- Degasaggio ultrasonico di metalli fusi fino a 2.300°C e vetro fuso
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Raddoppiamo la dimensione delle bolle e riduciamo la temperatura (Legge di Stokes)
Effetto degli ultrasuoni sulla dimensione delle bolle nella velocità di raffinazione
La raffinazione del vetro fuso assistita da ultrasuoni può potenzialmente essere utilizzata per rimuovere le bolle di gas dal vetro fuso a temperature sostanzialmente inferiori rispetto al processo standard e, molto importante, senza la necessità di aumentare i tempi di lavorazione. Poiché il processo di raffinazione del vetro fuso è altamente energivoro, ridurre la temperatura di raffinazione del vetro comporta notevoli risparmi energetici. Qui dimostriamo che la raffinazione del vetro con ultrasuoni ha il potenziale di ridurre i costi energetici totali fino al 20%.
Fusione del vetro e raffinazione del vetro
La produzione del vetro è un processo ad alta intensità energetica che coinvolge sia la fusione che l'affinazione. La fusione si riferisce al controllo delle reazioni chimiche che avvengono nella formazione del vetro a partire dalle materie prime, mentre l'affinazione si riferisce al processo di rimozione delle bolle dal vetro fuso che si forma.
La fusione dei vetri sodico-calcici si ottiene a temperature di circa 1.300 °C, mentre l'affinazione richiede temperature significativamente più elevate, di circa 1.450 °C. A questa temperatura più alta, la viscosità del vetro fuso è sufficientemente bassa da consentire alle bolle nel vetro di risalire in superficie.
L'aumento della temperatura da 1.300 °C alla temperatura di affinazione di 1.450 °C consuma circa il 40% dell'energia totale utilizzata nell'intero processo di fusione e affinazione del vetro. Tipicamente, i processi combinati di fusione e affinazione richiedono circa 24 ore e quindi consumano una notevole quantità di energia.
Esiste una forte correlazione tra dimensione delle bolle, temperatura di affinazione del vetro e tempo. In parole semplici, le bolle più grandi risalgono più velocemente di quelle più piccole; temperature di affinazione più elevate riducono la viscosità del vetro fuso; le bolle risalgono più rapidamente quando la viscosità è più bassa. Pertanto, per migliorare l'efficienza del processo di affinazione, vorremmo aumentare il diametro delle bolle e/o ridurre la viscosità del vetro fuso. Come vedremo, l'affinazione ultrasonica ci consente di aumentare la dimensione delle bolle e rimuoverle in modo efficiente senza la necessità di aumentare la temperatura del vetro fuso.
L'effetto della dimensione delle bolle sulla velocità di raffinazione del vetro assistita da ultrasuoni
Più formalmente, se le bolle di gas dovessero coalescere, allora, secondo la Legge di Stokes, lo stesso tasso di raffinazione potrebbe essere mantenuto a viscosità più elevate. La legge di Stokes esprime la forza F di una sfera stazionaria di raggio R sospesa in un fluido con una viscosità η che si muove con una velocità relativa v.
F = 6 π η R v
Possiamo usare questa relazione per dimostrare che raddoppiando il diametro delle bolle, ad esempio da 0,4 mm a 0,8 mm, teoricamente potremmo ottenere lo stesso tasso di affinazione in un vetro fuso con una viscosità di 400 Pa, come avverrebbe con bolle più piccole e una viscosità di 100 Pa. Si noti che 0,4 mm è tipicamente il diametro più piccolo di bolla che risalirebbe attraverso un metro di profondità di vetro fuso in circa 16 ore, a una velocità di 20 micrometri/secondo.
La relazione è evidente dal diagramma, che mostra la viscosità in funzione della temperatura per un tipico vetro commerciale. A 1.450 °C, la viscosità è di 100 Pa, mentre a 1.280 °C è stata ridotta a 400 Pa. Secondo la legge di Stokes, la velocità di risalita di una bolla di 0,4 mm a una viscosità di 100 Pa è la stessa di quella di una bolla di 0,8 mm a 400 Pa.
In altre parole, raddoppiando la dimensione della bolla, potremmo ottenere lo stesso tasso di raffinazione a una temperatura ridotta di circa 1250 °C. Tipicamente, ciò farebbe risparmiare il 20% del costo energetico totale del processo.
Sebbene questa analisi suggerisca che possiamo ottenere notevoli risparmi energetici nel processo di affinazione aumentando il diametro delle bolle nel vetro fuso, possiamo raggiungere questo obiettivo nella pratica?
viscosità in funzione della temperatura
Forzare la coalescenza delle bolle utilizzando energia ultrasonica
I più recenti progressi nella raffinazione ultrasonica significano che ora possiamo utilizzare l'energia ultrasonica per aumentare la dimensione delle bolle durante la raffinazione del vetro. Sebbene siano coinvolti molteplici processi, quello dominante è la cavitazione.
Cavitazione è un processo ad alta energia che modifica rapidamente la pressione nel vetro fuso creando cavità o vuoti a bassa pressione. I vuoti forniscono centri di nucleazione in cui i gas disciolti e le bolle si diffondono e si accumulano. In effetti, le piccole bolle si fondono formando bolle più grandi che, come abbiamo dimostrato, salgono più rapidamente in superficie dove si dissipano.
Conclusione
Aumentare la dimensione delle bolle durante l'affinazione del vetro utilizzando energia ultrasonica significa che possiamo ottenere tempi di affinazione standard senza la necessità di ridurre la viscosità del vetro fuso aumentandone la temperatura dopo il processo di fusione del vetro. Ciò significa che abbiamo la scelta di ridurre i tempi di lavorazione o ridurre l'energia utilizzata nel processo.
Mentre il potenziale risparmio energetico varierà in tutto il settore e dipenderà da molti fattori, tra cui il settore dell'industria del vetro e i requisiti di qualità, sono disponibili potenziali risparmi energetici fino al 20% per l'affinazione del vetro assistita da ultrasuoni. Questo risparmio energetico offre un notevole potenziale beneficio per questo settore ad alta intensità energetica.