- Khử khí bằng sóng siêu âm đối với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ lên đến 2.300°C và thủy tinh nóng chảy
- Thứ Hai - Thứ Sáu: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226, tầng trệt - 2100 Copenhagen - Đan Mạch
Chúng ta tăng gấp đôi kích thước bọt khí và giảm nhiệt độ (Định luật Stoke)
Ảnh hưởng siêu âm của kích thước bọt đối với tốc độ tinh chế
Quá trình tinh chế thủy tinh nóng chảy hỗ trợ bằng sóng siêu âm có tiềm năng được sử dụng để loại bỏ bọt khí khỏi thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với quy trình tiêu chuẩn và, điều rất quan trọng, mà không cần phải kéo dài thời gian xử lý. Do quá trình tinh chế thủy tinh nóng chảy tiêu tốn rất nhiều năng lượng, việc giảm nhiệt độ tinh chế thủy tinh sẽ mang lại tiết kiệm năng lượng đáng kể. Trong bài viết này, chúng tôi chứng minh rằng phương pháp tinh chế thủy tinh bằng sóng siêu âm có tiềm năng giảm tổng chi phí năng lượng lên đến 20%.
Quá trình nấu chảy thủy tinh và tinh chế thủy tinh
Sản xuất thủy tinh là một quy trình tiêu tốn rất nhiều năng lượng, bao gồm cả quá trình nấu chảy và tinh chế. Nấu chảy là việc kiểm soát các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình hình thành thủy tinh từ nguyên liệu thô, còn tinh chế là quá trình loại bỏ bọt khí khỏi thủy tinh nóng chảy vừa được tạo ra.
Quá trình nấu chảy thủy tinh natri-canxi được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 1.300 °C, trong khi quá trình tinh chế đòi hỏi nhiệt độ cao hơn đáng kể, khoảng 1.450 °C. Ở nhiệt độ cao hơn này, độ nhớt của thủy tinh nóng chảy đủ thấp để cho phép các bọt khí trong thủy tinh nổi lên bề mặt.
Việc tăng nhiệt độ từ 1.300 °C lên nhiệt độ tinh chế là 1.450 °C tiêu tốn khoảng 40% tổng lượng năng lượng được sử dụng trong toàn bộ quy trình nấu chảy và tinh chế thủy tinh. Thông thường, quy trình nấu chảy và tinh chế kết hợp này kéo dài khoảng 24 giờ và do đó tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể.
Có mối tương quan chặt chẽ giữa kích thước bọt khí, nhiệt độ tinh chế thủy tinh và thời gian. Nói một cách đơn giản, các bọt khí lớn nổi lên nhanh hơn các bọt khí nhỏ; nhiệt độ tinh chế cao hơn làm giảm độ nhớt của thủy tinh nóng chảy; các bọt khí nổi lên nhanh hơn khi độ nhớt thấp hơn. Do đó, để nâng cao hiệu quả của quá trình tinh chế, chúng ta cần tăng đường kính bọt khí và/hoặc giảm độ nhớt của thủy tinh nóng chảy. Như chúng ta sẽ thấy, quá trình tinh chế bằng sóng siêu âm cho phép chúng ta tăng kích thước bọt khí và loại bỏ bọt khí một cách hiệu quả mà không cần phải tăng nhiệt độ của thủy tinh nóng chảy.
Ảnh hưởng của kích thước bọt khí đến tốc độ tinh chế thủy tinh bằng phương pháp siêu âm
Nói một cách chính xác hơn, nếu các bọt khí hợp nhất lại với nhau, thì theo Định luật Stokes, tốc độ tinh chế đó vẫn có thể được duy trì ngay cả khi độ nhớt cao hơn. Định luật Stokes mô tả lực F tác dụng lên một quả cầu đứng yên có bán kính R, lơ lửng trong một chất lỏng có độ nhớt η và di chuyển với vận tốc tương đối v.
F = 6 π η R v
Chúng ta có thể sử dụng mối quan hệ này để chứng minh rằng việc tăng gấp đôi đường kính bong bóng, ví dụ từ 0,4 mm lên 0,8 mm, về mặt lý thuyết sẽ cho phép chúng ta đạt được tốc độ tinh chế tương tự trong thủy tinh nóng chảy có độ nhớt 400 Pa như khi sử dụng các bong bóng nhỏ hơn với độ nhớt 100 Pa. Lưu ý rằng 0,4 mm thường là đường kính bong bóng nhỏ nhất có thể nổi lên qua độ sâu một mét của thủy tinh nóng chảy trong khoảng 16 giờ, với tốc độ 20 micromet/giây.
Mối quan hệ này thể hiện rõ qua đồ thị, cho thấy mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ đối với một loại thủy tinh thương mại điển hình. Ở 1.450 °C, độ nhớt là 100 Pa, trong khi ở 1.280 °C, độ nhớt đã giảm xuống còn 400 Pa. Theo định luật Stokes, tốc độ nổi lên của một bong bóng có đường kính 0,4 mm ở độ nhớt 100 Pa là bằng với tốc độ nổi lên của một bong bóng có đường kính 0,8 mm ở độ nhớt 400 Pa.
Nói cách khác, bằng cách tăng gấp đôi kích thước bong bóng, chúng ta có thể đạt được tốc độ tinh chế tương tự ở nhiệt độ thấp hơn, khoảng 1250 °C. Thông thường, điều này sẽ giúp tiết kiệm 20% tổng chi phí năng lượng của quy trình.
Mặc dù phân tích này cho thấy chúng ta có thể tiết kiệm được một lượng năng lượng đáng kể trong quá trình tinh chế bằng cách tăng đường kính bọt khí trong thủy tinh nóng chảy, nhưng liệu chúng ta có thể thực hiện được điều này trên thực tế hay không?
Độ nhớt theo nhiệt độ
Kích thích sự hợp nhất của bọt khí bằng năng lượng siêu âm
Những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực tinh chế thủy tinh bằng sóng siêu âm cho phép chúng ta hiện nay có thể sử dụng năng lượng siêu âm để tăng kích thước bọt khí trong quá trình tinh chế thủy tinh. Mặc dù có nhiều quá trình liên quan, nhưng quá trình chủ yếu là hiện tượng xâm thực.
Hiện tượng xâm thực là một quá trình có năng lượng cao, làm thay đổi nhanh chóng áp suất trong thủy tinh nóng chảy, từ đó tạo ra các khoang hoặc khoảng trống áp suất thấp. Các khoảng trống này đóng vai trò là các tâm hình thành bọt, nơi các khí hòa tan và bọt khí khuếch tán và tích tụ vào đó. Trên thực tế, các bọt khí nhỏ hợp nhất lại với nhau để tạo thành các bọt khí lớn hơn, và như chúng ta đã chỉ ra, các bọt khí này nổi lên bề mặt nhanh hơn, nơi chúng tan biến.
Kết luận
Việc tăng kích thước bọt khí trong quá trình tinh chế thủy tinh bằng năng lượng siêu âm giúp chúng ta có thể đạt được thời gian tinh chế tiêu chuẩn mà không cần phải giảm độ nhớt của thủy tinh nóng chảy bằng cách tăng nhiệt độ của nó sau quá trình nấu chảy thủy tinh. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể lựa chọn giữa việc rút ngắn thời gian chế biến hoặc giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình này.
Mặc dù mức tiết kiệm năng lượng tiềm năng sẽ khác nhau tùy theo từng lĩnh vực trong ngành và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm phân ngành kính và các yêu cầu về chất lượng, nhưng công nghệ tinh chế kính hỗ trợ bằng sóng siêu âm có thể mang lại mức tiết kiệm năng lượng tiềm năng lên đến 20%. Mức tiết kiệm năng lượng này mang lại lợi ích tiềm năng đáng kể cho ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng rất lớn này.