|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 03/2003
Włókna węglowe oszczędzają ciepło
|
|
|
Od blisko 100 lat znane jest zjawisko nadprzewodnictwa elektrycznego, które znajduje coraz szersze zastosowanie w elektrotechnice. Natomiast na odkrycie (bądź wynalezienie) nadal czeka jego „cieplny” odpowiednik.
|
Autor artykułu zgłoszonego do konkursu „Nowe rosyjskie technologie” - Nikołaj L. Jegin jest jednym z czołowych wynalazców rosyjskich, pracownikiem Wyższej Szkoły Samochodowej w Riazaniu. W jego twórczym dorobku znajduje się około 120 wynalazków. Autor przedstawia oryginalne rozwiązania konstrukcyjne urządzeń grzejnych, wykorzystujących unikalne własności materiałów węglowych o strukturze włóknistej.
Od blisko 100 lat znane jest zjawisko nadprzewodnictwa elektrycznego, które znajduje coraz szersze zastosowanie w elektrotechnice. Natomiast na odkrycie (bądź wynalezienie) nadal czeka jego „cieplny” odpowiednik.
Do tej pory nie uzyskano nowych materiałów o doskonalszych własnościach cieplnych, które zapewniłyby przetwarzanie bez strat energii elektrycznej - na cieplną. Znaczącym krokiem w tym kierunku mogą okazać się prace badawczo-wdrożeniowe zrealizowane w ostatnim czasie w Rosji. Naukowcy ze wspomnianej uczelni zwrócili uwagę na niską efektywność powszechnie stosowanych elektrycznych urządzeń grzejnych. Wiadomo, że ciepło przekazywane jest trzema sposobami: przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Większa powierzchnia źródła powoduje wzrost ilości oraz szybkości przekazywania energii cieplnej. Tymczasem powierzchnia spirali grzejnej z wolframu czy chromonikieliny jest niewspółmiernie mała z rozmiarami ogrzewanych obiektów. Materiały, które mają pośredniczyć w wymianie ciepła, takie jak piasek kwarcowy, ceramika lub olej w większym stopniu stanowią raczej izolację termiczną. W rezultacie elementy grzejne ogrzewają nie tyle pomieszczenie, co same siebie i nierzadko dość szybko ulegają przepaleniu.
Wewnętrzna budowa stopów grzejnych odznacza się dużą ilością elektronów swobodnych, które przelatując swobodnie bez zderzeń z węzłami sieci krystalicznej, nie przyczyniają się do wydzielania ciepła.
Z powyższych spostrzeżeń rosyjscy wynalazcy wyciągnęli następujący wniosek: należy zastosować nowe, amorficzne materiały grzejne, w których cała energia elektronów ulegnie zamianie na ciepło, a to z kolei należy bez zbędnego pośrednictwa dostarczyć do użytkownika. W nowych rozwiązaniach straty ciepła występujące przy jego przekazywaniu każdym z wymienionych sposobów zmniejszą się wielokrotnie dzięki wyeliminowaniu odbicia i pochłaniania przez obecnie stosowane materiały pośredniczące.
Wymagania te spełniają np. materiały węglowe o strukturze włóknistej i wytrzymałości temperaturowej do 1000 st. C, odznaczające się całkowitą powierzchnią bliską fizycznej granicy tego parametru. Okazuje się mianowicie, że jeden gram tej porowatej substancji posiada powierzchnię 2380 m kw., podczas gdy powierzchnia warstwy tej samej ilości węgla o grubości jednego atomu wynosi 2600 m kw. Do wyrobu elementów grzejnych wybrano taśmy węglowe.
Pierwszą aplikacją wynalazku był podgrzewacz elektryczny silnika spalania wewnętrznego. Dla uruchomienia silnika na mrozie kierowcy używają wrzątku, pary wodnej, palników lub dmuchaw. Te kłopotliwe, a nawet niebezpieczne metody można zastąpić zewnętrznym, przesuwnym elementem grzejnym ze wspomnianego materiału, zasilanym prądem 8A z akumulatora. Dla podniesienia temperatury silnika i oleju wystarcza 2 minuty grzania przez ten element. Podobny miniaturowy grzejnik elektryczny można użyć do podgrzewania powietrza pobieranego do gaźnika. Na mrozie element ten podgrzewa powietrze gaźnika do 80-90 st. C dosłownie w ciągu jednej sekundy. Inne skonstruowane przyrządy oparte na węglowych materiałach o strukturze włóknistej to wszelkiego rodzaju „dywaniki” i „panele” grzewcze dla pojazdów i pomieszczeń. Zdumiewające jest, że swoją funkcję spełniają one pobierając z sieci bądź akumulatora nie więcej mocy niż żarówka sygnalizacyjna. Równie efektowne i efektywne jest działanie podgrzewacza wody w formie dyszy osadzanej na końcówce rury (fabryczna nazwa „Wulkan-1”). I w tym przypadku kosztem niewielkiej mocy elektrycznej można podgrzewać strumień zimnej wody nawet o kilkadziesiąt stopni.
Nowa technologia może być przydatna także dla poprawy izolacji cieplnej budynków. Materiały węglowe wykazują doskonałe własności izolacyjne, np. 4 razy lepsze od wełny. Ich mieszanina z odpadami termoplastycznymi służy do wyrobu paneli „Mars-1”, które ustawia się między kaloryferami i ścianą. Powierzchnia tych płyt odbija do wnętrza pomieszczenia 98% ciepła dopływającego do niej z kaloryferów. Natomiast przy zimnych grzejnikach można włączyć zasilanie napięciem 220V taśm węglowych panelu, uzyskując przy poborze mocy do 500 W energooszczędne ogrzewanie pomieszczenia. Urządzenie typu „Mars-2” o regulowanej mocy od 60 do 600 W z powodzeniem zastępuje popularne lecz mało wydajne grzejniki olejowe. Z kolei miniaturowe panele typu „Mars-3” przeznaczone są do pasywnego ogrzewania łaźni i saun. Działanie tych naklejanych na ściany płytek przypomina termos: powierzchnie ich odbijają promieniowanie podczerwone. Dzięki temu bez strat ciepła uzyskuje się suchość ścian oraz świeżość pary pozbawionej wilgoci.
Rewelacyjne własności materiałów węglowych wykorzystano także w urządzeniach wentylacyjnych. W wentylatorze „Tewen-1” zwykły wentylator powietrza wyposażono w element grzejny z taśmy węglowej. Również w tym przypadku niewielkim kosztem można szybko ogrzać przestronne nawet pomieszczenia.
Elementy grzejne z materiałów węglowych odznaczają się nie tylko znakomitymi własnościami cieplnymi, lecz także znacznie niższą gęstością, wysoką niezawodnością działania, odpornością na wpływ agresywnego środowiska i bezpieczeństwem pożarowym. W nowych urządzeniach brak jest nadmiernie rozgrzanych elementów, a zwiększona wydajność cieplna wynika nie z podniesienia temperatury lecz z ogromnej powierzchni elementów. Pod tym względem urządzenia na bazie materiałów węglowych o strukturze włóknistej przypominają ostatnie rewelacyjne osiągnięcie elektrotechniki – superkondensatory. Przy tak doskonałych parametrach technicznych materiały węglowe są również atrakcyjne cenowo: już teraz ich koszt szacuje się na rząd niższy od cen wypieranych przez nie metali. Dla przykładu taśma węglowa dla wspomnianego wentylatora typu „Tewen-1” o mocy 600 W waży zaledwie 15 g i kosztuje tylko 1,8 rubla.
Uzasadnione są oczekiwania, iż nowe technologie z wykorzystaniem materiałów węglowych znajdą z czasem zastosowanie także w dużych urządzeniach energetycznych umożliwiając oszczędności wielkich ilości energii elektrycznej i cieplnej.
|
|
|
|
