- Ultraschallentgasung von geschmolzenen Metallen bis zu 2.300°C und geschmolzenem Glas
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Wir verdoppeln die Blasengröße und reduzieren die Temperatur (Stoke'sches Gesetz)
Ultraschalleinfluss der Blasengröße auf die Raffinationsrate
Die ultraschallunterstützte Läuterung von geschmolzenem Glas kann zur Entfernung von Gasblasen aus geschmolzenem Glas bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als beim Standardverfahren eingesetzt werden, und - was sehr wichtig ist - ohne die Notwendigkeit, die Verarbeitungszeiten zu erhöhen. Da das Läutern von geschmolzenem Glas sehr energieintensiv ist, lassen sich durch die Senkung der Läutertemperatur erhebliche Energieeinsparungen erzielen. Hier zeigen wir, dass die Ultraschall-Glasläuterung das Potenzial hat, die Gesamtenergiekosten um bis zu 20 % zu senken.
Glasschmelze und Glasveredelung
Die Glasherstellung ist ein sehr energieintensiver Prozess, der sowohl das Schmelzen als auch das Läutern umfasst. Das Schmelzen bezieht sich auf die Steuerung der chemischen Reaktionen, die bei der Bildung des Glases aus Rohstoffen auftreten, und das Läutern bezieht sich auf den Prozess des Entfernens von Blasen aus dem entstandenen geschmolzenen Glas.
Das Schmelzen von Kalk-Natron-Gläsern erfolgt bei Temperaturen von ca. 1.300 °C, während das Läutern deutlich höhere Temperaturen von ca. 1.450 °C erfordert. Bei dieser höheren Temperatur ist die Viskosität des geschmolzenen Glases so gering, dass Blasen im Glas an die Oberfläche steigen können.
Die Erhöhung der Temperatur von 1.300 °C auf die Läuterungstemperatur von 1.450 °C verbraucht etwa 40 % der Gesamtenergie, die für den gesamten Schmelz- und Läuterungsprozess benötigt wird. Der kombinierte Schmelz- und Läuterungsprozess dauert in der Regel etwa 24 Stunden und verbraucht somit eine beträchtliche Menge an Energie.
Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Blasengröße, der Läutertemperatur und der Zeit. Einfach ausgedrückt, steigen größere Blasen schneller auf als kleinere; höhere Läutertemperaturen verringern die Viskosität der Glasschmelze; Blasen steigen schneller auf, wenn die Viskosität niedriger ist. Um die Effizienz des Läuterungsprozesses zu verbessern, möchten wir also den Blasendurchmesser vergrößern und/oder die Viskosität der Glasschmelze verringern. Wie wir sehen werden, können wir mit der Ultraschall-Läuterung die Blasengröße erhöhen und Blasen effizient entfernen, ohne die Temperatur der Glasschmelze erhöhen zu müssen.
Die Auswirkung der Blasengröße auf die ultraschallunterstützte Läuterungsrate von Glas
Formaler ausgedrückt: Würden die Gasblasen koaleszieren, dann könnte nach dem Stokes-Gesetz bei höheren Viskositäten die gleiche Raffinationsrate beibehalten werden. Das Stokes'sche Gesetz drückt die Kraft F einer stationären Kugel mit dem Radius R aus, die in einer Flüssigkeit mit der Viskosität η schwebt und sich mit einer relativen Geschwindigkeit v bewegt.
F = 6 π η R v
Wir können diese Beziehung verwenden, um zu zeigen, dass eine Verdoppelung des Blasendurchmessers von z. B. 0,4 mm auf 0,8 mm theoretisch die gleiche Läuterungsrate in einer Glasschmelze mit einer Viskosität von 400 Pa ermöglichen würde, wie sie mit den kleineren Blasen und einer Viskosität von 100 Pa auftreten würde. Beachten Sie, dass 0,4 mm typischerweise der kleinste Blasendurchmesser ist, der in etwa 16 Stunden durch einen Meter geschmolzenes Glas aufsteigen würde, was einer Rate von 20 Mikrometern/Sekunde entspricht.
Der Zusammenhang ist aus dem Diagramm ersichtlich, das die Viskosität über der Temperatur für ein typisches handelsübliches Glas zeigt. Bei 1.450 °C beträgt die Viskosität 100 Pa, während sie bei 1.280 °C auf 400 Pa gesunken ist. Nach dem Stokes'schen Gesetz ist die Steiggeschwindigkeit einer 0,4 mm großen Blase bei einer Viskosität von 100 Pa die gleiche wie die einer 0,8 mm großen Blase bei 400 Pa.
Mit anderen Worten: Durch Verdoppelung der Blasengröße könnten wir die gleiche Raffinationsrate bei einer reduzierten Temperatur von etwa 1250 °C erreichen. Typischerweise würde dies 20 % der gesamten Energiekosten des Prozesses einsparen.
Diese Analyse deutet zwar darauf hin, dass wir durch eine Vergrößerung des Blasendurchmessers in der Glasschmelze erhebliche Energieeinsparungen im Läuterungsprozess erzielen können, aber können wir dies auch praktisch erreichen?
Viskosität versus Temperatur
Erzwingen der Blasenkoaleszenz mit Ultraschallenergie
Die neuesten Fortschritte in der Ultraschall-Läuterung bedeuten, dass wir jetzt die Ultraschallenergie nutzen können, um die Blasengröße während der Glas-Läuterung zu erhöhen. Es sind zwar mehrere Prozesse beteiligt, aber der dominierende ist die Kavitation.
Bei der Kavitation handelt es sich um einen energiereichen Prozess, bei dem sich der Druck in der Glasschmelze rasch ändert und Hohlräume mit niedrigem Druck entstehen. Die Hohlräume bilden Keimzentren, in die gelöste Gase und Blasen diffundieren und sich ansammeln. Kleine Blasen verschmelzen zu größeren Blasen, die, wie wir gezeigt haben, schneller an die Oberfläche aufsteigen, wo sie sich auflösen.
Fazit
Die Erhöhung der Blasengröße während der Glasveredelung mit Hilfe von Ultraschallenergie bedeutet, dass wir Standard-Läuterungszeiten erreichen können, ohne die Viskosität der Glasschmelze durch Erhöhung ihrer Temperatur im Anschluss an den Glasschmelzprozess reduzieren zu müssen. Das bedeutet, dass wir die Wahl haben, die Bearbeitungszeiten zu reduzieren oder die im Prozess eingesetzte Energie zu verringern.
Die potenziellen Energieeinsparungen variieren zwar von Branche zu Branche und hängen von vielen Faktoren ab, einschließlich des Sektors der Glasindustrie und der Qualitätsanforderungen, aber bei der ultraschallunterstützten Glasveredelung sind Energieeinsparungen von bis zu 20 % möglich. Diese Energieeinsparung stellt einen erheblichen potenziellen Vorteil für diese sehr energieintensive Branche dar.