Ceramika izostatyczna w systemach odprowadzania spalin. Bezpieczny komin

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa zobacz pdfa

Na polskim rynku istnieje wiele certyfikowanych trójwarstwowych kominów systemowych złożonych z ceramiki, izolacji z wełny mineralnej i pustaków keramzytobetonowych. Ciekawym rozwiązaniem są systemy kominowe zawierające ceramikę izostatycznie prasowaną, nazywaną potocznie „ceramiką izostatyczną”. Niniejszy artykuł przedstawia wpływ zastosowania ceramiki izostatycznie prasowanej na bezpieczeństwo użytkowania komina.

Zakłada się, że zastosowanie ceramiki izostatycznie prasowanej poprawia bezpieczeństwo użytkowania komina, dlatego w artykule podjęto próby weryfikacji tej tezy w oparciu o własne badania empiryczne autora. Ponadto, w oparciu o literaturę i badania innych autorów, zweryfikowano hipotezę, że ceramika izostatyczna jest bardziej odporna na szoki termiczne niż ceramika tradycyjna.

Ceramika izostatyczna w systemach odprowadzania spalin. Bezpieczny komin

Technologia
Technologia produkcji wyrobów ceramicznych zasadniczo składa się z trzech podstawowych faz: przygotowania surowca, formowania kształtek, wypalania. Technologia produkcji wyrobów prasowanych izostatycznie polega na formowaniu kształtek w specjalnie zaprojektowanej do tego celu prasie. Surowiec jest dokładnie suszony, a następnie podawany do prasy w formie suchego proszku. Ściskany jest w formach pod bardzo wysokim ciśnieniem. Po formowaniu wypraska od razu trafia do wypalania. Proces ten różni się od formowania hydraulicznego właśnie momentem suszenia. Tradycyjną ceramikę formuje się z wilgotnej masy, a następnie wypraski są suszone i dopiero wypalane.

Kluczowe suszenie
Proces suszenia ma kluczowe znaczenie dla właściwości wyrobu końcowego. Podczas suszenia tradycyjnych wyrobów ceramicznych woda odparowuje z wyprasek, pozostawiając po sobie liczne pory. Wiele z tych porów pozostaje obecna również po zakończeniu procesu wypalania w postaci zamkniętych i otwartych porów, a także mikropęknięć. Te ostatnie powodują obniżoną wytrzymałość mechaniczną i termiczną wyrobu, a także stanowią główną przyczynę pojawiania się pęknięć podczas użytkowania [1]. W ceramice izostatycznej suszenie odbywa się jeszcze przed formowaniem, a zatem pory i mikropęknięcia związane z procesem suszenia wyprasek nie występują. Jest to pierwszy czynnik wpływający na zwiększoną wytrzymałość ceramiki prasowanej izostatycznie.

Drugi czynnik związany jest bezpośrednio z technologią formowania. Obróbka za pomocą jednoosiowego prasowania hydraulicznego (konwencjonalna metoda) jest zadowalająca przy formowaniu małych elementów. Jednak podczas produkcji długich rur lub kompleksowych części tarcie matrycowe skutkuje nierównomiernym zagęszczeniem materiału [3]. To z kolei powoduje naprężenia podczas pracy wyrobu i skutkuje również pojawianiem się mikropęknięć, a w konsekwencji uszkodzeniami wyrobu. Natomiast podczas prasowania izostatycznego surowiec jest ściskany równomiernie ze wszystkich stron. Tarcia mechaniczne w zasadzie nie występują, w wyniku czego powstaje homogeniczna struktura materiału. Największym atutem prasowania izostatycznego jest jednorodne zagęszczenie, które skutkuje przewidywalnym i powtarzalnym skurczem podczas dalszego procesu spiekania. Dzięki temu wyrób charakteryzuje się wysoką odpornością mechaniczną i termiczną.

Ceramika izostatyczna w systemach odprowadzania spalin. Bezpieczny komin

Właściwości
Ceramika izostatycznie prasowana jest przede wszystkim materiałem o niskiej nasiąkliwości i wysokiej odporności na szoki termiczne. Czyni ją to idealnym materiałem do zastosowania w technice kominowej. Poniżej omówione zostaną podstawowe właściwości ceramiki izostatycznie prasowanej pod kątem jej przydatności do zastosowania w produkcji kominów systemowych.

* Nasiąkliwość

Wartość współczynnika nasiąkliwości jest pochodną gęstości i porowatości materiału ceramicznego. Jak opisano w poprzednim rozdziale, ceramika izostatyczna charakteryzuje się mniejszą porowatością niż tradycyjna ceramika plastyczna. Stąd też bardzo niskie wartości nasiąkliwości. Według badań, zgodnie z normą EN 13063-2+A1:2007, współczynnik nasiąkliwość ceramiki izostatycznie prasowanej może wynosić poniżej 1%. To bardzo dobry wynik w porównaniu do ceramiki plastycznej, która osiąga wartości na poziomie nawet 7%. Niska wartość tego współczynnika ma znaczący wpływ na odporność na szoki termiczne wyrobu. Jeżeli ceramika jest nasiąknięta wodą, po poddaniu jej gwałtownemu wzrostowi temeperatury w jej porach następują mikrozagotowania, skutkujące powstawaniem pęknięć.

* Odporność na szoki termiczne i obciążenia mechaniczne

Materiały ceramiczne ogólnie są materiałami kruchymi, tzn. posiadają wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale niską wytrzymałość na rozciąganie. Podstawowym objawem zniszczenia materiału ceramicznego jest powstawanie pęknięć. Pęknięcia ceramiki powstają w wyniku obciążenia mechanicznego albo szoku termicznego. Pojawiają się w miejscach występowania porów, mikropęknięć lub nierównomiernego zagęszczenia materiału [1]. Dlatego tak ważna jest właściwa mikrostruktura ceramiki. Jak wcześniej omówiono, technologia produkcji ceramiki izostatycznie prasowanej zapewnia jej optymalną strukturę. Potwierdzają to również badania wykonane przez Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych [5]. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń stwierdzono, że próbki prasowane izostatycznie wykazały się większą wytrzymałością mechaniczną, wyższą gęstością właściwą oraz mniejszym rozrostem faz krystalicznych od próbek ceramiki formowanej hydraulicznie.

* Pozostałe właściwości ceramiki izostatycznej

Poza tymi najważniejszymi właściwościami ceramikę izostatyczną charakteryzują również:

– stosunkowo mała pojemność cieplna,
– mały ciężar,
– szybki i prosty montaż,
– możliwość stosowania w technologiach renowacyjnych,
– odporność na działanie kondensatu.

Podsumowując, ceramika izostatycznie prasowana jest nowoczesnym materiałem bardzo wysokiej jakości, który idealnie nadaje się do zastosowania w technice kominowej.

System kominowy
W tej części omówiona zostanie budowa systemu kominowego na przykładzie komina zbudowanego na bazie izostatycznej ceramiki. Komin ten składa się z pustaka keramzytobetonowego, wełny mineralnej dopasowanej do średnicy komina, rur i trójników ceramicznych produkowanych w technologii izostatycznej, a także akcesoriów spakowanych w pakiet montażowy.

* Izolacja kominowa

W ceramicznych systemach kominowych stosuje się przede wszystkim izolacje z wełny mineralnej. Jest to bardzo popularny materiał izolacyjny ze względu na swoje niewątpliwe zalety, do których należą:

– łatwa obróbka i montaż,
– dobra izolacyjność cieplna (współczynnik przenikania ciepła, lambda – λ, wynosi od 0,031 do 0,045 W/m * K) [2],
– niepalność,
– paroprzepuszczalność,
– nieszkodliwość.

Należy jednak uważać na jakość stosowanej wełny mineralnej. Pomimo że materiał ten jest niepalny, to stosowane w jego produkcji lepiszcze bywa różnej jakości i nie zawsze spełnia wszystkie normy bezpieczeństwa. Z doświadczeń wynika, że niewłaściwej jakości lepiszcze może się palić w stosunkowo niskich temperaturach (nawet około 300ºC), doprowadzając do wzrostu temperatury na zewnątrz komina, a także do rozpadu struktury samej izolacji. Warto więc zwracać szczególną uwagę na źródło pochodzenia wełny mineralnej: używać produktów renomowanych firm, dbających o jakość swoich wyrobów.

Kolejnym czynnikiem decydującym o funkcjonowaniu izolacji kominowej jest jej grubość. Izolacyjność cieplna rośnie wraz ze wzrostem grubości izolacji. Należy zauważyć, że systemy kominowe oparte na cienkościennej ceramice izostatycznej mają (przy wykorzystaniu tego samego pustaka) więcej przestrzeni na izolację niż systemy z grubościenną ceramiką plastyczną.

* Obudowy kominów ceramicznych

Na bezpieczeństwo systemu kominowego duży wpływ ma obudowa i materiał, z jakiego jest zbudowana. Najczęściej jest wykonywana z betonów lekkich na bazie keramzytu, ale do jej budowy są również używane inne materiały, jak np. pollytag. Materiał, z którego zbudowana jest obudowa, ma kluczowy wpływ na jej współczynnik przenikania cieplnego i wytrzymałość. Najbardziej pożądaną obudową jest taka, która jest bardzo dobrym izolatorem, a jednocześnie posiada dużą wytrzymałość na ściskanie.
Może to być np. obudowa wykonana z pustaków keramzytu drobno- i średnioziarnistego, który pozwala uzyskać λ ~ 0,1 W/(m*K). Keramzyt jest lekkim kruszywem budowlanym otrzymywanym przez wypalanie łatwo pęczniejących glin i iłów w piecach obrotowych (1200°C). To materiał obojętny chemicznie, bezwonny, który posiada wysoką izolacyjność cieplną, odporność na czynniki chemiczne i atmosferyczne oraz grzyby, owady i gryzonie. Jest materiałem pozbawionym związków palnych, mrozoodpornym, posiada małą nasiąkliwość i szybko oddaje wilgoć [4]. Keramzyt stosowany przez nas w frakcji 4-8mm waży 350 kg/m³.
Na rynku można spotkać też pustaki kominowe produkowane z pollytagu lub „ciężkiego” keramzytu o gęstościach przekraczających 700 kg/m³. Dwukrotnie większy ciężar nasypowy powoduje znacznie obniżoną izolacyjność obudowy. Coraz częściej spotykamy się z wyrobami produkowanymi przez lokalne betoniarnie, których jakość i parametry pozostawiają wiele do życzenia, brak badań i certyfikatów jest normą, liczy się tylko cena.
Żniwo problemów powstałych z zastosowania wyrobów bez certyfikatu zbieramy z pierwszymi mrozami. Wówczas pojawiają się zapytania użytkowników kominów: „Co zrobić, kiedy ściana jest zmrożona i występuje wsteczny ciąg?”. Obudowa jest integralną częścią systemu kominowego, odpowiadającą za szereg jego cech funkcjonalnych. Dlatego nie można jej lekceważyć.

Jakość a bezpieczeństwo
Jak powszechnie wiadomo, pęknięcia ceramiki stanowią duży problem dla użytkownika komina, wymagają bowiem natychmiastowej wymiany pękniętych elementów. Nieszczelności będą powodowały przenikanie wilgoci do zewnętrznych warstw systemu kominowego i jego stopniową degradację.

Ważniejsze jest jednak to, że pęknięcia ceramiki mogą bezpośrednio zagrażać bezpieczeństwu użytkowania komina. Na stanowisku prób ogniowych przeprowadzono testy z udziałem pękniętej rury ceramicznej w kominie. Zbudowano komin do próby zgodnie z wytycznymi normy EN 13063-1:2007. Na wysokości pierwszego stropu celowo zamontowano rurę ceramiczną z pęknięciem wzdłużnym o długości około 20 cm. Na konstrukcji drewnianej w odległości 50 mm od komina, naprzeciwko miejsca występowania pęknięcia, dokonywano pomiaru temperatury.
Pomiary były sprawdzane również w innych częściach komina, gdzie nie było pęknięć ceramiki. Wykonano dwie próby cieplne komina, jedną jak dla temperatury roboczej T600 (czyli w 700ºC do ustabilizowania się temperatury na zewnątrz komina), a drugą dla pożaru sadzy (czyli 30 minut w temperaturze 1000ºC). Wyniki pomiarów przedstawiono na wykresach. Linia o kolorze zielonym odzwierciedla temperatury w pobliżu pęknięcia. Linia czerwona wskazuje temperatury dopuszczone przez normę. Jak widać, w obydwu próbach temperatura w rejonie pęknięcia jest znacznie wyższa niż w pozostałych częściach komina. O ile podczas próby T600 temperatura ta mieści się jeszcze w bezpiecznym zakresie, o tyle w czasie pożaru sadzy przegrzanie może być tragiczne w skutkach.

Wynika z tego, że pęknięcia ceramiki mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo użytkowania komina. Należy więc stosować ceramikę jak najwyższej jakości. Ceramika izostatyczna, która jest mniej narażona na pęknięcia w porównaniu do ceramiki tradycyjnej, daje większe bezpieczeństwo jej użytkownikom.

Podsumowanie

Zauważyć należy, że pozytywnie zweryfikowano zarówno hipotezę o wysokiej odporności mechanicznej i termicznej ceramiki izostatycznej, jak i tezę mówiącą o tym, że zastosowanie ceramiki izostatycznej przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa użytkowania systemów kominowych. Technologia produkcji i wyjątkowe właściwości wyrobów wytwarzanych metodą prasowania izostatycznego zmniejszają ryzyko pojawiania się pęknięć we wnętrzu komina, a zarazem przegrzewania się na jego powierzchni.

dr Paweł Jarzyński

Literatura:

1. M. Madej, „Badanie odporności na pękanie materiałów ceramicznych”, KMIMP AGH, Kraków 2010.

2. MIWO – Stowarzyszenie Producentów Wełny Mineralnej: Szklanej i Skalnej, http://www.miwo.pl/1_39_Właściwości.html (30.08.2013).

3. „Podstawy teoretyczne prasowania izostatycznego”, http://wichary.eu/przemysl/prasy-izostatyczne/podstawy-teoretyczne-prasowania-izostatycznego (30.08.2013).

4. Portal Powiatowych Inspektoratów Nadzoru Budownictwa, http://www.pinb.pl/index.php?mn=prezgeo&sel1=2433&sel2=p (30.08.2013).

5. „Wpływ technologii na wybrane właściwości ceramiki węglika krzemu” (SIC), red. K. Perkowski, Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, nr 7, Warszawa-Opole 2011.


Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij