- Ultraljudsavgasning av smälta metaller upp till 2 300 °C och smält glas
- Måndag - Fredag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 Köpenhamn - Danmark
Vi fördubblar bubbelstorleken och sänker temperaturen (Stokes lag)
Ultraljud effekt av bubbelstorlek på raffineringshastighet
Ultraljudsassisterad raffinering av smält glas kan potentiellt användas för att avlägsna gasbubblor från smält glas vid väsentligt lägre temperaturer än standardprocessen och, mycket viktigt, utan att behöva öka bearbetningstiderna. Eftersom raffineringsprocessen för smält glas är mycket energiintensiv ger en sänkning av glasraffineringstemperaturen betydande energibesparingar. Här visar vi att ultraljudsglasraffinering har potential att minska de totala energikostnaderna med upp till 20%.
Glassmältning och glasraffinering
Glastillverkning är en mycket energikrävande process som innebär både smältning och raffinering. Smältning avser att kontrollera de kemiska reaktioner som uppstår vid bildandet av glaset från råvaror, och raffinering avser processen att ta bort bubblor från det smälta glaset som bildas.
Smältande soda-limeglas uppnås vid temperaturer på cirka 1 300 °C medan raffinering kräver betydligt högre temperaturer på ca 1 450 °C. Vid denna högre temperatur är smältglasets viskositet tillräckligt låg för att bubblor i glaset ska kunna stiga till ytan.
Att höja temperaturen från 1.300 °C till raffineringstemperaturen på 1.450 °C förbrukar cirka 40% av den totala energin som används i hela smält- och glasraffineringsprocessen. Vanligtvis tar de kombinerade smält- och raffineringsprocesserna cirka 24 timmar och förbrukar därför en avsevärd mängd energi.
Det finns en stark korrelation mellan bubblornas storlek, glasets raffineringstemperatur och tid. Enkelt uttryckt stiger större bubblor snabbare än mindre bubblor; högre raffineringstemperaturer minskar viskositeten hos det smälta glaset; bubblor stiger snabbare när viskositeten är lägre. För att förbättra effektiviteten i raffineringsprocessen vill vi därför öka bubblornas diameter och/eller minska viskositeten hos det smälta glaset. Som vi kommer att se kan vi med ultraljudsraffinering öka bubblornas storlek och avlägsna bubblor effektivt utan att behöva höja temperaturen på det smälta glaset.
Effekten av bubbelstorlek på ultraljudsassisterad glasraffineringshastighet
Mer formellt, om gasbubblorna skulle förenas, skulle enligt Stokes Law samma raffineringsgrad kunna bibehållas vid högre viskositeter. Stokes lag uttrycker kraften F av en stationär sfär av radie R upphängd i en vätska med en viskositet av η rör sig med en relativ hastighet v.
F = 6 π η R v
Vi kan använda detta förhållande för att visa att en fördubbling av bubbeldiametern från säg 0,4 mm 0,8 mm teoretiskt skulle göra det möjligt för oss att uppnå samma raffineringshastighet i ett smält glas med en viskositet på 400 Pa som skulle uppstå med de mindre bubblorna och en viskositet på 100 Pa. Observera att 0,4 mm är den vanligtvis minsta bubbeldiametern som skulle stiga genom ett djup av en meter smält glas på cirka 16 timmar, en hastighet av 20 mikrometer/sekund.
Förhållandet framgår av diagrammet, som visar viskositet kontra temperatur för ett typiskt kommersiellt glas. Vid 1 450 °C är viskositeten 100 Pa, medan den vid 1 280 °C har reducerats till 400 Pa. Från Stokes lag är resningshastigheten för en 0,4 mm bubbla med en viskositet på 100 Pa densamma som för en 0,8 mm bubbla vid 400 Pa.
Med andra ord, genom att fördubbla bubblans storlek skulle vi kunna uppnå samma raffineringshastighet vid en reducerad temperatur på cirka 1250 °C. Vanligtvis skulle detta spara 20% av den totala energikostnaden för processen.
Även om denna analys tyder på att vi kan göra betydande energibesparingar i raffineringsprocessen genom att öka bubbeldiametern i smält glas, kan vi uppnå detta praktiskt?
viskositet kontra temperatur
Tvinga bubbel sammanslagning med ultraljud energi
De senaste framstegen inom ultraljud raffinering innebär att vi nu kan använda ultraljud energi för att öka bubbelstorlek under glas raffinering. Medan det finns flera processer inblandade, är den dominerande kavitation.
Kavitation är en högenergiprocess som snabbt ändrar trycket i det smälta glaset och skapar hålrum eller tomrum med lågt tryck. Hålrummen utgör kärncentrum i vilka upplösta gaser och bubblor diffunderar och ansamlas. Små bubblor smälter samman och bildar större bubblor som, vilket vi har visat, stiger snabbare till ytan där de försvinner.
Slutsats
Att öka bubbelstorleken under glasraffinering med ultraljudsenergi innebär att vi kan uppnå standard raffineringstider utan att behöva minska glassmältningens viskositet genom att öka temperaturen efter glassmältningsprocessen. Detta innebär att vi har valet att minska bearbetningstiderna eller minska den energi som används i processen.
Även om potentiella energibesparingar varierar inom branschen och beror på många faktorer, inklusive glasindustrins sektor och kvalitetskrav, finns potentiella energibesparingar på upp till 20% tillgängliga för ultraljudsassisterad glasraffinering. Denna energibesparing erbjuder en betydande potentiell fördel för denna mycket energiintensiva industri.