В тази доста дълга статия ще се опитам да изложа основните въпроси свързани горенето на растителна биомаса (без маслодайни) като начин за отопляване и конструкцията предлагана при елементарните отоплителни уреди.
Без значение каква е биомасата става дума за три сходни като характеристики компонента – целулоза, хемицелулоза и лигнин. Това са производни на въглехидратите, които така обичаме да похапваме в някои варианти, но тук става дума за огромни молекули, които влизат в състава на влакна и клетъчни стени при растенията. За удобство споменаваме само целулозата, защото тя е и около 50% от общата маса на горивото. Целулозата е устойчива на окисляване. Затова дървените ни мебели си стоят непроменени. В състава на целулозата влизат хидроксилни групи (йон на водата състоящ се от една молекула кислород и една водород), които в процеса на реакция формират вода. Налице е и свободна вода в капилярите и междуклетъчните пространства. Водата в двете и форми е много дори в изсушената биомаса и това влияе на процесите. За да стигнем до окисляване трябва да нагреем биомасата до точка в която започва разпадане на веществото. Водата (свободната) пречи на достигане на температури на разпад защото разпределя топлината в целия обем (цепеница) и самата тя абсорбира енергия при изпаряването си.
Разпадането (пиролиза) започва при температури от 280оС. Принципно за старт на горенето са нужни 400оС , но разпалките ги подсигуряват още отначало. Тук е най-интересната част – разпадането включва залпово отделяне на летливи газове (СО, СО2, метан) и пари на по-тежки вещества (вода, масла, киселини и катрани), като в хода на нагряването им до 400оС от всяко отделно парче гориво излизат около 60% от горимите компоненти. В същото време части от целулозата се превръщат в структури от почти чист въглерод (дървени въглища), който гори бавно и при по-високи температури. Най-много въглерод се образува при 350оС.
Горенето създаващо горните елементи се нарича първично и се характеризира с недостиг на кислород за изгарянето на всички отделени газове, а въздухът използван в тази фаза се нарича първичен. Векове хората са употребявали топлината от тази фаза и са губили газовете и парите поради нуждата от организация на възходящите потоци и осигуряване на условия за изгарянето им. Малцина знаят, че въвеждането на скарата е едно от първите изобретения подобряващо първичното горене, тъй като намалява недостига на кислород, макар да ускорява самото изгаряне на материала. Така очертаваме първата дилема с, която производителите на печки трябва да се съобразят – първично горене (тлеене) при ниски температури/малко кислород води до формиране на повече дървени въглища, но в същото време е лоша предпоставка за изгарянето на отделените газове и пари.
Нека да огледаме така наречените еднокамерни устройства, които са масово разпространени на пазара. Те постигат КПД до 75% (може би до 78%) на възможно най-ниската производствена цена. Някои от тях се продават на цената на пелетни печки, защото са образци на дизайнерско изкуство.
Напоследък при много камини и печки често липсва скара (респ. пепелник) и това не е случайно, защото целят превръщането на по-голяма част от целулозата в бавно горящи въглища чрез редуциране на въздуха преминаващ през горящата купчина от една страна, а от друга да намалят загубите на материал чрез пропадане на малки въгленчета през скарата в пепелника. В тази конфигурация въздуха идва над или в основата на горивната камера като част от него участва като първичен, а друга се загрява и издига над купчината участвайки в (до-)изгаряне на отделените газове и пари – наричаме я вторичен въздух. Респективно това горене се нарича вторично и от успешното създаване на условия за неговото извършване зависи и ефективността на съответния уред. Във всяка печка е налице вторично горене – пламъците, които наблюдаваме, но не във всяка то бива пълноценно.
Предпоставките за максимално добро вторично горене са добре познатите ни от химията – температура, налягане ,смесване на гориво и въздух и време за реакция помежду им.
На първо място се разчита на топлината отделена при първичното горене за създаване на условия за вторично горене – ако сте избрали по-ниската температура на първично горене това затруднява вторичното и трябва да се компенсира впоследствие.
Налягане – всички домашни печки, които не използват вентилатори работят с леко подналягане (вакуум), тъй като в противен случай биха изпускали дим в помещението. Когато силно намалим подаването на въздух тягата в комина създава по-силно разреждане на газовете в горивната камера и така се затруднява срещата на горивните молекули с кислорода. В резултат имаме по-голямо количество СО вместо СО2 и освен, че изхвърляме този токсичен газ и други в атмосферата, губим и потенциалната топлина, която бихме произвели при пълно окисление.
Доброто смесване на въздуха с горивните газове е сериозно предизвикателство. Ако горивната купчина е в задната част на камерата, а въздуха идва отпред през вратичката е съвсем нормално част от този въздух да отлети нагоре без да се срещне с излитащите отзад горивни газове. За тази цел над горивото се поставят най-различни козирки, които да отведат газовете към свежия въздух. Тук конструкторите постигат различни успехи.
Време за реакция на компонентите – основен недостатък на еднокамерната конструкция е, че не може да осигури достатъчно условия за пълна реакция – време, смесване, температура. Бурно летящите нагорещени газове напускат горивната камера за секунда-секунда и половина и изминават 25-30 см преди да се озоват в димоотвода. В този си път те са в контакт с горната плоча на печката, тоест предават топлината от горенето към нея, което не дава възможност да се създадат най-добри условия за вторичното горене.
Двукамерни уреди. Името подсказва, че при този вид уреди отделените газове и пари се улавят и вкарват в пространство, което да осигури различни условия, необходими за пълноценно вторично горене – това са температури до 1100-1200оС плюс време за реакция. Ясно е, че при температури на първично горене около 500-600оС можем да достигнем 1200 само в процеса на вторичното горене. За целта трябда се вкара допълнителен въздух (ако е необходимо) и камерата да се термоизолира. Тя да има издължена форма, за да се осигури на горивната смес достатъчно физическо пространство и време за достигане на максималната температура в края на камерата. Посочените температури са разрушителни за стоманата като материал поради което стените на вторичните камери трябва да се облицоват с термоустойчиви материали (шамот). Едва след приключване на горенето можем да използваме получената топлина.
Печките тип „Канада“ декларират двукамерно горене без използване на скъпите шамотни облицовки. И при тях в тялото на уреда е поставена хоризонтална преграда подобно на козирките в еднокамерните. Отдолу са наредени дървата (без скара), а през процеп покрай преградата и вратата отделените газове и пари отиват в горната част на тялото, където се извършва вторичното горене с вкарване на нов въздух с тръбички. Подобрява се смесването на горивните компоненти и им се осигурява пространство за изгаряне. Особеност при този вид уреди са вградените тръби в корпуса, които опасват (минават през) първичната, така и „вторичната“ камера. Поради конвективния си ефект се рекламират като естествени вентилаторни елементи. Чудя се колко потребители се досещат, че по същество тези тръби способстват за снижаване на температурата за първично и вторично горене, което по мое мнение е съзнателно търсен ефект с цел запазване на метала от разрушаване. В крайна сметка печките тип „Канада“ работят дълго с КПД, което очевидно не съответства на възможностите на същинските двукамерни системи. Площта, която заемат в помещението е същата, каквато и котлите предлагани на пазара, но дори и най-простите и евтини котли постигат 84-85% КПД. Закупилите Канада печелят възможност за зареждане на сравнително голямо количество гориво, което да се използва постепенно в продължение на 8 часов интервал между зарежданията. Рекламираното „тлеене“, доколкото може да се нарече така е същото, както и при останалите уреди без решетка и пепелник.
Така стигаме до истинските шампиони в горенето – същинските двукамерни зидани камини (понякога и трикамерни) и така наречените „ракетни печки“.
При първичното горене единствената дилема, е дали търсим образуване на повече въглени или не. Остава да се осигурят оптимални условия за вторичното горене. Ако то стартира от по-ниска температура това означава, че ще са нужни условия, в които тя да се повиши до необходимите нива – 1100-1200оС. Това може да стане само с удължаване на пътя на газовете през вторичната камера и нейното изолиране, така че вътре да стане максимално горещо поне в крайния участък. Способ за компенсиране на ниска стартова температура е да се подава вторичния въздух на по-малки части поетапно по пътя на газовете тъй като подаден наведнъж той охлажда цялата смес и затруднява разгарянето, макар да осигурява повече стартов кислород. Завихрянето на сместа във вторичната камера е друг способ за удължаване на пътя на газовете и осигуряване на повече време за горене.
При зиданите горивни камери самия материал задържа топлината в себе си и я провежда по-бавно към околната среда, като се осигуряват по-добри условия за горене преди тя да достигне до повърхността на печката. Но поради масивността си се нагряват по-бавно и така достигат до работна температура за повече време, което влошава горенето при студена печка. Това може да се компенсира, като самата вторична камера се изолира. Изолация се прилага и във вторичната камера на ракетните печки, при които т.нар. „heat-riser“ представлява изолиран тунел от термоустойчив материал, през който минават газовете до пълното им окисление. Отдаването на топлината към околните помещения става едва след приключване на горивния процес без да се жертват горивни условия преди това. Ето защо ефективността при тази група уреди е максимална – около 90% КПД. 10% топлина се губи за отвеждане на димните газове вън от сградата, а не поради непълно изгаряне.
При Коминче установих, че 50-60оС температура на дима е достатъчна, но трябва да се има предвид, че при студено време и неизолиран комин лесно се достига точката на оросяване и водните пари, образувани при горенето започват да кондензират в комина. Затова повечето конструктори залагат поне 110-120оС температура на дима.
При камините изгорелите напълно газове се превеждат през акумулиращи топлината материали с цел събирането и отдаването постепенно след приключване на горенето. Най-често срещания вариант за ракетна печка е т.нар. „mass heating device”, което ще рече, че обилната топлина се предава в термален буфер – масив от глина, камъни и други материали с голям капацитет за поемане на топлина, включително и вода.
При разработване на Коминче се спрях на комбинация от горивна камера с решетка и познатия„heat-riser“. Първоначалните проби без решетка (както е при Гамера) ме сблъскаха с ограничение в дебелината на парчетата – дебелите цепеници просто угасваха. Трябваше да осигуря голяма температура на първичното горене преди да разчитам на вторичната камера да свърши докрай работата. Следващата стъпка беше да подавам дървесината частично, така както става при сибирските ракетни печки с отворен горивен джоб. Проблемът бе, че сибиряците ползват тънки дълги клони. Ако в открития отвор на ракетна печка опитате да сложите цепеница широка 12 см и дълга примерно метър (такива няма!) определено тя ще гори много по-лошо от тънките клони поради съотношението маса към повърхност. За да постигна горене на дебелите цепеници се наложи да ги разположа изцяло вътре в печката, а за да ги горя поетапно, а не по цялата дължина отделих обема, който ги държи изправени от останалата част на печката. Така преди достигане на решетката цепениците вече са загрети до 250-280оС и долната част гори стабилно в зоната с въздух.
Как да разпознаем дали една печка гори напълно ефективно? Това може да стане съвсем лесно с проверка на вторичните продукти. Саждите трябва да са напълно сухи и при стриване между пръстите да не оставят мазна чернилка. При почистване на кюнците опитайте да запалите с газова горелка натрупаните по тях сажди – ако започнат да тлеят или дори да горят, това означава, че част от горивните вещества не са усвоени. Визуално наблюдавайки комина в режим на загрята печка можете да се ориентирате относно горенето – ако има синкави елементи, това означава недоизгаряне. Димът трябва да е бял или светлобежов – в зависимост от вида дърва, които се употребяват. В ясни, слънчеви дни, когато влажността на въздуха е ниска водната пара, която предимно виждаме се поглъща бързо, докато неизгорелите частици гориво се реят и остават видими дълго след напускане на комина. Обратно – в дни с облаци и влага дима от комина остава дълго видим, но това не означава, че горенето е лошо, а просто, че атмосферата не е способна да погълне изпуснатата влага. Наличието на по-малко пепел в печката не е ясен критерий, защото част от пепелта може да бъде отвята в комина ако попадне пряко под струята на входящия въздух. Първия ми прототип на Коминче почти не формира пепел, но харчи с 50% повече гориво спрямо последния и губи топлина в комина.
В заключение трябва да се каже, че 15% разлика в ефективността трудно може да се усетят субективно. Множество фактори формират усещането ни за комфорт и влияят върху преценката ни – степен на изолация на сградата, вид на настилката на пода, препятствия за циркулация на въздуха в помещенията или на топлинната радиация. Наред с това сме склонни да оправдаваме направения вече избор и трудно приемаме разумни доводи, които го оборват. Обаче 16,66% разлика в КПД, означава 16,66 лева на всеки сто лева сметка или 150-250-300 лева на отоплителен сезон.
Ето линк към една много читава презентация за отоплението на дърва от щатския университет в Монтана.
А тук може да се запознаете с интересни факти относно използването на дървесината като източник на въглеводороди в миналото и днес, когато е изместена от изкопаемите източници. Страницата е на организацията по храните и селското стопанство към ООН.
Коминче - място за една добра печка 
Вашият коментар