- Odgazowywanie ultradźwiękowe stopionych metali o temperaturze do 2 300 °C oraz stopionego szkła
- Od poniedziałku do piątku: 09:00–19:00
- Sialon Ceramics Aps – Østerbrogade 226, lokal tv. – 2100 Kopenhaga – Dania
Podwajamy wielkość pęcherzyków i obniżamy temperaturę (prawo Stokesa)
Wpływ wielkości pęcherzyków ultradźwiękowych na szybkość uszlachetniania
Oczyszczanie stopionego szkła z wykorzystaniem ultradźwięków może potencjalnie służyć do usuwania pęcherzyków gazu ze stopionego szkła w znacznie niższych temperaturach niż w przypadku standardowego procesu i – co bardzo ważne – bez konieczności wydłużania czasu obróbki. Ponieważ proces oczyszczania stopionego szkła jest bardzo energochłonny, obniżenie temperatury oczyszczania pozwala na znaczne oszczędności energii. W niniejszym artykule wykazujemy, że oczyszczanie szkła za pomocą ultradźwięków może potencjalnie obniżyć całkowite koszty energii nawet o 20%.
Topienie szkła i uszlachetnianie szkła
Produkcja szkła to proces wymagający bardzo dużego zużycia energii, obejmujący zarówno topienie, jak i oczyszczanie. Topienie polega na kontrolowaniu reakcji chemicznych zachodzących podczas tworzenia szkła z surowców, natomiast oczyszczanie to proces usuwania pęcherzyków powietrza z powstałej stopionej masy szklanej.
Topienie szkła sodowo-wapniowego odbywa się w temperaturze około 1 300 °C, natomiast proces uszlachetniania wymaga znacznie wyższych temperatur, rzędu około 1 450 °C. W tej wyższej temperaturze lepkość stopionego szkła jest na tyle niska, że pęcherzyki powietrza zawarte w szkle mogą unosić się na powierzchnię.
Podniesienie temperatury z 1 300 °C do temperatury rafinacji wynoszącej 1 450 °C pochłania około 40% całkowitej energii zużywanej w całym procesie topienia i rafinacji szkła. Zazwyczaj połączone procesy topienia i rafinacji trwają około 24 godzin, co wiąże się ze znacznym zużyciem energii.
Istnieje silna zależność między wielkością pęcherzyków, temperaturą rafinacji szkła oraz czasem. Mówiąc prościej, większe pęcherzyki unoszą się szybciej niż mniejsze; wyższe temperatury rafinacji zmniejszają lepkość stopionego szkła; pęcherzyki unoszą się szybciej, gdy lepkość jest niższa. Dlatego też, aby poprawić wydajność procesu rafinacji, chcielibyśmy zwiększyć średnicę pęcherzyków i/lub zmniejszyć lepkość stopionego szkła. Jak zobaczymy, rafinacja ultradźwiękowa pozwala nam zwiększyć rozmiar pęcherzyków i skutecznie je usuwać bez konieczności podnoszenia temperatury stopionego szkła.
Wpływ wielkości pęcherzyków na szybkość rafinacji szkła wspomaganej ultradźwiękami
Mówiąc bardziej formalnie, gdyby pęcherzyki gazu ulegały koalescencji, to zgodnie z prawem Stokesa tę samą szybkość rafinacji można by utrzymać przy wyższych lepkościach. Prawo Stokesa określa siłę F wywieraną przez nieruchomą kulę o promieniu R zawieszoną w cieczy o lepkości η, poruszającą się z prędkością względną v.
F = 6 π η R v
Możemy wykorzystać tę zależność, aby wykazać, że podwojenie średnicy pęcherzyka, powiedzmy z 0,4 mm do 0,8 mm, pozwoliłoby nam teoretycznie osiągnąć taką samą szybkość rafinacji w stopionym szkle o lepkości 400 Pa, jaka występowałaby w przypadku mniejszych pęcherzyków i lepkości 100 Pa. Należy zauważyć, że 0,4 mm to zazwyczaj najmniejsza średnica pęcherzyka, który unosiłby się przez głębokość jednego metra stopionego szkła w ciągu około 16 godzin, z prędkością 20 mikrometrów na sekundę.
Zależność ta wynika z wykresu, który przedstawia zależność lepkości od temperatury dla typowego szkła dostępnego w handlu. W temperaturze 1 450 °C lepkość wynosi 100 Pa, natomiast w temperaturze 1 280 °C spadła do 400 Pa. Zgodnie z prawem Stokesa prędkość unoszenia się pęcherzyka o średnicy 0,4 mm przy lepkości 100 Pa jest taka sama jak prędkość unoszenia się pęcherzyka o średnicy 0,8 mm przy lepkości 400 Pa.
Innymi słowy, podwajając rozmiar pęcherzyka, moglibyśmy osiągnąć tę samą wydajność rafinacji przy niższej temperaturze wynoszącej około 1250 °C. Zazwyczaj pozwoliłoby to zaoszczędzić 20% całkowitych kosztów energetycznych procesu.
Chociaż analiza ta wskazuje, że możemy osiągnąć znaczne oszczędności energii w procesie rafinacji poprzez zwiększenie średnicy pęcherzyków w stopionym szkle, to czy uda nam się to zrealizować w praktyce?
zależność lepkości od temperatury
Wymuszanie koalescencji pęcherzyków za pomocą energii ultradźwiękowej
Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie rafinacji ultradźwiękowej sprawiają, że możemy obecnie wykorzystywać energię ultradźwiękową do zwiększania wielkości pęcherzyków podczas rafinacji szkła. Chociaż proces ten obejmuje wiele etapów, dominującym zjawiskiem jest kawitacja.
Kawitacja to proces o wysokiej energii, który powoduje gwałtowne zmiany ciśnienia w stopionym szkle, tworząc w nim wnęki lub puste przestrzenie o niskim ciśnieniu. Puste przestrzenie te stanowią ogniska nukleacji, do których dyfundują i gromadzą się rozpuszczone gazy oraz pęcherzyki. W praktyce małe pęcherzyki łączą się, tworząc większe, które – jak wykazaliśmy – szybciej unoszą się ku powierzchni, gdzie ulegają rozproszeniu.
Wnioski
Zwiększenie wielkości pęcherzyków podczas rafinacji szkła przy użyciu energii ultradźwiękowej oznacza, że możemy osiągnąć standardowe czasy rafinacji bez konieczności obniżania lepkości stopionego szkła poprzez podwyższenie jego temperatury po zakończeniu procesu topienia. Oznacza to, że mamy możliwość skrócenia czasu przetwarzania lub zmniejszenia zużycia energii w procesie.
Chociaż potencjalne oszczędności energii będą się różnić w zależności od gałęzi przemysłu i będą zależeć od wielu czynników, w tym od sektora przemysłu szklarskiego oraz wymagań jakościowych, w przypadku uszlachetniania szkła z wykorzystaniem ultradźwięków możliwe jest osiągnięcie oszczędności energii sięgających nawet 20%. Takie oszczędności energii stanowią znaczną potencjalną korzyść dla tej wysoce energochłonnej branży.