За КПД-тата и начините за тяхното увеличаване – първа част

Няма грешка в заглавието. КПД-то не е в единствено число. Ако си дадем труд да потърсим в специализираните сайтове, ще открием, че при отоплителните уреди работещи с някакъв вид химично гориво се анализират два аспекта на тяхната работа – термална ефективност (thermal efficiency) и горивна ефективност (fuel efficiency).

С първия аспект потребителите са добре запознати – да вземеш колкото се може повече от добитата топлина. Почти всеки е добавял лира или повече кюнци. Има куп мнения, снимки и реклами за добавени вентилатори, радиаторни приставки, стоящи върху печката и прочее. И разбира се няма да намерите изчисления показващи евентуалния принос към термалната ефективност на уреда. Разчита се на индивидуалния усет у потребителя и приемливата цена на приставката. Всяка приставка, която не добавя отдаваща площ към тази на печката или кюнците си е чиста проба самозаблуда, но е добре да знаем и последиците ако успеем реално да отнемем от температурата на димните газове.

Конструкторите въобще не са малоумници, които просто са „пропуснали“ да хванат всяка възможна калория произведена при горивните процеси в печката. Те просто се съобразяват със състава на отработените газове за конкретната конструкция на отоплителния уред. Ако става дума за обикновена еднокамерна печка инженерът е наясно, че при усвояване на 60-70% от горивото неизгорялата част от него поема през кюнците смесена с въздух и водни пари към коминната тръба. Придвижвайки се нагоре тази отработена смес допълнително се охлажда. Ако преминава през неотоплявани етажи охлаждането е още по-силно. Така на изхода загубите на температура са поне 30-40 градуса. Горещия въздух, излизащ от печката съдържа огромен процент водна пара. Тя е отпадно вещество от процеса на горене в едната си част, а в друга съдържащата се в дървата влага. Както знаем горещия въздух може да поеме повече влага от студения така, че при охлаждане част от влагата започва да кондензира дори над 100^оС. Затова конструкторите залагат температура от поне 160^оС на изхода на печката, за да са сигурни, че до изхода парите ще са поне на 120^оС.

Какво става ако вземем още малко от тази енергия и допуснем конденз. Образуват се малки капчици мъгла, които полепват по стените на кюнците и комина, за тях се закачат малки частици сажди, които от своя страна стават център за кондензация на още вода, но и на всякакви други вещества. А както споменах по-горе това са сажди и най-вече неизгорели въглеводороди от всякакъв вид. Образува се лепкава маса наречена креозот, която е силно запалима и може да развие температури до 2000 градуса ако бъде запалена от искра. В състояние е да разруши комините, а също така и да запали гредите на покрива, ако премине през пукнатини в тръбата. Креозота се намира най-вече в комина, а в кюнците, които са принципно по-горещи се натрупват горими сажди.

Вече чувам въпроса: Ами нали ти демонстрираше как можеш да държиш ръката си на кюнеца над Коминче, което значи, че охлаждаш твърде много газовете и създаваш условия за образуване на креозот?! Наистина го направих, но ако погледнете статията за сезонното чистене на кюнците ще видите, че креозота при Коминче не съдържа горими вещества. Същото е положението и при пиролизните котли, които могат да си позволят доста по-ниски температури на изходящите газове, а при пелетните устройства, където и нивото на влага в самото гориво е 5%, вместо типичните за дървата 10-15% може „безнаказано“ да се предвидят още по-ниски температури на изгорелите газове и така термалната ефективност да се повиши максимално. Коминче образува креозот, който за щастие не е пожароопасен и може да се премахва по химичен начин (ето как става това тук).

Така стигаме до второто КПД – горивната ефективност. Три фактора предпоставят доброто горене – смесване, температура и време. На английски правилото на трите t-та (turbulence, temperature, time).

1. Смесването на горивни газове с въздух е първата предпоставка и турбуленцията е основния начин за „разбъркване“ на тези газообразни вещества. Горенето при всяка купчина дърва създава донякъде условия за турбуленция, особено ако се загледаме вътре в самата купчина, там пламъците около някое парче дърво са дори сини. Запомнете този цвят, защото той е индикатор за добро горене, а не палавите жълти пламъци. В хода на термично разлагане на дървесината отделянето на горивни газове е най-силно в началото и постепенно намалява. Това означава, че първоначално е налице повече гориво, за което вероятно наличният въздух не достига, а към средата на горенето въздухът идва в повече додето структурата на купчината не се спихне при разпадането на дървата на въглени. Извън самата купчина смесването на гориво с въздух се подобрява само ако нагретите потоци срещнат някаква преграда, сблъсъка с която да им позволи да се срещнат, а турбуленцията около преградата да ги смеси.
2. Температурата, при която се извършва горенето е вторият фактор известен ни от часовете по химия в прогимназията. Колкото е по-висока, толкова е по-пълна реакцията между окислителя и окисляемото вещество. Хайде да си представим вътрешността на една съвременна камера за вграждане или стояща печка с красиво голямо стъкло. Какво виждаме? Купчина дърва разположени на основните плочи, може и облегнати на задната стена. Стената е от вермикулит, страниците също са от този материал с приятен жълт цвят. В някои камери стъклата са от трите страни. Камерата е запълнена максимум 50%, но в повечето случаи и по-малко. Целта е дървата да са по-далеч от стъклата, за да не ги опушват. Един от видовете отвори за въздух са разположени така, че да създават въздушна завеса, която също да предпазва стъклата от осаждяване. Това означава, че топлината от горенето се разпределя в поне два пъти по-голям обем от този на купчината и отгоре на това откъм стъклата идва директно студен въздух (той се нарича измиващ – flush air). Ако камерата не е изцяло покрита с плочи (както е при моето Прити отпреди 10 години) топлината започва да преминава през металните стени веднага към помещението. Ако имате три остъклени стени значи камерата ви губи топлина. Това е добре за потребителя, но не и за горенето. Оранжевите пламъци показват 980-1000 градуса. Жълтите пламъци говорят за температури от порядъка на 1100-1200 градуса в самия пламък, но извън светлите езици температурата спада, а там летят горивни газове и те не се окисляват толкова добре, колкото трябва. В купчината дърва, където топлината се запазва между парчетата пламъците се оцветяват в бяло – 1315-1400 градуса и дори в синьо – което сочи за температури от 1450-1650 градуса. Но само в близост до цепениците. За пълно изгаряне ни трябват 1300^оС в цялата камера! Така стигаме до първия компромис, който инженерите трябва да направят с горивната ефективност – дали да търсят повишаване на температурата в камерата или да търсят друго решение. Ако повишат температурата това води до ускорено разпадане на горивото на газове от една страна, което пък води до нужда от още повече въздух, за да бъде то употребено и в крайна сметка до нежелано пиково загряване и бързо изразходване на количеството заредено в камерата. Затова те правят следното: подават една част от въздуха към дървата, слагат преграда в камерата над кладата и подават отделно въздух директно под нея или в точки, които да осигуряват добро смесване без да разгарят самото гориво излишно. В пространството над преградата се извършва доизгаряне. Но, ниската стартова температура от една страна и факта, че на този етап околните повърхности на тази условна „вторична“ камера са метални водят до температури на горене отново в същия диапазон – 800-900 градуса, ако изобщо успяват да ги достигнат. Ето линк към изследване на норвежки учени, където на стр. 4 може да видите разпределението на температурите в стандартна печка от 5квт. Не е трудно да се види, че зоните с висока температура са не повече от 35% от общия обем. Попитах изкуствения интелект кои са оптималните температури за пълно изгаряне на горивните газове. Според официални източници, използвани от ИИ, температурата в основната горивна камера трябва да бъде в границите от 427 до 649^оС. Освен това източниците сочат, че всички модерни печки на дърва разполагат с вторична горивна камера, където доизгарянето на неусвоената част от горивото става при температури от 1200 до 1300^оС.

На сайта на популярен в САЩ производител на камини и печки на дърва може да намерите информация относно ефективността при печките без катализатор и новото поколение, което включва тази добавка. Използването на катализатор за пълно изгаряне при температури по-ниски от 1300^оС вече е факт и следва общия тренд от автомобилостроенето за намаляване на въздействието върху околната среда.

Сигурно ви е направило впечатление, че условията за най-добра термална ефективност – нисък темп на горенето и максимално охладени изходящи газове се сблъскват с тези за горивната ефективност – високи температури, повече кислород, горещи газове на изхода. Налагат се компромиси, които водят до различни крайни резултати в зависимост от конструкцията на отоплителния уред. От лоша горивна ефективност можем да загубим до 90% от енергията в горивото. От лоша термална ефективност можем да загубим до 50%. Ето защо по принцип производителите винаги препоръчват печките да се пълнят догоре и огъня в тях да е интензивен. Когато са осигурени условия за добро изгаряне могат да бъдат предприети стъпки за акумулиране на излишната топлина, така че тя да бъде отдадена в помещенията плавно след изгаряне на горивото в камерата.

Как се справя Коминче със задачата да максимизира и двете ефективности?

Коминче може да си позволи да поддържа температури на първично горене над 600^оС по две причини – на първо място, защото изгаря поетапно зареденото количество дърва, при това запазвайки структурата на дървесината максимално дълго и второ – поради минималните загуби от разсейване. Първичното горене се извършва в обем от около 5,5 литра, при което между цепениците почти няма отстояние. Генерира се гориво за 6,5 киловата максимална мощност в условия на недостиг на кислород, поради което в първичната камера се развива половината от общата мощност – около 3,25 киловата или около 0,59 киловата на литър. За сравнение нормална 17 киловата печка има около 72 литра обем на камерата или 0,236 киловата на литър. Сиреч в камерата на Коминче концентрацията на енергия е около 2,5 пъти по-голяма. Можете да видите какво се случва с пламъците, излизащи от първичната камера при Коминче при досега им с вторичния въздух – бяло-виолетовия цвят говори съвсем ясно. На комина почти няма дим.

Надявам се изложената по-горе информация да стане повод на всички, които не са се замисляли досега, да оценят усилията на поколения конструктори, които са довели отоплението на дърва до етап, в който можем да се наслаждаваме на огъня по най-комфортния и екологичен начин. В продължението ще се постарая да изложа най-достъпните решения, с които ентусиастите могат със собствени усилия да допринесат за все по-ефективното и сигурно използване на този възобновяем ресурс – дървесината.