Skuteczne przekazywanie ciepła jest jednym z ważniejszych procesów zarówno w technologiach przemysłowych, jak i w codziennym funkcjonowaniu maszyn, a także korzystaniu z budynków. Działanie wielu instalacji i urządzeń wymaga skutecznego odbierania powstającego ciepła. Dotyczy to zwykle miejsc narażonych na pojawianie się tarcia, działających silników spalinowych oraz różnych procesów chemicznych, przepływu prądu o znacznym natężeniu czy używania otwartego ognia, łuku elektrycznego bądź plazmy. Urządzenia przeznaczone do przekazywania ciepła na zewnątrz to jednak tylko jedno z zastosowań. Równie powszechnie jest stosowanie systemów grzewczych, które podnoszą temperaturę, pozwalając na zajście określonych reakcji chemicznych czy zjawisk fizycznych. We wszystkich tego rodzaju systemach ważną rolę odgrywa zastosowany materiał. Przyjrzyjmy się bliżej wyrobom z aluminium i sprawdźmy, jaka jest ich charakterystyka oraz zobaczmy czy mogą się one sprawdzić w podobnych instalacjach.
Skuteczne przekazywanie ciepła jest jednym z ważniejszych procesów zarówno w technologiach przemysłowych, jak i w codziennym funkcjonowaniu maszyn, a także korzystaniu z budynków. Działanie wielu instalacji i urządzeń wymaga skutecznego odbierania powstającego ciepła. Dotyczy to zwykle miejsc narażonych na pojawianie się tarcia, działających silników spalinowych oraz różnych procesów chemicznych, przepływu prądu o znacznym natężeniu czy używania otwartego ognia, łuku elektrycznego bądź plazmy. Urządzenia przeznaczone do przekazywania ciepła na zewnątrz to jednak tylko jedno z zastosowań. Równie powszechnie jest stosowanie systemów grzewczych, które podnoszą temperaturę, pozwalając na zajście określonych reakcji chemicznych czy zjawisk fizycznych. We wszystkich tego rodzaju systemach ważną rolę odgrywa zastosowany materiał. Przyjrzyjmy się bliżej wyrobom z aluminium i sprawdźmy, jaka jest ich charakterystyka oraz zobaczmy czy mogą się one sprawdzić w podobnych instalacjach.
Charakterystyka aluminium i jego najważniejsze cechy użytkowe
Aluminium jest jednym z „najmłodszych” metali, ponieważ jego szersze stosowanie rozpoczęło się dopiero na początku XX wieku. Wynika to w głównej mierze z tego, że nie występuje w przyrodzie w postaci czystej, a choć w minerałach zwanych boksytami jest go bardzo dużo, bo od około 30%, to w tej postaci nie nadaje się ono do wykorzystania jak choćby naturalnie występujący brąz wymagający jedynie niewielkiej obróbki do najprostszego użycia. Sam glin został wprawdzie odkryty już w 1807 roku, jednak metal w czystej postaci uzyskano dopiero w 1827 roku, a metodę jego przemysłowej produkcji za pomocą elektrolizy wynaleziono dopiero w 1886 roku. Do rozpowszechnienia się tego metalu przyczynił się też znaczny spadek jego cen i udoskonalenie metod pozyskiwania przez odkrywkowe wydobycie boksytów. Ważne okazały się też ułatwienia technologiczne w procesie produkcji aluminium rozbitym na dwa etapy. W pierwszym pozyskiwanie tlenku glinu odbywa się przez rozpuszczanie rudy w sodzie kaustycznej lub kwasie siarkowym albo spiekanie sodą i wapniem, czy sodą i koksem. W drugim tlenek glinu jest poddawany elektrolizie w obecności stopionego kriolitu, czyli fluoroglinianu sodu, by przy dużym natężeniu prądu można było uzyskać czysty metal.
Od pierwszych prób wykorzystania aluminium największą uwagę zwracała jego niewielka gęstość właściwa, co oznacza niską masę w proporcji do objętości. Cecha ta w połączeniu ze stosunkowo wysoką wytrzymałością sprawiła, że metal zaczęto wykorzystywać w rozmaitych konstrukcjach, a także w branży lotniczej, gdzie blachy i kształtowniki służyły do produkcji poszycia i elementów nośnych samolotów. Wielką zaletą aluminium jest także to, że jego wytrzymałość mechaniczną można znacznie poprawić, stosując rozmaite dodatki stopowe – np. miedź, mangan czy magnez, przez co jego parametry zbliżają się do niektórych gatunków stali. Wielkim plusem jest również fakt, że aluminium i jego stopy zachowują swoje właściwości również w dość niskich temperaturach.
Kolejną ważną zaletą aluminium jest jego odporność na korozję. Dzięki samoczynnej reakcji zachodzącej na zewnętrznej warstwie metalu w kontakcie z tlenem atmosferycznym pokrywa się on cienką powłoką tlenku Al2O3, który skutecznie blokuje dostęp tlenu do materiału położonego wewnątrz, stając się samoistną ochroną antykorozyjną. Jest to możliwe dzięki znacznej zmianie potencjału elektrycznego metalu z –1,6 V do – 0,5 V. Oznacza to, że aluminium znacznie lepiej znosi wystawienie na warunki atmosferyczne niż popularna stal.
Aluminium jest jednym z najlepszych, obok srebra, miedzi i złota, przewodników elektrycznych. Jego rezystywność, czyli opór, jaki stawia przepływającemu prądowi, wynosi 0,0282·10-6 Ω·m. Tak dobre przewodnictwo jest możliwe dzięki temu, że na zewnętrznych powłoka walencyjnych metale mają tzw. elektrony swobodne, które mogą się stosunkowo łatwo odłączać od atomów, umożliwiając przepływ napięcia. Co charakterystyczne, aluminium, tak jak inne przewodniki elektryczne, jest również znakomitym przewodnikiem ciepła.
Aluminium jako materiał na wymienniki ciepła
Mechanizm przewodzenia ciepła jest dość podobny do przewodnictwa elektrycznego, choć zachodzi na nieco innej zasadzie, to również polega na dążeniu do przywrócenie równowagi, tj. wyrównania temperatur przez transport ciepła z rejonu o wyższej temperaturze do obszarów chłodniejszych. Przewodzenie cieplne w ciałach stałych, takich jak aluminium i inne metale jest możliwe dzięki kontaktom między poszczególnymi cząsteczkami oraz przekazywaniu zgromadzonej energii kinetycznej. Przewaga metali nad innymi substancjami wynika jednak z tego, że energia jest przekazywana zarówno przez drgające atomy, jak i elektrony swobodne. Dobre rozchodzenie się energii cieplnej w metalach wynika więc z ich krystalicznej budowy oraz faktu, że struktura tego rodzaju bardzo łatwo przenosi drgania oraz obecności elektronów swobodnych.
Wysoka wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego dla aluminium sprawia, że materiał ten chętnie jest używany do wszystkich zastosowań, które wymagają efektywnego przekazywania temperatury – zarówno chłodzenia, jak i ogrzewania. Aluminium wykorzystuje się więc na wszelkiego rodzaju wymienniki ciepła – radiatory, które mają odprowadzać je z powierzchni i oddawać do powietrza, a także wymienniki zapewniające przepływ temperatury między cieczą a metalem – chłodnice i rozmaitej budowy i przeznaczenia grzejniki. Ze względu na wysoką wydajność systemów aluminiowych są one wykorzystywane niemal we wszystkich typach urządzeń od komputerów, w których z aluminium wykonuje się radiatory procesorów czy pamięci, przez pojazdy i montowane w nich aluminiowe chłodnice, aż po budynki z grzejnikami albo systemami rur aluminiowych w ogrzewaniu płaszczyznowym.
Przy wyborze aluminium na elementy wymienników ciepła jedną z kluczowych kwestii jest korzystna cena tego metalu w porównaniu z osiągającą nieco lepsze rezultaty miedzią. W przypadku aluminium współczynnik przewodzenia ciepła wynosi w zależności od użytego stopu od 200 do 280 W/m·k, a w przypadku miedzi to aż 380 W/m·k. Gorsze parametry rekompensuje jednak cena, ponieważ miedź, w zależności od wahań cen na światowych rynkach jest ok. 3-4 razy droższa niż aluminium. Równie duże znaczenie mają względy praktyczne – aluminium jest niezwykle lekkie, przez co wykonane z niego elementy mają niższą masę i nie obciążają urządzeń. Aluminium jest też łatwe w obróbce – odlewaniu, skrawaniu czy plastycznemu wyciskaniu pozwalającemu na swobodne kształtowanie wymienników, które powinny mieć możliwie dużą powierzchnię, by przekazywanie ciepła odbywało się z maksymalną efektywnością.
Dużą korzyścią wynikającą ze stosowania aluminium jako materiału na wymienniki ciepła jest również jego wysoka odporność na korozję. Dzięki niej – zwłaszcza w układach wykorzystujących wodę jako medium pośredniczące – nie ma obaw, że instalacja będzie szybko wymagała wymiany lub remontu. Dzięki tym właściwościom aluminium jest wykorzystywane w chłodnicach pojazdów i wielu samojezdnych maszyn roboczych, a także jako materiał na domowe grzejniki czy instalacje ogrzewania podłogowego.
Przyczyną szerokiego używania aluminium jest również fakt, że znakomicie nadaje się ono do recyklingu i łatwo może być użyte ponownie. Korzyści te są tym większe, że duża skala ponownego wykorzystywania oznacza nie tylko zysk finansowy w postaci oszczędności energii zużywanej przy elektrolizie, ale też mniejsze obciążenie środowiska zarówno towarzyszącymi produkcji emisjami, jak i zmianami w przyrodzie powodowanymi wydobyciem niezbędnych boksytów metodą odkrywkową.
