- Ultralydsafgasning af smeltede metaller op til 2.300°C og smeltet glas
- Mandag - fredag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 København - Danmark
Vi fordobler boblestørrelsen og reducerer temperaturen (Stokes lov)
Ultralydseffekt af boblestørrelse på raffineringshastighed
Ultralydassisteret glasraffinering kan potentielt bruges til at fjerne gasbobler fra smeltet glas ved væsentligt lavere temperaturer end standardprocessen og, meget vigtigt, uden behov for at øge behandlingstiderne. Da raffineringsprocessen af smeltet glas er meget energikrævende, giver reduktion af glasraffineringstemperaturen betydelige energibesparelser. Her viser vi, at ultralydsglasraffinering har potentiale til at reducere de samlede energiomkostninger med op til 20 %.
Glassmeltning og glasraffinering
Glasfremstilling er en meget energikrævende proces, der involverer både smeltning og raffinering. Smeltning refererer til at kontrollere de kemiske reaktioner, der finder sted under dannelsen af glasset fra råmaterialer, og raffinering refererer til processen med at fjerne bobler fra det smeltede glas, der dannes.
Smeltning af natronkalkglas opnås ved temperaturer på omkring 1.300 °C, mens raffinering kræver betydeligt højere temperaturer på omkring 1.450 °C. Ved denne højere temperatur er viskositeten af det smeltede glas tilstrækkelig lav til at tillade bobler i glasset at stige op til overfladen.
At hæve temperaturen fra 1.300 °C til raffineringstemperaturen på 1.450 °C forbruger omkring 40 % af den samlede energi, der bruges i hele smeltnings- og glasraffineringsprocessen. Typisk tager de kombinerede smeltnings- og raffineringsprocesser cirka 24 timer og forbruger derfor en betydelig mængde energi.
Der er en stærk sammenhæng mellem boblestørrelse, glasraffineringstemperatur og tid. Kort sagt stiger større bobler hurtigere end mindre bobler; højere raffineringstemperaturer reducerer viskositeten af det smeltede glas; bobler stiger hurtigere, når viskositeten er lavere. For at forbedre effektiviteten af raffineringsprocessen vil vi derfor gerne øge boblediameteren og/eller reducere viskositeten af det smeltede glas. Som vi skal se, giver ultralydsraffinering os mulighed for at øge boblestørrelsen og fjerne bobler effektivt uden behov for at hæve temperaturen af det smeltede glas.
Effekten af boblestørrelse på ultralydsassisteret glasraffineringshastighed
Mere formelt, hvis gasboblerne skulle smelte sammen, kunne den samme raffineringshastighed ifølge Stokes lov opretholdes ved højere viskositeter. Stokes lov udtrykker kraften F af en stationær kugle med radius R ophængt i en væske med en viskositet på η, der bevæger sig med en relativ hastighed v.
F = 6 π η R v
Vi kan bruge denne sammenhæng til at vise, at en fordobling af boblediameteren fra f.eks. 0,4 mm til 0,8 mm teoretisk set ville give os mulighed for at opnå den samme raffineringshastighed i smeltet glas med en viskositet på 400 Pa, som det ville ske med mindre bobler og en viskositet på 100 Pa. Bemærk, at 0,4 mm typisk er den mindste boblediameter, der ville stige op gennem en dybde på en meter smeltet glas på omkring 16 timer, en hastighed på 20 mikrometer/sekund.
Forholdet fremgår tydeligt af diagrammet, som viser viskositet versus temperatur for et typisk kommercielt glas. Ved 1.450 °C er viskositeten 100 Pa, mens den ved 1.280 °C er reduceret til 400 Pa. Ifølge Stokes lov er stigningshastigheden for en 0,4 mm boble ved en viskositet på 100 Pa den samme som for en 0,8 mm boble ved 400 Pa.
Med andre ord, ved at fordoble boblens størrelse, kunne vi opnå den samme raffineringshastighed ved en reduceret temperatur på omkring 1250 °C. Typisk ville dette spare 20 % af processens samlede energiomkostninger.
Selvom denne analyse antyder, at vi kan opnå betydelige energibesparelser i raffineringsprocessen ved at øge boblediameteren i smeltet glas, kan vi så opnå dette i praksis?
viskositet versus temperatur
Fremtvingning af boblekoalescens ved hjælp af ultralydsenergi
De seneste fremskridt inden for ultralydsraffinering betyder, at vi nu kan bruge ultralydsenergi til at øge boblestørrelsen under glasraffinering. Selvom der er flere processer involveret, er den dominerende kavitation.
Kavitation er en højenergiproces, der hurtigt ændrer trykket i det smeltede glas og skaber lavtrykskaviteter eller hulrum. Hulrummene danner kimdannelsescentre, hvori opløste gasser og bobler diffunderer og akkumuleres. Effektivt set smelter små bobler sammen og danner større bobler, som, som vi har vist, stiger hurtigere op til overfladen, hvor de forsvinder.
Konklusion
Ved at øge boblestørrelsen under glasraffinering ved hjælp af ultralydsenergi kan vi opnå standardraffineringstider uden at skulle reducere viskositeten af glassmelten ved at øge dens temperatur efter glassmeltningsprocessen. Det betyder, at vi har valget mellem at reducere procestiderne eller reducere den energi, der bruges i processen.
Selvom potentielle energibesparelser vil variere på tværs af branchen og afhænge af mange faktorer, herunder glasindustrisektoren og kvalitetskrav, er der potentielle energibesparelser på op til 20 % tilgængelige for ultralydsassisteret glasraffinering. Denne energibesparelse giver en betydelig potentiel fordel for denne meget energiintensive industri.