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). Generalmente si tratta di impianti con ambiente forno in leggera sovrapressione, dovuta all'ingresso di fluido di attivazione dei moti convettivi o addirittura per la combustione diretta del gas. Può essere inserito un sistema di parzializzazione degli scarichi verso l'ambiente variamente disposti per guidare i flussi all'interno del forno.

VANTAGGI	SVANTAGGI
Non sono presenti sorgenti ad alta temperatura (>650 C°).	possono sorgere problemi di tempera per gli spessori maggiori (con cicli corti) e cottura vernici che richiedono necessariamente IR
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.

Tetto convettivo originale

Tetto convettivo aggiunto successivamente

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.