FORNI PER IL RISCALDAMENTO DEL VETRO

Lo studio del riscaldamento del vetro rappresenta un utile esercizio per la comprensione dei mutui contributi energetici. Ogni forno trasferisce calore alle lastre di vetro a seconda della tipologia di impianto cui appartiene ed è quindi più o meno adatto a fornire il riscaldamento dedicato alle caratteristiche chimiche e fisiche della materia prima ed alle prestazioni che si intende raggiungere.

L’elemento di contaminazione tra le varie categorie di impianti è costituito dalla possibilità di influire sui parametri che regolano le componenti energetiche, ossia quanto la regolazione può ridurre le asimmetrie strutturali ed approssimare il riscaldamento alla distribuzione voluta.

Molto sinteticamente si indica nella variazione  del volume specifico e della rigidezza in funzione della temperatura le cause principali delle rotture e delle difettosità ottiche e di sagoma.

I forni di riscaldamento del vetro possono essere classificati a seconda di:

1)      Tipologia di funzionamento     

1)          continuo

2)          a lotti

-   a cassone (muffola)

-   a camere  rotanti (cassoni inseriti in un carosello)

2)      Tipologia movimentazione del pezzo

           1)          avanzamento continuo in linea

2)          avanzamento oscillante (in ciascuna delle camere di riscaldamento attraversate in sequenza)

           3)          la carica resta ferma nella camera di riscaldamento (muffole statiche)

           4)          la carica resta ferma nella camera che si muove tra differenti stazioni di riscaldo

3)      Numero delle camere

           1)          monocamera

           2)          pluricamera (in serie o in parallelo)

4)      Metodica della somministrazione di energia

           1)           irraggiamento

           2)          convezione (naturale e/o forzata)

           3)          conduzione (attraverso superfici di appoggio)

           4)          mista, con differenti percentuali tra i tre modi precedenti

5)      presenza di un piano rulli di supporto

           1)          forni orizzontali o sub orizzontali

6)      presenza di sistemi di sospensione con pinzatura

           1)          forni verticali o subverticali

7)      Presenza di attrezzature che partecipano al sostentamento

           1)          Anelli e/o squelette

           2)          Sistemi di galleggiamento su cuscino d’aria

8)      Presenza di attrezzature che partecipano alla curvatura
            1)     Maschi di pressa, materiali di interfaccia, etcc..

Riscaldamento

Il vetro viene riscaldato dall’esterno verso l’interno con somministrazione di energia che lo raggiunge secondo i consueti meccanismi:

Convezione (fluidi caldi in movimento che scambiano energia con le superfici)

Irraggiamento (radiazioni di determinata lunghezza d’onda che provengono dalle sorgenti calde e che possono anche penetrare all’interno quando il vetro è già caldo)

Conduzione (l’energia si trasmette sfruttando il contatto fisico tra elementi a differente temperatura – all’interno dello stesso vetro o tra vetro ed elementi solidi con cui è a contatto)

Il vetro è sempre in equilibrio termico tra l’energia che riceve (dalle parti calde) e quella che perde; ricordo che modifica la sua risposta all’infrarosso al variare della sua temperatura. Sinteticamente possiamo dire che il riscaldamento è affidato alla conduzione (conducibilità termica) e interessa le superfici esterne procedendo  successivamente verso l’interno della lastra (diffusività termica).

L’irraggiamento può, in certi casi, interessare direttamente le porzioni interne e la temperatura risultante è la somma dei contributi ricevuti durante il percorso.

FORNI CONVETTIVI PURI

Il riscaldamento avviene al 70 – 80% per convezione (l’irraggiamento è circa il 20%, ma interessa la fase finale).

VANTAGGI	SVANTAGGI
Non sono presenti sorgenti ad alta temperatura (>650 C°).	possono sorgere problemi di tempera per gli spessori maggiori (con cicli corti)
Sono scaldate preferenzialmente le superfici esterne del vetro (bene/male).	La regolazione non è intuitiva (i moti del fluido dipendono da molti fattori)
Il riscaldamento è indipendente dal tipo di vetro (colore) e risente poco di coating basso emissivo.	È difficile realizzare e mantenere differenze locali di temperatura e la progettazione è complessa
Il riscaldamento avviene più rapidamente che in un forno radiante puro.	Pericolosità dell’impianto e difficoltà per apportare modifiche successive.
La qualità della superficie è migliore (temperature più basse).	Grande influenza per apertura della porta e regolazione del camino.
La lastra tende ad essere più controllabile durante la deformazione (centro freddo)	Difficoltà nell’inserimento di schermi e problemi di scambio termico su stampi chiusi (rete).
Basso costo dell’energia se gas metano	Inerzia termica (se presenti refrattari pesanti).

FORNI RADIANTI

-        Esiste una componente convettiva bassa (0,5 – 10%)

-        Inizialmente il riscaldamento interessa le superfici inferiori (80% dai rulli)

-        A vetro caldo, in presenza di sorgenti ad alta temperatura, la radiazione penetra direttamente all’interno (vetro trasparente all’IR verso Hf se vetro chiaro)

VANTAGGI	SVANTAGGI
Facilità di regolazione e funzionamento immediatamente controllabile visivamente	Complicazioni nella logica di regolazione che deve essere ben progettata e quindi costosa
Possibilità di ottenere zone ristrette a differente temperatura (dimensione delle resistenze)	Alto costo energia.
Ripetitività nei cicli e facilità di asservimento a computer di controllo (dati e controllo processo)	Critico se le resistenze sono distanti tra loro e il vetro è fermo
Le schermature possono essere inserite facilmente ed agiscono con le leggi dell’ottica	Tendenza a spanciare la sagoma al centro su stampi ad anello
Facilità di inserimento di resistenze aggiuntive o modifiche	Difficoltà nel riscaldamento vetri coated o impossibilità per particolari caratteristiche
Bassa inerzia termica di tutto il forno che dovrebbe essere veloce nelle variazioni di temperatura se costruzione leggera.	Differenza nei tempi di ciclo a seconda delle caratteristiche del vetro (colore etcc..)
Facile sbilanciamento sopra/sotto	Pericolosità dei punti caldi (resistenze a 850 C°)

FORNI A GAS

Sono costituiti da camere in pressione, solitamente di due tipi:

-        Puramente convettivi (il vetro vede esclusivamente il mix aria - prodotti della combustione a Max 650 C° ) - NO sorgenti calde localizzate!

-        Convettivi / radianti (il vetro vede fluido caldo, la tazza del bruciatore e la fiamma diretta) in questo caso sono possibili riscaldamenti localizzati.

CONVEZIONE FORZATA NEI FORNI ELETTRICI A RISCALDAMENTO MISTO

• Forno con riscaldamento radiante convettivo nativo.

Il tetto presenta ugelli discreti per la mandata di aria in pressione che attivano i moti della atmosfera riscaldata interna al forno.

• Forno con riscaldamento radiante nativo, modificato con aggiunta successiva di un sistema di ugelli per convezione forzata.

All'interno del forno sono presenti tutti i meccanismi di trasmissione del calore, la regolazione in percentuale tra di essi modifica gli effetti e i tempi necessari ad ottenere il riscaldamento preferito della massa di vetro. Esaminiamo il riscaldamento convettivo e le prime considerazioni vanno fatte sulla quantità di aria, sui punti di iniezione e distanza dalla superficie della lastra. In alcuni casi (vedi figura a fianco) il forno nasce con la convezione forzata già a bordo; gli ugelli di distribuzione dei getti di aria (frecce viola) sono integrati nel tetto e le condotte di alimentazione della aria compressa non ostacolano la radiazione diretta delle resistenze di Kantal. Talvolta invece l'impianto di convezione forzata è aggiunto ad un forno preesistente e per questo motivo può costituire un problema in più nella gestione del forno agendo con schermature fisse tra vetro e elementi radianti.Occorre ricordare che ogni impianto possiede delle prerogative e limiti propri la cui conoscenza permette le ottimizzazioni necessarie a processare le lastre in maniera corretta. Ogni impianto infatti può rendere al massimo solo conoscendone le prestazioni nascoste e integrandole con il vetro in lavorazione.

I depositi conduttivi, riflettenti e filtranti oggi presenti sulla maggior parte delle lastre modificano grandemente la risposta del vetro alla modalità del riscaldamento cui è sottoposto e non è più possibile agire soltanto sui parametri tempo e temperatura dei forni tradizionali. La convezione forzata attiva un contributo addizionale, abbastanza indipendente dalle caratteristiche dei coating superficiali che a contatto con l'aria calda si riscaldano a loro volta e trasmettono energia per conduzione agli strati interni della lastra.

Nel grafico seguente si rappresenta per una lastra di spessore 5mm l'andamento teorico delle temperature di superficie (sup e inf) e mid plane, con il delta tra bottom e upper che fornisce indicazioni sulla deformazione assunta.

La distribuzione delle temperature reali dipende dalla situazione incontrata dalla lastra in quel forno in quel momento con quelle regolazioni e diverge grandemente dall'andamento teorico che comunque è un buon punto di partenza per comprendere cosa accade nelle prime fasi del riscaldamento in un forno a rulli.

Distribuzione temperature

I VANTAGGI DEGLI IMPIANTI DI TEMPERA A CARICA OSCILLANTE

I forni a carica oscillante hanno ingombri e consumi limitati e sono indicati per basse cadenze produttive di lotti differenti.
Si tratta sempre di forni a rulli con movimentazione individuale attraverso cinghie dentate, potenza generata da motore elettrico che gestisce rampe, inversioni del moto e modulazione delle velocità. Il problema della limitazione in cadenza della carica, dovute allo svuotamento preventivo della camera calda, può essere risolto con montaggio di camere poste in serie e spesso collegate con percorso in aria libera con beneficio non trascurabile sul profile termico.   

Una linea guida sui criteri di progettazione di questa tipologia di forni di tempera prevede che, in ambienti la cui dimensione è poco maggiore di quella della carica, la durata di ciascuna fase di scambio energetico trascorra in movimentazione alternata percorrendo lo spazio compreso tra un punto di sosta anteriore ed uno posteriore. E'evidente che la mappa termica delle resistenze di riscaldamento, la loro  geometria e le possibilità di regolazione interagiscono con i fattori di vista dovuti alle posizioni. 

Il riscaldamento che si realizza in camera calda rappresenta un compromesso per adeguare la durata del trattamento a dimensione e spessore della carica, numero e posizione delle soste, ampiezza di oscillazione, velocità di movimentazione, permettendo molteplicità di risultati.

La sezione di tempera riproduce, durante il raffreddamento forzato, le stesse problematiche correlate alle oscillazioni della carica e all’efficienza dello scambio termico per i vari spessori.

Lo scambio termico coinvolge le superfici delle lastre e il modo in cui esse sono in relazione con le sorgenti calde e fredde; la ripetitività nella posizione dovuta alle soste rende questi forni simili ai forni statici (verticale o muffola), capaci di somministrazioni energetiche localizzate, mentre la fase di movimento relativo tra le soste favorisce una distribuzione più simile a quella di un forno passante.

Il frazionamento delle sorgenti calde (resistenze tetto e suola), con possibilità di pilotaggio di aree ristrette e localizzate, permette di differenziare il riscaldamento di aree circoscritte, a differenza di quanto accade nel forno passante in cui la regolazione può avere conseguenze solo per strisce parallele all’avanzamento.

L’argomento è complesso, coinvolgendo la regolazione nei suoi aspetti dinamici e termici, soffermarsi sulla conoscenza dei parametri geometrici (posizione e ampiezza delle soste) e la possibilità di modifica di questi parametri offerta da alcuni software, permette anche di ottimizzare l’uniformità del riscaldamento compensando asimmetrie dovute alla conduzione rulli-vetro soprattutto per gli spessori elevati per i quali la ricetta termica è determinante e le compensazioni della curvatura in tempera sono impossibili.