Czytaj także -

Aktualne wydanie

2022 05 okladka1

Świat Szkła 5/2022

User Menu

 ET-Swiat-Szkla-PL-160x600-003a

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 

 wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019e

 

 

Wpływ strumieni chłodzących na rozkład naprężeń i anizotropię w szkle hartowanym
Data dodania: 28.03.22

W wyniku obróbki cieplnej w procesie hartowania szkła powstają naprężenia wewnętrzne. Proces ten obejmuje ogrzewanie i chłodzenie, które powinny być równe po obu stronach tafli szkła.

 

Ponadto wymiana ciepła powinna być również lokalnie równomierna po obu stronach szkła, co w praktyce jest trudne do spełnienia. Chłodzenie jest fazą najbardziej krytyczną – powoduje powstawanie naprężeń ściskających na powierzchni i naprężeń rozciągających w środkowym obszarze, w tzw. rdzeniu tafli.

 

2022 03 35 1

Rys. 1. Zasada działania polaroskopu płaskiego 

 

Do chłodzenia zwykle wykorzystuje się układy strumieni powietrznych „uderzających” w szkło. W takim układzie lokalny transfer ciepła zależy od lokalizacji/położenia dysz i odległości między nimi. Ponieważ wymiana ciepła nie jest równomierna na całej powierzchni, może to powodować znaczne różnice naprężeń, które są główną przyczyną optycznych wad szkła, m.in. anizotropię.

 

W artykule lokalne naprężenia wewnętrzne wytworzone przez oddziaływanie strumieni chłodzących są obliczane numerycznie za pomocą komercyjnego oprogramowania Ansys.

 

Rozkład współczynników przenikania ciepła jest wyznaczony za pomocą oprogramowania OpenFOAM CFD. Porównuje się również rozkład naprężeń w taflach szkła o różnej grubości z wartościami mierzonymi z użyciem optycznego urządzenia pomiarowego SCALP w celu sprawdzenia dokładności modelu obliczeniowego.

 

Zauważyliśmy, że rozkład naprężeń w szkle hartowanym jest podobny do ułożenia paskówi lub plamek optycznej anizotropii. W celu dokładniejszego zbadania tego związku przedstawiono wzory anizotropii badane za pomocą płaskiego polaryskopu i porównano je z wartościami lokalnego opóźnienia, które są obliczane metodą numeryczną za pomocą wyznaczonych naprężeń wewnętrznych.

 


Wprowadzenie
W procesie hartowania szkło jest najpierw podgrzewane powyżej temperatury zeszklenia, a następnie szybko chłodzone (hartowane) – ten proces powoduje obniżenie temperatury zeszklenia szkła, aby uzyskać w nim naprężenia wewnętrzne.

 

Szkło z naprężeniami wewnętrznymi składa się z obszaru naprężeń ściskających na powierzchni szkła i obszaru naprężeń rozciągających w jego rdzeniu.

 

Temperatura szkła przed hartowaniem musi mieć odpowiedni poziom – powinna być wystarczająco wysoka, aby uniknąć pęknięcia szkła podczas hartowania i odpowiednio niska, aby uniknąć odkształceń szkła podczas ogrzewania. Osiąga się to poprzez odpowiednią kontrolę wymiany ciepła.

 

Dla uzyskania odpowiedniego poziomu naprężeń wewnętrznych ważna jest szybkość chłodzenia szkła. Zazwyczaj szybkość ta osiąga poziom, który powoduje różnicę temperatur 120-150°C między powierzchnią, a środkowym obszarem szkła na początku chłodzenia. Aby uzyskać wysoką wydajność chłodzenia dla różnych grubości szkła, tradycyjnie stosuje się chłodzenie za pomocą strumieni zimnego powietrza.

 

Wymiana ciepła realizowana przez te chłodzące strumienie, o których mowa powyżej nie jest jednorodna/równomierna, lecz zależy od odległości od punktu stagnacji strumienia [1, 2, 3].

 

Ten rodzaj nierównomiernego przenoszenia ciepła powoduje nierównomierny rozkład naprężeń w szkle. Różnice naprężeń są przyczyną zmiany współczynnika załamania światła w szkle, co powoduje wady optyczne [4].

 

Ostatnio zauważono zwiększone zainteresowanie zjawiskiem anizotropii.

 

W spolaryzowanym świetle naturalnym, padającym z czystego nieba, możemy obserwować paski lub plamki w szkle hartowanym. Główną przyczyną tego zjawiska jest fakt, że rozkład naprężeń w szkle zmienia się również w innych kierunkach niż w kierunku prostopadłym do powierzchni szkła. Wynika to z nierównomiernego konwekcyjnego przenoszenia ciepła na powierzchni szkła przez „uderzające” strumienie powietrza.

 

To samo zjawisko można wykorzystać w badaniu szkieł za pomocą polaryskopu płaskiego, ale ocena naprężeń na podstawie danych z polaryskopu jest trudna. Stwierdzono podobieństwa między zmianami naprężeń mierzonymi za pomocą polaryskopu SCALP a obserwacjami wizualnymi [5].

 

Anizotropia na powierzchni szkła hartowanego może być widoczna w świetle spolaryzowanym. Jeśli poziom anizotropii jest wysoki, wzór naprężeń może być widoczny nawet gołym okiem. Pokazuje to, że w przyrodzie występuje światło spolaryzowane – pojawia się w wyniku odbicia lub rozproszenia światła [4].

 

Anizotropię w szkle hartowanym można również obserwować stosując filtry polaryzacyjne. Dzięki filtrom można dostrzec nawet bardzo małą anizotropię. Ponieważ wysoka anizotropia – jak wspomnieliśmy – może być widoczna gołym okiem, ważne jest, aby unikać anizotropii w oknach lub fasadach, gdzie nie powinno być żadnych wad optycznych.

 

Znaczenie kontroli wymiany ciepła w piecu do hartowania dla jakości szkła zostało już wcześniej zaobserwowane w postaci problemów z anizotropią, gdy szkło niskoemisyjne trafiło na rynek [6, 7].

 

Niesymetrycznego nagrzewania pomiędzy stroną powlekaną o niskiej emisyjności a inną powierzchnią można uniknąć, stosując odpowiedni układ dysz po stronie powlekanej w sekcji grzewczej. Nawet jeśli nagrzewanie jest symetryczne, zbyt niska lub wysoka temperatura szkła przed sekcją chłodzenia może powodować wady w szkle, takie jak wypukłe krzywizny, falista powierzchnia (od wałków przenoszących tafle szkła), wady optyczne oraz wygięcie krawędzi lub naroży.

 

Podczas końcowej obróbki szkła float, w procesie chłodzenia, zniekształcenia te są dodawane, nawet jeśli wymiana ciepła podczas chłodzenia jest równomierna. Aby jednak uzyskać dobry rozkład naprężeń wewnętrznych w szkle hartowanym, konieczna jest wystarczająco wysoka temperatura szkła.

 

Gdy znana jest historia zmian temperatury szkła, którą możemy dość wiarygodnie wyznaczyć/zmierzyć, zakładając, że współczynnik przenikania ciepła jest prawidłowy, możemy przewidzieć również wielkość powstających naprężeń wewnętrznych.

 

Ponieważ teoretyczne modele naprężeń wewnętrznych wymagają wielu badań/eksperymentów, aby określić właściwości materiału [8], wyniki naprężeń wewnętrznych nie są tak wiarygodne jak zmierzone wartości temperatury. Wpływ niepewności tych właściwości na naprężenia przedstawiono w literaturze [9]. Ten sam model zastosowano również do badania procesu wygrzewania (heat soak test) [10].

 

Jak wspomniano powyżej, układy dysz/strumieni powietrznych są stosowane w celu uzyskania wystarczająco wysokich średnich współczynników przejmowania ciepła, aby wytworzyć wymagane naprężenia wewnętrzne. Niestety, współczynnik przejmowania ciepła oddziałujących strumieni powietrznych jest daleki od stałej wartości na powierzchni, ale zmienia się bardzo silnie w funkcji odległości od punktu stagnacji.

 

Wymiana ciepła jest najlepsza w punkcie stagnacji, ale może też występować inny szczyt/maksimum, gdy następuje przejście fazy laminarnej i turbulentnej przepływu powietrza w warstwie brzegowej.

 

W literaturze można znaleźć wiele tekstów poświęconych pojedynczym strumieniom powietrza lub układom strumieni/dysz. Wymiana ciepła zależy od wielu czynników, takich jak liczby Reynoldsa1 i Prandtla2, względna odległość dyszy od powierzchni szkła, poziom turbulencji na wylocie dyszy, kształt dyszy itp.

 

1 Liczba Reynoldsa – jedna z liczb podobieństwa stosowanych w mechanice płynów (hydrodynamice, aerodynamice i reologii). Liczba ta pozwala oszacować występujący podczas ruchu płynu stosunek sił bezwładności do sił lepkości. Liczba Reynoldsa stosowana jest jako podstawowe kryterium stateczności ruchu płynów.

2 Liczba Prandtla – bezwymiarowa liczba wyrażająca stosunek lepkości płynu do jego przewodnictwa cieplnego. Jest to jedna z liczb podobieństwa używanych w hydrodynamice oraz termodynamice i mechanice ośrodków ciągłych. Lepkość kinematyczna może być uważana za miarę szybkości „dyfuzji pędu”; wówczas liczba Prandtla określa stosunek szybkości dyfuzji pędu do szybkości dyfuzji ciepła. Wysoka wartość liczby Prandla oznacza, że w rozprzestrzenianiu się ciepła w płynącym ośrodku dominuje konwekcja. Niska wartość tej liczby oznacza, że przekaz ciepła następuje głównie w wyniku jego przewodzenia na poziomie molekularnym.

 

Eksperymenty przeprowadza się głównie z wykorzystaniem długich rur ze strumieniem o w pełni rozwiniętym profilu prędkości na wylocie lub dobrze zaprojektowanych krótkich dysz, przy czym temperatura powierzchni jest stała lub istnieje warunek stałego strumienia ciepła. W zastosowaniach praktycznych dysze są zwykle otworami o ostrych krawędziach.

 

W modelowaniu numerycznym CFD (Computational fluid dynamics – Obliczeniowa dynamika płynów) przetestowano różne typy modeli turbulencji, ale nie istnieje żaden model, który byłby poprawny w każdym przypadku.

 

2022 03 35 2

Rys. 2. Przekrój poprzeczny komory chłodzącej (a) i rozmieszczenie dysz (b). Wymiary w mm

 


Wyjaśnienie anizotropii w szkle
Anizotropię współczynnika załamania światła można wyjaśnić za pomocą różnic w wartościach głównych naprężeń. Główną wartością pomiarową anizotropii jest opóźnienie, które jest związane z głównymi współczynnikami załamania ni. Współczynnik załamania światła zależy również od naprężenia σ. Zgodnie z prawem Wertheima, opóźnienie względne δ w zagadnieniu dwuwymiarowym wynosi

2022 03 35 1a      (1)

gdzie C jest stałą fotoelastyczną, a d jest grubością szkła [11]. Stała fotoelastyczna dla szkła sodowo-wapniowego wynosi 2,5∙10-12 Pa-1. Gdy rozkład naprężeń zmienia się wraz z grubością (na grubości), opóźnienie względne można zintegrować z grubością

 2022 03 35 1b   (2)

Polaryskop płaski, którego zasada działania przedstawiona jest na rys. 1, może być wykorzystywany do obserwowania barwnego wzoru anizotropii przy użyciu światła białego. W polaryskopie płaskim światło jest najpierw polaryzowane na filtrze polaryzacyjnym.

 

Światło spolaryzowane przechodzi przez szkło z naprężeniami wewnętrznymi, gdzie powstaje względne przesunięcie fazowe składowych światła spolaryzowanego.

 

Wreszcie, gdy spolaryzowane światło ze względnym przesunięciem fazowym przechodzi przez drugi filtr polaryzacyjny, który jest obrócony o 90° w stosunku do pierwszego filtra, można zaobserwować ten kolorowy wzór anizotropii.

 

Jest to tzw. polaryzacja ciemnego pola. Kolor zależy od różnicy naprężeń głównych σ1 – σ2 oraz od kąta φ, który przedstawia względny kąt pomiędzy polaryskopem a naprężeniami głównymi. Natężenia w funkcji długości fali otrzymuje się z równania

2022 03 35 1c       (3)

W powyższym równaniu różnica faz Δ = (δ/ λ) ·2π (gdzie λ jest długością fali świetlnej) [11]. Intensywność/ natężenie światła oblicza się dla różnych długości fal, a suma długości fal o dużej intensywności daje kolor światła. Różne kolory dla różnych wartości opóźnienia są przedstawione np. przez Abena i Guillemeta [11].

 

Polaryskop kołowy może być również używany do obserwacji wzoru anizotropii. Polaryskop kołowy jest podobny do polaryskopu płaskiego, ale pomiędzy polaryzatorami liniowymi umieszcza się dwie ćwierćfalowe płyty. W polaryskopie kołowym poziom lokalnej różnicy naprężeń głównych można obserwować niezależnie od orientacji płyt względem polaryskopu.

 2022 03 35 3

Rys. 3. Wzorzec anizotropii dla szkła o grubości 4 mm przy użyciu polarymetru ciemnego pola. Obszar pomiarów SCALP jest zaznaczony liniami przerywanymi. Szkło przesuwano w kierunku od prawej do lewej strony

 

2022 03 35 4

Rys. 4. Wzór anizotropii nieruchomego szkła o grubości 8 mm za pomocą polaryskopu ciemnego pola. Obszar pomiarów SCALP jest zaznaczony liniami przerywanymi. Szkło znajdowało się pod skrzynkami z 4 dyszami w każdej. Skrzynki dysz były zorientowane poziomo w stosunku do szkła na rysunku

 

 

Obliczeniowe i doświadczalne wyniki badań szkła hartowanego
Faktem jest, że zmienność naprężeń wewnętrznych powoduje powstawanie kolorowych plam i pasów w szkle hartowanym. Jak wspomniano powyżej, rozkład naprężeń wewnętrznych można obliczyć numerycznie, jeżeli znana jest zmienność współczynników przenikania ciepła.

 

Następnym krokiem jest znalezienie związku pomiędzy rozkładem naprężeń wewnętrznych a wzorami anizotropii. Trudniejszym problemem, a nawet niemożliwym, jest ocena naprężeń wewnętrznych na podstawie kolorowych wzorów anizotropii w centralnym obszarze szkła.

 

W celu oceny poprawności obliczeń wykonano pomiary w dwóch przypadkach hartowania – hartowania szkła o grubości 4 mm w ruchu oraz nieruchomego szkła o grubości 8 mm pod dyszami, które są ogrzewane i chłodzone w rzeczywistym piecu technologicznym. Wymiary płyt wynosiły 500 x 500 mm2.

 

Rozmieszczenie dysz pokazano na rys. 2. Średnica mniejszych dysz wynosi 4,5 mm, a większych – 6 mm. Nadciśnienie w skrzynkach powietrznych wynosi 880 Pa dla szkła o grubości 8 mm i 7000 Pa dla szkła o grubości 4 mm.

 

Rozkład współczynników przenikania ciepła rozwiązano za pomocą oprogramowania OpenFOAM CFD (Computational Fluid Dynamics – Obliczeniowa mechanika płynów), jak w pracy [12]. Stosunek odległości dyszy od płyty i średnicy dyszy wynosi w obu przypadkach około 4.

 

Należy zauważyć, że w naszym piecu do hartowania dysze miały otwory o ostrych krawędziach i były lekko nachylone, jak pokazano na rys. 2. Szkło porusza się w kierunku y na rys. 2.

 

Ostateczny wzór anizotropii dla szkieł o grubości 4 mm i 8 mm pokazano odpowiednio na rys. 3 i 4. Wzór ten jest wynikiem badania polaryzacji w ciemnym polu.

 

Wzór anizotropii dla szkła 4 mm na rys. 3 jest dość jednorodny. Są tam tylko ciemne pola i trochę szarych obszarów, z wyjątkiem obszaru brzegowego, gdzie widać bardzo jasne obszary. Maksymalna retardacja jest bliska δ = 50 nm.

 

Anizotropię dla szkła nieruchomego o grubości 8 mm pokazano na rys. 4. Wzór anizotropii jest znacznie bardziej kolorowy. Układ dyszy można zobaczyć na rys. 2.

 

Z wzoru anizotropii widocznego na zdjęciu widać, że największe wartości opóźnienia (kolor żółty) występują pomiędzy polami dysz, gdzie strumienie przyścienne sąsiednich dysz zderzają się ze sobą. Największe wartości opóźnienia występują w obszarach brązowożółtych, gdzie wartość δ wynosi około 430 nm.

 

W celu porównania wzoru anizotropii i poziomu naprężeń zastosowano polaryskop światła rozproszonego SCALP wraz z urządzeniem współrzędnościowym CNC do pomiaru naprężeń w kilku punktach szkła. Szczegółowe pomiary wykonywano na obszarze o wymiarach 190 x 200 mm2, uwidocznionym w prawym dolnym rogu szkieł pokazanych na rys. 3 i 4 – zaznaczony liniami przerywanymi.

 

Przebieg naprężeń powierzchniowych w szkle o grubości 4 mm w kierunkach x i y pokazano na rys. 5. Poziomy naprężeń na powierzchni szkła są względnie równomierne/jednorodne. Zawsze występują niewielkie różnice wynikające z niejednorodności nagrzewania i chłodzenia. W przypadku anizotropii istotna jest różnica naprężeń między kierunkami x i y.

 

Na przykład, stała różnica naprężeń głównych w kierunku płaszczyzny wynosząca 5 MPa na szkle o grubości 4 mm daje wartość opóźnienia 50 nm. Zazwyczaj największe lokalne różnice naprężeń głównych występują na powierzchni, ponieważ na całej grubości szkła wartość bezwzględna naprężeń jest tam największa.

 

Na rys. 6 przedstawiono rozkłady naprężeń powierzchniowych dla nieruchomego szkła chłodzonego o grubości 8 mm. Widoczne są tam podobne rozkłady, jak w przypadku rozkładów anizotropii z rys. 4. Największe różnice naprężeń między kierunkami x i y wynoszą około 40 MPa i występują na powierzchni szkła. W rdzeniu szkła różnica naprężeń jest zawsze mniejsza.

 

W celu zmniejszenia anizotropii do sytuacji bardziej izotropowej można wykorzystać modelowanie numeryczne, aby rozwiązać zagadnienie rozkładu naprężeń w szkle, a następnie wzoru anizotropii szkła. Aby przetestować powyższe metody modelowania, zamodelowano dwa przypadki i porównano rozkład naprężeń powierzchniowych oraz wzór anizotropii z wynikami przedstawionymi powyżej. Z wcześniejszych badań wynika, że średni poziom naprężeń jest możliwy do modelowania metodami numerycznymi [9].

 

Najpierw zamodelowano rozkład współczynnika przejmowania ciepła za pomocą metody CFD. Model wymiany ciepła dotyczył jednostkowej powierzchni skrzynki dyszy, jak pokazano na rys. 2b. Model fizyczny jest taki sam jak w pracy [12]. [12]. Rozkłady współczynników przejmowania ciepła dla pojedynczych dysz zgadzały się z wynikami podanymi w literaturze [1, 2, 3].

 

Modelowanie wymiany ciepła zastosowano do obszaru powierzchni pod komorą chłodzącą na rys. 2b. Korzystając z uzyskanego rozkładu współczynnika przejmowania ciepła, obliczono nieustalone pole temperatury szkła. Otrzymane wielkości temperatur wykorzystano następnie do rozwiązania rozkładów naprężeń wewnętrznych metodą elementów skończonych (MES), stosując model z ref. [8, 12].

 

Obliczony wzór opóźnienia dla szkła o grubości 4 mm przedstawiono na rys. 7. Maksymalne wartości wynoszą 20-30 nm i są niższe niż zmierzone za pomocą polaryskopu. Największe różnice naprężeń w kierunku x i y (rys. 8.) wynoszą około 2 MPa, co również jest wartością mniejszą niż wyniki pomiarów. Jednak obliczony wzór anizotropii wygląda podobnie do wzoru zmierzonego za pomocą polaryskopu płaskiego.

 

Podobne wyniki uzyskano również w przypadku szkła nieruchomego o grubości 8 mm. Obliczone wartości lokalnego opóźnienia pokazano na rys. 9.

 

Dokładność wyników dla szkła o grubości 8 mm jest mniejsza niż dla szkła o grubości 4 mm. Jest to spowodowane tym, że w kierunku x i y rozmiar elementu dla szkła o grubości 8 mm wynosi 5 mm, a dla szkła o grubości 4 mm rozmiar ten wynosi 1 mm.

 

Pomimo dużego rozmiaru elementu, wzór anizotropii jest podobny do wzoru zmierzonego za pomocą polaryskopu płaskiego. Jednak wartości opóźnienia szczytowego są znacznie wyższe niż zmierzone za pomocą polaryskopu płaskiego.

 

Przedstawione wyniki dla 8 mm są pokazane na długości jednostkowej w kierunku y, gdy modelowana jest większa płyta szklana. Wysokie wartości opóźnienia w położeniu y 0 mm i 120 mm wynikają z małej powierzchni wymiany ciepła między polami/obudowami dysz. To samo zjawisko można zaobserwować na rys. 10, gdzie przedstawiono naprężenia w kierunku x.

 

Duże naprężenia ściskające występują w obszarze uderzenia strumienia powietrza. Pomiędzy skrzynkami z dyszami naprężenia w kierunku x stają się bardziej rozciągające. Naprężenia w kierunku y pokazano na rys. 11.

 

Naprężenia pomiędzy strumieniami powstają w wyniku zwiększenia naprężeń. Przebieg naprężeń na rysunkach 10 i 11 jest porównywalny z przebiegiem naprężeń zmierzonych na rys. 6, co oznacza, że strefy największego ściskania występują w tych samych obszarach.

 

 2022 03 35 5

Rys. 5. Naprężenia zmierzone przez SCALP na powierzchni szkła o grubości 4 mm – w narożu/narożniku pokazanym na rys. 3. Współrzędne służą do orientacji naprężeń

 

2022 03 35 6

Rys. 6. Naprężenia zmierzone przez SCALP na nieruchomej powierzchni szkła grubości w 8 mm – w narożu szkła pokazanym na rys. 4. Współrzędne służą do orientacji naprężeń

 

2022 03 35 7

Rys. 7. Rozkład opóźnienia dla szkła o grubości 4 mm obliczony na podstawie wyników naprężeń uzyskanych metodą FEM

 

2022 03 35 8

Rys. 8. Różnica naprężeń σx-σy na górnej powierzchni szkła dla szkła 4 mm

 

Wnioski
W procesie hartowania szkła ogrzewanie, a zwłaszcza szybkie chłodzenie, powoduje powstawanie naprężeń wewnętrznych, które różnią się od siebie w różnych kierunkach. Aby uzyskać wysokie współczynniki przenikania ciepła, należy stosować układy dysz, których wyloty znajdują się blisko szkła.

 

Główną przyczyną jest to, że w części chłodzącej konwekcyjna wymiana ciepła pomiędzy powietrzem a powierzchnią szkła nie jest jednorodna, co powoduje również nieizotopowy rozkład naprężeń wewnątrz szkła. W zależności od otoczenia/środowiska, na przykład błękitnego nieba, w szybach ze szkła hartowanego można zaobserwować wady optyczne, zwane anizotropią.

 

Naprężenia w szkle można zmierzyć, ale wymaga to dużo czasu. Przy użyciu światła spolaryzowanego można szybko zaobserwować anizotropię, ale nie daje to dokładnych wartości naprężeń. W projektowaniu energooszczędnego systemu chłodzenia można wykorzystać modelowanie numeryczne wymiany ciepła i naprężeń wewnętrznych.

 

Jednak podczas oceny wyników modelowania występują pewne braki – dokładne modelowanie wymiany ciepła przez strumienie uderzające jest bardzo trudne, a teoria naprężeń wewnętrznych wymaga wielu parametrów eksperymentalnych. Ponadto potrzeba bardzo wielu punktów obliczeniowych, ponieważ mamy setki strumieni powietrza. Nie wystarczy badać tylko zachowanie pojedynczego strumienia, ponieważ w układzie oddziałują one na siebie nawzajem.

 

W artykule zastosowano różne metody pozwalające zrozumieć anizotropię. Zaobserwowano, że pomiary naprężeń za pomocą SCALP, wzorce anizotropii za pomocą polaryskopu płaskiego oraz numeryczne modelowanie naprężeń wewnętrznych dają podobne wyniki. Zrozumienie procesu od chłodzenia do anizotropii wymaga rozległej wiedzy z czterech różnych dziedzin fizyki: dynamiki płynów, wymiany ciepła, mechaniki i optyki.

 

Trudno jest jednak uzyskać rozsądną zgodność pomiędzy wartościami liczbowymi uzyskanymi różnymi metodami, nawet jeśli rozkłady są podobne. Pewne są dwie obserwacje - ciągłe przemieszczanie się szkła względem dysz daje większe naprężenia izotropowe, a największa anizotropia dla szkła nieruchomego powstaje między dyszami, ale nie w punkcie stagnacji strumienia, gdzie wymiana ciepła jest najlepsza.

 

 2022 03 35 9

Rys. 9. Rozkład opóźnienia dla szkła o grubości 8 mm obliczony na podstawie wyników naprężeń uzyskanych metodą MES (metodą elementów skończonych). Długość w kierunku y jest jednostkową długością obszaru skrzynki dyszy

 

2022 03 35 10

Rys.10. Naprężenia obliczone metodą MES (metodą elementów skończonych) w kierunku x dla nieruchomego szkła grubości - na górnej powierzchni tafli szkła

 

2022 03 35 11

Rys. 11. Naprężenia obliczone metodą MES (metodą elementów skończonych) w kierunku y dla szkła nieruchomego o grubości 8 mm – na górnej powierzchni tafli szkła

 


Podziękowania
Autorzy dziękują firmie GlasStress Ltd za wykonanie pomiarów naprężeń SCALP przedstawionych w tej pracy. Autorzy dziękują również firmie Sydney Informatics Hub oraz klastrowi Artemis Uniwersytetu w Sydney za udostępnienie wysokowydajnych zasobów obliczeniowych, które przyczyniły się do uzyskania wyników badań przedstawionych w niniejszym artykule.

 

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii

 

Reijo Karvinen, Antti Aronen


Bibliografia
[1] Martin, H., Przenoszenie ciepła i masy między uderzającymi strumieniami powietrza a stałymi powierzchniami. Postępy w przenoszeniu ciepła (Heat and Mass Transfer Between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces. Advances in Heat Transfer ). 13. Academic Press. New York., pp. 1-59, 1977. doi:10.1016/S0065-2717(08)70221-1

[2] Alimohammadi, S., Murray, D., Persoons, T., Eksperymentalna walidacja metodologii obliczeniowej dynamiki płynów dla charakterystyk przenoszenia ciepła z przepływem przejściowym w strumieniu o stałym uderzeniu (Experimental Validation of a Computational Fluid Dynamics Methodology for Transitional Flow Heat Transfer Characteristics of a Steady Impinging Jet). Journal of Heat Transfer, tom. 136, 2014. doi:10.1115/1.4027840.

[3] Lemanow, V.V., Terekhov, V.I., Terekhov, V.V., Przenikanie ciepła strumienia uderzeniowego przy niskiej liczbie Reynoldsa (Heat Transfer of Impinging Jet at Low Reynolds Number). IHTC-16, 10-15 sierpnia 2018 r., Pekin, Chiny, 2018 r.

[4] Illguth, M., Schuler, C., Bucak, O., Wpływ anizotropii optycznych na fasady ze szkła budowlanego i jego metody pomiarowe (The Effect of Optical Anisotropies on Building Glass Facades and its Measurement Methods), Frontiers of Architectural Research, tom. 4, s. 119-126, 2015. doi: 10.1016/j.foar.2015.01.004

[5] Y. Chen, D. Lochegnies, R. Defontaine, J. Anton, H. Aben, R. Langlais, Pomiar 2D mapowania resztkowego naprężenia powierzchniowego w szkle hartowanym pod dyszami chłodzącymi: Wpływ parametrów procesu na jednorodność i izotropię naprężeń (Wpływ parametrów procesu na jednorodność i izotropowość naprężeń) (Measuring the 2D Residual Surface Stress Mapping in Tempered Glass under the Cooling Jets: The Influence of Process Parameters on the Stress Homogeneity and Isotropy). Strain, tom. 49, s. 60-67, 2013. doi:10.1111/str.120136.

[6] Vitkala, J., Karvinen, R., Jak hartować szkło niskoemisyjne (How to Temper Low-E Glass). 38th Annual Technical Conference Proceedings, Society of Vacuum Coaters, s. 261-267, 1995.

[7] R. Karvinen, Adaptacja pieców hartowniczych do PN-EN ISO (Adaption of Tempering Furnaces to Coated Glass). Ceramika przemysłowa, nr 936, s. 222-229, 1998.

[8] Narayanaswamy, OS, Naprężenie i relaksacja strukturalna w szkle hartowanym (Stress and Structural Relaxation in Tempered Glass). J. Am. Ceram. Soc. Tom. 61, s. 146-152, 1978. doi: 10.1111/j.1151-2916.1978.tb09259.x

[9] Aronen, A., Karvinen, R., Wpływ temperatury szkła przed schłodzeniem i szybkości chłodzenia na naprężenia resztkowe podczas odpuszczania (Effect of Glass Temperature Before Cooling and Cooling Rate on Residual Stresses in Tempering). Glass Structures & Engineering, tom. 3, s. 3-15, 2018. doi:10.1007/s40940-017-0053-6

[10] J. Schneider, J. Hilcken, A. Aronen, R. Karvinen, J. Olesen, F., J. Nielsen, Relaksacja naprężeń w szkle hartowanym wywołana testami wygrzewania termicznego (Stress Relaxation in Tempered Glass Caused by Heat Soak). Engineering Structures, tom. 122, s. 423-449, 2016. doi:10.1016/j. engstruct.2016.04.024

[11] H. Aben, C. Guillemet, Fotoelastyczność szkła (Photoelasticity of Glass). Springer-Verlag, Niemcy, 1993.

[12] A. Mikkonen, A. Aronen, M. Rantala i R. Karvinen, Wpływ nierównomiernego przepływu ciepła w procesie hartowania na jakość szkła (Effects of Non- Uniform Heat Transfer in a Tempering Process on Glass Quality). GPD Glass Performance Days 2017, s. 161-166, 2017.

 

 2022 04 38 4

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
          sec