Już niedługo tradycyjne grzałki wykorzystywane m.in. w domowych farelkach, prodiżach, opiekaczach i termowentylatorach mogą zostać zastąpione przez ceramiczny element grzejny o specjalnej konstrukcji do przepływowych grzejników cieczy i gazów. Nowatorskie rozwiązanie opracowali naukowcy z Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie we współpracy z Instytutem Elektroniki, Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu.
Jak podkreśla dr Cecylia Dziubak, kierownik Zakładu Technologii Ceramiki Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, tworzywa ceramiczne cieszą się coraz większym zainteresowaniem jako materiały technologiczne. Łączą wysokie parametry mechaniczne, elektryczne i termiczne. Charakteryzują się dużą twardością, sztywnością, odpornością na ścieranie i jednocześnie stosunkowo niską gęstością. Są odporne na czynniki i środki chemiczne.
Materiały ceramiczne znajdują zastosowanie w technice grzewczej, ogniwach paliwowych, ogniwach termoelektrycznych i różnego rodzaju czujnikach.
Do transformacji energii elektrycznej na energię cieplną zwykle są wykorzystywane grzałki w kształcie spirali lub prętów metalowych oraz porowate grzałki ze spienionych tworzyw ceramicznych lub stopów metali. Ich wadą jest duża energochłonność i krótki czas użytkowania. Grzałki porowate obniżają prędkość przepływu ogrzewanego medium.
“Udało się nam opracować urządzenie, które spełnia równocześnie dwie funkcje – przewodzi prąd i jest radiatorem odprowadzającym ciepło” – mówi dr Cecylia Dziubak. Zaletą nowego urządzenia jest energooszczędność oraz możliwość sterowania powierzchnią kontaktu elementu grzejnego z przepływającym medium, dzięki specjalnej konsytuacji wyrobu. Ta konstrukcja to tzw. “honey – comb” (“plaster miodu”), formowany z masy plastycznej w prasie poziomej poprzez specjalny ustnik. W zależności od zastosowania ustnika można kształtować liczbę i wielkość kanalików, grubość ścianek, a tym samym rozwinięcie powierzchni elementu grzejnego, co jest ważną cechą użytkową.
“Typowymi przewodnikami prądu elektrycznego są metale. Jeżeli dobierzemy tworzywo ceramiczne o określonych właściwościach, to ono także będzie mieć właściwości przewodzące” – wyjaśnia dr Dziubak.
Do wykonania elementu grzejnego naukowcy wytypowali tytanian baru i tlenek cynku – których strukturę krystaliczną modyfikowano dodatkami tlenków lub soli pierwiastków grup przejściowych i ziem rzadkich oraz karborund (węglik krzemu SiC) modyfikowany dodatkami grafitu i kaolinu.
Po przeprowadzeniu badań fizyko-technicznych do wykonania grzałki wybrano tworzywo na bazie karborundu, ponieważ tlenek cynku nie spełniał kryterium odporności chemicznej.
Sprawność ceramicznego urządzenia grzewczego zależy m.in. od powierzchni kontaktowej “honey – combu”. Im jest ona większa, tym więcej ciepła wydostaje się na zewnątrz.
“Gdyby została wykorzystana płaska płytka, to powierzchnia nie jest za duża. Rozwinięcie powierzchni osiągnęliśmy poprzez specjalną konstrukcję +plaster miodu+ tego elementu” – tłumaczy dr Dziubak. Jak podkreśla, taka metoda formowania elementu ceramicznego pozwala kontrolować jego właściwości użytkowe. W czasie spalania zaś występuje ograniczenie emisji gazów spalinowych, powstających ze spalenia tworzyw i organicznych środków spulchniających. Zdaniem naukowiec, ma to niewątpliwy aspekt ekologiczny.
W porównaniu do tradycyjnych elektrycznych grzejników rezystancyjnych grzejniki wykonane z materiałów ceramicznych charakteryzują się większą odpornością na korozję i czynniki chemiczne.
Jak podkreślają naukowcy, wyprodukowana grzałka to urządzenie praktycznie niezniszczalne. Zaletą ceramicznych produktów jest też niska cena. “W tej chwili zakończyliśmy projekt badawczy. Kolejnym etapem będzie przygotowanie i wdrożenie do produkcji” – mówi dr Dziubak.
Ceramiczny monolityczny element grzejny do przepływowych grzejników cieczy i gazów zdobył srebrny medal na Światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik BRUSSELS INNOVA 2009.
