Zasadniczą cechą ogrzewania akumulacyjnego jest zdolność do gromadzenia energii cieplnej i oddawanie jej przez dłuższy czas, przy jednoczesnej możliwości ograniczenia okresów pobierania energii elektrycznej (tzw. okresów ładowania) do godzin pozaszczytowych, gdy jej koszt jest niższy. Ogrzewanie akumulacyjne korzystające z tzw. II taryfy zwykle pobiera tańszą energię w nocy w godzinach 22–6 oraz w dzień od godz. 13 do 15, przy czym dostawcy energii różnicują te okresy m.in. w zależności od pory roku.

Najważniejszym elementem ogrzewacza jest blok akumulacyjny wykonany z materiału o odpowiednich właściwościach, do których zaliczamy:

• dużą pojemność cieplną uwarunkowaną dużą gęstością i ciepłem właściwym materiału (pojemność cieplna musi być stabilna, tzn. nie powinna ulegać zmianom w kolejnych cyklach grzania i oddawania ciepła),
• dużą właściwą przewodność cieplną,
• stosunkowo małą rozszerzalność termiczną,
• dużą stabilność składu chemicznego i struktury substancji w trakcie pracy grzejnika,
• brak reakcji chemicznych z materiałem obudowy,
• bezpieczeństwo użytkowania (wykluczone jest stosowanie materiałów łatwopalnych lub wydzielających toksyczne substancje),
• dostępność i niska cena materiału oraz łatwość stosowania w masowej produkcji grzejników.

Stosowane w praktyce materiały z oczywistych względów nie są w stanie spełniać wszystkich tych kryteriów jednocześnie. W tablicy 1 zestawiono właściwości cieplne kilku wybranych materiałów. Z porównania danych wynika, że największą zdolność do akumulacji wykazuje żeliwo, zaś na drugim miejscu plasuje się magnezyt. Do zmagazynowania tej samej ilości ciepła potrzeba o ok. 17% większej objętości magnezytu niż żeliwa. Biorąc jednak pod uwagę wartości zestawione w kolumnie 3, należy stwierdzić, że blok akumulacyjny wykonany z żeliwa będzie o ok. 37% cięższy od bloku z magnezytu o tej samej pojemności cieplnej. Z tego względu w obecnie produkowanych grzejnikach akumulacyjnych stosuje się głównie magnezyt.

W pracy urządzeń do ogrzewania akumulacyjnego występują dwa cykle. W cyklu ładowania (nagrzewania) energia elektryczna pobierana z instalacji zużywana jest przede wszystkim do nagrzania rdzenia akumulacyjnego. Część jej zamieniona na ciepło oddawana jest także w tym czasie do otoczenia. W cyklu rozładowania ciepło oddawane jest do otoczenia na zasadzie promieniowania i konwekcji. Do zintensyfikowania procesu oddawania ciepła stosowane są grzejniki akumulacyjne z rozładowaniem dynamicznym. Zasadnicze znaczenie dla wymiany ciepła pomiędzy grzejnikiem a jego otoczeniem mają:

• przenikanie ciepła przez wielowarstwowe ścianki,
• wymiana ciepła pomiędzy elementami rdzenia a opływającym je powietrzem,
• wymiana ciepła na drodze konwekcji,
• przewodzenie ciepła przez ośrodki akumulacyjne,
• wymiana ciepła przy przepływie powietrza przez kanały grzejnika – zarówno przy przepływie naturalnym, jak i wymuszonym.

Przenikanie ciepła polega na wymianie energii pomiędzy dwoma przestrzeniami wypełnionymi powietrzem i przegrodzonymi ścianką. Zjawisko to obejmuje również przewodzenie ciepła przez przegrodę oraz przejmowanie ciepła z obu jej powierzchni. Dla zintensyfikowania procesu stosuje się przegrody żebrowane.

Wymiana przez konwekcję może odbywać się w trakcie swobodnego obiegu powietrza wywołanego ruchem powstałym w wyniku różnicy gęstości nagrzanych i zimnych jego cząstek. Może także następować w trakcie wymuszonego obiegu powietrza tłoczonego przez wentylator. Podstawową wielkością charakteryzującą to zjawisko jest tzw. współczynnik konwekcji. Zależy on od: naturalnego lub wymuszonego przepływu powietrza, temperatury i kształtu kanałów, przez które przepływa powietrze oraz charakteru przepływu powietrza przez kanały grzejnika.

mgr inż. Janusz Strzyżewski

Pełna wersja artykułu w czasopiśmie Ei 1/2018 oraz na portalu http://wirtualna-czytelnia.sigma-not.pl/wirtualna/start.xhtml