WarmFires.ru

Рис. 73. Коэффициент кондуктивной теплопроводности зернистого (песчаного, кускового каменного или металлического) слоя X в зависимости от коэффициентов теплопроводности материала твёрдых зёрен (кусков) ^т и газа ^г при различных пористостях слоя е, равных отношению объёма пустот (объёма газовой фазы) к общему объёму слоя (сумме объёмов твёрдой и газовой фаз).

Таким образом, динамика нагрева (или охлаждения) раскалённой плиты под каменкой будет определяться в каждый конкретный момент соотношением теплопритока снизу (от пламени) и теплооттока вверх через каменку в помещение. Методики подобных нестационарных расчётов сложны и доступны лишь для упрощённых моделей. В банной практике численные оценки никогда не используются, тем более в дачных банях, хотя бы потому, что каменки всё больше превращаются ныне из технологических узлов в чисто украшательный элемент бань и самих печей. В рядовых условиях дачник пользуется интуитивными понятиями, например, соображениями, что чем более плотно прижаты между собой камни, тем быстрее прогревается весь объём каменки в контейнере (на плите), в отличие от фильтрующей каменки, где камни должны быть уложены как можно более рыхло для свободного прохода дымовых газов.

Дачник чаще всего непосредственно обращается к каменке лишь при поддачах, когда каменка уже полностью разогрета. Поэтому дачника больше интересуют не особенности её прогрева во времени, а сведения о её возможном конечном температурном состоянии в условиях её полного прогрева. Такая стационарная задача намного проще для оценок и более наглядна для понимания, чем нестационарная: достаточно знать единственный параметр - коэффициент теплопроводности каменки.

При низких температурах до 100-200°С, когда роль лучистого тепло-переноса не является определяющей или существенной, кондуктивная теплопроводность зернистого слоя определяется пористостью (порозно-стью) слоя с (отношением объёма пустот в слое к общему объёму слоя).

Рис. 74. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности зернистого слоя с пористостью 8=0,5: 1 - кондуктивная теплопроводность каменки из кусков базальта, 2 -кондуктивная теплопроводность каменки из кусков углеродистой стали, 3-6 - лучистые теплопроводности каменки из кусков материала любой породы (со степенью черноты, равной единице) с размером кусков (зёрен) 0,5 см (кривая 3), 1 см (кривая 4), 2 см (кривая 5), 5 см (кривая 6). Истинная теплопроводность слоя складывается из кондуктивной и лучистой составляющих.

При обычной пористости СЛОЯ 8 =0,5 (объём пустот составляет 50%) теплопроводность слоя камней составляет примерно 10% от теплопроводности камней (2-4) Вт/м-град (рис. 73), то есть равна примерно теплопроводности древесины (0,2-0,4) Вт/м-град (рис. 74). Если в качестве камней использовать металлические куски (болванки, чушки, шары и т. п.), имеющие теплопроводность в 10 раз большую, чем камни, то теплопроводность слоя кусков металла составит примерно (0,3-0,5) Вт/м-град (рис. 74), что соответствует теплопроводности пустотного кирпича. Ясно, что такие каменки являются фактически теплоизоляторами, внешними утепляющими облицовками печи, повышающими температуру металлической стенки печи, к которой они прикасаются.

Пористость каменок на уровне 8=0,5 является наиболее типичной. Но при специальной форме элементов (зёрен) каменки пористость может быть уменьшена теоретически до нуля, и теплопроводность каменки в таком случае была бы равна теплопроводности материала элементов (зёрен) каменки. Например, если камни для каменки изготовить из металла в виде одинаковых кубиков, то аккуратной послойной укладкой или тщательной утряской можно получить плотную упаковку, именно теплопроводность на уровне монолитного металла. Такая технология используется в ряде технологических аппаратов, в частности при заполнении ядерных реакторов графитовыми блоками (кирпичами). Можно использовать также плотную упаковку сферических элементов, применяемую, в частности, в ТВЭЛах (тепловыделяющих элементах) ядерных реакторов или рецептурах ракетных топлив. Напомним, что шарики одинакового размера утряской упаковываются с пористостью (пустотностью) на уровне 0,24. Если в пустоты между шариками поместить шарики меньшего размера, то пористость ещё больше уменьшится. Подобрав таким способом необходимый фракционный состав шариков, можно теоретически добиться очень низкой пористости засыпки, высокой её теплоёмкости и теплопроводности. Впрочем, останавливаемся мы здесь на этом в чисто постановочном плане, чтобы показать, что технология каменок для бань может совершенствоваться (при необходимости) бесконечно.