Теплоаккумулирующая способность материала, то есть способность материала удерживать тепло, оценивается удельной теплоёмкостью.
Удельная теплоёмкость — количество тепла (в кДж), необходимое для повышения температуры одного килограмма материала на один градус.
Например, вода имеет удельную теплоёмкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.
| Материал | Плотность, кг/м³ | Теплоёмкость, кДж/(кг*K) | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*K) | Масса ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, кг | Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг | Объем ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, м³ | Относительный объём ТАМ по отношению к объёму воды, м³/м³ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гранит, галька | 1600 | 0,84 | 0,45 | 59500 | 5 | 49,6 с учётом объёма пустот — 25% | 4,2 |
| Вода | 1000 | 4,2 | 0,6 | 11900 | 1 | 11,9 | 1 |
| Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия, температура плавления — 32°C, теплота плавления — 251 кДж/кг) | 14600 (твёрдое состояние), т
1300 (жидкое состояние), ж | 1,92 (твёрдое состояние), т
3,26 (жидкое состояние), ж | 1,85 (твёрдое состояние), т
1,714 (жидкое состояние), ж | 3300 | 0,28 | 2,26 | 0,19 |
| Парафин (температура плавления — 47°C, теплота плавления — 209 кДж/кг) | 786 (твёрдое состояние), т | 2,89 (твёрдое состояние), т | 0,498 (твёрдое состояние), т | 3750 | 0,32 | 4,77 | 0,4 |
Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем — гальку, гравий и т.п.
Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой теплоаккумулирующей способности по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объём и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объём 4,3 м³, в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объём 13,8 м³.
Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:
- нефть — 11,3;
- уголь (условное топливо) — 8,1;
- водород — 33,6;
- древесина — 4,2.
При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твёрдых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14–17 Вт*ч/кг, а в воде — 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:
- лёд (таяние) — 93;
- парафин — 47;
- гидраты солей неорганических кислот — 40–130.
| Материал | Удельная теплоёмкость, кДж/(кг*K) | Плотность, кг/м³ | Теплоёмкость, кДж/(м³*K) |
|---|---|---|---|
| Вода | 4,19 | 1000 | 4187 |
| Металлоконструкции | 0,46 | 7833 | 3437 |
| Бетон | 1,13 | 2242 | 2375 |
| Кирпич | 0,84 | 2242 | 1750 |
| Магнетит, железная руда | 0,68 | 5125 | 3312 |
| Базальт, каменная порода | 0,82 | 2880 | 2250 |
| Мрамор | 0,86 | 2880 | 2375 |
К сожалению, лучший из приведённых в таблице 2 строительных материалов — бетон, удельная теплоёмкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м³) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоёмкость на плотность материала, получим теплоёмкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2.
Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведённых материалов, имеет теплоёмкость на 1 м³ выше (2328,8 кДж/м³), чем остальные материалы таблицы, в силу её значительно большей удельной теплоёмкости. Низкая удельная теплоёмкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м³).
Комментарии