Горение твердого топлива

- Я пенсионер, дачник-садовод, обыватель, кладу и варю себе печки, топлю их. И хотел бы кое-что уточнить для себя и понять, общаясь с такими же обывателями, как и я. Обывателями, которые строили и строят страну, специалистами в своей области порой высокой квалификации. Но не с "профи", которые нас, обывателей (заказчиков, потребителей), порой за лохов держат. Поэтому, чтобы не общаться с известной "школой" и не затрагивать "религиозные" чувства, прошу обсудить следующую терминологию.

1. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ.

Зарождающееся в кружочке пламя от растопки нагревает окружающую древесину. До 180*С с выделением воды (неважно пока какой - потом детали уточним при необходимости). До 300г*С с разрушением лигнина, сначала с выходом газов до 230*С, а потом жидкостей («скипидара»). Древесина чернеет: это первичная сажа, порой самовоспламеняющаяся (сконденсировавшиеся бензольные кольца лигнина). При дальнейшем нагреве процесс уже зависит от наличия кислорода, может пойти по-разному. При 320*С начинает разрушаться гемицеллюлоза с выделением! тепла и саморазогревом. Сажа вспыхивает, воспламеняя обугливающийся слой (тление). А выходящие из древесины горючие жидкости (креозот-деготь) в виде тумана (белого дыма) воспламениться не могут из-за низкой концентрации в воздухе. Этот режим используется в герм. печках, но в США запрещен из-за дыма и запаха (токсичность). При тепловых потоках на древесину 14 кВт/кв.м, это соответствует тепловому излучению от поверхности излучателя с t 450*С, концентрация креозота у поверхности древесины достигает НКПВ=1%об. и белый дым в топке начинает воспламеняться. Когда вся топка прогревается до 450-500*С, белый дым из трубы исчезает, но может замениться черным /сажей/ от недожега креозота. Белый дым не путать с туманом воды при конденсации влаги из дымовых газов в морозы. Отсюда возникает первый из многочисленных вопросов: как же лучше разжигать печь? Сразу закладывая дрова /плотно на 2/3 высоты топки/ на разгоревшуюся лучину, как делают у нас в деревнях и на дачах и как предписывает ГОСТ 2127 и 9817? Или долго разогревая помаленьку топку лучиной, как предписывают власти! г. Аделаиды /Австралия/, чтоб не разносить запахи и дым по соседям? Или с помощью быстрого разогрева до 500*С верхних жаровых отражателей в топках, как предписывает правительство! США, чтоб не ухудшать экологию? Или просто закладывать порыхлее? Понимаю, соседский дым у нас пока не запрещен. Но креозот ведь пропитывает всю печь, не говоря уже о каменке. Ответы на вопросы нам понадобятся потом. А сейчас пока посмотрим постадийно, как разжигается печь, на решетку которой плотно уложена вся закладка дров, а сверху уложена растопка. Чиркаем спичкой и поднимаем ее вверх. Пламя голубое с желтым верхом горит как обычная свечка, или керосиновая лампа (обратите внимание на форму ее колбы), или газовая горелка на кухонной плите. Во всех этих объектах горит газ - пары неких углеводородов. Сразу напоминаем законы пламен. Внутри горючий газ, снаружи воздух, между ними оболочка, в которой идет реакция горения. В оболочке самая высокая температура / в спичке 1300гр/. Вязкость газов быстро растет с температурой - оболочка вязкая. Тепло из оболочки идет внутрь и наружу. Поэтому газ перед горением нагревается и претерпевает пиролиз - термическое разрушение. При нагреве любой углеводород отдает водород и стремится превратиться в бензольное кольцо - самое прочное образование из шести атомов в виде шестигранника (какими выкладывают аэродромы). Эти кольца легко объединяются в двойные кольца (нафталины), затем в тройные (антрацены) и так далее в сетку из шестигранников, которая и есть графит - углерод, сажа. Все эти соединения называются ароматическими и сильно пахнут (по-разному). Сажа образуется при нагреве креозота уже при 500град, попадает в оболочку, нагревается, придавая оболочке желтый цвет, затем сгорает сама по себе при наличии кислорода. Встречая холодные предметы, желтое пламя превращается в черный дым или копоть на поверхности. Зажгите свечу, поднесите к пламени кончик сгоревшей спички, осиновые спички пропитаны солями так, что углеродный остов ни сгорает, ни тлеет. Видно, что даже при нагреве кончика спички до красна (1000*С) видно появление дыма. Это значит, что касание светящегося (т. е. желтого) пламени стенок печи (даже с температурой 1000гр недопустимо), поскольку в печи тотчас появится черный дым, между прочим образовавшийся еще до! горения газа (паров креозота), выделяющегося из древесины. Чтобы избавиться от сажи, надо добавить в горючий газ немного кислорода и сжигать в воздухе газовоздушную смесь. В кухонной газовой плите горелка сначала добавляет в газ воздух И ТОЛЬКО ПОТОМ СЖИГАЕТ ГАЗОВОЗДУШНУЮ СМЕСЬ В ВОЗДУХЕ ГОЛУБЫМ НЕКОПТЯЩИМ ПЛАМЕНЕМ. Если перекрыть первичный воздух то пламя в горелке станет желтым коптящим. Глядя на горящую спичку или свечку начинаешь понимать что и дрова при умении можно сжечь голубым пламенем. Влияет и вода. Спичка или свечка нам горячей водой начинает метаться теряя и желтый и голубой цвет из-за газификации сажи. Лучистый поток от пламени на древесину или на парафин исчезает и из-за отсутствия паров горение срывается. При 14 кВт на кв м древесина горит голубыми зайчиками. При обычных же 100 кВт древесина горит желтыми языками-пламенами поскольку ввести воздух в потоки креозота в обычных условиях не удается. Самое главное что должен знать дачник - площадь оболочки пламени пропорциональна скорости подачи газифицированного креозота т. е. летучих. Чем больше вы подаете газа в кухонной плите тем тем больше не высота а поверхность пламени. Это следует просто из законов диффузии. Поэтому разбивая один большой факел на сто маленьких, ВЫ СНИЖАЕТЕ ВЫСОТУ ПЛАМЕНИ В ДЕСЯТЬ РАЗ. Поэтому чтобы низкая топка не дымила надо просто брать дрова помельче с доступом воздуха к каждому полену. Аналогично - разбавляете креозот инертной двуокисью углерода - увеличиваете площадь пламени. Уменьшаете концентрацию кислорода в топке - тем самым вы тоже автоматически увеличиваете площадь пламени. Даже если вы вытягиваете пламя в шнур через все дымоходы на крышу - все равно площадь пламени не изменится если не изменились концентрационные параметры. Все эти красивые длинные пламена характерны для герметичных печей и застекленных каминов. Но возвращаемся к жестокой реальности - стоим с зажженой спичкой перед печью понимая что прогреть ею ни массивную футерованную топку ни поджечь крупные дрова этой спичкой мы не можем. Помочь нам могут только два выдающихся изобретения древнего человечества.

На "языке дров" первое открытие казалось бы тривиально: поджечь (спичку от фосфорной головки, лучину от спички, щепку от угольков и т. п.) можно только тонкое "полено" (то есть спичку, щепку, лучину). Любому дачнику ясно. Все знают, что спичкой полено не поджечь. Но не все догадываются, что если все же полено-бревно как-то поджечь (например, снизу керосином телеграфный столб), то оно самостоятельно пламенем сгореть не сможет. Все знают, что полено спичкой не зажечь.

Столб может обгореть, затем совсем истлеть, но сгореть пламенем как спичка не сможет. Поэтому в Булерьянах здоровенные плахи тлеют, но не сгорают пламенем. Причина в том, что с увеличением "диаметра" полена, например в 10 раз, тепловыделение (поверхность горения) возрастает в 10 раз, а потери тепла на разогрев древесины (объем) в 100раз! Поэтому мелкие поленья могут гореть самостоятельно (можно поодиночке), а крупные - только с внешним подогревом (или в коллективе, грея друг друга). Поэтому второе изобретение - костер, где одно горящее полено греет другое рядом горящее полено. Так что огонь горит фактически не в печке (топке), а в микротопках между поленьями, в микротопках с горящими (и горячими) деревянными стенками. Горючие газы (креозот) поступают (выкипают) из раскаленных (обугленных) деревянных стенок и сгорают в воздухе, поступающем в микротопки. Если воздуха в микротопках не хватает, горючие газы образуют пламя над костром (над закладкой дров), горящее в так называемом "вторичном" воздухе. Пламя над костром указывает на неправильную организацию горения. Если в микротопки принудительно (по трубке от фена) подать необходимое количество первичного воздуха, то пламя и дым над костром исчезнет (горн). Однако в технике часто специально (и умеючи) создают длинный факел, причем светящийся (желтый, коптящий) для лучистого нагрева изделий и теплообменников.

Разжечь костер - это значит разжечь хотя бы одну микротопку. А разжигается микротопка также как обычная топка (но с деревянными стенками). Сначала поджигают то что может гореть самостоятельно в холодном окружении (бумага, щепа, лучина, мох-трава и др). Эта растопка помещается между хотя бы двух поленьев (дрова в одиночку в холодной топке не горят). Когда услышите треск, значит поленья (или лучина) уже не только воспламенились, но и начали обугливаться, т. к. трещат при разрывах обугливающиеся целлюлозные волокна (500-600*С). Пламя в микротопках с обуглившимися стенками всегда желтое, поскольку креозот нагревается (фильтруясь через обугленный слой) и выходит в микротопку уже дымным. Получить голубое пламя можно лишь подав воздух прямо в поленья под давлением, что естественно никто не делает. Чтобы сжечь дымные газы, надо подать в микротопку достаточное количество воздуха. А вот с этим как раз возникают наибольшие проблемы, поскольку воздуха требуется очень много - как минимум 5 кубометров воздуха на 1 кг полена. Если дрова разжигают наверху (с верху закладк), то воздуха еще может хватить на первые минуты, т. к. сама закладка играет роль решетки, через которую подается снизу воздух. А если растопка нахотится в самом низу, то нижняя микротопка вырабатывает весь кислород и в вышележащую микротопку поступает уже не воздух, а горячая смесь азота и углекислого газа, которая нагревать-то может, а сжигать не может. Поэтому возникает сложная картина - из одних микротопок (и фактически с поверхности одних поленьев или частей поленьев) выскакивает полностью сгорающее желтое пламя, из других черный дым (претерпевший пиролиз креозот), из третьих невидимые пары креозота, из четвертых туман креозота (в холодных местах например из удаленных торцов поленьев-концах капилляров) и т. п. Все это перемешивается (консолидируется) и выходит над закладкой в виде некого потока газов. Если над закладкой есть воздух, то то эти потоки газов воспламеняются в виде языков пламени. Особенно мощные потоки газов возникают в случае применения решеток, на которых накапливаются угли, выжигающие из воздуха весь кислород так. что подкладываемые сверху поленья лишь претерпевают пиролиз с выделением огромных количеств газов. Поэтому там, где нет необходимости длительного горения с непрерывным выводов пепла, применяют подовые топки, дающие более низкое пламя и меньший вынос пепла с дымом. Часто говорят, как разобраться с этой вакханалией огня над дровами? А надо лишь представить себе, что это просто потоки горючих газов, вырывающихся из закладки дров под разными углами с разными скоростями, а контуры языков - это границы (оболочки) между газом и воздухом. Горячая оболочка горячая и вязкая. Потоки воздуха раскачивают эти оболочки, вытягивают, скручивают иногда и рвут на части. Но самое главное обтекают (но не пересекают, не проникают) оболочку. Между оболочкой и движущимся воздухом образуется обычный неподвижный пограничный слой (вязкий), котором идет диффузия кислорода в зону горения (оболочку). Так что на расстоянии 3-5 мм от пламени господствуют потоки воздуха и конвективный тепломассообмен, а ближе 3-5 мм господствуют кондуктивный тепломассообмен. Так же и в бане - поток горячего воздуха от веника обтекает тело человека, передавая коже лишь 1-2 процента своего тепла (остальное тепло остается в потоке). Но я уклоняюсь. Главный вывод - недостаток воздуха в закладке. И это должно решаться с помощью дымовой трубы - одной на все микротопки, поскольку в каждую микротопку трубой не обеспечишь.

Воздух лучше (чтобы было низкое пламя) подавать в закладку, еще лучше прямо в поленья. Но как это сделать? Нужна специальная решетка, подающая воздух в нужном количестве во все горящие /именно и только горящие/ точки закладки. Попробуйте несколько типов объемных решеток, отберите лучшие и патентуйте. Будет неплохое изобретение, может и выдающееся, без шуток.

2. ОГОНЬ В ПЕЧИ.

Примерно 20 тыс. лет назад была придумана огнестойкая площадка для костра в помещении (норе, пещере, шалаше, землянке) в виде углубления в грунте или обваловки, в том числе и камнями (валунами). Римляне называли ее каминусом, турки - очагом, славяне - топкой. Затем площадку стали перекрывать сводом (по-латыни "камерой") сначала круглым купольным, потом туннельным арочным. Такую топку назвали печью. Курная печь имела лишь одно отверстие (жерло устье) для закладки дров и глиняной посуды, для ввода воздуха по поду и вывода дыма по перекрыше. Курная изба (и черная баня) являются такой же печью, только деревянной. Кстати это подсказывает, что в топливнике обычной печи можно обустраивать некую внутреннюю дополнительную печь, которая на современном языке называется жаровой камерой, подогревателем, тепло-газогенератором и тп. Потом снаружи! над! жерлом стали устанавливать зонт с дымовой трубой, сначала деревянной (дымник), затем глинобитной кирпичной. В последствие в трубе или зонте стали делать горизонтальный участок-боров для предотвращения провала холодного воздуха при растопке и догорании (аналог дымового зуба камина). Затем трубу вмонтировали в свод печи, а жерло прикрыли заслонкой. Печь оказалась под разрежением. Это позволило подавать воздух в дрова не как попало со всех сторон, как в костре, а направленной струей по поду под напором. Наконец в 16 веке появились многооборотные системы, в которых дымовые газы протаскивались по вертикальным каналам вверх-вниз как по шлангу (голландские). В каналах появились технологические расширения (полости) для духовок, регистров, каменок, в том числе топочные полости с горизонтальным пламенем, например, вдоль варочной плиты (шведские). В канально-полостных печах в каналах как в шланге течет сквозной однонаправленный поток за счет тяги трубы. В полостях же (как в сосудах) имеются кроме того циркуляционные разнонаправленные потоки (течения): свободноконвективные, инерционные, турбулентные. Любую полость (и транзитную, и тупиковую) можно разбить на параллельные и последовательные каналы с подавлением циркуляций.

Не интенсивность горения определяет подсос воздуха, а наоборот, скорость подачи воздуха определяет интенсивность горения твердого топлива. А интенс горения не увеличивает температуру продуктов сгорания / но может нагревать стенки/. Но даже если t в трубе повышается с 300 до 900*С, то тяга увелич только в 1,5 раза, а подача воздуха в 1,23 раза. Т. к. вязкость дыма возрастает в 4 раза, то ясно, что реально расход воздуха не увеличится. Поэтому печь идти в разгон не может. Расход регулируется только задвижками. Поэтому все происходит скучнее и проще. При заданной тяге, расход определяется только сопротивлением всего тракта, но не интенсивностью горения (причем неизвестно какого: углей? креозота?). И этот расход воздуха надо "правильно" распределить исходя из цели. Например не дать объединиться потокам креозота от разных поленьев или наоборот дать. Не любят, не понимают и боятся топок печники, предпочитают "наворачивать" всякие "хитрые" дымообороты, которые в действительности не столь уж важны и нужны по сравнению с топками и дымовыми (вытяжными) трубами. "А дрова пусть горят в топливнике" - машут рукой печники, порой не желая вникать, что же скрывается под термином "пусть". Ощущение саморазгорания-разгона возникает при наблюдении начальных этапов горения печи или костра, когда "расползание" огня в стороны увеличивает площадь столба дыма / и имитирует как-бы увеличение сечения дымовой трубы или открытие задвижки/ с увеличением расхода подсасываемого под дрова воздуха. Но и в этом случае не ясно, на горение каких дров пойдет добавочный воздух (наружних или внутрених, горящих или разгорающихся, углей или креозота)... Канальные печи / а сейчас они все такие, являются "прямыми" (однонаправленными), но свитыми в "клубок" для компактности. Как прямой шланг из водонапорного бака, который можно уложить как хочешь (зигзагами вверх-вниз, бухтой и др.), а вода будет течь по этим "сообщающимся сосудам" с той же скоростью (при отсутствии турбулентных переходов - местных газодинамических сопротивлений). В канальных печах горячий газ течет в нисходящем канале точно так же/ с тем же сопротивлением/, как и в восходящем. Затем швед Виман предложил особый топочный дымооборот - противоточный /contraflow/, позволивший печам безаварийно подсоединяться к коренным трубам. Такие топочные системы сейчас называют "топка в топке" - малотеплоемкими жаровыми камерами для быстрой бездымной растопки. В металлических печах жаровые камеры стали изготавливаться и в виде зонтиков над пламенем - "отражателей", инфракрасных подогревателей. Противоток делает печи широкими, массивными, красивыми, часто устраняет необходимость в дополнительных дымооборотах, но требует крупноразмерных перекрытий. Затем из паровых котлов в бытовые печки "перебрались" решетки с поддувалами. При этом возникла проблема дожигания пламен вторичным воздухом. Поэтому в соврем герметичных печах /air-tight stoves/ все чаще используют горячий под с изменяемым направлением дутья. В последние десятилетия стали выпускаться каталитические печки с выпуском дымовых газов через катализатор-нейтрализатор в форме керамической решетки. Катализаторы с напылением палладием (совместно с платиной и родием) начинают сжигать креозот и сажу при 180-260град, с легированием керамики окислами никеля кобальта ванадия марганца молибдена и др - с 300-500град. Для выжигания смолистой сажи /пропитанной креозотом/ из дымоходов издавна использовались соли меди.

Дым из трубы

Никто толком не задумывался, как горят дрова, хотя все знали и про пиролиз, и про деготь, и про дым из трубы.

Конденсация пара

Вот в вопросах конденсации пара и начнем разбираться. Точка росы дымовых газов от дров влажностью 25% при альфа 2,0 составляет примерно 50*С.

Верхнее горение

Бросили дрова на угли, они загорелось, и если печь подовая, то будет верхнее горение.

Страницы: ← предыдущая 1 следующая →

3. КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ: СУПЕРГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

Обобщим все печные системы с помощью известных гидравлических аналогий, предложенных Грум-Гржимайло. Вода тяжелее воздуха, поэтому занимает наинизшее положение. Холодный воздух тяжелее горячего, поэтому тоже занимает наинизшее положение (а горячий воздух всплывает вверх). Поскольку поведение воды известно всем, то открывается возможность выявить все возможные типы течений горячего газа. Вода может мыслиться в следующих динамических состояниях. 1. Наливаться в емкость (ведро), храниться и переноситься. 2. "Свободно" течь по поверхностям (реками), падать (водопадами), накапливаться (водоемами). Перепады давления минимальны - 0,1-1м на 1км. Все эти течения могут быть "взяты" в трубу, главное, чтобы труба не переполнялась, "не захлебывалась", чтобы в ней свободная поверхность воды. 3. При увеличении расхода, труба в какой-то точке "захлебывается". Свободное течение (водовод) превращается в стесненное (водопровод). Все, что перед захлебнувшейся точкой, заполняется водой (как в кухонной раковине): реки превращаются в горизонтальные каналы, водопады в нисходящие каналы, водоемы в заполненные водой сосуды (баки). Появляются даже восходящие каналы, в которых вода течет вверх! Вся система оказывается под давлением столба воды. Вода двигается "сама собой" под действием гравитационных сил, но с одной стороны под напором, а с другой стороны - чувствуя впереди стеснение / сопротивление, торможение/. 4. Наконец, к естественному напору может добавляться напор от насосов. Течения становятся принудительными.

Остается переформулировать все это на газы и посмотреть, что получается.

Ю.М. Хошев

Поделиться с друзьями: