otwórz w nowym oknie / strona główna / oferta



Akumulowanie ciepła przez materiały ogniotrwałe


Wstęp

Warto rozwinąć nieco często słyszaną myśl - "szamot dobrze trzyma ciepło". To "trzymanie" jest skutkiem dwóch cech wyrobów szamotowych (i nie tylko), a mianowicie pojemności cieplnej (zdolności akumulowania ciepła), właściwie ciepła właściwego c [kJ/kg*K], oraz przewodności cieplnej, określanej współczynnikiem λ [W/m*K].
Tu kilka słów objaśnienia dla tych dwóch własności materiałowych.
Ciepło właściwe określa jednostkową ilość energii-ciepła jaką trzeba zużyć do zagrzania 1kg danego materiału o 1oC lub 1K (stopień Kelwina) - wszystko jedno, bo obie jednostki są sobie równe, a różnią się tylko skale - gdzie indziej panowie fizycy, od których nazwisk nazwy jednostek powstały, umieścili temperaturę 0.
Okazuje się, że materiały różnią się tą wielkością i to nieraz znacznie, a więc do zagrzania różnych mediów musimy zużyć różną ilość ciepła, co przekłada się na różną ilość paliwa czy energii elektrycznej. Do jakichkolwiek nawet przymiarek konstrukcyjnych tę wielkość należy bezwzględnie znać. Jak widać po jednostce tego współczynnika, po pomnożeniu go przez masę wyrażoną w kg i przez ilość stopni, o którą chcemy podgrzać dany element, otrzymamy ilość potrzebnej energii. Jeżeli interesuje nas gromadzenie ciepła w masie akumulacyjnej, a poziom ilości energii wynika z założeń, z obliczeń uzyskamy ilość potrzebnej masy. To jednak jeszcze nie wszystko, a właściwie dopiero początek - rzeczywista ilość zgromadzonego ciepła wynika z konstrukcji akumulatora - różne, nawet z tego samego materiału, mogą mieć różne parametry.

Współczynnik przewodności cieplnej λ określa natomiast jednostkową ilość ciepła, którą przewodzi dany materiał, właściwie kostka o jednostkowych wymiarach (wycięta z płyty o powierzchni znacząco większej od grubości). Jeżeli podzilimy go przez grubość ściany, pomożymy przez jej powierzchnię, różnicę temperatur na zewnętrznych powierzchniach i czas - otrzymamy ilość ciepła, które przepłynie przez ścianę. Jeżeli nie pomnożymy przez czas - otrzymamy moc takiej ściany, a jeżeli nie pomożymy jeszcze dodatkowo przez jej powierzchnię - otrzymamy moc 1m2 tej ściany. Na przykład: moc, z jaką będzie grzać 1m2 szamotowej ściany (λ=1,4[W/m*K]) o grubości 64mm (grubość podstawowej cegły) przy różnicy temperatur na zewnętrzych powierzchniach wynoszącej 100oC, będzie wynocić 1,4*100/0,064=218,75 watów na każdy metr kwadratowy.
Widać więc, że moc jednostki powierchni ściany, a więc i ilość przewodzonego przez nią ciepła, zależy wprost proporcjonalnie od współczynnika λ i różnicy temperatur, a odwrotnie proporcjonalnie od grubości ściany. Jest to zresztą oczywiste.
I znów, wracając do akumulacji, bardziej będzie nas interesowało ile taka ściana pochłonie ciepła zanim jego przepływ się ustabilizuje i obliczoną moc cieplną osiągniemy. Metr kwadratowy ściany z przykładu, wchłonie nam 128kJ ciepła na każdy stopień, o który ją podgrzejemy. Przy założeniu, że na początku miała 20oC, później zewnętrzne powierzchnie odpowiednio 40 i 140 stopni (różnica 100), jej średnia temperatura wzrosła więc o 70 stopni, a zgromadzona energia to 70*128=8960[kJ] na każdy metr kawadratowy. Nie jest to oszałamiająca ilość ciepła, bo to odpowada spaleniu około 0,5kg drewna, ale jeżeli ściana ma np. 10m2, to już odowiednio 5kg. Przewodność materiału właśnie będzie decydować o szybkości wchłaniania ciepła i szybkości jego oddawania, a tym samym pośrednio wpływać będzie na pojemność cieplną, bo rzadko spotyka się sytuacje, w których przepływy ciepła są ustabilizowane - to tylko w przypadku urządzeń pracujących w trybie ciągłym z niezmienną mocą.

Złożenie więc tych okoliczności, tzn. zakumulowanego ciepła i szybkości jego oddawania, warunkuje poziom zdolności akumulacyjnych materiałów.
Na tendencyjnie postawione pytanie, czy wyroby ogniotrwałe akumulują dobrze ciepło, należy odpowiedzieć, że raczej marnie. Cegła szamotowa może zgromadzić w przybliżeniu, odnosząc to do objętości, dwa razy, a odnosząc do masy, cztery razy mniej ciepła niż zwykła woda, dlatego dlatego na przykład w akumulacji w domowych instalacjach CO stosuje się zasobniki wodne. Tendencyjność pytania polega jednak na tym, że tak rzeczywiście jest, ale w temperaturach < 100oC. Wodę, jak wiemy, trudno i ryzykownie (w warunkach nieprzemysłowych) jest zagrzać do temperatur wyższych niż 100oC, dlatego ceramika ogniotrwała może tutaj jednak zrobić karierę.
Jednostkowe ciepło właściwe większości gatunków ceramicznych jest podobne i oscyluje wokół wartości 1[kJ/kg*K], dlatego należy dobrać materiał jak najbardziej zwarty, tzn. o jak największej gęstości (masie jednostki objętości). Szamot posiada gęstość około 2[g/cm3], dlatego na przykład w elektrycznych piecach akumulacyjnych stosuje się coraz częściej wyroby magnezytowe o gęstości > 3[g/cm3] lub magnetytowe (gęstość > 4). Niestety im bardziej zwarte wyroby, tym większa jest szybkości z jaką oddają one ciepło. Nawiasem mówiąc, tutaj, ze względu na pojemność cieplną odniesioną do objętości, bardzo ciekawy byłby w takim piecu rdzeń z żeliwa lub staliwa, bo dorównywałby tutaj wodzie - o ceramice w ogóle nie wspominając. Byłby jednak mało praktyczny z innych względów: byłby dużo cięższy i droższy. Zatem aby otrzymać dobry akumulator, należy ograniczyć strumień oddawanego ciepła poprzez izolowanie go od strony zewnętrznej (oddającej ciepło). Izolacją może tutaj być np. warstwa z wyrobów szamotowych zwartych, izolacyjnych (porowatych) bądź włóknistych. Taki blok akumulacyjny można bardzo intensywnie, wykorzystując właśnie wysoką przewodność, zagrzać za pomocą płomienia bądź grzałki elektrycznej przy wykorzystaniu II taryfy opłat, a potem przez dłuższy czas odbierać ciepło. W poczciwych i niesłusznie dziś zapomnianych piecach kaflowych taką rolę izolacji (ekranu) pełniły właśnie kafle. Poza tym w przypadku spalania uzyskujemy wyższą temperaturę dopalania i mniejszy stopień zanieczyszczenia przewodów spalinowych sadzą i smołą. We wspomnianych piecach kaflowych wypełnienie kafli materiałem izolacyjnym zamiast tradycyjnie gliną lub zaprawą zapobiegłoby zarastaniu wnętrza pieca sadzą i przyczyniłoby się do bardziej równomiernego oddawania ciepła, czyli lepszego naszego „trzymania” tegoż. Najlepiej byłoby to połączyć ze zmianą konstrukcji pieca tak, aby to ulepszenie nie powodowało zwiększenia strat kominowych. Przy zbyt intensywnym oddawaniu ciepła jego nadmiar i tak ucieknie nam przez wentylację, bo wnętrze nie „zdąży” go przejąć. Tu mała dygresja: dzisiaj zła sława, choć już może to mija, tych pieców bierze się raczej z kiepskiej izolacji starych budynków, w których one funkcjonowały ,i które potrzebowały intensynego ogrzewania. Mimo ostrego palenia i tak ciepło było tylko w pomieszczeniu z piecem, a rano zimno było wszędzie - to nie wina pieca.
Odwrotną sytuację mamy w tzw. rekuperatorach czyli wymiennikach, które mają za zadanie jak najszybsze przekazanie ciepła powietrzu wpływającemu z zewnątrz. Z taką sytuacją mamy do czynienia wtedy, gdy chcemy odzyskać energię cieplną ze spalin i przekazać ją powietrzu zasilającemu piec lub spożytkować w inny sposób, zatem podnieść sprawność układu. W opisanej sytuacji zależy nam na zastosowaniu materiałów o jak największej pojemności i jednocześnie dużej przewodności. Pomijam oczywiście wymienniki stalowe o małej bezwładności, ale te stanowią inny temat. Takim materiałem są np. wyroby z węglika krzemu (SiC). Dla porównania wyroby szamotowe, jak wspomiano, posiadają współczynnik λ na poziomie około 1,4[W/m*K] natomiast wyroby o zawartości 90% SiC odpowiednio około 20 (!). Przy okazji nadmienię, że wyroby SiC posiadają także dość wysoką gęstość, bo mieszczącą się w przedziale 2,5 — 3 oraz najwyższą z opisywanych materiałów odporność chemiczną. Właściwie wszystkie wskaźniki mają najwyższe, cenę niestety także, jednak przy zapotrzebowaniu na niewielką ilość warto rozważyć ich zastosowanie - niech to będzie tylko taki przykład.
Cały czas mowa jest oczywiście o materiałach sztucznych, tzn. takich, których własności cieplne nie zależą od kierunku, czyli izotropowych. Takie cechy posiadają wyroby ceramiczne i betonowe. W przypadku niejednorodnych materiałów naturalnych mogą następować dość nieoczekiwane zjawiska przewodzenia i akumulowania ciepła. Takim przykładem może być znany z budowy pieców domowych steatyt. Często jego parametry rozpatrywane są w kategorii magii, ale z tą nie ma to nic wspólnego. Ten minerał ma po prostu budowę warstwową i składa się z naprzemiennie ułożych faz o różnej przewodności. Płyta steatytowa lepiej przewodzi ciepło równolegle do powierzchni niż w kierunku prostopadłym. Daje to efekt lepszego rozprowadzania ciepła po bryle pieca i tym samym zwiększania rzeczywistej pojemności cieplnej całego urządzenia. Można jednak z powodzeniem takie zjawisko wykorzystać w konstrukcjach z materiałów ceramicznych poprzez stosowanie ścian wielowarstwowych - kombinacji wysokoprzewodzących materiałów i izolatorów. Wykorzystując brak wpływu grawitacji na rozchodzenie się ciepła w litym materiale, można zwiększać zgdolności akumulacyjne bez zwiększania masy.
c.d.n.

reframat.pl


Tematy powiązane:
Przewodność cieplna >>
Dobór materiałów >>
Wyroby formowane >>
Betony ogniotrwałe >>
Zasady budowy wymurówek ogniotrwałych >>


Pytanie?

Powrót do strony głównej