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Materiali ceramici hi-tech per stufe a pellet
Energia: da ENEA materiali ceramici hi-tech per stufe più performanti e meno inquinanti
Alessandra Strafella ENEA - Laboratorio di Tecnologie dei Materiali di Faenza - ENEA
ENEA ha realizzato un prototipo di braciere in materiale ceramico per stufe a pellet, in grado di ottimizzare il processo di combustione per la produzione di calore e ridurre le emissioni inquinanti.
A metterlo a punto con stampa 3D, il Laboratorio di Tecnologie dei Materiali Faenza nell'ambito del programma di Proof of Concept (PoC) promosso dall'Agenzia per incrementare il trasferimento di tecnologie innovative alle imprese e ridurre il divario tra i risultati della ricerca e il loro potenziale utilizzo/commercializzazione.
"Questo progetto ci ha consentito di mettere a punto processi, materiali e tecnologie all'avanguardia che potremo applicare per progettare e realizzare nuovi componenti dalle forme complesse e dalle elevate proprietà chimico-fisiche e termomeccaniche, come ad esempio bruciatori e microturbine per la produzione di energia, ma anche per i settori automotive e aerospazio", spiega Alessandra Strafella, ricercatrice del Laboratorio ENEA di Tecnologie dei Materiali Faenza.
"I bracieri sono tra i componenti più studiati per ottimizzare le prestazioni delle stufe, tenuto conto che sono sottoposti alle condizioni operative più gravose. Devono avere, infatti, notevoli proprietà termomeccaniche per mantenere la loro forma nelle condizioni di utilizzo, come la resistenza agli shock termici, all'usura e all'ossidazione" aggiunge Strafella.
Nei generatori di calore domestici, quali ad esempio stufe a pellet, si può ottenere un miglioramento del rendimento con l'ottimizzazione della combustione, della fluidodinamica e del controllo dei fumi.
Tali fattori sono strettamente connessi alla temperatura massima di esercizio: l'aumento di questo parametro infatti può portare a massimizzare lo sviluppo di calore prodotto, influenzare la fluidodinamica del sistema e favorire l'ossidazione completa del combustibile, riducendo così le emissioni di CO, Carbonio Organico Totale (TOC) e polveri.
Poter incrementare le temperature di esercizio delle stufe risulta perciò vantaggioso in termini di miglioramento del rendimento di un generatore di calore domestico e di riduzione dell'impatto ambientale, dunque di una maggiore sostenibilità.
I bracieri in ghisa più diffusi in commercio non consentono un aumento significativo della temperatura di esercizio in quanto hanno il limite del decadimento delle proprietà a temperature prossime a quelle di fusione.
L'elevata resistenza termomeccanica, chimica e all'usura dei materiali ceramici tecnici garantisce al braciere condizioni di funzionamento più costanti ad alte temperature1, ma finora gli elevati costi di produzione hanno limitato la loro diffusione su larga scala.
"Nel nostro laboratorio siamo riusciti a superare questo limite grazie alla stampa 3D, che permette di ottenere componenti dalla geometria complessa minimizzando la quantità di materiale necessario per la formatura, le lavorazioni meccaniche post processo, i tempi di realizzazione e, infine, il consumo di energia in quanto la produzione del componente avviene a temperatura ambiente, rendendo l'intero processo altamente sostenibile", conclude la ricercatrice ENEA.
Nel dettaglio, la prima fase della sperimentazione ha previsto l'individuazione di un materiale ceramico avanzato - la tialite (titanato di alluminio)- con un'elevata resistenza allo shock termico (proprietà fondamentale per le fasi di accensione e di spegnimento del braciere).
Il team ENEA ha poi sviluppato una pasta ceramica a base acquosa, ottimizzata per ridurre al minimo l'utilizzo di additivi organici e renderla compatibile con la tecnologia di stampa 3D. Lo sviluppo della pasta di tialite più idonea alla tecnica di Additive Manufacturing scelta (LDM, Liquid Deposition Modeling) ha previsto diverse fasi:
- caratterizzazione reologica della pasta, al fine di individuare le percentuali minime dei diversi elementi costituenti (disperdenti, ispessitori, polvere di tialite);
- produzione tramite stampa LDM di geometrie standard in pasta di tialite;
- sinterizzazione della piastra fino all'ottenimento del materiae sinterizzato di ceramico avanzato tialite da stampa 3D LDM, con simultanea messa a punto del processo, finalizzata all'ottimizzazione dei consumi energetici e al mantenimento delle proprietà finali del materiale sinterizzato;
- caratterizzazione chimico-fisica, microstrutturale e termomeccanica del materiale ottenuto.
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.
"I bracieri sono tra i componenti più studiati per ottimizzare le prestazioni delle stufe, tenuto conto che sono sottoposti alle condizioni operative più gravose. Devono avere, infatti, notevoli proprietà termomeccaniche per mantenere la loro forma nelle condizioni di utilizzo, come la resistenza agli shock termici, all'usura e all'ossidazione" aggiunge Strafella.
Nei generatori di calore domestici, quali ad esempio stufe a pellet, si può ottenere un miglioramento del rendimento con l'ottimizzazione della combustione, della fluidodinamica e del controllo dei fumi.
Tali fattori sono strettamente connessi alla temperatura massima di esercizio: l'aumento di questo parametro infatti può portare a massimizzare lo sviluppo di calore prodotto, influenzare la fluidodinamica del sistema e favorire l'ossidazione completa del combustibile, riducendo così le emissioni di CO, Carbonio Organico Totale (TOC) e polveri.
Poter incrementare le temperature di esercizio delle stufe risulta perciò vantaggioso in termini di miglioramento del rendimento di un generatore di calore domestico e di riduzione dell'impatto ambientale, dunque di una maggiore sostenibilità.
I bracieri in ghisa più diffusi in commercio non consentono un aumento significativo della temperatura di esercizio in quanto hanno il limite del decadimento delle proprietà a temperature prossime a quelle di fusione.
L'elevata resistenza termomeccanica, chimica e all'usura dei materiali ceramici tecnici garantisce al braciere condizioni di funzionamento più costanti ad alte temperature1, ma finora gli elevati costi di produzione hanno limitato la loro diffusione su larga scala.
"Nel nostro laboratorio siamo riusciti a superare questo limite grazie alla stampa 3D, che permette di ottenere componenti dalla geometria complessa minimizzando la quantità di materiale necessario per la formatura, le lavorazioni meccaniche post processo, i tempi di realizzazione e, infine, il consumo di energia in quanto la produzione del componente avviene a temperatura ambiente, rendendo l'intero processo altamente sostenibile", conclude la ricercatrice ENEA.
Nel dettaglio, la prima fase della sperimentazione ha previsto l'individuazione di un materiale ceramico avanzato - la tialite (titanato di alluminio)- con un'elevata resistenza allo shock termico (proprietà fondamentale per le fasi di accensione e di spegnimento del braciere).
Il team ENEA ha poi sviluppato una pasta ceramica a base acquosa, ottimizzata per ridurre al minimo l'utilizzo di additivi organici e renderla compatibile con la tecnologia di stampa 3D. Lo sviluppo della pasta di tialite più idonea alla tecnica di Additive Manufacturing scelta (LDM, Liquid Deposition Modeling) ha previsto diverse fasi:
- caratterizzazione reologica della pasta, al fine di individuare le percentuali minime dei diversi elementi costituenti (disperdenti, ispessitori, polvere di tialite);
- produzione tramite stampa LDM di geometrie standard in pasta di tialite;
- sinterizzazione della piastra fino all'ottenimento del materiae sinterizzato di ceramico avanzato tialite da stampa 3D LDM, con simultanea messa a punto del processo, finalizzata all'ottimizzazione dei consumi energetici e al mantenimento delle proprietà finali del materiale sinterizzato;
- caratterizzazione chimico-fisica, microstrutturale e termomeccanica del materiale ottenuto.
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.
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Fonte: La Termotecnica giugno 2023
Mercati: Chimica, Petrolchimica, Plastica
Parole chiave: Stampanti 3d
