš und L. Nimec eine Parameterstudie, welche den Einfluß von Start- und Randbedingungen auf die Blasengrößenverteilung in einem Modell-Schmelzraum und auf die Glasqualität wiedergibt. Des Weiteren wird die Fähigkeit des Modells abgeschätzt, die Hauptquellen für Blasen im Schmelzraum zu identifizieren.In her contribution "Behavior of bubble files in glass melting space ", Glass Sci. Technol. 76 (2003), pp. 71-80 J. Matyáš and L. Nimec is a parameter study that examines the influence of start and boundary conditions on the bubble size distribution in a model smelting room and on the glass quality. Of Further is the ability estimated from the model, the main sources for To identify bubbles in the melting chamber.

Dabei beschreiben die Autoren das Verhalten einer einzelnen Blase als Grundlage eines Modells für die Blasenkonzentration. Dabei wird eine begrenzte Anzahl von Blasen herangezogen, deren Wachstum und zurückgelegter Weg im Schmelzraum verfolgt wird. Jede verfolgte Blase repräsentiert dann alle Blasen einer Klasse, welche durch Startposition und Ausgangsgröße definiert wird.there The authors describe the behavior of a single bladder as Basis of a model for the Bubble concentration. There will be a limited number of bubbles their growth and traveled path in the melting chamber is pursued. Each tracked bubble then represents all the bubbles in a class, which is defined by start position and output size.

Der Nachteil dieses Ansatzes liegt jedoch darin, daß lediglich einzelne Blasen betrachtet werden. Das Verhalten einer einzelnen Blase in umgebender Kontinuumsphase ist jedoch nicht vergleichbar mit dem Verhalten von Blasen in einer Umgebung aus in der Kontinuumsphase dispergierten weiteren Blasen, denn diese beeinflussen das Verhalten der Dispersion aus Schmelze und Blasen nachhaltig.Of the Disadvantage of this approach, however, is that only individual bubbles to be viewed as. The behavior of a single bubble in ambient Continuum phase, however, is not comparable to behavior from bubbles in an environment dispersed throughout the continuum phase further bubbles, because these influence the behavior of the dispersion made of melt and bubbles lasting.

T. Roi, O. Seidel, G. Nölle und D. Höhne wählen daher in ihrer Publikation "Modeling of the bubble population in glass melts", Glass Sci. Technol. 67 (1994), S. 263–271 den Ansatz der Population-Balance-Gleichung, um die gesamte Blasenbilanz während der Läuterung zu beschreiben. Dabei wird nicht nur eine Blase, sondern eine große Anzahl gleichförmiger Blasen betrachtet, für die die Bewegung der Blasen, ihr Wachstum sowie die Blasenneubildung berechnet wird. Dabei wird jedoch auch lediglich das Verhalten der Gasblasen in umgebender Kontinuumsphase berücksichtigt und die Auswirkungen der in der Glasschmelze dispergieren Blasen vernachlässigt. Insbesondere wird die räumliche Verteilung der Strömungsparameter der Glasdispersion außer Acht gelassen.T. Roi, O. Seidel, G. Nölle and D. Höhne choose Therefore, in their publication "Modeling of the bubble population in glass melts ", Glass Sci. Technol. 67 (1994), p. 263-271 the approach of the population balance equation to the total bladder balance while the purification to describe. It is not just a bubble, but a large number uniform Bubbles considered, for the movement of the bubbles, their growth and the formation of new bubbles is calculated. However, only the behavior of the Gas bubbles are considered in the surrounding continuum phase and the effects neglecting the bubbles dispersed in the molten glass. Especially becomes the spatial Distribution of flow parameters the glass dispersion except Eight left.

Die entsprechenden Berechnungen wurden in einem zweidimensionalen Computermodell durchgeführt, welches jedoch aufgrund starker Vereinfachungen nicht dazu geeignet ist, konkrete Schmelzwannen zu simulieren, sondern lediglich grundsätzliche Zusammenhänge darstellen kann. Beispielsweise wird die Koaleszenz – das heißt das Zusammenfließen von Blasen unter Bildung einer neuen, größeren Blase – nicht berücksichtigt.The corresponding calculations were made in a two-dimensional computer model carried out, which, however, due to strong simplifications not suitable is to simulate concrete melting tanks, but only fundamental relationships can represent. For example, the coalescence - that is, the confluence of Bubbles to form a new, bigger bubble - not considered.

Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, die Vorhersagequalität der Simulation des Verhaltens von Gasblasen in hochviskosen Flüssigkeiten wie insbesondere Glasschmelzen zu verbessern und damit die Güte der Auslegung der Anlage zu erhöhen.It Therefore, it is an object of the invention, the predictive quality of the simulation the behavior of gas bubbles in high-viscosity liquids such as in particular To improve glass melting and thus the quality of the design of the plant to increase.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Neubildung von Blasen sowie die Rückwirkung der Blasenbewegung, insbesondere ihres Auftriebes, auf die Strömung der Schmelze berücksichtigen zu können. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Koaleszenz der Blasen, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten in die Auslegung einzubeziehen.A Another object of the invention is the formation of new bubbles as well as the retroactive effect the bubble movement, in particular their buoyancy, on the flow of Consider melt to be able to. moreover It is an object of the invention to coalesce the bubbles, in particular due to different buoyancy speeds in the design included.

Die Erfinder haben erkannt, daß aus der Aerosoltechnik der Ansatz der Momentenmethode bekannt ist, mit welchem für die Bildung von Partikeln in gasförmiger Umgebung die sich entwickelnde Partikelgrößenverteilung modelliert werden kann.The Inventors have realized that the aerosol technique of the approach of the moment method is known with which for the formation of particles in the gaseous environment that develops Particle size distribution can be modeled.

So beschreiben A. Bensberg, P. Roth, R. Brink und H. Lange in ihrem Beitrag "Modeling of particle evolution in aerosol reactors with coflowing gaseous reactants", AIChE Journal 45 (1999), S. 2097–2106, die Modellierung der gleichzeitigen Bildung und Koagulation – das heißt Zusammenlagerung von zumindest zwei Partikeln zu einem Cluster, wobei der Unterschied zur Koaleszenz darin liegt, daß die festen Partikeln im allgemeinen nicht zusammenfließen – von Partikeln bei überlagertem konvektivem und diffusivem Transport.So describe A. Bensberg, P. Roth, R. Brink and H. Lange in their Post "Modeling of particle evolution in aerosol reactors with coflowing gaseous reactants ", AIChE Journal 45 (1999), pp. 2097-2106, the modeling of simultaneous formation and coagulation - that is, aggregation from at least two particles to a cluster, with the difference for coalescence is that the solid particles generally do not flow together - from particles at superimposed convective and diffusive transport.

Mit diesem Ansatzes können für Partikeln eines Aerosols in der umgebenden Gasphase für einen betrachteten Ort die zeitliche Änderung der Partikelgrößenverteilung unter Berücksichtigung des konvektiven Partikeltransports, der Bildung von Clustern kritischer Größe sowie der Zuwachs beziehungsweise Verlust von Partikeln in einem Größenintervall durch Koagulation berechnet werden. Durch einen Diffusionsansatz wird neben der Koagulation auch der Einfluß der im Gaskontinuum dispergierten Partikeln auf die lokale Partikelgrößenverteilung berücksichtigt.With this approach can for particles an aerosol in the surrounding gas phase for a considered location temporal change the particle size distribution considering convective particle transport, the formation of clusters more critical Size as well the increase or loss of particles in a size interval be calculated by coagulation. Through a diffusion approach In addition to the coagulation, the influence of those dispersed in the gas continuum is also evident Particles on the local particle size distribution considered.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß die Momentenmethode nicht nur auf in Gas dispergierte Partikeln, sondern auch auf in Flüssigkeit dispergierte Gasblasen angewendet werden kann.Surprisingly it has been shown that the Moment method not only on gas-dispersed particles, but also on in liquid dispersed gas bubbles can be applied.

Die Aufgaben werden daher auf einfache Weise bereits durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.The Tasks are therefore already easily by a procedure according to claim 1 solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas umfaßt die Schritte

  • a) des Festlegens eines Zielwertes für zumindest eine Abmessung und/oder zumindest einen Betriebsparameter der Anlage,
  • b) des Festlegens eines ersten Satzes von Abmessungen der Anlage,
  • c) des Festlegens eines ersten Satzes der Betriebsparameter der Anlage und der Stoffparameter der zu läuternden Schmelze,
  • d) des Simulierens des Schmelz- und/oder Läuterprozesses mit Simulation des Verhaltens der Blasen in der Schmelze,
  • e) des Vergleichens des Simulationsergebnisses mit den entsprechenden Zielwert,
  • f) des Festlegens eines aufgrund des Vergleichsergebnisses angepaßten weiteren Satzes von Abmessungen der Anlage,
  • g) des Festlegens eines aufgrund des Vergleichsergebnisses angepaßten weiteren Satzes der Betriebsparameter der Anlage und der Stoffparameter der zu läuternden Schmelze,
  • h) des Wiederholens der Schritte d) bis g) solange, bis das Simulationsergebnis im Rahmen eines vorgebbaren Vertrauensbereiches um den entsprechenden Zielwert liegt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Simulieren des Verhaltens der Blasen in der Schmelze basierend auf der Momentenmethode durchgeführt wird.
The inventive method for designing a system for melting and / or refining glass comprises the steps
  • a) setting a target value for at least one dimension and / or at least one operating parameter of the plant,
  • b) setting a first set of dimensions of the installation,
  • c) determining a first set of the operating parameters of the plant and the substance parameters of the melt to be purified,
  • d) simulating the melting and / or refining process with simulation of the behavior of the bubbles in the melt,
  • e) comparing the simulation result with the corresponding target value,
  • (f) the determination of a further set of dimensions of the installation, adapted to the result of the comparison,
  • g) determining a further set of operating parameters of the plant adapted to the result of the comparison and the substance parameters of the melt to be purified,
  • h) repeating steps d) to g) until the simulation result lies within a predefinable confidence interval around the corresponding target value, and is characterized in that the simulation of the behavior of the bubbles in the melt is carried out based on the moment method.

Auf diese Weise stellt die Erfindung erstmals ein Verfahren zum Auslegen einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung, bei welchem durch Anwendung der Momentenmethode die Neubildung von Blasen sowie die Rückwirkung der Blasenbewegung, insbesondere ihres Auftriebes, auf die Strömung der Schmelze berücksichtigt wird. Weiterhin wird erstmals die chemische Rückwirkung der Blasen auf die Schmelze berücksichtigt, indem der Gasaustausch zwischen flüssiger und Blasenphase vollständig enthalten ist. Eine daraus resultierende Entgasung sowie eine Verschiebung des Gleichgewichts von Redoxreaktionen in der flüssigen Phase werden beschrieben. Zudem kann erstmals die Koagulation der Blasen, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten in die Auslegung einbezogen werden. Damit kann die Vorhersagequalität der Simulation und damit die Güte der Auslegung der Anlage vorteilhafterweise deutlich gesteigert werden.On In this way, the invention provides for the first time a method for laying out a plant for melting and / or refining glass available at which by applying the moment method, the formation of new bubbles as well as the retroactive effect the bubble movement, in particular their buoyancy, on the flow of Melt considered becomes. Furthermore, the chemical reaction of the bubbles on the Considered melt, by completely containing the gas exchange between the liquid and the bubble phase is. A resulting degassing and a shift of the equilibrium of redox reactions in the liquid phase are described. In addition, for the first time coagulation of the bubbles, especially due to different buoyancy rates included in the design become. This allows the predictive quality of the simulation and thus the goodness the design of the system advantageously increased significantly become.

Insbesondere wird eine Dimensionierung möglich, welche die Abmessungen derart auf die Positionierung und Leistung der Vorrichtungen, mit welchen der Anlage Energie zugeführt wird, abstimmt, daß eine möglichst kleine Bauform bei entsprechend geringer, aber ausreichender Verweilzeit sicherstellt. Auf diese Weise erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen besonders effizienten Betrieb der Anlage im Hinblick auf den Energieverbrauch und den Zeitaufwand zum Herstellen einer geläuterten Schmelze mit den gewünschten Eigenschaften.Especially is dimensioning possible, which the dimensions so on the positioning and performance the devices with which energy is supplied to the system, votes that one preferably small design with correspondingly low, but sufficient residence time ensures. In this way, the inventive method allows a particularly efficient operation of the system in terms of energy consumption and the time required to produce a refined melt with the desired Properties.

Die Erfindungsgemäße Lösung stellt zudem eine Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung, welche Abmessungen aufweist, die gemäß dem oben genannten Verfahren aufeinander im Hinblick auf zumindest eine Zielgröße der Abmessungen und/oder der Betriebsparameter abgestimmt sind.The Inventive solution provides In addition, a plant for melting and / or refining glass available, which Has dimensions according to the above mentioned methods with respect to at least one target size of the dimensions and / or the operating parameters are matched.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben.The Invention will now be described with reference to an embodiment with reference on the attached Figure described.

Es zeigtIt shows

1: eine schematische Darstellung einer Schmelz- und Läuterwanne mit vergrößerten Ausschnitten aus einer Schmelze, welche Blasen enthält. 1 : A schematic representation of a melting and refining trough with enlarged sections of a melt containing bubbles.

Die im folgenden angeführten Zitatstellen sind am Ende der Beschreibung aufgeführt.The in the following Quotes are listed at the end of the description.

Eine Glasschmelze besteht nicht nur aus flüssigem Glas sondern aus einer Suspension aus Flüssigkeit und dispergierten Gasblasen. Insbesondere in einer Schmelzwanne reicht die Größenordnung des Blasendurchmesser von wenigen Nanometern bis zu einigen Millimetern und überstreicht damit mindestens sechs Größenordnungen. In Abbildung 1 ist dieser Zustand skizziert. Im flüssige Glas gelöste Gase diffundieren in die Gasblasen oder umgekehrt. Bei hoher Übersättigung der gelösten Gase können. sich auch neue Blasen bilden. Die Blasen wachsen weiterhin durch Koagulation untereinander und steigen um so schneller auf, je größer sie werden. Alle genannten Phänomen können mit Hilfe der Momentenmethode beschrieben werden, die bereits in der Aerosolphysik erfolgreich an angewandt wird also bei der Bildung von Partikeln in Gasströmungen, siehe [1], [2], [3], [4]. Die bislang verwendeten Modelle können weder die Neubildung von Blasen nach die Rückwirkung der Blasenbewegung auf die Strömung der Schmelze beschreiben. Auch die Koagulation von Blasen durch untershiedlich schnelle Auftriebsgeschwindigkeiten wird bislang nicht erfaßt. Bei der Momentenmethode bestehen diese Einschränkungen nicht. Sie kommt erst dann an ihre Gültigkeitsgrenze, wenn der Volumenanteil der Blasenphase 10% deutlich übersteigt.A glass melt consists not only of liquid glass but of a suspension of liquid and dispersed gas bubbles. In particular, in a melting tank, the order of magnitude of the bubble diameter ranges from a few nanometers to a few millimeters and thus covers at least six orders of magnitude. Figure 1 outlines this condition. Gases dissolved in the liquid glass diffuse into the gas bubbles or vice versa. At high supersaturation of the dissolved gases can. also form new bubbles. The bubbles continue to grow through coagulation and grow faster as they grow larger. All these phenomena can be described by means of the moment method, which is already successfully used in aerosol physics, ie in the formation of particles in gas flows, see [1], [2], [3], [4]. The models used so far can neither regenerate bubbles describe the retroactive effect of the bubble movement on the flow of the melt. Also, the coagulation of bubbles by unterhiedlich fast buoyancy speeds is not yet detected. With the moment method these restrictions do not exist. It only comes to its validity limit if the volume fraction of the bubble phase clearly exceeds 10%.

Grundlegende Annahme der Methode ist, daß sich stets ein Blasengrößenspektrum gemäß einer unimodalen logarithmischen Normalverteilung einstellt. Im Fall von Aerosolen stimmt diese Annahme sehr gut mit experimentellen Befunden überein, wie die oben zitierten Arbeiten zeigen. Auch für blasenhaltige Flüssigkeitsströmungen konnte diese Annahme bereits experimentell bestätigt werden, siehe [5]. Dieser Ansatz ist erst da unzureichend, wo in einem Gebiet mit im Mittel großen Blasen starke Neubildung von Blasen einsetzt. Geschieht dies in der Weise, daß die Zahl der neugebildeten sehr kleinen Blasen in der Größenordnung der bereits vorhandenen deutlich größeren Blasen liegt, wird sieh eher eine bimodale Blasengrößenverteilung einstellen. Tritt in den zu beschreibenden Prozessen ein solcher Fall auf, ist zu prüfen, ob das Momentenmodell um eine bimodale logarithmische Normalverteilung für das Blasengrößenspektrum erweitert werden kann. Grundsätzlich ist es aber auch bei einer unimodalen Verteilungsfunktion möglich, daß sich ständig neue Blasen bilden, selbst wenn der mittlere Blasendurchmesser deutlich größer als der der neugebildeten Blasen ist.Basic Adoption of the method is that itself always a bubble size spectrum according to a sets unimodal logarithmic normal distribution. In case of Aerosols agrees with this assumption very well with experimental findings, as the above cited works show. Also for bubble-containing liquid flows could this assumption has already been confirmed experimentally, see [5]. This Approach is only inadequate where in an area with on average huge Bladder relies on strong new formation of blisters. This happens in the way that the Number of newly formed very small bubbles of the order of magnitude the already existing much larger bubbles is, see rather a bimodal bubble size distribution to adjust. Occurs in the processes to be described one such Case up, check whether the moment model is a bimodal logarithmic normal distribution for the Bubble size spectrum can be extended. in principle But it is also possible in a unimodal distribution function that constantly new Bubbles form, even if the mean bubble diameter clear greater than that is the newly formed bubbles.

In einem Fluid F ist eine Blasenphase B suspendiert. Für die Mittelwertbildung wird eine Kugel K vom Radius rK und Volumen

Figure 00090001
betrachtet. Eine solche Kugel ist oben links, in Abbildung 1 skizziert. rK muß so gewählt werden können, daß für eine systemtypische makroskopische Abmessung L und die Zahl der Blasen nK in K gilt:
Figure 00090002
In a fluid F, a bubble phase B is suspended. For averaging, a sphere K of radius r K and volume
Figure 00090001
considered. Such a sphere is sketched at the top left, in Figure 1. r K must be able to be chosen so that for a system-typical macroscopic dimension L and the number of bubbles n K in K:
Figure 00090002

Die Blasen werden als kugelförmig angenommen, so daß ihr Volumen gleich

Figure 00090003
ist. α bezechnet darin die Zahl der Moleküle in der Blase.The bubbles are assumed to be spherical so that their volume is equal
Figure 00090003
is. α is the number of molecules in the bubble.

Für weitere Berechnungen wird die Funktion

Figure 00090004
eingeführt. Damit definieren wir den Volumenbruch der Blasen mit α Molekülen als
Figure 00090005
qαβ ist der Ortsvektor des Mittelpunkts einer mit α Molekülen. Der zweite Index β ist einzuführen, da es in der Kugel K mehrere Blasen mit α Molekülen an unterschiedlichen Orten und mit unterschiedlichen Gechwindigkeiten geben kann.For further calculations, the function becomes
Figure 00090004
introduced. This is how we define the volume fraction of bubbles with α molecules as
Figure 00090005
q αβ is the position vector of the center of one with α molecules. The second index β is to be introduced because in the sphere K there can be several bubbles with α molecules at different locations and at different speeds.

Der Volumenbruch der gesamten Blasenphase ist dann

Figure 00100001
The volume fraction of the entire bubble phase is then
Figure 00100001

Es kann leicht gezeigt werden, daß gilt

Figure 00100002
It can easily be shown that
Figure 00100002

Für die verschiedenen Phasen und Bezugsvolumina werden unterschiedliche Mittelwerte für eiine beliebige Größe Ψ definiert:

  • a)
    Figure 00100003
    VK,F ist der ganze vom Fluid in der Kugel K eingenommene Raum. Für diesen Mittelwert können die Materialgesetze des reinen Fluids angesetzt werden.
  • b) 〈Ψ〉s(x,t) = (1 – ε(x,t))〈Ψ〉(x,t) (9)〈Ψ〉s ist der auf das Schmelzevolumen bezogene Mittelwert. Es handelt sich somit um eine Partialgröße des Fluids in der Schmelze, etwa der Partialdichte.
  • c)
    Figure 00100004
    Für diesen Mittelwert gelten wieder die Marerialgesetze des Blaseninhalts.
  • d)
    Figure 00100005
    Dieser Mittelwert kann wiederum als eine Partialgröße der Blasenphase angesehen werden.
  • e)
    Figure 00100006
    Auch Für diesen Mittelwert gelten die Marerialgesetze des Blaseninhalts.
  • f)
    Figure 00110001
    Hier handelt es sich wieder um eine Partialgröße der Blasenphase. Auch hier kann leicht gezeigt werden, daß alt
  • Figure 00110002
    Bei der Formulieriung von Bilanzgleichungen sind noch zwei weitere Mittelwerte nützlich, nämlich
  • g)
    Figure 00110003
  • h)
    Figure 00110004
ρF und ρB sind dabei die Materialdichten des reinen Fluids und der reinen Blase.For the different phases and reference volumes, different averages for a be sweet size Ψ defines:
  • a)
    Figure 00100003
    V K, F is the entire space occupied by the fluid in the sphere K. For this mean, the material laws of the pure fluid can be applied.
  • b) <Ψ> s (x, t) = (1 - ε (x, t)) <Ψ> (x, t) (9) <Ψ> s is the mean value related to the melt volume. It is thus a partial size of the fluid in the melt, such as the partial density.
  • c)
    Figure 00100004
    For this average, the Marerialgesetze of bladder content apply again.
  • d)
    Figure 00100005
    This mean can again be considered as a partial size of the bubble phase.
  • e)
    Figure 00100006
    Also for this average, the Marerialgesetze the bubble content apply.
  • f)
    Figure 00110001
    This is again a partial size of the bubble phase. Again, it can be easily shown that old
  • Figure 00110002
    When formulating balance sheet equations, two other averages are useful, namely
  • G)
    Figure 00110003
  • H)
    Figure 00110004
ρ F and ρ B are the material densities of the pure fluid and the pure bubble.

Die Kugel K ist ein offenes System mit ortsfester Oberfläche. Eine Bilanzgleichung für eine allgemeine Größe Ψ der Fluidphase hat dann die allgemeine Form

Figure 00110005
nK ist der Normaleneinheitsvektor auf der Oberfläche der Kugel K. Φ stellt die Zufuhr über die Systemoberfläe dar (z.B. Spannungstensor bei Ψ = νF). z ist die Zufuhr ins Innere von K (z.B. Schwerkraft bei Ψ = νF). ζ schließlich ist die Produktion aufgrund der Wechselwirkung zwischen den beiden Phasen.The ball K is an open system with fixed surface. A balance equation for a general size Ψ of the fluid phase then has the general form
Figure 00110005
n K is the normal unit vector on the surface of the sphere K. Φ represents the input over the system surface (eg stress tensor at Ψ = ν F ). z is the inflow into the interior of K (eg gravity at Ψ = ν F ). ζ finally, the production is due to the interaction between the two phases.

Um die Interalform der Bilanzgleichung in die Differentialform umzuwandeln, stellen wir zunächst einen Zusammenhanng zwischen der δ-Funktion und der Π-Funktion her. Die δ-Funktion ist so definiert, daß gilt

Figure 00120001
To transform the interal form of the balance equation into the differential form, we first establish a relationship between the δ function and the Π function. The δ function is defined to hold
Figure 00120001

Wir definieren eine weitere Π-Funktion als

Figure 00120002
We define another Π function as
Figure 00120002

Ein Vergleich der Gleichungen (18) und (19) mit Gleichung (4) zeigt, daß die Identität Π1(|x – x∫|) – Π(x – x∫) (20)gilt. Für die kartesischen Koordinaten des Gradienten von Π1 gilt dann

Figure 00120003
A comparison of equations (18) and (19) with equation (4) shows that the identity Π 1 (| x - x∫ |) - Π (x - x∫) (20) applies. For the Cartesian coordinates of the gradient of Π 1 then applies
Figure 00120003

Das kann auch in vektorieller Schreibweise formuliert werden als VKxΠ1(|x – x∫|) = δ(|x – x'| – rK)nK (22) This can also be formulated in vector notation as V K x Π 1 (| x - x∫ |) = δ (| x - x '| - r K n) K (22)

Damit läßt sich die allgemeine Bilanzgleichung (17) umformen zu

Figure 00120004
This allows the general balance equation (17) to be transformed
Figure 00120004

Mit der Mittelwertdefinition in Gleichung (8) lauted die daraus abgeleitete allgemeine Bilanzgleichung für reguläre Punkte in differentieller Form

Figure 00120005
The mean value definition in equation (8) is the general balance equation derived from it for regular points in differential form
Figure 00120005

In Vorbereitung auf die Ableitung einer allgemeinen Bilanzgleichung für die Blasenphase bilden wir zunächst

Figure 00130001
In preparation for the derivation of a general balance equation for the bubble phase we form first
Figure 00130001

Das kann umformuliert werden zu

Figure 00130002
q .αβ ist die Geschwindikeit dcr Blase αβ. Damit können wir bilden
Figure 00130003
That can be reworded too
Figure 00130002
q. αβ is the velocity of the bubble αβ. We can form that
Figure 00130003

Dabei ist m .α definiert als

Figure 00130004
Where m is. α defined as
Figure 00130004

Mit Hilfe der Mittelwertdefinition in Gleichung (10) kann diese Gleichung in die Gestalt einer Bilanzgleichung umgeformt werden zu

Figure 00130005
ρB ist die Dichte und q . die Geschwindigkeit der Blasenphase. Die beiden Terme auf der linken Seite der Gleichung stellen die lokale zeitliche Änderung und den konvektiven Transport von Ψ. Der erste Term auf der rechten Seite stellt den Austausch zwischen den beiden Phasen dar. Der zweite Term auf der rechten Seite stellt Fluß und Produktion von Ψ in da Blasenphase dar. Er ist zu ermitteln aus der Betrachtung des einzelnen Blse.With the help of the mean value definition in equation (10), this equation can be transformed into the form of a balance equation
Figure 00130005
ρ B is the density and q. the speed of the bubble phase. The two terms on the left side of the equation represent the local time change and the convective transport of Ψ. The first term on the right represents the exchange between the two phases. The second term on the right represents flow and production of Ψ in the bubble phase. It is to be determined from the consideration of the single bubble.

Mit den Gleichungen (24) und (27) sind für beide Phasen Bilanzgleichungen für eine beliebige Größe Ψ formuliert. In dieser Form hängen sämtliche Größen sowohl vom Ort als auch von der Zeit ab. In den folgenden Betrachtungen wird diese Abhängigkeit nicht mehr explizit angegeben. Nur bei Abweichnungen davon wird darauf hingeweisen. Die Bilanzgleichungen sind so formuliert, daß die einzelnen Terme für beide Phasen auf das konstante Volumen VK betogen sind. Für die Erhaltungsgrößen Masse, Impuls und Energie müssen dann die Produktionsterme negativ gleich sein.Equations (24) and (27) formulate balance equations for any size Ψ for both phases. In this form, all sizes depend on both location and time. In the following considerations, this dependency is no longer explicitly stated. Only in case of deviations from it is pointed out. The balance equations are formulated in such a way that the individual terms for both phases are based on the constant volume V K. For the conservation quantities mass, momentum and energy then the production terms have to be negative.

Für die Massenbilanz werden die generellen Größen der allgemeinen Bilanzgleichung für die Fluidphasen interpretiert als

Figure 00140001
For the mass balance, the general parameters of the general balance equation for the fluid phases are interpreted as
Figure 00140001

Die Massenbilanz für die Fluidphase lautet dann nach Gleichung (24)

Figure 00140002
The mass balance for the fluid phase is then according to equation (24)
Figure 00140002

Mit Hilfe von Gleichung (27) erhalten wir die Massenbilanz für die Blasenphasenphase in der Form

Figure 00140003
Equation (27) gives the mass balance for the bubble phase phase in the mold
Figure 00140003

Wie weiter oben bereits für den allgemeinen Fall angemerkt wurde, müssen die Produktionsterme der beiden Phasen negativ gleich sein, so daß gilt

Figure 00140004
As already noted above for the general case, the production terms of the two phases must be negatively equal, so that
Figure 00140004

Die Summation der beiden Massenbilanzen liefert dann

Figure 00140005
The summation of the two mass balances then provides
Figure 00140005

Definieren wir Dichte und Geschwindigkeit der Schmelze als

Figure 00140006
dann erhalten wir zum einen nach Gleichung ((31) eine Massenbilanz der üblichen Form
Figure 00140007
Define density and velocity of the melt as
Figure 00140006
then, on the one hand, according to equation ((31), we obtain a mass balance of the usual form
Figure 00140007

Daß ρS die Dichte der Schmelze ist ergibt sich daraus, daß ρS VK tatsächlich die Gesamtmasse in der Kugel K ist.The fact that ρ S is the density of the melt results from the fact that ρ S V K is actually the total mass in the sphere K.

Für die Impulsbilanz der Fluidphase werden die generellen Größen der allgemeinen Bilanzgleichung interpretiert als

Figure 00150001
g ist die spezifische Schwerkraft. Detailliertere Kenntnisse über den Produktionsterm ζI erhalten wir aus der Betrachtung der Blasenphase.For the momentum balance of the fluid phase, the general parameters of the general balance equation are interpreted as
Figure 00150001
g is the specific gravity. More detailed knowledge about the production term ζ I is obtained from the consideration of the bubble phase.

Mit Hilfe von Gleichung (24) erhalten wir dann die Impulsbilanz zunächst in der Form

Figure 00150002
With the help of equation (24) we obtain the momentum balance first in the form
Figure 00150002

Die generelle Große Ψ der allgemeinen Bilanzgleichung für die Blasenphase wird im Fall der Impulsbilanz als Ψ = q . interpretiert. Aus Gleichung (27) erhalten wir damit für die Bilanzgleichung

Figure 00150003
The general size Ψ of the general balance equation for the bubble phase becomes Ψ = q in the case of the momentum balance. interpreted. From equation (27) we obtain for the balance equation
Figure 00150003

Für die weitere Auswertung ist nun der Term

Figure 00150004
auszuwerten. mαq ..αβ ist gleich Masse × Beschleunigung einer Blase mit Radius rα. Dann können wir schreiben mαq ..αβ = mαg + Fαβ (37) For further evaluation, the term is now
Figure 00150004
evaluate. m α q .. αβ is equal to mass × acceleration of a bubble with radius r α . Then we can write m α q .. αβ = m α g + F αβ (37)

Fαβ ist die vom Fluid auf die Blasenoberfläche ausgeübte Kraft. Multiplikation mit Π(x – qαβ) und Summation über β liefert

Figure 00150005
F αβ is the force exerted by the fluid on the bladder surface. Multiplication by Π (x - q αβ ) and summation over β
Figure 00150005

Darin ist

Figure 00150006
die auf das Blasenvoumen bezogene Oberflächenkraft. Nach Gleichung (10) erhalten wir daraus für die Mittelwerte
Figure 00150007
That's it
Figure 00150006
the surface force related to bladder volume. According to equation (10) we obtain from this for the mean values
Figure 00150007

Gemäß Gleichung (14) erhalten wir nach Summation über α

Figure 00160001
According to equation (14) we obtain after summation over α
Figure 00160001

Gleichung (36) können wir schließlich umformen zu

Figure 00160002
We can finally transform equation (36)
Figure 00160002

Da auch der Impuls eine Erhaltungsgröße ist, müssen der zweite und der dritte Term auf der rechten Seite, die Produktionsterme, negativ gleich dem Produktionsterm der Impulsbilanz der Fluidphase sein. Nach Gleichung (35) folgt somit

Figure 00160003
Since the momentum is also a conserved quantity, the second and the third term on the right side, the production terms, must be negative equal to the production term of the momentum balance of the fluid phase. By equation (35) follows
Figure 00160003

Summation der beiden Impulsbilanzen (35) und (42) liefert zunächst mit den G1eichungen (32) und (33)

Figure 00160004
Summation of the two momentum balances (35) and (42) yields first with the equations (32) and (33)
Figure 00160004

Die konvektiven Terme bedürfen einer eingehenden gesonderten Betrachtung. Gemäß den Mittelwertdefinitionen (12) und (13) nähern wir zunächst

Figure 00160005
The convective terms require detailed consideration. According to the mean definitions (12) and (13), we first approximate
Figure 00160005

Die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Phasen wird definiert als

Figure 00160006
The relative velocity between the two phases is defined as
Figure 00160006

Gemäß den Definitionen (12), (13), (32) und (33) läßt sich daraus ableiten

Figure 00160007
According to the definitions (12), (13), (32) and (33) can be derived therefrom
Figure 00160007

Darin ist YB der Massenbruch der Blasenphase in der Schmelze mit

Figure 00160008
In it, Y B is the mass fraction of the bubble phase in the melt
Figure 00160008

Mit Hilfe der Näherung (45) lassen sich die kanvektiven Terme umformen zu

Figure 00160009
With the help of approximation (45) the canvective terms can be transformed
Figure 00160009

Die Impulsbilanz (44) können wir damit umformen zu

Figure 00170001
We can transform the momentum balance (44) with it
Figure 00170001

Definieren wir den Spannungstensor der Schmelze als tS = (1 - ε)〈tF〉 – ρSYB(1 – YB)ωω (51)dann erhält die Impulsbilanz die übliche Form

Figure 00170002
Let's define the stress tensor of the melt as t S = (1 - ε) <t F > - ρ S Y B (1 - Y B ) ωω (51) then the momentum balance gets the usual shape
Figure 00170002

Eine Impulsbilanz dieser Form wird von Fluent erlöst. Es muß also dafür gesorgt werden, daß die Materigleichung für den Spannungstensor von der Gestalt der G1eichung (51) ist. Für 〈tF〉 kann die Matarialgleichung eines kompressiblen Newton'schen Fluids angesetzt werden, also

Figure 00170003
μF ist die Viskasität des flüssigen Glases und I der Einheitstensor. Damit erhält der Spannungstensor für die Schmelze insgesamt die Gestalt
Figure 00170004
A momentum balance of this form is released by Fluent. It must therefore be ensured that the equation of matter for the stress tensor is of the form of the equation (51). For <t F > the matarial equation of a compressible Newtonian fluid can be used, ie
Figure 00170003
μ F is the viscosity of the liquid glass and I the unit tensor. This gives the stress tensor for the melt as a whole the shape
Figure 00170004

Um diesen Ausdruck vereinfachen zu können, betrachten wir die Größenardnungen der vorkommenden Größen. Die charakteristische Geschwindigkeit U, Länge L, Viskosität μF,o, Gasdichte ρB,o, Dichte der Schmelze ρF,o und Volumenbruch der Gasphase ε0 haben in einer typischen Glasströmung die Werte

Figure 00170005
To simplify this expression, let's consider the size estimates of the quantities that occur. The characteristic velocity U, length L, viscosity μ F, o , gas density ρ B, o , density of the melt ρ F, o and volume fraction of the gas phase ε 0 have the values in a typical glass flow
Figure 00170005

Eine Schlüsselgröße für Vereinfachungen ist hier da Massenbruch der Blasenphase YB. Für seine Größenordnung gilt

Figure 00170006
A key size for simplifications is here mass breakage of the bubble phase Y B. For its magnitude applies
Figure 00170006

Für typische Glasschmelzen ist zu in der gleichen Größenordnung wie uS, so daß gilt O(ω) = O(νS) = U (57) For typical glass melts, it is of the same order of magnitude as u S , so that O (ω) = O (ν S ) = U (57)

Dann können wir nach Gleichung (47)1 in guter Näherung schreiben νF ≈ νS (58) Then we can write to equation (47) 1 in a good approximation ν F ≈ ν S (58)

Im Reibungsantal τS des Spannungstensors, das ist der zweige Term auf der rechten Seite von Gleichung (54), können wir damit νF durch νS ersetzen, und wir schreiben

Figure 00180001
In the friction angle τ S of the stress tensor, which is the branch term on the right side of Equation (54), we can replace ν F by ν S , and we write
Figure 00180001

Wir wollen nun die Größenanordnung des letzten Terms auf der rechten Seite von Gleichung (54) gegenüber der Größenordnung des Reibungsanteils τS abschätzen.Let us now estimate the magnitude order of the last term on the right side of equation (54) versus the magnitude of the friction component τ S.

Dazu bilden wir zunächst

Figure 00180002
We first form this
Figure 00180002

Also ist O(ρSYB(1 – YB)ωω) ≪ O(τS), (62)so daß wir den letzten Term in Gleichung (54) vernachlässigen können. Die Materialgleichung für den Spannungstensor der Schmelze reduziert sich dann zu

Figure 00180003
So is O (ρ S Y B (1 - Y B ) ωω) «O (τ S (62) so that we can neglect the last term in equation (54). The material equation for the stress tensor of the melt then reduces
Figure 00180003

Im Detail wird in Fluent eine Impulsbilanz der Gestalt

Figure 00180004
gelöst. μS ist die Viskosität der Schmelze, für die wir nach obigen Überlegungen setzen μS = (1 – ε)μF (65) In detail, in Fluent, a momentum balance of the shape becomes
Figure 00180004
solved. μ S is the viscosity of the melt, for which we set according to the above considerations μ S = (1 - ε) μ F (65)

F ist in Fluent an frei programmierbarer Quellterm, für den wir nach den Gleichungen (63) und (64) setzen F = ∇(εp) (66) F is in fluent at freely programmable source term, for which we set equations (63) and (64) F = ∇ (εp) (66)

Mit den Gleichungen (64), (65) und (66) sind damit alle Angaben bereitgestellt um mit Fluent die Impulsbilanz für eine Schmelze zu lösen, die Blasen von einem Volumenanteil ε enthält.With equations (64), (65) and (66) provide all the information with Fluent the momentum balance for to dissolve a melt, contains the bubbles of a volume fraction ε.

Für die Energiebilanz der Fluidphase werden die generellen Größen der allgemeinen Bilanzgleichung interpretiert als

Figure 00190001
φF ist der Wärmeflußvektor des flüssigen Glases. Mit Hilfe von Gleichung (24) erhalten wir die Energiebilanz zunächst in der Form
Figure 00190002
For the energy balance of the fluid phase, the general parameters of the general balance equation are interpreted as
Figure 00190001
φ F is the heat flow vector of the liquid glass. With the help of equation (24) we first get the energy balance in the form
Figure 00190002

Bei Berücksichtigung der Gasdiffusion im flüssigen Glas kann als Materialgesetz für den Wärmeflußvektor angesetzt werden

Figure 00190003
λF ist die Wärmeleitfähigkat des flüssigen Glases, Jϑ der Diffusionsfluß der im flüssigen Glas gelösten Gasspezies ϑ und hϑ die zugehörige spezifische Enthalpie. Die generelle Größe Ψ der allgemeinen Bilanzgleichung für die Blasenphase wird im Fall der Energiebilanz als Ψ = eB interpretiert. Aus Gleichung (27) erhalten wir damit für die Bilanzgleichung
Figure 00190004
Taking into account the gas diffusion in the liquid glass can be used as a material law for the heat flux vector
Figure 00190003
λ F is the heat conductivity of the liquid glass, J θ is the diffusion flux of the gas species dissolved in the liquid glass θ and h θ the associated specific enthalpy. The general variable Ψ of the general balance equation for the bubble phase is interpreted as Ψ = e B in the case of the energy balance. From equation (27) we obtain for the balance equation
Figure 00190004

Für die weitere Auswertung ist nun der Term

Figure 00190005
auszuwerten. Vernachlässigen wir den Einfluß der Reibungskräfte an der Blasenoberfläche auf den Energiehaushalt der Blasen, dann können wir die Energiebilanz für die einzelne Blase formulieren als
Figure 00190006
For further evaluation, the term is now
Figure 00190005
evaluate. If we ignore the influence of frictional forces on the bubble surface on the energy balance of the bubbles, then we can formulate the energy balance for the individual bubble as
Figure 00190006

Darin sind nα,β der Normaleneinheitsvektor auf der Blasenoberfläche,

Figure 00190007
der dortige Wärmeflußvektor und
Figure 00190008
die dortige Geschwindigkeit der Blasenoberfläche, für die gilt
Figure 00190009
Where n α, β are the normal unit vector on the bubble surface,
Figure 00190007
the local heat flux vector and
Figure 00190008
the local speed of the bubble surface, for which applies
Figure 00190009

Wir gehen nun näherungsweise davon aus, daß das Temperaturfeld in der Blase vom Radius τα bis auf ein (ΔT)αβ identisch mit dem des umgebenden Fluids ist. Als Materialgleichung für den Wärmeflußvektor an der Blasenoberfläche setzen wir daher an

Figure 00200001
λα ist die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs in der Blase und κα die Wärmeübergangszahl zwische Blaseninnerem un umgebenden flüssigem Glas. Kann sowohl (ΔT)αβ auf der Blasenoberfläche als auch ∇T im Blasenvolumen als konstant angesehen werden, läßt sich Gleichung (70) umformen zu
Figure 00200002
We now approximately assume that the temperature field in the bubble of radius τ α to one (ΔT) αβ is identical to that of the surrounding fluid. As a material equation for the heat flux vector at the bladder surface we therefore use
Figure 00200001
λ α is the thermal conductivity of the gas mixture in the bubble and κ α is the heat transfer coefficient between the bubbles inside and surrounding liquid glass. If both (ΔT) αβ on the bubble surface and ∇T in the bubble volume can be considered as constant, equation (70) can be transformed
Figure 00200002

Nun bilden gemäß Gleichung (14) wir den Mittelwert

Figure 00200003
να ist dabei definiert als
Figure 00200004
wobei Vref ein beliebiges Referenzvolume ist. Nach Summation über α erhalten wir weiter
Figure 00200005
Now according to equation (14) we form the mean
Figure 00200003
ν α is defined as
Figure 00200004
where V ref is any reference volume. After summation over α we get further
Figure 00200005

Der Term

Figure 00200006
ist der Mittelwert der Divergenz des Wärmeflüsktors in den Blasen. Er ist im wesentlichen bestimmt durch den Verlauf des Temperaturgradienten, der – wie obenbereits angemerkt – in Blasen und Fluid als gleich angenommen wird. Dann können wir setzen
Figure 00200007
The term
Figure 00200006
is the mean of the divergence of the heat flow in the bubbles. It is essentially determined by the course of the temperature gradient, which, as noted above, is assumed to be the same in bubbles and fluid. Then we can bet
Figure 00200007

Der erste Term auf der rechten Seite stellt den Flußterm dar, der zweite einen weiteren Quellterm. Für die Energiebilanz der Blasenphasen erhalten wir mit den G1eichungen (69), (75) und (76)

Figure 00210001
The first term on the right represents the Flussterm, the second another source term. For the energy balance of the bubble phases we obtain the equations (69), (75) and (76)
Figure 00210001

Der letzte Term auf der rechten Seite stellt die Zufuhr ins Innere dar, die übrigen Terme demnach die Produktion. Den Produktionsterm der Fluidphase können wir damit identifizieren als

Figure 00210002
The last term on the right represents the supply to the interior, the other terms therefore the production. We can identify the production term of the fluid phase as
Figure 00210002

Durch Summation der Energiebilanzen der beiden Phasen erhalten wir eine Bilanzgleichung der Gestalt

Figure 00210003
wenn die folgenden Materialgesetze eingehalten werden.By summing the energy balances of the two phases, we obtain a balance equation of the shape
Figure 00210003
if the following material laws are complied with.

Figure 00210004
Figure 00210004

Durch Größenordnungsverglache können wir die Materialgesetze noch vereinfachen. Dazu führen wir als weitere charakteristische Größen eine spezifische Wärmekapazität des flüssigen Glases

Figure 00210005
eine spezifische Wärmekapazität der Blase
Figure 00210006
eine spezifische Wärmekapazitätdifferenz zwischen Blase und flüssigem Glas
Figure 00210007
eine Wärmeleitfähigkeit des Schmelze λS,0, ein Diffusionskoeffizient Dϑ,o, eine Gasspezieskonzentration im flüssigen Glas
Figure 00210008
eine Temperatur T0 und einen Druck p0 ein, die die Werte haben
Figure 00210009
We can simplify material laws even by size-scale comparisons. For this purpose we introduce a specific heat capacity of the liquid glass as further characteristic quantities
Figure 00210005
a specific heat capacity of the bladder
Figure 00210006
a specific heat capacity difference between bubble and liquid glass
Figure 00210007
a thermal conductivity of the melt λ S, 0 , a diffusion coefficient D θ, o , a gas species concentration in the liquid glass
Figure 00210008
a temperature T 0 and a pressure p 0 , which have the values
Figure 00210009

Die ersten beiden Terme in Gleichung (80) haben die Größenordnung

Figure 00210010
während der zweite Term nach den Gleichungen (55) und (56) von der Größenordnung
Figure 00220001
ist. Wir können daher die Materialgleichung (80) annähern durch
Figure 00220002
The first two terms in equation (80) are of the order of magnitude
Figure 00210010
during the second term according to equations (55) and (56) of the order of magnitude
Figure 00220001
is. We can therefore approximate the material equation (80)
Figure 00220002

Die spezifische Wärmekapazität der Schmelze ist dann

Figure 00220003
The specific heat capacity of the melt is then
Figure 00220003

Dabei sind cp,F und cp,B die spezifischen Wärmekapazitäten von flüssigem Glas und Blase. Die drei Terme des des Wärmeflußvektors auf der rechten Seite von Gleichung (81) sind von der Gräßenordnung

Figure 00220004
Here, c p, F and c p, B are the specific heat capacities of liquid glass and bubble. The three terms of the heat flux vector on the right side of equation (81) are of order of magnitude
Figure 00220004

Der führende Term ist demnach der erste der drei. Die anderen beiden sind um so viel kleiner, daß sie vernachlässigt werden können. Die Materialgleichung (81) vereinfacht sich dann zu φS = –λS∇T (89) The leading term is therefore the first of the three. The other two are so much smaller that they can be neglected. The material equation (81) then simplifies φ S = -Λ S ∇T (89)

Für die Speziesbilanz der im flüssigen Glas gelösten Gase werden die generellen Größen der allgemeinen Bilanzgleichung für bade Phasen interpretiert als

Figure 00220005
For the species balance of gases dissolved in liquid glass, the general parameters of the general balance equation for bathing phases are interpreted as
Figure 00220005

Die Speziesbilanz lautet dann nach Gleichung (24)

Figure 00220006
YF,ϑ ist des Massenbruch der Gasspezies ϑ innerhalb des flüssigen Glases. Ihr Massenbruch in der Schmelze ist dann YS,ϑ = (1 – YBF,ϑ (91) The species balance is then according to equation (24)
Figure 00220006
Y F, θ is the mass fraction of the gas species θ within the liquid glass. Your mass melt break is then Y S, θ = (1 - Y B ) Y? F, θ (91)

Mit Hilfe der Gleichungen (4), (15) und (47)1 erhalten wir für diesen Massenbruch die Bilanzgleichung

Figure 00230001
With equations (4), (15) and (47) 1 we obtain the balance equation for this mass fraction
Figure 00230001

Der Diffusionsflußvektor Jϑ erhält formal die Gestalt

Figure 00230002
The diffusion flux vector J θ is formally given the shape
Figure 00230002

Da nach Gleichung (54) YB von der Größenordnung 10–5 ist, ist der zweite Term auch um etwa diese Größenanordnung kleiner. Wir nähern das Materialgesetz für den Diffusionsflußvektor daher durch Jϑ = –ρSDϑ∇YS,ϑ (94) Since, according to equation (54), Y B is on the order of 10 -5 , the second term is also smaller by about this order of magnitude. We therefore approach the material law for the diffusion flux vector J θ = -Ρ S D θ ∇y S, θ (94)

Der zweite Term auf der zweiten Seite von Gleichung (92) ist eigentlich ein Flußterm und müsste dem Diffusionsflußvektor zugeschlagen werden. Allerdings hat das von Fluent standardmäßig benutzte Materialgesetz für den Diffusionsflußvektor die Form von Gleichung (94). Es muß dann nur nach das Materialgesetz für Dϑ eingegeben werden. Der zweite Term auf der rechten Seite wird dann programmiertechnisch wie eine Quellterm behandelt.The second term on the second page of equation (92) is actually a term of flux and should be added to the diffusion flux vector. However, the material law used by Fluent as standard for the diffusion flux vector is in the form of Eq. (94). It then only has to be entered according to the material law for D θ . The second term on the right hand side is then treated as a source term in terms of programming.

Der eigentliche Quelletrm setzt sich zusammen aus einem Beitrag der chemischen Reaktion innerhalb des flüssigen Glases und einem Beitrag des Massenaustauschs zwischen den Phasen. Wir setzen daher formal an

Figure 00230003
The actual source is composed of a contribution of the chemical reaction within the liquid glass and a contribution of the mass exchange between the phases. We therefore start formally
Figure 00230003

Für den chemischen Reaktionsterm

Figure 00230004
sind übliche Ansätze zu wählen, etwa dem Ratengesetz nach Arrhenius. Eine explizite Form des Phasenaustauschterms
Figure 00230005
wird bei der Betrachtung des Blasenwachstums bestimmt.For the chemical reaction term
Figure 00230004
are usual approaches to choose, such as the installment law by Arrhenius. An explicit form of the phase change term
Figure 00230005
is determined by considering the bubble growth.

Grundlage für die Behandlung der Blasenphase ist die aerosoldynamische Gleichung in der Farm

Figure 00230006
The basis for the treatment of the bubble phase is the aerosol-dynamic equation in the farm
Figure 00230006

Sie beschreibt das Verhalten einer in einem Fluid dispergierten Phase. Die dispersgierten Partikel können unterschiedlich groß sein, untereinander kollidieren und koagulieren und blasse mit dem umgebenden Fluid austauschen. Dabei be zeichnen Nα die Zahldichte von Blasen mit α Molekülen,

Figure 00240001
die mittlere Ge schwindigkeit von Blasen mit α Molekülen,
Figure 00240002
der Diffusionskoeffizient der Blasen mit α Molekülen, J die Massenproduktionsdichte von Blasenkeimen, α* die Zahl der Moleküle in einem Blasenkeim,
Figure 00240003
seine Masse, βαγ die Stoßhäufigkeit von Blasen mit α Molekülen und Blasen mit γ Molekülen, η die Koagulationswahrscheinlichkeit zweier stoßender Blasen,
Figure 00240004
die Übergangshäufigkeit von Molekülen aus dem flüssigen Glas in eine die Blese mit α Molekülen und
Figure 00240005
die Übergangshäufigkeit für den umgekehrten Vorgang.It describes the behavior of a phase dispersed in a fluid. The dispersed particles can be of different sizes, collide with each other and coagulate and exchange pale with the surrounding fluid. N α denote the number density of bubbles with α molecules,
Figure 00240001
the mean velocity of bubbles with α molecules,
Figure 00240002
the diffusion coefficient of the bubbles with α molecules, J the mass production density of bubble nuclei, α * the number of molecules in a bubble germ,
Figure 00240003
its mass, β αγ the collision frequency of bubbles with α molecules and bubbles with γ molecules, η the coagulation probability of two colliding bubbles,
Figure 00240004
the transition frequency of molecules from the liquid glass into a bubble with α molecules and
Figure 00240005
the transition frequency for the reverse process.

Die Basen bewegen sich relativ zum flüssigen Glas mit einer Auftriebsgeschwindigkeit νA,α und einem Diffusionsfluß

Figure 00240006
Für die mittlere Geschwinigkeit von Blasen mit Radius rα können wir daher ansetzen
Figure 00240007
The bases move relative to the liquid glass at a buoyancy rate ν A, α and a diffusion flux
Figure 00240006
For the mean velocity of bubbles with radius r α , we can therefore begin
Figure 00240007

Mit Hilfe von Gleichung (47)2 und einem Diffusionsansatz erhalten wir daraus

Figure 00240008
With the help of equation (47) 2 and a diffusion approach we obtain from this
Figure 00240008

Dabei ist

Figure 00240009
die Auftriebsgeschwindigkeit einer Blase mit α Molekülen. Die aerosoldynamische Gleichung kann damit geschrieben werden als
Figure 00240010
It is
Figure 00240009
the buoyancy rate of a bubble with α molecules. The aerosol dynamic equation can be written as
Figure 00240010

Bei der Berechnung der Auftriebsgeschwindigkeit gehen wir vereinfachend davon aus, daß Auftriebs- und Reibungskräfte stets im Gleichgewicht stehen. Die Auftriebskraft auf eine Blase mit Radius rα beträgt

Figure 00240011
In the calculation of the buoyancy speed, we simplistically assume that buoyancy and friction forces are always in equilibrium. The buoyancy force on a bubble with radius r α
Figure 00240011

Darin ist σ die Oberflächenspannung, R die allgemeine Gaskonstante und MB ist die orts- und zeitveränderliche Molmasse des in der Blase befindlichen Gasgemischs. Eine Abhängigkeit der Molmasse vom Blasenradius wird im hier ent wickelten Modell nicht berücksichtigt. Der der Stokesschen Reibung entsprechende Ausdruck für eine runde Blase mit Radius rα lautet

Figure 00250001
Therein σ is the surface tension, R the general gas constant and M B is the spatially and time variable molecular weight of the gas mixture in the bubble. A dependency of the molar mass on the bubble radius is not taken into account in the model developed here. The expression corresponding to the Stokes friction for a round bubble with radius r α
Figure 00250001

Im mechanischen Gleichgewicht ist die Summe dieser beiden Kräfte gleich null. Daraus läßt sich dann die Auftriebsgeschwindigkeit relativ zur Fluidphase berechnen zu

Figure 00250002
In mechanical equilibrium, the sum of these two forces is zero. From this, the buoyancy rate relative to the fluid phase can then be calculated
Figure 00250002

Das Diffusionsverhalten von Blasen entspricht in der Regel dem von Brownschen Teilchen. Wir bezeichnen diesen Bereich als Kontinuumsbereich. Bei sehr kleinen Blasen, etwa in der Keimbildungsphase, entspricht das Diffusionsverhalten eher dem der im flüssigen Glas gelösten Gase. Wir sprechen hier vom molekularen Bereich. Als Materialgleichung für den radienabhängigen Diffusionskoeffizienten, der für beide Bereich gültig ist, setzen wir daher an

Figure 00250003
A ist die Avogadro-Zahl und Dϑ* der Diffusionskoeffizient derjenigen Gasspezies im flüssigen Glas, aus der die Blasenkeime gebildet werden. Das Materialgesetz für den Diffusionskoefizienten ist so konstruiert, daß es für größere Radien den Diffusionskoeffizienten von Brownschen Teilchen liefert. Im Grenzwert zu einer hypothetischen einmolekularen Blase, also für sehr kleine Blasen, liefert es den Gasdiffusionskoeffizienten Dϑ*. r1 ist der Radius einer solchen hypothetischen einmolekularen Blase. Wenn man berücksichtigt, daß bei sehr kleinen Blasen der Innendruck praktisch ausschließlich durch die Oberflächenspannung bestimmt wird, kann man aus der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase die Gleichung
Figure 00250004
ableiten.The diffusion behavior of bubbles usually corresponds to that of Brownian particles. We call this area a continuum area. In the case of very small bubbles, for example in the nucleation phase, the diffusion behavior corresponds more closely to that of the gases dissolved in the liquid glass. We are talking about the molecular field here. As a material equation for the radii-dependent diffusion coefficient, which is valid for both ranges, we therefore assume
Figure 00250003
A is the Avogadro number and D θ * is the diffusion coefficient of those gas species in the liquid glass from which the bubble nuclei are formed. The material law for the diffusion coefficient is designed to provide the diffusion coefficient of Brownian particles for larger radii. At the limit of a hypothetical single-molecular bubble, ie for very small bubbles, it provides the gas diffusion coefficient D θ * . r 1 is the radius of such a hypothetical single-molecular bubble. Taking into account that for very small bubbles, the internal pressure is determined almost exclusively by the surface tension, one can from the equation of thermal equation for ideal gases, the equation
Figure 00250004
derived.

Zu Kollisionen zwischen zwei Blasen kommt es zum einen durch die Brownsche Bewegung der Blasen, die auch dem Diffusionsverhalten zugrunde liegen. Zum anderen kollidieren Blasen aufgrund unterschiedlich großer Auftriebsgeschwindigkeiten. Für die Stoßhäufigkeit setzen wir daher zunächst an

Figure 00250005
Collisions between two bubbles are caused, on the one hand, by the Brownian motion of the bubbles, which also underlie the diffusion behavior. On the other hand, bubbles collide due to different lift speeds. For the shock frequency, we therefore start first
Figure 00250005

In Analogie zu obigem Diffusionsansatz wählen für wir

Figure 00250006
ein Materialgesetz, das in der Aerosolphysik dem Kontiuumsbereich entspricht, siehe [4], und schreiben
Figure 00260001
In analogy to the above diffusion approach choose for us
Figure 00250006
a material law that corresponds to the contraction region in aerosol physics, see [4], and write
Figure 00260001

Eine Blase mit Radius rα – kurz α-Blase –, die sich aufgrund unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten relativ zu einer Blase mit Radius rγ – kurz γ-Blase – mit der Geschwindigkeit

Figure 00260002
bewegt, durchfegt während eines Zeitintervalls Δt ein Kollisionsvolumen von der GrößeA bubble with radius r α - short α-bubble -, due to different buoyancy velocities relative to a bubble with radius r γ - short γ-bubble - with the speed
Figure 00260002
moves, sweeps a collision volume of the size during a time interval .DELTA.t

Figure 00260003
Figure 00260003

Befindet sich der Mittelpunkt einer γ-Blase innerhalb dieses Volumens, findet eine Kollision der beiden Blasen statt. Der Erwartungswert für die Kollision einer bestimmten α-Blase mit einer γ-Blase ist dann

Figure 00260004
If the center of a γ-bubble is within this volume, a collision of the two bubbles takes place. The expected value for the collision of a given α-bubble with a γ-bubble is then
Figure 00260004

Dann ist die Zahldichte von solchen Stößen während Δt gleich Żα,γΔt = NαNγV .α,γΔt (109) Then the number density of such bursts is equal to Δt Ż α, γ Δt = N α N γ V. α, γ Δt (109)

Andererseits ist diese Stoßzahldichte gleich

Figure 00260005
und wir können identifizierenOn the other hand, this shock number density is the same
Figure 00260005
and we can identify

Figure 00260006
Figure 00260006

Mit Hilfe von Gleichung (102) können wir für die Relativgeschwindigkeit den Ausdruck

Figure 00260007
ableiten. Damit erhalten wir schließlich für die zugehörige Stoßhäufigkeit
Figure 00260008
η ist die Wahrscheinlichkeit, daß zwei Blasen, die kollidieren, auch koagulieren, also sich vereinigen. Diese Koagulationswahrscheinlichkeit hängt im wesentlichen von von der Kontaktdauer der beiden stoßenden Blasen, damit von ihrer Relativgeschwindigkeit und damit unter anderem von ihren Radien, wie Gleichung (112) zeigt. Aufgrund der hohen Viskosität von Glasschmelzen ist die Relativgeschwindigkeit maximal in ener Größenordnung von 10–2 m/s. Es wird angenommen, daß sich daraus eine hinreichend lange Kontaktdauer für stoßende Blasen ergibt und die Koagulationswahrscheinlichkeit für alle Radien nahe eins liegt. Insbesondere wird die Koagulationswahrscheinlichkeit als unabhängig von den Radien der stoßenden Blasen angenommen.With the help of equation (102) we can use the expression for the relative velocity
Figure 00260007
derived. This finally gives us the associated shock frequency
Figure 00260008
η is the probability that two bubbles that collide also coagulate, thus unite. This coagulation probability depends essentially on the contact duration of the two blasting bubbles, and thus on their relative velocity and thus, inter alia, on their radii, as shown in equation (112). Due to the high viscosity of glass melts, the relative speed is maximum in the order of 10 -2 m / s. It is assumed that this results in a sufficiently long contact duration for bursting bubbles and that the coagulation probability for all radii is close to one. In particular, the coagulation probability is assumed to be independent of the radii of the puffing bubbles.

Zur Berechnung der Übergangshäufigkeit

Figure 00270001
gehen wir davon aus, daß alle Gasmoleküle des Blase, die auf die Blasenoberfläche auftreffen, in die flüssige Phasen übergehen. Die Zahl der pro Flächen- und Zeiteinheit auftreffenden Moleküle der Spezies ϑ ist nach einfachen Argumenten der kinetischen Gastheorie gleich
Figure 00270002
To calculate the transition frequency
Figure 00270001
Let us assume that all gas molecules of the bladder, which hit the bladder surface, pass into the liquid phases. The number of molecules of the species θ impinging per unit area and time is the same according to simple arguments of the kinetic theory of gases
Figure 00270002

Darin ist XB,ϑ der Molenbruch der Gasspezies ϑ in der Blase und Mϑ die Speziesmolmasse. Die Übergangswahrscheinlichkeit ergibt sich dann durch Multiplikation mit der Blasenoberfläche und Summation über alle Spezies, und wir erhalten

Figure 00270003
Where X B, θ is the mole fraction of the gas species θ in the bubble and M θ is the species molar mass. The transition probability then results from multiplication with the bubble surface and summation across all species, and we get
Figure 00270003

Bezeichnen wir den Sättigungsdampfdruck der Spezies ϑ im Glas mit pϑ(T) und den Molenbruch der Gasspezies ϑ im flüssigen Glas an der Blasenoberflähe mit

Figure 00270004
dann sind die Übergangswahrscheinlichkeiten in beiden Richtungen gleich, wenn gilt
Figure 00270005
Let us denote the saturation vapor pressure of the species θ in the glass with p θ (T) and the molar fraction of the gas species θ in the liquid glass at the bubble surface
Figure 00270004
then the transition probabilities are the same in both directions, if true
Figure 00270005

Dann folgt für die Übergangswahrscheinlichkeit des umgekehrten Vorgangs

Figure 00270006
Then follows for the transition probability of the reverse process
Figure 00270006

Wie beispielsweise in [6] gezeigt wurde, können wir den Sättigungsdampfdruck pϑ(T) durch die Löslichkeit Lϑ ersetzen gemäß

Figure 00270007
Figure 00270008
ist die Konzentration in Mol/m3 der Gasspezies ϑ im flüssigen Glas an der Blasenoberfläche. Der Ansatz für die Übergangswahrscheinlichkeit lautet dann
Figure 00270009
For example, as shown in [6], we can substitute the saturation vapor pressure p θ (T) by the solubility L θ according to
Figure 00270007
Figure 00270008
is the concentration in mol / m 3 of the gas species θ in the liquid glass at the bubble surface. The approach to the transition probability is then
Figure 00270009

Die Konzentrationen an der Blasenoberfläche sind aber unbekannt und müssen noch durch die Konzentration

Figure 00270010
aus dem Inneren des flüssigen Glases weit weg von einer Blase ersetzt werden, da diese bei kleiner Blasenkonzentration ungefähr gleich der mittleren Konzentration der Gasspezies ϑ im flüssigen Glas ist. Der Stofftransport
Figure 00280001
in Mol/s eines gelösten Gases auf dem Inneren des flüssigen Glases an die Blasenoberfläche wird näherungsweise beschrieben durch den Ansatz
Figure 00280002
Shα,ϑ ist die Sherwood-Zahl und Peα,ϑ die Peclet-Zahl. Der damit beschriebene Stoffstrom zur Blasenoberfläche durchdringe diese auch, so daß gilt
Figure 00280003
However, the concentrations at the bladder surface are unknown and still have to be determined by the concentration
Figure 00270010
be replaced from the inside of the liquid glass far away from a bubble, since this is at a small bubble concentration approximately equal to the average concentration of the gas species θ in the liquid glass. The substance transport
Figure 00280001
in mol / s of a dissolved gas on the interior of the liquid glass to the bubble surface is approximately described by the approach
Figure 00280002
Sh α, θ is the Sherwood number and Pe α, θ is the Peclet number. The flow of material to the bubble surface thus described also penetrate this, so that applies
Figure 00280003

Vorstehende Überlegungen gelten nicht nur für die Summe der Gasspezies sondern auch für jede einzelne Spezies. In den obenstehenden Gleichungen muß nur gegebenenfalls die Summation über alle Spezies weggelassen werden. Mit den Gleichungen (115), (119), (120) und (121) erhalten wir dann für die Konzentration da Gasspezies ϑ an der Blasenoberfläche

Figure 00280004
The above considerations apply not only to the sum of the gas species but also to each species. In the equations above, only summation over all species may need to be omitted. With equations (115), (119), (120) and (121), we then obtain for the concentration since gas species θ at the bubble surface
Figure 00280004

In der späteren Auswertung taucht die Differenz

Figure 00280005
auf, die wir nun in guter Näherung bestimmen können zu
Figure 00280006
In the later analysis, the difference emerges
Figure 00280005
which we can now determine to a good approximation
Figure 00280006

Mit Hilfe von Gleichung (102) können wir die Radiusabhängigkeit da Sherwood-Zahl näherungsweise bestimmen zu

Figure 00280007
τg ist der geometrische Mittelwert des Blasenradius. In dieser Form können wir nachfolgende Integrale nicht explizit berechnen. Für ein Vereinfachung nutzen wir aus, daß gilt
Figure 00280008
Using Equation (102), we can approximate the radius dependence of the Sherwood number
Figure 00280007
τ g is the geometric mean of the bubble radius. In this form, we can not explicitly calculate subsequent integrals. For simplicity, we take advantage of that
Figure 00280008

Daraus leiten wir als Näherungsgleichung für die Sherwood-Zahl für

Figure 00280009
ab:
Figure 00280010
From this we derive as approximate equation for the Sherwood number for
Figure 00280009
from:
Figure 00280010

Grundlage der Momentenmodells ist die Annahme einer logarithmischen Normalverteilung für das Blasengrößenspektrum gemäß

Figure 00290001
N(rα)drα ist die Zahldichte von Blasen mit Radien zwischen rα und rα + drα. Die Verteilungsfunktion enthält drei Parameter, nämlich

  • • die Gesamtzahldiehte der Blasen NB,
  • • den mittleren Blasenradius rg und
  • • die Standardabweichung ω.
The basis of the moment model is the assumption of a logarithmic normal distribution for the bubble size spectrum according to
Figure 00290001
N (r α ) dr α is the number density of bubbles with radii between r α and r α + dr α . The distribution function contains three parameters, namely
  • The total number of bubbles N B ,
  • • the mean bubble radius r g and
  • • the standard deviation ω.

Alle Parameter sind Funktionen von Ort und Zeit. Sowohl die Gesamtzalildichte der Blasen als auch ihre mittlere Größe und die Breite ihrer Größenverteilung sind somit zeitlich und örtlich veränderlich. Bei der Bestimmung dieser drei Parameter wird so vorgegangen, daß aus der aerosoldynamischen Gleichung Bilanzgleichungen für drei Momente der Verteilungsfunktion hergeleitet werden. Bin solches Moment wird definiert als

Figure 00290002
All parameters are functions of place and time. Both the total density of the bubbles as well as their average size and the width of their size distribution are thus temporally and spatially variable. In determining these three parameters, the procedure is to derive balance equations for three moments of the distribution function from the aerosol dynamic equation. Such moment is defined as
Figure 00290002

Nach der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase besteht zwischen der Molekülzahl α und dem Radius rα der Zusammenhang

Figure 00290003
According to the equation of thermal equation for ideal gases, there is a relationship between the number of molecules α and the radius r α
Figure 00290003

Nach den Gleichungen (127), (128) und (129) erhalten wir für das 0-te, 1-te und 2-te Moment

Figure 00290004
By equations (127), (128), and (129), we obtain for the 0th, 1st, and 2nd moments
Figure 00290004

Des Parameter NB ist identiseh mit dem 0-ten Moment. Zur Bestimmung der anderen beiden Parameter rg und ω ist das nicht-lineare Gleichungssystem

Figure 00290005
zu lösen. Dabei bedeuten
Figure 00300001
The parameter N B is identical to the 0th moment. To determine the other two parameters r g and ω is the non-linear system of equations
Figure 00290005
to solve. Mean
Figure 00300001

Mit dar Vorgabe einer solchen Verteilungsfunktion und der Einführung von Momenten können nun diverse Größen und Gleiehungen in ihrer expliziten Abhängigkit von den Parametern und Momenten der Verteilungsfunktion bestimmt werden.With the specification of such a distribution function and the introduction of Moments can now various sizes and Drawings in their explicit dependency on the parameters and moments of the distribution function are determined.

i) Volumenbruch der Blasenphasei) volume fraction of the bubble phase

Mit Hilfe der Verteilungsfunktion kann der Volumenbruch der Blasen mit Radius rα ausgedrückt werden als εα = VαNα Using the distribution function, the volume fraction of bubbles with radius r α can be expressed as ε α = V α N α

Der Volumenbruch der gesamten Blasenphase ist dann gleich

Figure 00300002
und kann nun mit Gleichung (127) berechnet werden zu
Figure 00300003
The volume fraction of the entire bubble phase is then the same
Figure 00300002
and can now be calculated with equation (127)
Figure 00300003

ii) Dachse und Massenbruch der Blasenphaseii) badgers and mass fracture the bubble phase

Geben wir die Dichte einer Blase mit Radius rα nach der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase mit

Figure 00300004
an, dann kann diese Größe als der in Gleichung (11) definierte Mittelwert betrachtet werden. Nach den Gleichungen (13) und (14) kann die Partialdichte der gesamten Blasenphase in der Schmelze berechnet werden als
Figure 00300005
Give the density of a bubble with radius r α according to the equation of thermal equation for ideal gases
Figure 00300004
then this quantity may be considered as the mean defined in equation (11). According to equations (13) and (14), the partial density of the entire bubble phase in the melt can be calculated as
Figure 00300005

Dann ist

Figure 00300006
Then
Figure 00300006

Der Massenenbruch der Blasenphase ist gleich

Figure 00310001
The mass fraction of the bubble phase is the same
Figure 00310001

ii) Dichte der Schmelzeii) density of the melt

Nach Gleichung (32) erhalten wir daraus als Materialgleichung für die Dichte der Schmelze ρs = (1 – ε)⟨ρF⟩ + MBM1 (138) According to Equation (32) we obtain from this as a material equation for the density of the melt ρs = (1 - ε) ⟨ρF⟩ + M B M 1 (138)

Für ⟨ρF⟩ ist eine Materialgleichung vom flüssigem Glas der jeweiligen Sorte zu wählen.For ⟨ρ F⟩ a material equation is to be selected from the liquid glass of each variety.

iii) Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Phaseniii) relative speed between the two phases

Nach den Gleichungen (11) und (13) kann aus des mittleren Geschwindigkeit der Blasen mit Radius

Figure 00310002
die mittlere Geschwindigkeit der gesamten Blasenphase
Figure 00310003
berechnet werden gemäß
Figure 00310004
According to equations (11) and (13) can be calculated from the mean velocity of the bubbles with radius
Figure 00310002
the mean velocity of the entire bubble phase
Figure 00310003
be calculated according to
Figure 00310004

Nach Gleichung (98) folgt daraus für die mittlere Blasengeschwindigkeit

Figure 00310005
According to equation (98), it follows for the mean bubble velocity
Figure 00310005

Mit Hilfe von Gleichung (47)2 können wir daraus die Geschwindigkeiten

Figure 00310006
und νS eliminieren und erhalten als Bestimmungsgleichung für die Relativgeschwindigkeit zwichen den beiden Phasen
Figure 00310007
Using Equation (47) 2 , we can derive the velocities from them
Figure 00310006
and ν S eliminate and obtain as a determination equation for the relative velocity between the two phases
Figure 00310007

Mit den Gleichungen (102), (103) und (127) können wir die Intergale näherungsweise berechnen zu

Figure 00310008
Equations (102), (103), and (127) allow us to approximate the intergals
Figure 00310008

Dabei istthere is

Figure 00320001
Figure 00320001

iv) Momentenbilanzgleichungen iv) moment balance equations

Durch Multiplikation der aerosoldynamische Gleichung (99) mit (α/A)l, Summation über α und Übergang zum kontinuierlichen Spektrum erhalten wir

Figure 00320002
νA,l ist der Auftriebstransportterm, für den gilt
Figure 00320003
By multiplying the aerodynamic equation (99) by (α / A) l , summation by α and transition to the continuous spectrum we obtain
Figure 00320002
ν A, l is the lift transport term for which applies
Figure 00320003

Die Produktiosterme für l ≥ 1 bedeuten

Figure 00320004
The productio terms for l ≥ 1 mean
Figure 00320004

Diese Gleichungen gelten auch für den Fall l = 0 mit Ausnahme des letzten Produktiosterms, der dann entfällt. Dabei handelt es sich nämlich um die Bilanzgleichung für die Zahldichte der Blasen. Der letzte Term wirkt sich aber nur auf die Größe der Blasen, nicht jedoch auf ihre Zahl aus.These Equations also apply to the case l = 0 with the exception of the last product iosterm, which then disappears. there that is, it is to the balance equation for the number density of the bubbles. The last term only affects the size of the bubbles, but not on their numbers.

Mit den Gleichungen (102), (127) und 129) können wir den Auftriebstransportterm berechnen zu

Figure 00330001
Equations (102), (127), and 129) allow us to calculate the lift transport term
Figure 00330001

Um den Diffusionsterm in einen Ausdruck umzuwandeln, der explizit in Ml ist, entwickeln wir den Diffusionskoeffizienten

Figure 00330002
bis zum linearen Glied in α um αg = α(rg), also um den Wert von α, bei dem die Verteilungsfunktion Ihr Maximum hat. Wir nähern also
Figure 00330003
To transform the diffusion term into an expression explicitly in M l , we develop the diffusion coefficient
Figure 00330002
to the linear term in α around α g = α (r g ), ie around the value of α, at which the distribution function has its maximum. So we are approaching
Figure 00330003

Dabei bedeutetthere means

Figure 00330004
Figure 00330004

Mit Hilfe der Gleichungen (143) und (129) erhalten wir in expliziter FormWith The help of equations (143) and (129) is given in more explicit terms shape

Figure 00330005
Figure 00330005

Damit kännen wir die Momentenbilanzgleiechung in die Form bringen:

Figure 00330006
With this we can bring the moment balance into the form:
Figure 00330006

Die Bilanzgleichung für das l-te Moment enthält nun aber auch das (l + 1)-te Moment. In der Bilanzgleichung für das 2-te Moment taucht somit auch das 3-te Moment auf, für das wiederum keine Bilanzgleichung gelöst werden soll. Sind nämlich die ersten drei Momente M0, M1 und M2 bekannt, können die drei Parameter der Verteilungsfunktion eindeutig berechnet werden, wie oden dargestellt wurde. Das 3-te Moment, das nach den Gleichungen (128) und (129) gleich

Figure 00340001
ist, kann dann ebenfalls eindeutig bestimmt werden.However, the balance equation for the lth moment now also contains the (l + 1) th moment. In the balance equation for the second moment, therefore, the third moment appears, for which again no balance equation is to be solved. If the first three moments M 0, M 1 and M 2 are known, the three parameters of the distribution function can be calculated unambiguously, as has been shown. The 3rd moment equals the equations (128) and (129)
Figure 00340001
is, can then also be clearly determined.

Die Produktionsterme können mit Hilfe einiger Näherungen berechnet werden zu

Figure 00340002
Figure 00350001
The production terms can be calculated with the help of some approximations
Figure 00340002
Figure 00350001

Diffusionskaoeffizient und Stoßhäufigkeit sind idontisch zu den zuvor eingeführten Ausdrücken, da die zugrunde liegenden Phänomene nur von der Blasengröße, nicht jedoch von ihrer Zusammensetzung abhängen. Die Übergangswährscheinlichikeiten

Figure 00350002
und
Figure 00350003
sind ebenfalls identisch mit dem jeweiligen Summand in den früheren Ausdrücken, wo über ϑ summiert wurde. Aus der Annahme der Radienunabhängigkeit der Gaszusammemsetzung der Blasen folgt: αϑ = XB,ϑα ⇒ Nαϑ = Nα ⇒ N = NB, r = rg, ωϑ = ω (172) Diffusion coefficient and shock frequency are identical to the previously introduced terms, since the underlying phenomena depend only on the bubble size, but not on their composition. The transitional probabilities
Figure 00350002
and
Figure 00350003
are also identical to the respective summand in the earlier expressions where θ was summed. From the assumption of the radial independence of the gas composition of the bubbles follows: α θ = X B, θ α ⇒ N αθ = N α ⇒ N = N B , r = r G , ω θ = ω (172)

Für das 1-te Moment gilt dannFor the 1st Moment applies

Figure 00350004
Figure 00350004

Die zugehörige Bilanzgleichung für das 1-te Moment kann dann in analoger Weise zu oben bestimmt werden als

Figure 00350005
The associated balance equation for the 1-th moment can then be determined in an analogous manner to above as
Figure 00350005

Formeln zur Berechnung des Produktionsterms

Figure 00350006
sind bereits in den Gleichungen (162) bis (169) angegeben. Auf der rechten Seite der Momentenbilanzgleichung taucht auch das 2-te Moment auf. Dafür analog zum 1-ten
Figure 00350007
Formulas for calculating the production term
Figure 00350006
are already given in equations (162) to (169). On the right side of the moment balance equation also the second moment appears. For analogous to the 1-th
Figure 00350007

Da wir mit Hilfe von Gleichung (173)2 die Molenbrüche der Gasspezies in der Blasenphase bestimmen können, erhalten wir für die mittlere Molmassee der Blasen

Figure 00350008
Since we can determine the molar fractions of the gas species in the bubble phase by means of Equation (173) 2 , we obtain the bubbles for the mean molar mass
Figure 00350008

vii) Produktionsterm der Speziesbilanzgleichung der flüssigen Phasevii) production term of Species balance equation of the liquid phase

M1,ϑ ist gleich der in den Blasen enthaltenen Stoffmenge der Gasspezies ϑ bezogen auf das Schmelzvolumen. Dann ist

Figure 00360001
die Stoffmenge der Gasspezies ϑ, die pro Zeit- und Volumeneinheit von der Flüssigkeits- in die Blasenphase übergeht. Dieser Term ist dann negativ gleich dem Phasenaustauschterm
Figure 00360002
der Speziesbilanzgleichung der flüssigen Phase. Für den Quellterm der Speziesbilanzgleichung in Gleichung (95) können wir dann schreiben
Figure 00360003
M 1, θ is equal to the amount of substance of the gas species θ contained in the bubbles relative to the melt volume. Then
Figure 00360001
the amount of substance of the gas species θ, which passes from the liquid to the bubble phase per unit time and volume. This term is then negatively equal to the phase change term
Figure 00360002
the species balance equation of the liquid phase. For the source term of the species balance equation in Equation (95) we can then write
Figure 00360003

Da vollständige Bilanzgleichungssystem und die zugehörigen Materialgleichungen jeweils mit den gleichen Nummerierungen wie beim ersten Vorkommen im vorangegangen Text lauten:

Figure 00360004
Figure 00370001
Figure 00380001
Figure 00390001
Figure 00400001
Since the complete balance system of equations and the corresponding material equations are each numbered the same as in the first occurrence in the previous text:
Figure 00360004
Figure 00370001
Figure 00380001
Figure 00390001
Figure 00400001

Während die Beschreibung des Läuterprozesses mit den bisher zur Verfügung stehenden Modellen Grenzen aufweist, überwindet die Erfindung mit der Anwendung des Momentenmodells diese Einschränkungen. Mit bisher zur Verfügung stehenden Modellen kann insbesondere die Neubildung von Blasen nicht berücksichtigt werden, zudem gibt es keine Rückwirkung der Blasenbewegung, insbesondere ihres Auftriebs, auf die Strömung der Schmelze, und die Koagulation beziehungsweise Koaleszenz der Blase, zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten, wird nicht in Betracht gezogen.While the Description of the refining process with the previously available has standing models, the invention overcomes the application of the moment model these limitations. With previously available Models can not take into account the formation of new bubbles In addition, there is no feedback the bubble movement, in particular their buoyancy, on the flow of Melt, and the coagulation or coalescence of the bubble, for example, due to different buoyancy rates, is not considered.

Hingegen können mit der Erfindung außer der Überwindung der genannten Nachteile zudem weitere Effekte berücksichtigt werden. So kann der diffusive Gastransport aus dem flüssigen Glas in die Gasblasen und umgekehrt mit Einbeziehung der Auftriebsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Zudem wird die Größenverteilung der Blasen als logarithmische Normalverteilung in das Modell einbezogen.On the other hand can with the invention except overcoming the above-mentioned disadvantages also considered further effects become. Thus, the diffusive gas transport from the liquid glass into the gas bubbles and vice versa, incorporating the buoyancy rate considered become. In addition, the size distribution the bubbles are included in the model as a logarithmic normal distribution.

Des Weiteren wird die Gaszusammensetzung in der Blasenphase zeitlich und örtlich aufgelöst berechnet. Die Gasdichte in der Blasenphase wird dabei in Abhängigkeit von Blasengröße, Position – also insbesondere der Tiefe – der Blase sowie von der Gaszusammensetzung betrachtet.Of Further, the gas composition in the bubble phase becomes timed and locally disbanded calculated. The gas density in the bubble phase is dependent of bubble size, position - ie in particular the depth - the Bubble as well as from the gas composition considered.

Außerdem wird die Relativbewegung der Blasenphase zum flüssigen Glase aufgrund diffusiven Transports in Form der Brownschen Bewegung und Auftrieb berücksichtigt.In addition, will the relative movement of the bubble phase to the liquid glass due to diffusive Transport in the form of Brownian motion and lift taken into account.

Ferner können durch die Erfindung bei Anwendung des Momentenmodells Änderungen der Stoffgrößen, insbesondere der Dichte, der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität der Schmelze durch die Blasenphase berücksichtigt werden.Further can by the invention when applying the moment model changes the fabric sizes, in particular the density, the thermal conductivity and the specific heat capacity of the melt considered the bubble phase become.

Im Hinblick auf die Koagulation beziehungsweise Koaleszenz der Blasen kann auch der Einfluß der Diffusionsbewegung und unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten innerhalb der Blasenphase berücksichtigt werden.in the With regard to the coagulation or coalescence of the bubbles can also influence the diffusion movement and different buoyancy rates within the bubble phase considered become.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind des Weiteren folgende Punkte zu beachten:
An einem Ort und zu einem Zeitpunkt haben alle Blasen unabhängig von ihrer Größe die gleiche Gaszusammensetzung. Das trifft dann insbesondere auch für die Blasenkeime zu, obwohl diese überwiegend diejenige Gasspezies enthalten, die in stark übersättigter Konzentration vorliegt und somit die Neubildung von Blasenkeimen verursacht. Diese Vereinfachung ist gerechtfertigt, wenn wir von folgender Vorstellung ausgehen:
Eine Gasspezies sei so stark übersättigt, daß sich spontan ein Blasenkeim bildet. In unmittelbarer Umgebung des Blasenkeims ist die Konzentration dieser gelösten Gasspezies dann zunächst stark reduziert. Die übrigen Gasspezies können nun verstärkt in den Blasenkeim hineindiffundieren. Auf diese Weise stellt sich schnell eine mittlere Gaszusammensetzung auch in sehr kleinen Blasen ein.
When using the method according to the invention, the following points should also be noted:
In one place and at a time, all bubbles have the same gas composition regardless of their size. This then applies in particular to the bladder germs, although these contain predominantly the gas species which is present in a highly supersaturated concentration and thus causes the formation of new nuclei. This simplification is justified if we proceed from the following idea:
A gas species is so oversaturated that spontaneously forms a bubble nuclei. In the immediate vicinity of the bubble nuclei, the concentration of these dissolved gas species is initially greatly reduced. The remaining gas species can now diffuse into the bubble nuclei more intensely. In this way, a middle gas composition quickly sets in even in very small bubbles.

Die Koagulatianswahrscheinlichkeit liegt im wesentlichen von der Kontaktdauer der beiden stoßenden Blasen, somit von ihrer Relativgeschwindigkeit und somit unter anderem von ihren Radien. Das vorliegende Modell geht aber von einer konstanten Koagulationswahrscheinlichkeit aus. Aufgrund der hohen Viskosität von Glasschmelzen ist die Relativgeschwindigkeit maximal in einer Größenordnung von 10–2 m/s. Es wird angenommen, daß sich daraus eine hinreichend lange Kontaktdaten für stauende Blasen ergibt und die Koagulationswahrscheinlichkeit für alle Radien nahe eins liegt. Bei der Ableitung des hier verwendeten Ausdrucks für die Stoßhäufigeit durch Brownsche Bewegung wurde implizit von dieser Annahme ausgegangen. Wegen der kleinen Diffusionskoeffizienten der gelösten Gase und der hohen Viskosität der Schmelze ist davon auszugehen, daß die Koagulation durch Brownsche Bewegung ohnehin keine große Rolle spielt.The coagulant probability lies essentially on the contact duration of the two blasting bubbles, thus on their relative velocity and thus among other things on their radii. However, the present model assumes a constant coagulation probability. Due to the high viscosity of glass melts, the relative speed is on the order of 10 -2 m / s. It is assumed that this results in a sufficiently long contact data for congested blisters and the coagulation probability for all radii is close to one. In deriving the expression used here for the collision frequency by Brownian motion, this assumption was implicitly assumed. Because of the small diffusion coefficients of the dissolved gases and the high viscosity of the melt, it can be assumed that coagulation by Brownian motion does not play a major role anyway.

Des Weiteren kann von der Annahme einer logarithmisch normalverteilten Blasengrößenverteilung abgewichen werden. In diesem Fall ist der Ausdruck für die Blasengrößenverteilung entsprechend anzupassen. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn bei vorhandenen großen Blasen starke Keimbildung einsetzt, so dass sich eine bimodale Blasengrößenverteilung mit einem. Maximum bei der mittleren Größe der neugebildeten kleinen Blasen und einem weiteren bei der mittleren Größe der großen Blasen einstellt. Dieser Effekt ist insbesondere im Hinblick auf die größenabhängigen Koagulations- und Koaleszenzprozesse zu berücksichtigen.Of Further may depend on the assumption of a logarithmically normal distribution Bubble size distribution to deviate. In this case, the term is for the bubble size distribution adjust accordingly. This can be the case, for example. if existing big Bubbles use strong nucleation, giving a bimodal bubble size distribution with a. Maximum at the mean size of the newly formed small Bubbles and another one at the medium size of the big bubbles sets. This Effect is particularly with regard to the size-dependent coagulation and coalescence processes to take into account.

Da für die Blasenphase keine eigene Bewegungsgleichung gelöst wird, werden Beschleunigungseffekte bei der Blasenbewegung nicht berücksichtigt. Aufgrund der hohen Viskosität von Glasschmelzen kann diese Effekt aber als vernachlässigbar klein angenommen werden.There for the Bubble phase no own equation of motion is solved, accelerating effects not considered in the bubble movement. Due to the high viscosity However, this effect can be considered negligible in glass melts be accepted small.

Für den konkreten Anwendungsfall müssen also lediglich folgende Werte bestimmt werden:

  • • die Neubildung von Blasenkeimen J
  • • die Masse
    Figure 00430001
    und die Stoffmenge
    Figure 00430002
    von Blasenkeimen
  • • Koagulationswahrscheinlichkeit η zweier stoßender Blasen
  • • Randbedingungen für die Momentenbilanzgleichungen an Blasdüsen
For the specific application, therefore, only the following values must be determined:
  • • the regeneration of blister nuclei J
  • • the mass
    Figure 00430001
    and the amount of substance
    Figure 00430002
    of bladder germs
  • • Coagulation probability η of two colliding bubbles
  • • boundary conditions for the moment balance equations on tuyeres

Sodann kann die Erfindung für die Auslegung der Anlage eingesetzt werden, die Vorhersagequalität der Simulation des Verhaltens der Gasblasen in der hochviskosen Glasschmelzen deutlich verbessert und damit die Güte der Auslegung erhöht wird.thereupon can the invention for the design of the plant will be used, the predictive quality of the simulation Behavior of gas bubbles in high-viscosity molten glass clearly improves and thus the goodness the design increased becomes.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass ein Blasenkontinuumsmodell zur Verfügung gestellt wird, mit dem in einer Schmelze die Wechselwirkung zwischen Gasblasen und flüssigem Glas vollständig beschrieben werden kann.In summary let yourself so say that a bubble continuum model is provided with that in a melt the interaction between gas bubbles and liquid Glass completely can be described.

Die möglichen Wechselwirkungen sind

  • • Auftrieb durch Verringerung der Dichte der Schmelze als Ganze,
  • • Massenaustausch zwischen den beiden Phasen und
  • • Veränderung von Materialparametern (z.B. Viskosität). Grundannahmen des Modells sind, dass
  • • die Blasenphase durch Mittelwertbildung als Kontinuumsphase behandelt und
  • • das Blasengrößenspektrum stets durch eine logarithmische Normalverteilung beschrieben werden kann
The possible interactions are
  • Buoyancy by reducing the density of the melt as a whole,
  • • Mass exchange between the two phases and
  • • Change of material parameters (eg viscosity). Basic assumptions of the model are that
  • • the bubble phase treated by averaging as a continuum phase and
  • • The bubble size spectrum can always be described by a logarithmic normal distribution

Experimentelle Untersuchungen bestätigen eine solche Größenverteilung insbesondere auch für Glasschmelzen. Die Größenverteilung der Blasen gehorcht dann dem Ausdruck

Figure 00440001
Experimental investigations confirm such a size distribution especially for glass melts. The size distribution of the bubbles then obeys the expression
Figure 00440001

Sie enthält die drei Parameter

  • • Gesamtzahldichte der Blasen NB,
  • • mittlerer Blasenradius rg und
  • • Breite der Größenverteilung (Standardabweichung) ω,
die sich zeitlich und räumlich in einer Glasströmung ändern können. Um die Änderungen dieser drei Parameter beschreiben zu können, wurden Bilanzgleichungen für drei Momente der Größenverteilung hergeleitet, die mit Potenzen der in den Blasen enthaltenen Stoffmenge gebildet werden. Ein solches Moment wird somit definiert als
Figure 00440002
It contains the three parameters
  • Total number density of bubbles N B ,
  • • average bubble radius r g and
  • Width of the size distribution (standard deviation) ω,
which can change in time and space in a glass flow. To be able to describe the changes of these three parameters, balance equations were derived for three moments of size distribution, which are formed with powers of the amount of substance contained in the bubbles. Such a moment is thus defined as
Figure 00440002

Darin sind A die Avogadro-Zahl und a die Molekülzahl. Die Bilanzgleichungen haben die Gestalt

Figure 00450001

v →s ist der mittlere Geschwindigkeitsvektor der Schmelze, V →Auf,l der Auftriebsgeschwindig-keitsvektor des Moments l und
Figure 00450002
der Diffusionskoffizient der Blasen aufgrund ihrer Brownschen Bewegung. Pl ist ein Quellterm, in dem Effekte berücksichtigt werden können wie Massenaustausch zwischen den beiden Phasen. und Koagulation etwa aufgrund unterschiedlicher Auftriebsgeschwindigkeiten unterschiedlich großer Blasen. Bei bekannten Werten der Momente Ml könne nicht nur die Parameter NB, rg und ω bestimmt werden, sondern auch der Volumenanteil der Blasenphase e. Diese geht dann in die Dichte ρs, Viskosität μs und Wärmeleitfähigkeit λs der Schmelze ein über die Beziehungen
Figure 00450003
ρF, μF und λF sind die entsprechenden Werte des blasenfreien flüssigen Glases. Die Gleichungen sind so formuliert, dass sie mit konventionellen Strömungsprogrammen gekoppelt werden können. Insbesondere die CFD-Software Fluent bietet mit Programmierschnittstellen die Möglichkeit, ein solches Modell zu implementieren.Where A is the Avogadro number and a is the number of molecules. The balance equations have the form
Figure 00450001

v → s is the average velocity vector of the melt, V → U , l the buoyancy velocity vector of the moment l and
Figure 00450002
the diffusion coefficient of the bubbles due to their Brownian motion. P l is a source term in which effects can be considered, such as mass exchange between the two phases. and coagulation due to different buoyancy rates of different sized bubbles. With known values of the moments M 1 not only the parameters N B , r g and ω can be determined, but also the volume fraction of the bubble phase e. This then enters into the density ρ s , viscosity μ s and thermal conductivity λ s of the melt via the relationships
Figure 00450003
ρ F , μ F and λ F are the corresponding values of the bubble-free liquid glass. The equations are formulated so that they can be coupled with conventional flow programs. In particular, the CFD software Fluent offers with programming interfaces the possibility to implement such a model.

Liste der Symbole und Formelzeichen

Figure 00460001
List of symbols and formula symbols
Figure 00460001

Figure 00470001
Figure 00470001

Figure 00480001
Figure 00480001

Figure 00490001
Figure 00490001

Figure 00500001
Figure 00500001

Figure 00510001
Figure 00510001

Literaturliterature

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Claims (3)

Verfahren zum Auslegen einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern einer Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze, welches die Schritte a) des Festlegens eines Zielwertes für zumindest eine Abmessung und/oder zumindest einen Betriebsparameter der Anlage, b) des Festlegens eines ersten Satzes von Abmessungen der Anlage, c) des Festlegens eines ersten Satzes der Betriebsparameter der Anlage und der Stoffparameter der zu läuternden Schmelze, d) des Simulierens des Schmelz- und/oder Läuterprozesses mit Simulation des Verhaltens der Blasen in der Schmelze, e) des Vergleichens des Simulationsergebnisses mit den entsprechenden Zielwert, f) des Festlegens eines aufgrund des Vergleichsergebnisses angepaßten weiteren Satzes von Abmessungen der Anlage, g) des Festlegens eines aufgrund des Vergleichsergebnisses angepaßten weiteren Satzes der Betriebsparameter der Anlage und der Stoffparameter der zu läuternden Schmelze, h) des Wiederholens der Schritte d) bis g) solange, bis das Simulationsergebnis im Rahmen eines vorgebbaren Vertrauensbereiches um den entsprechenden Zielwert liegt, wobei das Simulieren des Verhaltens der Blasen in der Schmelze basierend auf der Momentenmethode durchgeführt wird.Method for designing a plant for melting and / or lautering a liquid, in particular a glass melt containing the steps a) of Set a target value for at least one dimension and / or at least one operating parameter the plant, b) setting a first set of dimensions the plant, c) setting a first set of operating parameters the plant and the substance parameter of the melt to be purified, d) simulating the melting and / or refining process with simulation the behavior of bubbles in the melt, e) of comparison the simulation result with the corresponding target value, f) the setting of a further adapted based on the comparison result Set of dimensions of the plant, g) setting a based on the comparison result adapted further set of operating parameters the plant and the substance parameter of the melt to be purified, H) repeating steps d) to g) until the simulation result within the scope of a predefined confidence interval around the corresponding one Goal is to simulate the behavior of the bubbles in the melt is carried out based on the moment method. Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas mit Abmessungen, welche gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 aufeinander im Hinblick auf zumindest eine Zielgröße der Abmessungen und/oder der Betriebsparameter abgestimmt sind.Plant for melting and / or refining glass with dimensions, which according to one Method according to claim 1 with respect to each other with regard to at least a target size of the dimensions and / or the operating parameters are matched. Produkt, insbesondere Glasprodukt, hergestellt in einer Anlage gemäß Anspruch 2.Product, in particular glass product, manufactured in a system according to claim Second
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