玻璃钢化炉内的热传递

1 简介

普通平板玻璃加热，主要采用辐射和自然对流方式。而当Low-E低辐射镀膜玻璃在上世纪90年代初出现在市场上时，怎样对其进行钢化就成了新的问题了。用传统的加热方式并采取增加对镀膜面的传热量来进行钢化生产极易产生各种各样的缺陷，采用单室或双室强制对流炉来加热玻璃进行生产，其控制难度也是很大的。众所周知，要得到好的钢化产品质量，热传递到玻璃板上时应保证对称和均匀。否则，玻璃板内部热应力将使其弯曲并产生例如白雾、光学畸变、烧膜、大尺寸碎块等缺陷。钢化玻璃的工艺是，将玻璃加热至所需温度，然后快 速传送到钢化淬冷段淬冷并冷却至下片区。在加热段，玻璃在输送辊上来回摆动，在这一过程里，玻璃被加热的机理非常复杂，但肯定的是传导和辐射起主要加热作用。玻璃温度边界条件由在炉内的环境来决定。炉墙和辐射体的温度，特别是陶瓷辊本身的温度决定辐射到玻璃上的热量。在辐射钢化炉内，自然对流取决于炉内空气和玻璃的温度。在强制对流炉内，玻璃的加热功效非常难定，更不用说还有玻璃和辊子之间接触传热量的确定。

2 钢化炉内玻璃内部传热

假设不考虑玻璃边部效应，在玻璃尺寸的某一方向上，传热的方程式表示为：

方程式（1）右边的两个部分，分别代表了传导和辐射加热的部分。当知道了传导系数k时，传导部分热量就非常容易求得。而辐射热S，是全波长吸收和发射之总和。这部分热量就很难准确计算。

本文采用了一种简单的方法，来计算方程式（1）中的辐射热量S，即假设外部辐射垂直于玻璃表面，而从玻璃表面的反射取漫辐射的平均值，且选取了全光谱曲线图2的三个波段。这样，辐射热流就由下式表示：

因为波长λ＞λ2的辐射在表面就被吸收。在方程式（2）中ρ1，ρ2代表反射率， q∞=бT∞4 是黑体发射能，而F （ λ1， λ2，T∞）是黑体从λ1到λ2之间波长的辐射能量。

玻璃镀膜层和周围之间的热传递包括二部分，吸收周围物体的辐射，以及玻璃向外的发射。发射后的再吸收被忽略不计。考虑来自于玻璃内表面的多次反射，方程式（1）中的S可以用下式来表示：

玻璃下表面的辐射和发射类似于上面方程式。在方程式（1）中的总传热S是这两个表面之和。

3 边界条件

钢化炉的种类不同，玻璃在炉内被加热时的热传递形式也不同。不管是那一种类的钢化炉，对流，辐射传热总是存在。不同于辐射热传递，对流和接触式热传递仅发生于玻璃的表面。因此，边界条件仅适合于对流，接触和非透明体辐射。在玻璃上表面，周围和玻璃间传热可由公式表示成：

在方程式（4）中， hu是玻璃表面对流热传递因子，ε是玻璃上表面的辐射率，α是玻璃上表面的吸收率。对于玻璃的下表面也可用方程式（4）进行表述。

3.1 玻璃同周围物体之间的热传递 除辐射外，热传递也可以通过自然对流或强制对流来进行。由于辊子的表面温度同玻璃之间有温差，所以在玻璃和辊子之间一定会发生辐射热传递，辐射热传递的量取决于辊子的材料、辊子尺寸，以及辊子同玻璃之间的距离。理论上说，辊子的温度分布在柱面坐标系中是傅里叶方程的时间函数。一旦玻璃和辊子表面温度已知，就能知道它们之间的辐射热交换量。但要准确计算辊子和玻璃之间接触热传递量却很困难。因为它取决于玻璃同辊子之间压力，固体材料机械特性以及相接触物体的表面特征。尽管计算接触热传递的量非常困难，但由于相对于辐射热传递来说，接触热传递非常小，可以忽略不计。

在自然对流情况下，相邻两物体的边部之间传热是最有效的。但对流热传递的计算却是非常困难。因为表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质，换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。而在强制性对流状态下，通常均使用喷嘴。为此，人们做了大量有关单个喷嘴和一排喷嘴的强制对流状况的研究，得到了很多有用的结论，在炉内喷嘴的布置类似于钢化风冷段的布置。这种布置被证实是最有效的。

3.2 热应力 在钢化玻璃工艺过程中，热应力大小是一个非常重要的边界条件。因为热应力会引起玻璃的弯曲，并又可能使玻璃破碎。在自由板内由于在某一方向温度场的存在而引起的某一方向的应力为：

4 结果

在玻璃加热开始阶段，玻璃中部温度比表面温度要低。由于温度的不同，玻璃中部和表面就有不同的热膨胀率，这样就产生了在玻璃内部的热应力。在玻璃中部是张应力，而表面是压应力，可以从图4中看到。图4表示了玻璃板内的温度和应力分布，在辐射或纯对流加热方式下。选择对流因子以确保两种加热方式下的玻璃加热到钢化温度时的时间相一致。如果在中部张应力太高，玻璃将会破碎。玻璃板内温度不同，就会产生热应力，玻璃厚度增加，热应力增加，加热速度加快，热应力也增加。表1示出了两种加热炉下，相同厚度玻璃中的最大温度差和最大张应力值。假设加热时间相同，可以看到在强对流加热方式下，温度差和张应力均比辐射炉大。

5 结论

在钢化工艺过程中，为避免玻璃板弯曲，应对玻璃上下表面均匀加热。加热太快，会引起玻璃热应力，甚至会使玻璃破碎。为了控制加热过程，热传递的耦合时间要同热传递方式相匹配。即钢化炉种类不同，采用加热方式不同。本文简要讨论了不同种类加热方式以及相应的热传递理论公式，给出了不同厚度玻璃的加热过程及相应温差以及应力状态。需注意的是，一旦增强对流，热应力值也会增加，玻璃会破裂。