Почему аккумулирование
Тепло от камина или печи распространяется двумя способами – конвекцией и излучением. В первом случае энергия передастся потоком воздуха, обтекающего нагретую поверхность, во втором – посредством электромагнитных волн инфракрасного спектра. Как правило, в обогревателе предусмотрено комбинирование этих двух способов.
Обычный камин с закрытой топкой осуществляет нагрев воздуха, а также излучает тепло непосредственно от пламени, через стекло. Такой прибор способен быстро нагреть помещение, но после прогорания дров отдача тепла также довольно скоро прекратится.
Закрытые камины могут работать в режиме длительного горения (при ограниченном поступлении воздуха в топку), но это приводит к понижению производительности и возможно только в не слишком холодные периоды или при поддержке других источников тепла. Кроме того, подобная эксплуатация вызывает загрязнение обзорного стекла (если нет специальной зашиты) и всего газового тракта продуктами неполного сгорания древесины. Так что для продления времени между закладками дров и равномерного поддержания температуры в отапливаемом помещении независимо от цикличности горения желательно предусмотреть аккумулирование тепла.
Запасать тепло впрок можно за счет использования достаточно массивной каминной печи, полностью или частично (например, в облицовке) выполненной из теплоемкого материала, оснащения камина встроенными накопителями, комбинирования его с дополнительными теплоемкими конструкциями, нагрева воды с передачей тепла в накопительный бак системы отопления. Все эти способы находят воплощение в домашних твердотопливных обогревателях.
Отметим, что аккумулировать энергию в конструкции камина можно с передачей тепла облицовочному материалу или без этого. Во втором случае кожух, в который помещается каминная тонка, делают теплоизолирующим, а накопленное конструкцией тепло отдается циркулирующему воздуху. Такой способ бывает предпочтителен в определенных условиях. Но нагрев облицовочного материала обеспечивает поступление в помещение лучевого тепла – куда более мягкого, чем от пламени горящих в топке дров, и без конвективных потоков, которые могут переносить пыль и восприниматься как сквозняк.
Из курса материаловедения
Материалы, из которых изготавливаются теплоаккумулирующие камины и печи, должны обладать рядом специальных свойств. Кроме прочности и стойкости высокой температуре основными значимыми характеристиками являются теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, непроницаемость для воды и газов.
Теплоемкость — способность материала или конструкции «вмещать» в себе то или иное количество энергии. В пересчете на массу различие в удельной теплоемкости основных материалов, применяемых в печном деле, не так уж велико: 0,8-1,0 кДж/кг ºС. Но, например, плотность полнотелого кирпича составляет 1,6-1,9, теплоемкого шамота – около 2.4, а талькомагнезита – почти 3,0 кг/дм³. То есть в одном и том же объеме кирпича вмещается примерно в 2,5 раза меньше тепла, чем в последнем из перечисленных материалов.
Хорошая теплопроводность исключает ситуацию, когда печь приходится долго топить, прежде чем она начнет отдавать тепло в помещение, а потом после вашего отъезда из загородного дома остается приличный запас уже не нужного тепла. При одинаковой конструкции обогреватель из материала с высокой теплопроводностью отдаст энергию более своевременно. Правда, ограждающие элементы теплонакопителя не должны быть и чересчур проницаемы для тепла, иначе аккумулятор разрядится слишком быстро. Коэффициент теплопроводности кирпича составляет около 0,64, теплоемкого шамота — 0,82, талькомагнезита — 6,4 Вт/(м х ºC).
Насчет коэффициента теплового расширения можно сказать следующее: чем меньше этот показатель, тем ниже вероятность, что со временем, после многократных циклов нагрева и охлаждения, материал и построенная из него конструкция начнут разрушаться.
Не все теплоаккумулирующие конструкции предполагают контакт с продуктами горения и воздействие на материал высокой температуры. Так, это не происходит, если накопление тепла идет в облицовке камина. Для их производства широко применяются не только огнеупорный талькомагнезит но и другие виды натурального камня — гранит, базальт, мрамор и т.д. По своим теплофизическим свойствам, не говоря уже об эстетических, горные породы достаточно хорошо соответствуют такому использованию. Например, плотность гранит 2,8 кг/дм³ удельная теплоемкость – 0,88 кДж/кг × °С, теплопроводность — 3,49 Вт/(м × °C).
Эффективны и облицовки из специальных бетонов. По своим свойствам искусственный камень нс уступает натуральному. Даже простой бетон с гравийным наполнителем сравним по характеристикам с природным материалом. Что уж говорить о модифицированных композитах. Ведь, например, компания Sordpies (Норвегия) добавляет в облицовочный бетой два десятка ингредиентов и армирует его мелкорубленой металлической проволокой. Не меньше «колдуют» над своими композитами и другие производители.
Хорошие данные для службы в теплоаккумулирующих обогревателях имеют металлы. Так, чугун характеризуется удельной теплоемкостью примерно 0,54 кДж/кг × °C, плотностью около 7,5 кг/дм³ и средней теплопроводностью в 50-60 Вт/(м ×°С).
Безусловно, стоит подчеркнуть особо универсальный материал: специальный печной шамот может быть использован в любой части камина или печи. Его уникальность состоит не только в высокой теплопроводности — шамот объединяет в себе хорошую обрабатываемость и очень высокую механическую прочность, из него можно сделать плиту даже толщиной всего 10 мм. Благодаря высокой пористости материала достигается продолжительная и равномерная теплоотдача. Водяные пары, выделяющиеся при сгорании дров в начальной фазе, поглощаются шамотом без ею повреждения.
Именно так можно назвать комбинацию теплоаккумулирующей облицовки с закрытой каминной топкой фабричного производства. Учитывая вышесказанное об облицовочных материалах и то, что масса такого комплекта может доходить до нескольких сотен килограммов (с точки зрения аккумулирования тепла большой вес является достоинством), к данному решению стоит присмотреться в первую очередь.
