- Ultraljudsavgasning av smälta metaller upp till 2 300 °C och smält glas
- Måndag - fredag: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226 st. tv. - 2100 Köpenhamn - Danmark
Vi fördubblar bubbelstorleken och sänker temperaturen (Stokes lag)
Ultraljudseffekt av bubbelstorlek på raffineringshastighet
Ultraljudsassisterad raffinering av smält glas kan potentiellt användas för att avlägsna gasbubblor från smält glas vid betydligt lägre temperaturer än standardprocessen och, mycket viktigt, utan att bearbetningstiderna behöver ökas. Eftersom raffineringsprocessen för smält glas är mycket energiintensiv, ger en minskning av glasraffineringstemperaturen betydande energibesparingar. Här visar vi att ultraljudsraffinering av glas har potential att minska de totala energikostnaderna med upp till 20 %.
Glassmältning och glasraffinering
Glastillverkning är en mycket energikrävande process som involverar både smältning och raffinering. Smältning avser att kontrollera de kemiska reaktioner som sker vid bildandet av glas från råmaterial, och raffinering avser processen att avlägsna bubblor från det smälta glaset som bildas.
Smältning av soda-limeglas uppnås vid temperaturer på cirka 1 300 °C medan raffinering kräver betydligt högre temperaturer på cirka 1 450 °C. Vid denna högre temperatur är viskositeten hos det smälta glaset tillräckligt låg för att tillåta bubblor i glaset att stiga upp till ytan.
Att höja temperaturen från 1 300 °C till raffineringstemperaturen på 1 450 °C förbrukar cirka 40 % av den totala energin som används i hela smält- och glasraffineringsprocessen. Vanligtvis tar de kombinerade smält- och raffineringsprocesserna cirka 24 timmar och förbrukar därmed en avsevärd mängd energi.
Det finns en stark korrelation mellan bubbelstorlek, glasraffineringstemperatur och tid. Enkelt uttryckt stiger större bubblor snabbare än mindre bubblor; högre raffineringstemperaturer minskar viskositeten hos det smälta glaset; bubblor stiger snabbare när viskositeten är lägre. För att förbättra effektiviteten i raffineringsprocessen vill vi därför öka bubbeldiametern och/eller minska viskositeten hos det smälta glaset. Som vi ska se tillåter ultraljudsraffinering oss att öka bubbelstorleken och effektivt avlägsna bubblor utan att behöva höja temperaturen på det smälta glaset.
Effekten av bubbelstorlek på ultraljudsassisterad glasraffineringshastighet
Mer formellt, om gasbubblorna skulle koalescera, skulle samma raffineringshastighet enligt Stokes lag kunna bibehållas vid högre viskositeter. Stokes lag uttrycker kraften F hos en stationär sfär med radien R upphängd i en vätska med viskositeten η som rör sig med en relativ hastighet v.
F = 6 π η R v
Vi kan använda detta samband för att visa att en fördubbling av bubbeldiametern från säg 0,4 mm till 0,8 mm teoretiskt sett skulle göra det möjligt för oss att uppnå samma raffineringshastighet i smält glas med en viskositet på 400 Pa som skulle inträffa med de mindre bubblorna och en viskositet på 100 Pa. Observera att 0,4 mm vanligtvis är den minsta bubbeldiametern som skulle stiga genom ett djup av en meter smält glas på cirka 16 timmar, en hastighet på 20 mikrometer/sekund.
Sambandet framgår tydligt av diagrammet, som visar viskositet kontra temperatur för ett typiskt kommersiellt glas. Vid 1 450 °C är viskositeten 100 Pa, medan den vid 1 280 °C har reducerats till 400 Pa. Enligt Stokes lag är stigningshastigheten för en 0,4 mm bubbla vid en viskositet på 100 Pa densamma som för en 0,8 mm bubbla vid 400 Pa.
Med andra ord, genom att fördubbla bubblans storlek skulle vi kunna uppnå samma raffineringshastighet vid en reducerad temperatur på cirka 1250 °C. Vanligtvis skulle detta spara 20 % av processens totala energikostnad.
Även om denna analys tyder på att vi kan göra betydande energibesparingar i raffineringsprocessen genom att öka bubbeldiametern i smält glas, kan vi uppnå detta i praktiken?
viskositet kontra temperatur
Tvinga fram bubbelkoalescens med hjälp av ultraljudsenergi
De senaste framstegen inom ultraljudsraffinering innebär att vi nu kan använda ultraljudsenergi för att öka bubbelstorleken under glasraffinering. Även om det finns flera processer inblandade är den dominerande kavitation.
Kavitation är en högenergiprocess som snabbt förändrar trycket i det smälta glaset och skapar lågtryckskaviteter eller tomrum. Tomrummen bildar kärnbildningscentra där upplösta gaser och bubblor diffunderar och ackumuleras. I praktiken sammansmälter små bubblor och bildar större bubblor, vilka, som vi har visat, stiger snabbare till ytan där de försvinner.
Slutsats
Att öka bubbelstorleken under glasraffinering med hjälp av ultraljudsenergi innebär att vi kan uppnå standardiserade raffineringstider utan att behöva minska viskositeten hos glassmältan genom att öka dess temperatur efter glassmältningsprocessen. Det innebär att vi har valet att minska bearbetningstiderna eller minska energin som används i processen.
Även om potentiella energibesparingar varierar mellan olika branscher och beror på många faktorer, inklusive glasindustrin och kvalitetskrav, finns det potentiella energibesparingar på upp till 20 % för ultraljudsassisterad glasraffinering. Denna energibesparing erbjuder en betydande potentiell fördel för denna mycket energiintensiva industri.