Numerical investigation of the use of externally generated Lorentz forces to improve the flow pattern in a continuous glass-melting tank

Soubeih, Senan

Das elektromagnetische Boosting (EMB) ist ein neuer und innovativer Lösungsansatz zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse in den kontinuierlich arbeitenden Glasschmelzwannen mit einer elektrischen Zusatzbeheizung. Das EMB basiert auf der Benutzung von extern induzierten Lorentzkräften, die entgegen der Hauptströmungsrichtung in der Schmelzwanne gerichtet sind. Die Generierung dieser zusätzlichen Lorentzkräfte erfolgt durch die Überlagerung eines externen Magnetfeldes mit der in der Glasschmelze fließenden elektrischen Ströme. Das externe Magnetfeld wird von zusätzlichen Magnetspulen generiert. Diese werden unterhalb des Wannenbodens zwischen den Elektroden der Zusatzbeheizung installiert. Dadurch wird ein steuerbarer elektromagnetischer Wall in der Glasschmelze zwischen den Elektroden realisiert. Dieser verhindert die unerwünschte Strömung der kälteren, bodennahen Glasschmelze zum Wannenauslass. Als Ergebnis wird die minimale Verweilzeit (MRT) der Glasschmelze in der Wanne erhöht und somit die Verweilzeitverteilung (RTD) verbessert. Als Ergebnis wird die Glasqualität erhöht. In dieser Dissertation wird das EMB in einer Glasschmelzwanne numerisch untersucht und somit die Grundlage für eine industrielle Anwendung gelegt. Die stark temperaturabhängigen Materialeigenschaften von Glas erfordern gekoppelte Berechnungen von Elektro-, Thermo- und Hydrodynamik, die zu hochkomplexen, dreidimensionalen, numerischen Simulationen der Problemstellung führen. Die Simulationen werden für eine reale industrielle Glasschmelzwanne unter Annahme einiger Vereinfachungen durchgeführt. Die Randbedingungen sind so definiert, dass die realen Betriebsverhältnisse der Wanne simuliert werden können. Für das EMB wird ein zusätzliches Spulensystem angepasst. Die Simulationen zeigen, dass es im Prinzip möglich ist, einen steuerbaren elektromagnetischen Wall im Boostingbereich zu erzeugen. Um die optimale Wirkung des EMB zu erzielen, sind Parameterstudien durchgeführt worden. Mit diesen Simulationen wird erstmals das dynamische Betriebsverhalten einer Glasschmelzwanne mit EMB untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die gewünschte wesentliche Erhöhung von MRT und die damit verbundene Verbesserung von RTD mit Hilfe des EMB erzielbar sind, wodurch die Qualität des Endproduktes erhöht wird. Des Weiteren kann mit Hilfe des EMB die Glasqualität verbessert und gleichzeitig der Durchsatz der Wanne erhöht werden. Unter normalen Betriebsverhältnissen ohne das EMB ist dies nicht möglich. Diese theoretischen Untersuchungen bilden den ersten Schritt, das EMB in der Praxis zu testen und einzusetzen, um neuartige Glasschmelzwannen mit höherem Wirkungsgrad und verbesserter Qualität des Glasproduktes in der Industrie einzuführen.

Electromagnetic boosting (EMB) is a new and innovative approach for improving the flow patterns within electrically boosted continuous glass-melting tanks. EMB is basically achieved by electromagnetic (Lorentz) forces that are orientated against the main flow direction of the glass melt in the tank. The additional Lorentz forces are produced within the glass melt by an externally generated magnetic field interacting with the electric currents that exist within the glass melt. For the process, additional magnet coils are placed underneath the tank bottom and positioned between heating electrodes. Thus, a controllable electromagnetic wall is created in the boosting area to impede the flow of the colder, less well-melted bottom glass through the gaps between the electrodes towards the tank-outlet. The desired EMB effect is an increase in the minimum residence time (MRT) of the glass melt within the tank and consequent improving of the residence time distribution (RTD), with enhanced glass quality as the ultimate result. Using numerical tools, the author of this thesis has realized and evaluated the EMB in a continuous glass-melting tank, laying the foundation necessary for the idea to be converted into an effective industrial process. As the physical properties of glass are strongly temperature-dependent, the numerical simulation involves calculation of the coupled electrodynamic, thermodynamic, and hydrodynamic effects. The investigation thus largely consists in a highly complex coupled three-dimensional mathematical problem. The simulations are performed for a particular industrial-scale continuous glass-melting tank which is represented in academic form. The boundary conditions are so defined as to simulate the realistic conditions of the particular tank. An external magnet coils system which would produce EMB in the particular tank is incorporated into the calculations. The simulations show that it is basically possible to create an electromagnetic wall within the glass melt between the heating electrodes. Parameter analyses for optimization of the EMB effect are also presented. The simulation results make it possible, for the first time, to analyze the dynamic behavior of an electromagnetically boosted continuous glass-melting tank in operation. They also reveal that EMB affects the glass melt flow within the tank favorably, increasing the MRT substantially and thus enhancing the glass quality. Moreover, the tank simulations with EMB show that it is possible to increase the tank productivity and enhance the glass quality simultaneously, which is not possible in the ordinary tank operation case without EMB. Through the author’s work, the first step, always the most important, has been taken en route to a sophisticated glass-melting tank characterized by high efficiency and high production quality.

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Soubeih, Senan: Numerical investigation of the use of externally generated Lorentz forces to improve the flow pattern in a continuous glass-melting tank. 2016.

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