- Odgazowywanie ultradźwiękowe metali stopionych do 2300°C i szkła stopionego
- Poniedziałek - Piątek: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. telewizja. - 2100 Kopenhaga – Dania
Podwajamy rozmiar bańki i obniżamy temperaturę (prawo Stokesa)
Wpływ ultradźwięków na wielkość pęcherzyków na szybkość rafinacji
Rafinacja szkła wspomagana ultradźwiękami może potencjalnie służyć do usuwania pęcherzyków gazu ze szkła w znacznie niższych temperaturach niż w procesie standardowym i, co niezwykle ważne, bez konieczności wydłużania czasu obróbki. Ponieważ proces rafinacji szkła jest wysoce energochłonny, obniżenie temperatury rafinacji zapewnia znaczne oszczędności energii. W niniejszym artykule pokazujemy, że rafinacja może potencjalnie obniżyć całkowite koszty energii nawet o 20%.
Topienie i rafinacja szkła
Produkcja szkła to proces wysoce energochłonny, obejmujący zarówno topienie, jak i rafinację. Topienie oznacza kontrolowanie reakcji chemicznych zachodzących podczas formowania szkła z surowców, a rafinacja to proces usuwania pęcherzyków powietrza z powstałego stopionego szkła.
Topienie szkła sodowo-wapniowego odbywa się w temperaturze około 1300°C, podczas gdy rafinacja wymaga znacznie wyższych temperatur, rzędu 1450°C. W tej wyższej temperaturze lepkość stopionego szkła jest wystarczająco niska, aby umożliwić pęcherzykom powietrza unoszenie się ku powierzchni.
Podniesienie temperatury z 1300°C do temperatury rafinacji 1450°C pochłania około 40% całkowitej energii zużywanej w całym procesie topienia i rafinacji szkła. Zazwyczaj łączone procesy topienia i rafinacji trwają około 24 godzin, co wiąże się ze znacznym zużyciem energii.
Istnieje silna korelacja między rozmiarem pęcherzyków, temperaturą rafinacji szkła i czasem. Mówiąc prościej, większe pęcherzyki unoszą się szybciej niż mniejsze; wyższe temperatury rafinacji obniżają lepkość stopionego szkła; pęcherzyki unoszą się szybciej, gdy lepkość jest niższa. Dlatego, 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 usunąć bez konieczności podnoszenia temperatury stopionego szkła.
Wpływ wielkości pęcherzyków na szybkość rafinacji szkła wspomaganej ultradźwiękami
Bardziej formalnie, gdyby pęcherzyki gazu uległy zlepieniu, to zgodnie z prawem Stokesa, przy wyższych lepkościach można by utrzymać tę samą wydajność rafinacji. Prawo Stokesa wyraża siłę F nieruchomej kuli o promieniu R zawieszonej w cieczy o lepkości η, poruszającej się ze względną prędkością v.
F = 6 π η R v
Możemy wykorzystać tę zależność, aby wykazać, że podwojenie średnicy pęcherzyków, powiedzmy, z 0,4 mm do 0,8 mm, teoretycznie pozwoliłoby nam osiągnąć taką samą szybkość rafinacji w stopionym szkle o lepkości 400 Pa, jak miałoby to miejsce w przypadku mniejszych pęcherzyków o lepkości 100 Pa. Należy zauważyć, że 0,4 mm to typowo najmniejsza średnica pęcherzyków, które podniosłyby się na głębokość jednego metra stopionego szkła w ciągu około 16 godzin, z szybkością 20 mikrometrów na sekundę.
Zależność tę widać na diagramie, który przedstawia zależność lepkości od temperatury dla typowego szkła komercyjnego. W temperaturze 1450°C lepkość wynosi 100 Pa, natomiast w temperaturze 1280°C spada do 400 Pa. Zgodnie z prawem Stokesa, szybkość unoszenia się pęcherzyka o średnicy 0,4 mm przy lepkości 100 Pa jest taka sama jak pęcherzyka o średnicy 0,8 mm przy lepkości 400 Pa.
Innymi słowy, podwajając rozmiar pęcherzyka, moglibyśmy osiągnąć tę samą wydajność rafinacji przy obniżonej temperaturze około 1250°C. Zazwyczaj pozwalałoby to zaoszczędzić 20% całkowitego kosztu energii procesu.
Chociaż analiza ta sugeruje, że możemy znacząco zaoszczędzić energię w procesie rafinacji, zwiększając średnicę pęcherzyków w stopionym szkle, czy jest to możliwe w praktyce?
lepkość a temperatura
Wymuszanie koalescencji pęcherzyków za pomocą energii ultradźwiękowej
Najnowsze osiągnięcia w rafinacji ultradźwiękowej oznaczają, że możemy teraz wykorzystać energię ultradźwiękową do zwiększenia rozmiaru pęcherzyków powietrza podczas rafinacji szkła. Chociaż proces ten obejmuje wiele procesów, dominującym jest kawitacja.
Kawitacja to proces wysokoenergetyczny, który gwałtownie zmienia ciśnienie w stopionym szkle, tworząc niskociśnieniowe przestrzenie, czyli pustki. Pustki te tworzą centra nukleacji, w których dyfundują i gromadzą się rozpuszczone gazy i pęcherzyki. W efekcie małe pęcherzyki łączą się, tworząc większe, które, jak wykazaliśmy, szybciej unoszą się na powierzchnię, gdzie ulegają rozproszeniu.
Wniosek
Zwiększenie rozmiaru pęcherzyków powietrza podczas rafinacji szkła za pomocą energii ultradźwiękowej pozwala nam osiągnąć standardowy czas rafinacji bez konieczności obniżania lepkości stopu szkła poprzez podnoszenie jego temperatury po procesie topienia. Oznacza to, że możemy skrócić czas przetwarzania lub zmniejszyć zużycie energii w procesie.
Chociaż potencjalne oszczędności energii będą się różnić w zależności od branży i będą zależeć od wielu czynników, w tym sektora przemysłu szklarskiego i wymagań jakościowych, to rafinacja szkła wspomagana ultradźwiękami może przynieść potencjalne oszczędności energii sięgające 20%. Ta oszczędność energii oferuje znaczące korzyści dla tej energochłonnej branży.