- Ultralydavgassing av smeltede metaller opptil 2300 °C og smeltet glass
- Mandag–fredag: 09:00–19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 København - Danmark
Vi dobler boblestørrelsen og reduserer temperaturen (Stokes lov)
Ultralydeffekt av boblestørrelse på raffineringshastighet
Ultralydassistert raffinering av smeltet glass kan potensielt brukes til å fjerne gassbobler fra smeltet glass ved betydelig lavere temperaturer enn standardprosessen, og, aller viktigst, uten behov for å øke behandlingstiden. Ettersom raffineringsprosessen for smeltet glass er svært energikrevende, gir det betydelige energibesparelser å redusere temperaturen på glassraffineringen. Her viser vi at ultralydraffinering av glass har potensial til å redusere de totale energikostnadene med opptil 20 %.
Glasssmelting og glassraffinering
Glassproduksjon er en svært energikrevende prosess som involverer både smelting og raffinering. Smelting refererer til å kontrollere de kjemiske reaksjonene som oppstår i dannelsen av glass fra råmaterialer, og raffinering refererer til prosessen med å fjerne bobler fra det smeltede glasset som dannes.
Smelting av soda-kalkglass oppnås ved temperaturer på rundt 1300 °C, mens raffinering krever betydelig høyere temperaturer på rundt 1450 °C. Ved denne høyere temperaturen er viskositeten til det smeltede glasset tilstrekkelig lav til at bobler i glasset kan stige til overflaten.
Å øke temperaturen fra 1300 °C til raffineringstemperaturen på 1450 °C forbruker rundt 40 % av den totale energien som brukes i hele smelte- og glassraffineringsprosessen. Vanligvis tar de kombinerte smelte- og raffineringsprosessene omtrent 24 timer og forbruker dermed en betydelig mengde energi.
Det er en sterk sammenheng mellom boblestørrelse, glassraffineringstemperatur og tid. Enkelt sagt stiger større bobler raskere enn mindre bobler; høyere raffineringstemperaturer reduserer viskositeten til det smeltede glasset; bobler stiger raskere når viskositeten er lavere. For å forbedre effektiviteten av raffineringsprosessen ønsker vi derfor å øke boblediameteren og/eller redusere viskositeten til det smeltede glasset. Som vi skal se, lar ultralydraffinering oss øke boblestørrelsen og fjerne bobler effektivt uten behov for å øke temperaturen på det smeltede glasset.
Effekten av boblestørrelse på ultralydassistert glassraffineringshastighet
Mer formelt, hvis gassboblene skulle koalesere, kunne den samme raffineringshastigheten opprettholdes ved høyere viskositeter, ifølge Stokes lov. Stokes lov uttrykker kraften F til en stasjonær kule med radius R suspendert i en væske med en viskositet på η som beveger seg med en relativ hastighet v.
F = 6 π η R v
Vi kan bruke denne sammenhengen til å vise at en dobling av boblediameteren fra for eksempel 0,4 mm til 0,8 mm teoretisk sett ville tillate oss å oppnå samme raffineringshastighet i smeltet glass med en viskositet på 400 Pa som det ville skje med de mindre boblene og en viskositet på 100 Pa. Merk at 0,4 mm vanligvis er den minste boblediameteren som ville stige gjennom en dybde på én meter med smeltet glass på rundt 16 timer, en hastighet på 20 mikrometer/sekund.
Forholdet fremgår tydelig av diagrammet, som viser viskositet kontra temperatur for et typisk kommersielt glass. Ved 1450 °C er viskositeten 100 Pa, mens den ved 1280 °C er redusert til 400 Pa. Fra Stokes lov er stigningshastigheten 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 å doble størrelsen på boblen, kunne vi oppnå samme raffineringshastighet ved en redusert temperatur på rundt 1250 °C. Vanligvis ville dette spart 20 % av prosessens totale energikostnad.
Selv om denne analysen antyder at vi kan gjøre betydelige energibesparelser i raffineringsprosessen ved å øke boblediameteren i smeltet glass, kan vi oppnå dette i praksis?
viskositet kontra temperatur
Tvinge frem boblekoalesens ved hjelp av ultralydenergi
De nyeste fremskrittene innen ultralydraffinering betyr at vi nå kan bruke ultralydenergi til å øke boblestørrelsen under glassraffinering. Selv om det er flere prosesser involvert, er den dominerende kavitasjon.
Kavitasjon er en høyenergiprosess som raskt endrer trykket i det smeltede glasset og skaper lavtrykkshulrom eller tomrom. Hulrommene danner kimdannelsessentre hvor oppløste gasser og bobler diffunderer og akkumuleres. Effektivt sett smelter små bobler sammen og danner større bobler, som, som vi har vist, stiger raskere til overflaten hvor de forsvinner.
Konklusjon
Å øke boblestørrelsen under glassraffinering ved hjelp av ultralydenergi betyr at vi kan oppnå standard raffineringstider uten å måtte redusere viskositeten til glasssmelten ved å øke temperaturen etter glasssmelteprosessen. Dette betyr at vi har valget mellom å redusere prosesseringstiden eller redusere energien som brukes i prosessen.
Selv om potensiell energibesparelse vil variere på tvers av bransjen og avhenge av mange faktorer, inkludert glassindustrisektoren og kvalitetskrav, er det potensielle energibesparelser på opptil 20 % tilgjengelig for ultralydassistert glassraffinering. Denne energibesparelsen gir en betydelig potensiell fordel for denne svært energiintensive industrien.