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熔融玻璃節能

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熔融玻璃節能

我們將氣泡尺寸加倍，並降低溫度（斯托克斯定律）。

氣泡尺寸對精煉速率的超音波效應

超音波輔助熔融玻璃精煉技術可望在遠低於標準製程的溫度下去除 熔融玻璃 ，更重要的是，無需增加處理時間。由於熔融玻璃精煉過程能耗極高，降低玻璃精煉溫度可顯著節省能源。本文表明，超音波玻璃 精煉技術 預計將總能耗降低高達 20%。

玻璃熔煉和玻璃精煉

玻璃製造是一個高能耗過程，包括熔化和精煉兩個步驟。熔化是指控制原料熔化成玻璃過程中發生的化學反應，而精煉是指去除已形成的熔融玻璃中的氣泡的過程。.

鈉鈣玻璃的熔化溫度約為 1300°C，而精煉則需要更高的溫度，約 1450°C。在更高的溫度下，熔融玻璃的黏度足夠低，可以使玻璃中的氣泡上升到表面。.

將溫度從 1300°C 升高到精煉溫度 1450°C 大約消耗整個熔煉和玻璃精煉過程中總能量的 40%。通常，熔煉和精煉過程加起來大約需要 24 小時，因此會消耗大量的能量。.

氣泡尺寸、玻璃精煉溫度和時間之間有強烈的相關性。簡而言之，較大的氣泡比小的氣泡上升得更快；較高的精煉溫度會降低熔融玻璃的黏度；黏度越低，氣泡上升得越快。因此，為了提高精煉效率，我們希望增大氣泡直徑和/或降低熔融玻璃的黏度。正如我們將看到的，超音波精煉可以在無需提高熔融玻璃溫度的情況下，有效地增大氣泡尺寸並去除氣泡。.

圖1 熔融玻璃節能

氣泡尺寸對超音波輔助玻璃精煉速率的影響

更正式地說，如果氣泡能夠合併，那麼根據斯托克斯定律，在更高的黏度下也能保持相同的提煉速率。斯托克斯定律描述了半徑為 R 的靜止球體懸浮在黏度為 η 的流體中，以相對速度 v 運動時所受到的力 F。.

F = 6 π η R v

我們可以利用這種關係來證明，理論上，將氣泡直徑從 0.4 毫米增加到 0.8 毫米，可以使黏度為 400 帕的熔融玻璃達到與使用較小氣泡在黏度為 100 帕時相同的純化速率。需要注意的是，0.4 毫米通常是能夠上升穿過 1 公尺深度熔融玻璃的最小氣泡直徑，上升時間約為 16 小時，即每秒上升 20 微米。.

玻璃製造熔融玻璃的節能

從圖中可以明顯看出這種關係，圖中顯示了典型商用玻璃的黏度與溫度的關係。在 1450 °C 時，黏度為 100 Pa，而在 1280 °C 時，黏度降至 400 Pa。根據斯托克斯定律，黏度為 100 Pa 時直徑為 0.4 mm 的氣泡的上升速率與黏度為 400 Pa 時直徑為 0.8 mm 的氣泡的上升速率相同。.

換句話說，透過將氣泡尺寸增加一倍，我們可以在約 1250 °C 的較低溫度下實現相同的純化速率。通常，這將節省該製程總能源成本的 20%。.

雖然這項分析表明，透過增加熔融玻璃中氣泡的直徑，我們可以大幅節省精煉過程中的能源，但我們能在實踐中實現這一點嗎？

黏度與溫度的關係

利用超音波能量強制氣泡聚合併

超音波精煉技術的最新進展意味著我們現在可以利用超音波能量在玻璃精煉過程中增加氣泡尺寸。雖然其中涉及多種過程，但空化作用是主要過程。.

空化 是一種高能量過程，它能迅速改變熔融玻璃內部的壓力，形成低壓空腔或空隙。這些空隙為溶解的氣體和氣泡提供了成核中心，使其擴散並聚集。實際上，小氣泡會聚結形成更大的氣泡，正如我們所展示的，這些更大的氣泡會更快地上升到表面並消散。

結論

利用超音波能量增大玻璃精煉過程中的氣泡尺寸，意味著我們可以在不提高玻璃熔體溫度以降低其黏度的情況下，達到標準的精煉時間。也就是說，我們可以選擇縮短加工時間或降低加工過程中的能量消耗。

雖然潛在的節能效果會因行業而異，並取決於許多因素，包括玻璃行業的具體領域和品質要求，但超音波輔助玻璃精煉工藝可實現高達20%的節能效果。對於這個高耗能產業而言，這種節能效果具有巨大的潛在效益。.