- 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 sænker temperaturen (Stokes lov)
Ultralydseffekten af boblestørrelse på raffineringshastigheden
Ultralydsassisteret raffinering af smeltet glas kan potentielt anvendes til at fjerne gasbobler fra smeltet glas ved væsentligt lavere temperaturer end ved standardprocessen og – hvilket er meget vigtigt – uden at det er nødvendigt at forlænge behandlingstiden. Da raffinering af smeltet glas er en meget energikrævende proces, medfører en sænkning af raffineringstemperaturen betydelige energibesparelser. Her viser vi, at ultralydsbaseret glasraffinering har potentiale til at reducere de samlede energiomkostninger med op til 20 %.
Glassmeltning og glasforædling
Glasfremstilling er en meget energikrævende proces, der omfatter både smeltning og raffinering. Smeltning dækker over styringen af de kemiske reaktioner, der finder sted, når glasset dannes ud fra råmaterialerne, mens raffinering dækker over processen med at fjerne bobler fra det smeltede glas, der dannes.
Smeltning af sodakalkglas foregår ved temperaturer på omkring 1.300 °C, mens raffinering kræver betydeligt højere temperaturer på omkring 1.450 °C. Ved denne højere temperatur er det smeltede glas’ viskositet tilstrækkeligt lav til, at bobler i glasset kan 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 anvendes i hele smelte- og glasraffineringsprocessen. Typisk tager de kombinerede smelte- og raffineringprocesser cirka 24 timer og forbruger dermed en betydelig mængde energi.
Der er en stærk sammenhæng mellem boblestørrelse, glasraffinerings-temperatur og tid. Enkelt sagt stiger større bobler hurtigere end mindre bobler; højere raffinerings-temperaturer nedsætter det smeltede glas’ viskositet; bobler stiger hurtigere, når viskositeten er lavere. For at forbedre effektiviteten af raffineringsprocessen ønsker vi derfor at øge boblediameteren og/eller nedsætte det smeltede glas’ viskositet. Som vi skal se, giver ultralydsraffinering os mulighed for at øge boblestørrelsen og fjerne bobler effektivt uden at skulle hæve temperaturen på det smeltede glas.
Boblestørrelsens indflydelse på raffineringshastigheden ved ultralydsassisteret glasraffinering
Mere formelt set: Hvis gasboblerne skulle smelte sammen, ville den samme raffineringhastighed ifølge Stokes’ lov kunne opretholdes ved højere viskositeter. Stokes’ lov beskriver kraften F, som udøves af en stationær kugle med radius R, der er ophængt i en væske med viskositeten η og 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 vil give os mulighed for at opnå den samme raffineringshastighed i smeltet glas med en viskositet på 400 Pa, som man ville opnå med de mindre bobler og en viskositet på 100 Pa. Bemærk, at 0,4 mm typisk er den mindste boblediameter, der vil stige op gennem en dybde på en meter smeltet glas på omkring 16 timer, hvilket svarer til en hastighed på 20 mikrometer/sekund.
Sammenhængen fremgår tydeligt af diagrammet, der viser viskositeten i forhold til temperaturen for et typisk handelsglas. Ved 1.450 °C er viskositeten 100 Pa, mens den ved 1.280 °C er faldet til 400 Pa. Ifølge Stokes' lov er stigningshastigheden for en 0,4 mm stor boble ved en viskositet på 100 Pa den samme som for en 0,8 mm stor boble ved 400 Pa.
Med andre ord: Ved at fordoble boblens størrelse kunne vi opnå den samme raffineringshastighed ved en lavere temperatur på omkring 1250 °C. Dette ville typisk medføre en besparelse på 20 % af procesens samlede energiforbrug.
Selvom denne analyse tyder på, at vi kan opnå betydelige energibesparelser i raffineringsprocessen ved at øge boblediameteren i det smeltede glas, er det så muligt at gennemføre dette i praksis?
viskositet i forhold til temperatur
Fremme af boblesammenvoksning ved hjælp af ultralydsenergi
De seneste fremskridt inden for ultralydsraffinering betyder, at vi nu kan anvende ultralydsenergi til at øge boblestørrelsen under glasraffinering. Selvom der er flere processer involveret, er kavitation den dominerende.
Kavitation er en højenergiproces, der hurtigt ændrer trykket i det smeltede glas og derved skaber hulrum eller tomrum med lavt tryk. Disse hulrum fungerer som kernedannelsescentre, hvor opløste gasser og bobler diffunderer hen og ophober sig. I praksis 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 sænke glasmassens viskositet ved at hæve temperaturen efter smelteprocessen. Det betyder, at vi har valget mellem at reducere behandlingstiderne eller at reducere energiforbruget i processen.
Selvom de potentielle energibesparelser vil variere på tværs af branchen og afhænge af mange faktorer, herunder den specifikke del af glasindustrien og kvalitetskravene, kan der opnås potentielle energibesparelser på op til 20 % ved ultralydsassisteret glasforædling. Denne energibesparelse udgør en betydelig potentiel fordel for denne meget energiintensive branche.