Effects of port and burner angles on the energy efficiency of glass furnaces

Abstract

Cam üretimi enerji yoğun bir endüstridir. Tipik bir arkadan ateşlemeli cam ambalaj fırınının enerji verimliliği, günümüz endüstriyel koşullarında %55 ile %60 arasındadır. Bir cam fırınının yanma atmosferi tasarım parametreleri; yakıt ve havanın karışmasını, dolayısıyla alev oluşumunu ve fırının enerji verimliliğini etkiler. Bu tez kapsamında fırın enerji verimliliğini artırmak amacıyla bek açısı, port kemer açısı ve port taban açısı olmak üzere üç adet yanma atmosferi tasarım parametresinin etkileşimli ilişkisi, seçilen spesifik bir cam fırınında tam faktöriyel deney tasarımına dayanarak istatistiksel incelenmiştir. Amaç, yeni bir cam ambalaj fırını tasarımı aşamasında gereken simülasyon çalışması sayısını azaltmaktır. İlk olarak; toplamda 27 adet deneysel durum hesaplamalı olarak çalışılmış ve fırın enerji verimliliği sonuçları, maksimum enerji verimliliğini elde etmek amacıyla üçüncü dereceden deneysel bir polinom modeline yerleştirilmiştir. Maksimum enerji verimliliği için bulunan açılar bek, port kemeri ve port tabanı için sırasıyla 9, 25.3 ve 10 derece bulunmuştur. İkinci olarak; 27 adet deney, port taban açısına göre her biri dokuz adet deney içeren üç gruba ayrılmıştır. Bu üç grubun kendi içinde port baz açısı sabitken, bek açısı ve port kemer açısı değişmektedir. Fırın enerji verimliliği sonuçları, her grup için maksimum enerji verimliliğini elde etmek amacıyla ikinci dereceden deneysel bir polinom modeline yerleştirilmiştir. Çalışma sonucunda çizilen sıcaklık profilleri ile bek açısı, port kemer açısı ve port baz açısı artıkça, hava ve yakıtın fırın uzunluğu boyunca daha erken bir noktada karşılaşması sebebiyle alevde daha yüksek sıcaklık bölgeleri oluştuğu gözlenmiştir. Bunun sonucu olarak fırın enerji verimi sayısal olarak artmaktadır. Buna ek olarak, cam yüzey sıcaklıklarının; azalan bek ve port taban açısıyla artığı; azalan port kemer açısıyla ise azaldığı bulunmuştur.Glass manufacturing is an energy-intensive industry. Energy efficiency of a conventional end-fired container glass furnace is between 55% and 60% under recent industrial conditions. Combustion space design parameters of a glass furnace affect the mixing of fuel and air, hence flame formation and energy efficiency in the furnace. In this thesis, the interactive effects of the three combustion space design parameters which are burner angle, port crown angle, and port base angle of a container glass furnace are investigated statistically based on factorial design in order to increase energy efficiency of the furnace by decreasing the required number of computational runs at the design stage for an example of specific glass furnace. Firstly, a total of 27 experimental cases are set to run computationally and the results of energy efficiency data are fitted to the empirical third-order polynomial model for maximum energy efficiency. Degrees of angles for burner, port crown, and port base are 9, 25.3, and 10, respectively, are found to be optimal for the maximum furnace efficiency. Secondly, 27 experiments are classified into three groups, each having nine cases, according to their port base angle. Results of energy efficiency data are fitted to the empirical second-order polynomial model for maximum energy efficiency for each group while burner and port crown angles vary. It is found that higher burner, port crown, and port base angles result in higher temperature regions in flame since the air and fuel meet at an earlier point along the furnace. Hence, the energy efficiency of the furnace increases. Additionally, it is found that the glass surface temperatures increase with decreasing burner and port base angle whereas increasing port crown angle.