- Desgasificación ultrasónica de metales fundidos hasta 2300 °C y vidrio fundido
- De lunes a viernes: 09:00 - 19:00
- Sialon Cerámica Aps - Østerbrogade 226 st. televisor. - 2100 Copenhague - Dinamarca
Duplicamos el tamaño de las burbujas y reducimos la temperatura (Ley de Stokes)
Efecto ultrasónico del tamaño de las burbujas en la velocidad de refinación
El refinado de vidrio fundido asistido por ultrasonidos puede utilizarse para eliminar burbujas de gas a temperaturas considerablemente inferiores a las del proceso estándar y, lo que es muy importante, sin necesidad de aumentar los tiempos de procesamiento. Dado que el refinado de vidrio fundido consume mucha energía, reducir la temperatura de refinado supone un ahorro energético significativo. En este trabajo demostramos que el refinado de vidrio por ultrasonidos tiene el potencial de reducir los costes energéticos totales hasta en un 20 %.
Fusión y refinamiento del vidrio
La fabricación de vidrio es un proceso que consume mucha energía e incluye tanto la fusión como el refinado. La fusión consiste en controlar las reacciones químicas que se producen en la formación del vidrio a partir de las materias primas, y el refinado consiste en eliminar las burbujas del vidrio fundido.
La fusión de los vidrios de sosa-cálcica se logra a temperaturas de alrededor de 1300 °C, mientras que el refinado requiere temperaturas significativamente más altas, de aproximadamente 1450 °C. A esta temperatura más elevada, la viscosidad del vidrio fundido es lo suficientemente baja como para permitir que las burbujas en el vidrio asciendan a la superficie.
Elevar la temperatura de 1300 °C a la temperatura de refinación de 1450 °C consume alrededor del 40 % de la energía total utilizada en el proceso completo de fusión y refinación del vidrio. Por lo general, los procesos combinados de fusión y refinación duran aproximadamente 24 horas, por lo que consumen una cantidad considerable de energía.
Existe una fuerte correlación entre el tamaño de las burbujas, la temperatura de refinación del vidrio y el tiempo. En pocas palabras, las burbujas más grandes ascienden más rápido que las más pequeñas; las temperaturas de refinación más altas reducen la viscosidad del vidrio fundido; y las burbujas ascienden más rápidamente cuando la viscosidad es menor. Por lo tanto, para mejorar la eficiencia del proceso de refinación, nos interesa aumentar el diámetro de las burbujas y/o reducir la viscosidad del vidrio fundido. Como veremos, la refinación ultrasónica permite aumentar el tamaño de las burbujas y eliminarlas eficazmente sin necesidad de elevar la temperatura del vidrio fundido.
Efecto del tamaño de las burbujas en la tasa de refinado de vidrio asistido por ultrasonidos
De manera más formal, si las burbujas de gas se fusionaran, entonces, según la ley de Stokes, se podría mantener la misma tasa de refinamiento a viscosidades más altas. La ley de Stokes expresa la fuerza F de una esfera estacionaria de radio R suspendida en un fluido con una viscosidad η que se mueve con una velocidad relativa v.
F = 6 π η R v
Podemos usar esta relación para demostrar que duplicar el diámetro de la burbuja, por ejemplo, de 0,4 mm a 0,8 mm, nos permitiría teóricamente alcanzar la misma velocidad de refinamiento en un vidrio fundido con una viscosidad de 400 Pa que la que se obtendría con burbujas más pequeñas y una viscosidad de 100 Pa. Cabe destacar que 0,4 mm es típicamente el diámetro mínimo de burbuja que ascendería a través de un metro de profundidad de vidrio fundido en aproximadamente 16 horas, a una velocidad de 20 micrómetros por segundo.
La relación se aprecia en el diagrama, que muestra la viscosidad en función de la temperatura para un vidrio comercial típico. A 1450 °C, la viscosidad es de 100 Pa, mientras que a 1280 °C se ha reducido a 400 Pa. Según la ley de Stokes, la velocidad de ascenso de una burbuja de 0,4 mm con una viscosidad de 100 Pa es la misma que la de una burbuja de 0,8 mm con una viscosidad de 400 Pa.
En otras palabras, al duplicar el tamaño de la burbuja, podríamos lograr la misma tasa de refinación a una temperatura reducida de alrededor de 1250 °C. Normalmente, esto supondría un ahorro del 20 % del coste energético total del proceso.
Si bien este análisis sugiere que podemos lograr un ahorro energético sustancial en el proceso de refinación aumentando el diámetro de las burbujas en el vidrio fundido, ¿podemos conseguirlo en la práctica?
viscosidad en función de la temperatura
Inducción de la coalescencia de burbujas mediante energía ultrasónica
Los últimos avances en el refinado ultrasónico permiten utilizar la energía ultrasónica para aumentar el tamaño de las burbujas durante el refinado del vidrio. Si bien intervienen varios procesos, el predominante es la cavitación.
La cavitación es un proceso de alta energía que altera rápidamente la presión en el vidrio fundido, creando cavidades o huecos de baja presión. Estos huecos actúan como centros de nucleación donde los gases disueltos y las burbujas se difunden y acumulan. De esta forma, las burbujas pequeñas se fusionan formando burbujas más grandes que, como hemos demostrado, ascienden más rápidamente a la superficie, donde se disipan.
Conclusión
Al aumentar el tamaño de las burbujas durante el refinado del vidrio mediante energía ultrasónica , podemos lograr tiempos de refinado estándar sin necesidad de reducir la viscosidad del vidrio fundido aumentando su temperatura tras el proceso de fusión. Esto significa que podemos optar por reducir los tiempos de procesamiento o la energía utilizada en el proceso.
Si bien el potencial de ahorro energético varía en toda la industria y depende de muchos factores, como el sector del vidrio y los requisitos de calidad, el refinado de vidrio asistido por ultrasonidos puede ofrecer ahorros de hasta un 20 %. Este ahorro energético representa un beneficio potencial considerable para esta industria de alto consumo energético.