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HVG-DGG Forschung

 
Publication Nr GFOR15223
Author Müller-Simon, Hayo; Bergmann, Gesine
 
Title
Nutzung der Verteilerrinnen von IS-Maschinen für die thermische Konditionierung von Glastropfen “ AiF-Nr. 15223 N
 
Keywords
Verteilerrinne; IS-Maschine; Speiser; Tropfen; Temperaturverteilung; Wärmeleitfähigkeit
 
Journal
Publication Year 2010
Volume
ISS
Page 42
 
Abstract
Von Juni 2007 bis November 2009 wurde am Institut der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG), Offenbach das AiF-Forschungsvorhaben mit dem Thema „Nutzung der Verteilerrinnen von IS-Maschinen für die thermische Konditionierung von Glastropfen “(AiF-Nr. 15223 N)“ bearbeitet. Zwischen Speiser und Vorform ändert sich die Temperaturverteilung in einem Glastropfen unkontrolliert durch Abstrahlung, Konvektion und den Kontakt mit kalten Werkzeugen und Maschinenteilen. Dadurch werden Temperaturinhomogenitäten induziert, die zu einer ungleichmäßigen Glasverteilung im Produkt führen. Da die Festigkeit eines Behälters durch die Bereiche mit der geringsten Wanddicke bestimmt wird, ließen sich durch das Erzielen einer gleichmäßigen Wanddicke Rohstoffe und Energie einsparen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten die Temperaturverteilungen in Glastropfen und ihre Änderung zwischen dem Tropfenschnitt und der Vorform an IS-Maschinen erfasst und Mittel zu ihrer gezielten Beeinflussung erarbeitet werden. Die Erstellung der zeitabhängigen Temperaturverteilung basiert auf Temperaturmessungen mit Strahlungspyrometern, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Die Temperaturen werden zwischen Schere und Scoop-Rinne sowie in den Deflektorrinnen aller Stationen einer IS-Maschine gemessen. In semitransparenten Materialien lässt sich aus den Strahlungsintensitäten bei unterschiedlichen Wellenlägen das Temperaturprofil im Inneren des Glases rekonstruieren. Aufgrund der eingeschränkten optischen Zugänglichkeit lassen sich die Tropfentemperaturen nicht in allen Positionen erfassen. Um die Temperaturverteilung im Glastropfen möglichst vollständig zu erfassen, werden die Temperaturen zwischen den Messpunkten rechnerisch interpoliert. Dazu wird mit einer FEM-Software die Wärmetransportgleichung für Wärmeverlust durch Strahlung und Kontakt gelöst. Die dafür benötigten Stoffdaten Dichte, spezifische Wärmekapazität und Emissionsgrad lassen sich mit guter Genauigkeit der Literatur entnehmen. Problematisch ist die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit und der Sichttiefe der Pyrometer bei der gegebenen Wellenlänge. Die in der Literatur angegebenen Wärmeleitfähigkeiten zeigen auch bei gleicher Glasfarbe eine erhebliche Streubreite und sind zum Teil nicht plausibel. Das Gleiche gilt für Wärmeleitfähigkeiten, die auf der Basis von optischen Spektren bei Raumtemperatur modelliert wurden. Die Berechnung der Sichttiefe wird üblicherweise nach der Näherung von Eddington-Barbier vorgenommen. Eine Überprüfung zeigte, dass die so rekonstruierten Temperaturprofile sehr stark von den tatsächlichen Temperaturprofilen abweichen. Das Problem der unbefriedigenden Wärmeleitfähigkeiten und Sichttiefen kann gelöst werden, wenn eine ausreichende Anzahl Temperaturmesspunkte vorliegt. Insgesamt werden bei der modellbasierten Interpolation die gemessenen Temperaturen durch Variation eines vom Speiser induzierten Anfangsprofils, der Wärmeleitfähigkeit, der Sichttiefen und des Wärmeübergangskoeffizienten miteinander verknüpft. Der Ansatz ist in sich geschlossen und liefert plausible Ergebnisse. Die Oberflächentemperatur eines Glastropfens stellt sich maßgeblich durch die Temperatur der Verteilerrinnen und den Wärmeübergangskoeffizienten ein. Eine Abkühlung der Verteilerrinne durch einen Luftstrom führt zu einer unmittelbaren, messbaren Abkühlung der Tropfenoberfläche. Die Wärmeübergangskoeffizienten liegen zwischen 900 und 1500 W/(m2K) und nehmen mit der Zeit ab. Dieses Verhalten ist vergleichbar dem in der Literatur dokumentierten Verhalten des Reibungskoeffizienten in Verteilerrinnen. Eine Beeinflussung des Wärmeübergangskoeffizienten durch die Scoopbesprühung führt zu Änderungen in der Größenordnung von zehn Prozent. Ebenfalls entscheidend für die Temperaturverteilungen beim Eintreffen in der Vorform sind die Rückerwärmungsphasen im Anschluss an den Kontakt mit dem Rinnenmaterial. Mit der entwickelten modellbasierten Interpolation steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich Temperaturmessdaten im Bereich der Verteilerrinnen zu zeitabhängigen Temperaturprofilen verknüpfen lassen. Die Anpassung liefert den Wärmeübergangskoeffizienten des Rinnensystems. Es konnten Maßnahmen gezeigt werden, mit denen sich das Temperaturprofil des Tropfens beeinflussen lässt. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Die Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG) dankt der Werksleitung und den Mitarbeitern von Saint-Gobain Oberland in Bad Wurzach und Wirges, namentlich Herrn Beutinger, Herrn Neubauer, Herrn Zimmermann und Herrn Nowak, für die Erlaubnis, die Messungen durchführen zu dürfen, und für die tatkräftige Unterstützung vor Ort, desgleichen der Werksleitung und den Mitarbeitern der Gerresheimer Lohr GmbH, dort insbesondere Herrn Fritsch. Das Forschungsvorhaben (15223 N) der Hüttentechnischen Vereinigung der deutschen Glasindustrie (HVG), Offenbach wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsförderung“ (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) finanziert.(k)

Laufzeit: 01.06.2007 – 30.11.2009
Forschungsstelle: Institut der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie Offenbach

Veröffentlichungen:
Kurzveröff. in dgg Journal 9 (2010) Nr. 3 S. xx
 
Members 30 €
Non Members 30 €
Students 30 €
 
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