- Desgaseificação ultrassónica de metais fundidos até 2.300 °C e vidro fundido
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Duplicamos o tamanho das bolhas e reduzimos a temperatura (Lei de Stokes)
Efeito ultrassónico do tamanho da bolha na taxa de refinação
A refinação de vidro fundido assistida por ultrassons tem o potencial de remover as bolhas de gás do vidro fundido a temperaturas substancialmente mais baixas do que o processo padrão e, muito importante, sem a necessidade de aumentar o tempo de processamento. Uma vez que o processo de refinação do vidro fundido consome muita energia, a redução da temperatura de refinação proporciona uma poupança significativa de energia. Neste trabalho, demonstramos que a refinação tem o potencial de reduzir os custos totais de energia até 20%.
Fusão e refinação de vidro
A fabricação do vidro é um processo que consome muita energia e que envolve tanto a fusão como a refinação. A fusão refere-se ao controlo das reações químicas que ocorrem na formação do vidro a partir das matérias-primas, e a refinação refere-se ao processo de remoção das bolhas do vidro fundido formado.
A fusão do vidro sódio-cálcico é conseguida a temperaturas de cerca de 1.300 °C, enquanto a refinação requer temperaturas significativamente mais elevadas, de cerca de 1.450 °C. A esta temperatura mais elevada, a viscosidade do vidro fundido é suficientemente baixa para permitir que as bolhas no vidro subam à superfície.
O aumento da temperatura de 1.300 °C para a temperatura de refinação de 1.450 °C consome cerca de 40% da energia total utilizada em todo o processo de fusão e refinação do vidro. Normalmente, os processos combinados de fusão e refinação demoram aproximadamente 24 horas e, por isso, consomem uma quantidade considerável de energia.
Existe uma forte correlação entre o tamanho das bolhas, a temperatura de refinação do vidro e o tempo. Simplificando, as bolhas maiores sobem mais rapidamente do que as bolhas mais pequenas; temperaturas de refinação mais elevadas reduzem a viscosidade do vidro fundido; as bolhas sobem mais rapidamente quando a viscosidade é menor. Assim sendo, para melhorar a eficiência do processo de refinação, procuramos aumentar o diâmetro das bolhas e/ou reduzir a viscosidade do vidro fundido. Como veremos, a refinação ultrassónica permite aumentar o tamanho das bolhas e removê-las de forma eficiente sem a necessidade de elevar a temperatura do vidro fundido.
Efeito do tamanho da bolha na taxa de refinação do vidro assistido por ultrassons
Em termos mais formais, se as bolhas de gás coalescessem, então, de acordo com a Lei de Stokes, a mesma taxa de refinação poderia ser mantida a viscosidades mais elevadas. A Lei de Stokes expressa a força F de uma esfera estacionária de raio R suspensa num fluido com viscosidade η, movendo-se com velocidade relativa v.
F = 6 π η R v
Podemos utilizar esta relação para mostrar que duplicar o diâmetro da bolha, digamos de 0,4 mm para 0,8 mm, permitiria teoricamente atingir a mesma taxa de refinação num vidro fundido com uma viscosidade de 400 Pa que ocorreria com bolhas mais pequenas e uma viscosidade de 100 Pa. Note-se que 0,4 mm é tipicamente o menor diâmetro de bolha que subiria através de uma profundidade de um metro de vidro fundido em cerca de 16 horas, uma taxa de 20 micrómetros/segundo.
A relação é evidente no diagrama, que mostra a viscosidade em função da temperatura para um vidro comercial típico. A 1450 °C, a viscosidade é de 100 Pa, enquanto que a 1280 °C reduz-se para 400 Pa. De acordo com a lei de Stokes, a taxa de ascensão de uma bolha de 0,4 mm com uma viscosidade de 100 Pa é a mesma que a de uma bolha de 0,8 mm com uma viscosidade de 400 Pa.
Por outras palavras, ao duplicar o tamanho da bolha, poderíamos atingir a mesma taxa de refinação a uma temperatura reduzida de cerca de 1250 °C. Normalmente, isto representaria uma poupança de 20% no custo total de energia do processo.
Embora esta análise sugira que podemos obter poupanças de energia substanciais no processo de refinação aumentando o diâmetro das bolhas no vidro fundido, será que podemos conseguir isso na prática?
viscosidade versus temperatura
Coalescência forçada de bolhas usando energia ultrassónica
Os avanços mais recentes no refinamento ultrassónico permitem agora utilizar energia ultrassónica para aumentar o tamanho das bolhas durante o refinamento do vidro. Embora estejam envolvidos vários processos, o principal é a cavitação.
A cavitação é um processo de alta energia que altera rapidamente a pressão no vidro fundido, criando cavidades ou vazios de baixa pressão. Estes vazios fornecem núcleos de nucleação nos quais os gases dissolvidos e as bolhas se difundem e se acumulam. Efetivamente, pequenas bolhas coalescem, formando bolhas maiores que, como demonstrámos, sobem mais rapidamente à superfície, onde se dissipam.
Conclusão
O aumento do tamanho das bolhas durante a refinação do vidro através de energia ultrassónica permite atingir tempos de refinação padrão sem a necessidade de reduzir a viscosidade do vidro fundido aumentando a sua temperatura após o processo de fusão. Isto significa que temos a opção de reduzir o tempo de processamento ou o consumo de energia no processo.
Embora a potencial poupança de energia varie em todo o setor e dependa de muitos fatores, incluindo o segmento da indústria vidreira e os requisitos de qualidade, é possível obter uma poupança de energia de até 20% com a refinação de vidro assistida por ultrassons. Esta poupança de energia representa um potencial benefício substancial para este sector de elevado consumo energético.