- Ultraschall-Entgasung von geschmolzenen Metallen bis 2.300°C und geschmolzenem Glas
- Montag - Freitag : 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 Kopenhagen - Dänemark
Wir verdoppeln die Blasengröße und senken die Temperatur (Stoke'sches Gesetz)
Ultraschalleffekt der Blasengröße auf die Raffinierungsrate
Ultrasonic-unterstütztes Schmelzglas-Raffinieren kann potenziell verwendet werden, um Gasblasen aus Schmelzglas bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als beim Standardverfahren zu entfernen und, sehr wichtig, ohne die Verarbeitungszeiten erhöhen zu müssen. Da das Schmelzglas-Raffinierungsverfahren sehr energieintensiv ist, führt die Reduzierung der Glasraffinierungstemperatur zu erheblichen Energieeinsparungen. Hier zeigen wir, dass ultraschallgestütztes Glas raffinieren das Potenzial hat, die gesamten Energiekosten um bis zu 20% zu senken.
Glasschmelzen und Glasläuterung
Die Glasherstellung ist ein sehr energieintensiver Prozess, der sowohl das Schmelzen als auch das Läutern umfasst. Schmelzen bezieht sich auf die Steuerung der chemischen Reaktionen, die bei der Bildung des Glases aus Rohstoffen auftreten, und Läutern bezieht sich auf den Prozess der Entfernung von Blasen aus dem gebildeten geschmolzenen Glas.
Das Schmelzen von Kalk-Natron-Gläsern wird bei Temperaturen von etwa 1.300 °C erreicht, während das Läutern deutlich höhere Temperaturen von etwa 1.450 °C erfordert. Bei dieser höheren Temperatur ist die Viskosität des geschmolzenen Glases ausreichend niedrig, sodass Blasen im Glas an die Oberfläche aufsteigen können.
Die Erhöhung der Temperatur von 1.300 °C auf die Läutertemperatur von 1.450 °C verbraucht etwa 40 % der gesamten Energie, die im vollständigen Schmelz- und Glasläuterprozess eingesetzt wird. Typischerweise dauern die kombinierten Schmelz- und Läuterprozesse etwa 24 Stunden und verbrauchen daher eine beträchtliche Menge an Energie.
Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen Blasengröße, Läutertemperatur des Glases und Zeit. Einfach ausgedrückt: Größere Blasen steigen schneller auf als kleinere; höhere Läutertemperaturen verringern die Viskosität der Glasschmelze; Blasen steigen schneller auf, wenn die Viskosität niedriger ist. Um die Effizienz des Läuterprozesses zu verbessern, möchten wir daher den Blasendurchmesser vergrößern und/oder die Viskosität der Glasschmelze verringern. Wie wir sehen werden, ermöglicht uns das Ultraschall-Läutern, die Blasengröße zu erhöhen und Blasen effizient zu entfernen, ohne die Temperatur der Glasschmelze erhöhen zu müssen.
Der Einfluss der Blasengröße auf die ultraschallunterstützte Glasläuterungsrate
Formaler ausgedrückt: Wenn die Gasblasen koaleszieren würden, könnte gemäß dem Stokes'schen Gesetz dieselbe Reinigungsrate bei höheren Viskositäten aufrechterhalten werden. Das Stokes'sche Gesetz drückt die Kraft F einer stationären Kugel mit dem Radius R aus, die in einer Flüssigkeit mit einer Viskosität von η suspendiert ist und sich mit einer relativen Geschwindigkeit v bewegt.
F = 6 π η R v
Wir können diese Beziehung nutzen, um zu zeigen, dass eine Verdopplung des Blasendurchmessers von beispielsweise 0,4 mm auf 0,8 mm es uns theoretisch ermöglichen würde, die gleiche Läuterrate in einer Glasschmelze mit einer Viskosität von 400 Pa zu erreichen, 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 eine Tiefe von einem Meter Glasschmelze aufsteigen würde, also mit einer Geschwindigkeit von 20 Mikrometern pro Sekunde.
Der Zusammenhang ist aus dem Diagramm ersichtlich, das die Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur für ein typisches kommerzielles Glas zeigt. Bei 1.450 °C beträgt die Viskosität 100 Pa, während sie bei 1.280 °C auf 400 Pa reduziert wurde. Nach dem Stokes'schen Gesetz ist die Aufstiegsgeschwindigkeit einer 0,4 mm großen Blase bei einer Viskosität von 100 Pa dieselbe wie die einer 0,8 mm großen Blase bei 400 Pa.
Mit anderen Worten: Durch die Verdoppelung der Blasengröße könnten wir die gleiche Läuterungsrate bei einer reduzierten Temperatur von etwa 1250 °C erreichen. Typischerweise würde dies 20 % der gesamten Energiekosten des Prozesses einsparen.
Während diese Analyse nahelegt, dass wir durch die Vergrößerung des Blasendurchmessers im geschmolzenen Glas erhebliche Energieeinsparungen beim Läuterprozess erzielen können, können wir dies praktisch erreichen?
Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur
Erzwingen der Blasenkoaleszenz mittels Ultraschallenergie
Die neuesten Fortschritte in der Ultraschall-Läuterung bedeuten, dass wir nun Ultraschallenergie nutzen können, um die Blasengröße während der Glasläuterung zu erhöhen. Obwohl mehrere Prozesse beteiligt sind, ist der dominierende die Kavitation.
Kavitation ist ein hochenergetischer Prozess, der den Druck in der Glasschmelze schnell verändert und Niederdruckhohlräume oder -leerstellen erzeugt. Die Leerstellen bilden Keimzentren, in die gelöste Gase und Blasen diffundieren und sich ansammeln. Effektiv koaleszieren kleine Blasen zu größeren Blasen, die, wie wir gezeigt haben, schneller an die Oberfläche aufsteigen, wo sie sich auflösen.
Fazit
Die Vergrößerung der Blasengröße während der Glasläuterung mittels Ultraschallenergie bedeutet, dass wir Standard-Läuterzeiten erreichen können, ohne die Viskosität der Glasschmelze durch eine Temperaturerhöhung nach dem Glasschmelzprozess verringern zu müssen. Dies bedeutet, dass wir die Wahl haben, entweder die Prozesszeiten zu verkürzen oder die im Prozess eingesetzte Energie zu reduzieren.
Während die potenzielle Energieeinsparung in der Branche variieren wird und von vielen Faktoren abhängt, einschließlich des Glasindustriesektors und der Qualitätsanforderungen, sind potenzielle Energieeinsparungen von bis zu 20 % für die ultraschallunterstützte Glasläuterung möglich. Diese Energieeinsparung bietet einen erheblichen potenziellen Nutzen für diese äußerst energieintensive Branche.