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        光伏玻璃壓延成型過(guò)程的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

        2023-11-11 09:57:26任清海耿鐵
        玻璃 2023年10期
        關(guān)鍵詞:板狀熔體通量

        任清海 耿鐵

        (1.安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安陽(yáng) 455000;2.河南工業(yè)大學(xué) 鄭州 450007)

        0 引言

        “雙碳”戰(zhàn)略即碳達(dá)峰及碳中和的目標(biāo)要求,降低碳排放,倡導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新,提升我國(guó)產(chǎn)業(yè)在全球的競(jìng)爭(zhēng)力。太陽(yáng)能作為一種可再生能源,在推動(dòng)綠色能源利用,助力“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)中起到重要作用。

        壓延成型是光伏玻璃制品最主要成型工藝。在壓延成型過(guò)程中,將具有熱黏彈塑性的高溫玻璃熔體通過(guò)兩對(duì)輥之間的間隙經(jīng)對(duì)輥表面壓延直接成型為薄板狀玻璃帶[1]。由于熔融的玻璃液通過(guò)玻璃兩對(duì)輥表面直接成型并冷卻降溫,所以壓延輥的溫度及冷卻速度都會(huì)對(duì)成型制品造成影響。文獻(xiàn)[2-7]對(duì)玻璃成型理論、玻璃爐窯以及玻璃模壓成型技術(shù)研究較多,但鮮有對(duì)光伏玻璃壓延成型過(guò)程研究的報(bào)道。本文在全面考慮玻璃熱熔融狀態(tài)下的流動(dòng)性、熱應(yīng)力、溫度邊界、硬化效應(yīng)以及黏性特征的條件下,把玻璃壓延成型過(guò)程簡(jiǎn)化為剛黏塑性材料的成型來(lái)處理,建立玻璃壓延成型過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。借助Deform軟件模擬不同熱通量參數(shù)下的光伏玻璃薄板的溫度分布,優(yōu)化光伏玻璃壓延成型參數(shù)及工藝控制參數(shù),從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)和壓延輥設(shè)計(jì)。

        1 光伏玻璃壓延成型過(guò)程數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型

        玻璃壓延成型過(guò)程中涉及高的應(yīng)變速率、溫度的變化及材料的非線性等問(wèn)題,屬于熱力耦合的彈塑性變形[8]。因此,玻璃壓延成型數(shù)學(xué)模型中必須包括玻璃熱熔融狀態(tài)下的流動(dòng)性、熱應(yīng)力求解及溫度邊界。

        考慮到玻璃壓延成型過(guò)程中的硬化效應(yīng)和黏性特征,玻璃的彈性變形遠(yuǎn)小于塑性變形,所以其彈性變形可以忽略不計(jì)。因此,可以將玻璃壓延成型過(guò)程簡(jiǎn)化為剛黏塑性材料的成型來(lái)處理[9]。

        1.1 剛黏塑性流動(dòng)的基本方程

        玻璃的壓延成型過(guò)程中,剛黏塑性的玻璃產(chǎn)生大的塑性變形,將其黏性特征和塑性特征相結(jié)合,即可得出其剛黏塑性的本構(gòu)方程。

        ①力平衡方程:

        ②幾何方程:

        ③材料不可壓縮條件:

        ④在成型溫度范圍內(nèi),玻璃成型的本構(gòu)方程:

        式中:sij,j——應(yīng)力增量;j——應(yīng)變速率;

        vij——速度矢量;——體積應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

        h——黏度;

        T——溫度。

        ⑤黏度

        玻璃的黏度隨溫度下降而增大的特性是玻璃壓延成型的基礎(chǔ),在玻璃壓延成型中起著非常重要的作用,而玻璃的黏度隨溫度變化的特性規(guī)律又與玻璃組成密切相關(guān)。因此,玻璃黏度參數(shù)應(yīng)根據(jù)玻璃組成確定。

        ⑥邊界條件

        速度邊界條件:

        力邊界條件:

        接觸邊界上的非穿透接觸:

        式中:vi——速度矢量;

        sij——應(yīng)力增量;

        qi——給定面力;

        n——壓延輥表面的單位法線;

        UD——壓延輥速度。

        接觸邊界上的摩擦條件:

        式中:k——剪切屈服應(yīng)力;

        m——保持不變的摩擦系數(shù);

        vs——壓延輥和玻璃之間的相對(duì)滑動(dòng)速度;

        v0——光滑系數(shù)。

        1.2 玻璃壓延成型過(guò)程有限元變分原理

        Markov變分原理是玻璃壓延成型過(guò)程數(shù)值模擬的基礎(chǔ),即設(shè)定有體積為V、表面積為S的薄板狀玻璃帶,在其表面積S上給定面力fs和速度v,則滿足邊界條件、幾何方程和材料不可壓縮條件的速度場(chǎng)中,實(shí)解必然能使能量泛函:

        式中:ep——體積應(yīng)變速率;

        V——薄板狀玻璃帶的體積;

        S——薄板狀玻璃帶的表面積。對(duì)以上方程組進(jìn)行Newto-Raphson求解,即可得到速度場(chǎng),進(jìn)而求得各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變速率、應(yīng)變和應(yīng)力。

        1.3 玻璃壓延成型過(guò)程中的熱力耦合

        玻璃壓延成型過(guò)程中,高熱的玻璃熔體通過(guò)兩對(duì)輥之間的間隙發(fā)生變形同時(shí)溫度也發(fā)生變化,從而使玻璃熔體的黏度也受到很大的影響。在實(shí)際的壓延成型過(guò)程中,由于玻璃熔體在各個(gè)方向上的變形不均勻以及壓延輥對(duì)玻璃熔體的冷卻不均勻,都會(huì)造成玻璃熔體內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度,從而影響玻璃熔體的變形。因此,在玻璃壓延成型過(guò)程中必須考慮熱力耦合效應(yīng)。

        根據(jù)能量守恒,對(duì)三維傳熱問(wèn)題,溫度T滿足:

        式中:T——溫度;

        Q——熱生成率;

        qi——熱流矢量分量;

        r——密度;

        c——比熱;

        t——時(shí)間。

        在玻璃變形體中,由于塑性變形而造成的熱生成率:

        式中:a——熱生成效率系數(shù),也就是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的比例。

        由于壓延輥內(nèi)部通過(guò)冷水進(jìn)行冷卻,所以在有限元模擬時(shí),必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)或工程實(shí)際給出對(duì)流換熱系數(shù)。

        2 研究對(duì)象

        圖1為光伏玻璃壓延成型的簡(jiǎn)化模型。以圖1所示的簡(jiǎn)化幾何模型為研究對(duì)象,在數(shù)值模擬中,壓延輥視為剛體,不參與計(jì)算;僅對(duì)玻璃熔體劃分初始網(wǎng)格。

        圖1 光伏玻璃壓延成型的簡(jiǎn)化模型

        本次數(shù)值模擬中,光伏玻璃材料的成分如表1所示。

        表1 光伏玻璃材料組成成分

        玻璃熔體的泊松比為0.26,密度為2.5 mg/mm3。

        3 結(jié)果與分析

        在實(shí)際的玻璃壓延成型過(guò)程中,壓延輥起到換熱器的作用,高熱的玻璃熔體通過(guò)壓延輥表面把熱量傳遞給壓延輥內(nèi)的冷卻水,流動(dòng)的冷卻水把熱量帶走,從而使得高熱的玻璃熔體降溫固化成薄板狀玻璃帶。因此在數(shù)值模擬中,可以設(shè)置熱通量參數(shù)來(lái)描述壓延輥對(duì)玻璃熔體的散熱情況,即通過(guò)改變熱通量參數(shù)值,來(lái)模擬玻璃壓延成型狀況。

        圖2~圖5分別是當(dāng)熱通量為48、50、54、60 W/m2時(shí)的玻璃溫度分布云圖。

        圖2 熱通量為48 W/m 2的溫度分布

        由圖2可以看出,壓延成型后薄板狀玻璃帶發(fā)生上翹。這是因?yàn)?8 W/m2熱通量小,壓延輥對(duì)玻璃熔體的冷卻效果差,玻璃熔體溫度較高,沒(méi)有達(dá)到合理的成型溫度而粘附在上壓延輥表面造成的。在實(shí)際壓延成型過(guò)程中應(yīng)該力求避免出現(xiàn)這種情況。

        由圖3、4可以看出,壓延成型后薄板狀玻璃帶在重力作用下呈稍微下搭流動(dòng)現(xiàn)象。從溫度云圖上可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱通量為50 W/m2、54 W/m2時(shí),薄板狀玻璃帶的最低溫度分別是774 ℃和715 ℃,這兩種情況下的玻璃黏度基本上都處于106.5dPa·s左右,在玻璃成型黏度103~106.6dPa·s的范圍。

        圖3 熱通量為50 W/m 2的溫度分布

        圖4 熱通量為54 W/m 2的溫度分布

        由圖5可以看出,壓延成型后薄板狀玻璃帶已經(jīng)硬化。這是因?yàn)?0 W/m2的熱通量值太大,壓延輥對(duì)玻璃熔體冷卻過(guò)度造成的,從模擬結(jié)果溫度分布云圖上可以看出,薄板狀玻璃帶的最低溫度達(dá)到672 ℃,已經(jīng)低于玻璃成型操作溫度,玻璃黏度達(dá)到了107.65dPa·s,也表明已經(jīng)發(fā)生固化,這是不合理的。因此,在實(shí)際壓延成型過(guò)程中,也必須避免這種情況的發(fā)生。

        圖5 熱通量為60 W/m 2的溫度分布

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)薄板狀玻璃帶的溫度為700~800℃時(shí),成型效果較好,這也與生產(chǎn)實(shí)際比較相符。

        通過(guò)改變熱通量參數(shù)值對(duì)光伏玻璃壓延成型過(guò)程的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),熱通量太小,壓延輥對(duì)玻璃的冷卻效果較差,壓延成型的薄板狀玻璃帶表面溫度較高,容易粘附到上壓延輥上,在玻璃面板表面產(chǎn)生疵點(diǎn),甚至造成壓延輥成型面磨損而損壞成型設(shè)備;熱通量太大,壓輥表面溫度過(guò)低,壓延輥對(duì)玻璃的冷卻過(guò)度,玻璃很快硬化,圖案花紋不能清晰成型,甚至造成玻璃表面出現(xiàn)冷微裂紋等成型不良。

        4 結(jié)論

        通過(guò)改變熱通量參數(shù)對(duì)光伏玻璃壓延成型過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,該模擬分析能夠全面反映玻璃壓延成型過(guò)程中的玻璃帶的溫度分布,并且通過(guò)改變熱通量參數(shù)可以間接獲得壓延輥旋轉(zhuǎn)速度和壓延輥內(nèi)部冷卻水流參數(shù)對(duì)成型的影響,從而為實(shí)際生產(chǎn)和壓延輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),彌補(bǔ)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足。

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