P9150174

Creative Commons-Licentie Batch Box Rocket Питера ван ден Берга

доступно в соответствии с Международной Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0  лицензии

Что такое горение древесины?

Во время сжигания древесины органические молекулы разлагаются на более мелкие кусочки. В конце концов они становятся газами и являются источником пламени когда горят. Результаты полного сгорания: тепло, углекислый газ (CO2) и вода. 
(читать дальше)

Смешивание

Древесный газ чрезвычайно горючий, даже взрывоопасный, если он достаточно горячий и тщательно перемешан со свежим воздухом. Это смешение не происходит спонтанно, оно достигается из-за сильно турбулентных условий в порту и райзере. 
(читать дальше)

Смешивание и турбулентность в Batch Box

В мире строителей ракетных нагревателей короткая изолированная внутренняя труба называется "heat riser" (по-русски тепловой стояк, удлинитель тепла, далее «райзер»). Высокое и узкое отверстие в нижней части называется «портом». Сочетание райзера и камеры сгорания называется «ядром». Способ вызова турбулентности отличается от обычной дровяной печи. 
(читать дальше)

Высокая температура

Еще один важный фактор окружающей среды: высокая температура. Его не следует воспринимать легкомысленно, во время работы температуры в райзере достигают 1200º Цельсия. 
(читать дальше)

Предостережения

Соответствующие размеры камеры сгорания, порта, райзера и воздухозаборников довольно точные. Относительно небольшое изменение может быть достаточно, чтобы нарушить правильное функционирование нагревателя. Кроме того, очень важна надлежащая дымовая труба. 
(читать дальше)

Testo 330-2

Измерения, которые в конечном итоге привели к финальной Batch Box Rocket, выполнены с помощью цифрового газоанализатора Testo 330-2. Это устройство измеряет во время каждого «испытания» температуру выхлопных газов, уровень кислорода (O2) и содержание окиси углерода (СО). 
(читать дальше)

Горение дров.

Треугольник огня показывает три вещи, необходимые для начала и продолжения огня.

triangle2 ru

Полное сжигание древесины (которая состоит из углеводородов) приводит к следующему: атомы водорода объединяются с кислородом для образования водяного пара (H2O), атомы углерода объединяются с кислородом для получения двуокиси углерода (CO2) и максимального количества энергии.

Эти же конечные продукты производятся в горелках природного газа. 

Уменьшите или удалите одну из сторон треугольника и горение не будет полным сгоранием, а скорее неполным сгоранием. Водяной пар и двуокись углерода всё ещё производятся, но также производятся два других продукта: монооксид углерода (СО), бесцветный токсичный газ и частицы углерода, которые появляются как сажа и дым. Кроме того, максимальное количество тепла НЕ производится.

Поверхностно, поджигание древесины не кажется слишком сложным. Немного небольших сухих щепок с бумагой, подносим спичку и горение начинается. Когда у нас есть огонь, чтобы он горел чисто, требуется немного больше мысли и усилий. Нам нужны более высокие температуры, чем несколько сотен градусов небольшого огня и нам нужно «держать его под контролем», а не позволять ему расти чрезмерно. Изолируя сам огонь мы сохраняем тепло от него «внутри огня», которое способствует полному сгоранию и удерживает большую часть тепла от огня внутри камеры сгорания.

Результатом этих новых условий (очень высокая температура, «Златовласкина» подача воздуха - не слишком много, не слишком мало, в самый раз) будет бездымное горение. Хотя это были простые цели, требуется множество усилий, чтобы найти представленные здесь параметры, которые достигают этого бездымного горения. Для понимания почему нет дыма, нужно сознавать, что дым - это не что иное как несгоревшее топливо, не более. Фактически в этих горючих газах находится до 60% доступной энергии древесины. Так что дым не «просто неприятность», которая влияет на большую площадь окружающей среды, это фактически «деньги в трубу» в очень реальном смысле.

Буквально, кроме примерно одного процента золы, все содержимое древесины может быть преобразовано в тепло **, и потому дым является лишь показателем неполного преобразования топлива в тепло. Эти нагреватели, как описано выше, имеют очень высокие температуры горения, поэтому дым очень горячий. Мы комбинируем предварительно нагретый воздух с этим дымом, что приводит к самовозгоранию дыма. Даже монооксид углерода – угарный газ, смертельный яд - на самом деле просто несгоревшее топливо (напомним выше, что при полном сгорании СО не является продуктом сжигания древесины). CO не имеет собственного запаха, поэтому, когда городской газ, который содержал до 8% CO, был использован для отопления в двадцатом веке, меркаптан (имеющий неприятный запах) всегда добавлялся к газу, просто чтобы предупредить людей о любых утечках или если нет горения. 

** Хотя это строго верно, нужно понять несколько моментов, чтобы перевести это в реальный мир. Эти нагреватели не будут использоваться в лаборатории с чистым кислородом, они будут использоваться дома. Даже погодные условия будут меняться и влиять на горение. Самое главное, что вся высушенная на воздухе древесина будет содержать некоторую влагу. Это необходимо исключить до того, как может произойти сжигание древесины. Чтобы испарить воду, требуется огромное количество энергии.

Heat42 ru

На графике показано, как повышается температура воды по мере добавления энергии. (он начинается с точки ниже замерзания, которую мы будем игнорировать, если только дерево, которое вы используете, само по себе не ниже нуля). По мере добавления энергии (горизонтальная ось) температура поднимается вдоль прямой C, для каждого «бита» добавленной энергии есть соответствующее повышение температуры, поэтому это прямая линия.

Когда вода достигает точки кипения (100 ºC), она больше не нагревается (видно по линии D, она горизонтальна, даже если энергия все ещё вводится в систему). На этом этапе энергия, поглощаемая водой, не делает воду более горячей, а скорее превращает воду из «жидкости в газ», и это происходит без изменения температуры. Линия E будет начинаться ТОЛЬКО когда вся вода превратится в пар.

Если у нас нет конденсационного котла, энергия, необходимая для превращения воды в пар, теряется в системе и в атмосферу. Таким образом, в реальной мировой практике это некоторые из потерь, которые происходят и будут происходить.  «Очень» важный «пункт», который должен быть взят из этого, НИКОГДА не сжигайте ничего, кроме сухой древесины. Теперь вы знаете, почему.

Следующее видео - прекрасный пример воспламеняемости дыма.

Смешивание и турбулентность

Как ни странно, сама древесина не горит. Она похожа на бензин, а сам бензин не горит. Если вы достаточно быстры, вы можете окунуть спичку в жидкий бензин. Не рекомендуется, чтобы вы попробовали это, так как, скорее всего, спичка зажжёт смесь бензиновых паров и кислорода чуть выше жидкого бензина. Как только это понятно, ясно, что это «пары» древесины смешанные с кислородом являются веществами, которые сгорают. Тепло приводит к тому, что химические компоненты в древесине разбиваются на более мелкие, легковоспламеняющиеся компоненты, которые затем объединяются с кислородом (в присутствии тепла), в свою очередь, высвобождая больше тепла, из-за чего цикл продолжается. Чистое древесное пламя должно быть синим, его трудно увидеть при солнечном свете. Потому что есть также пылающая углеродная пыль, переносимая пламенем, цвет красный, оранжевый или желтый, чем выше температура, тем светлее цвет. Когда в пламени много газа и небольшая часть углерода, оно может казаться желто-фиолетовым.

Как только понятно, что это вещества, выделяемые из древесины теплом, которые сочетаются с кислородом, мы видим, что полное и тщательное смешивание этих веществ с кислородом необходимо для полного сгорания. На практике это самая важная цель для достижения и самая сложная задача. Столб дыма, поднимающийся от огня, скорее всего, будет гореть на его «внешней поверхности», границе между дымом (топливом) и воздухом, богатым кислородом. Внутри колонны дыма очень мало кислорода, поэтому никакого горения. Он окончательно выходит как дым (несгоревшее топливо), потому, что даже если в конце концов встречает достаточно кислорода охлаждается на столько, что горения не происходит. Напомним, что для горения необходимы три условия, топливо, кислород и тепло.

Обычный метод, используемый в нагревателях для горения, чтобы вызвать это смешивание кислорода и топлива, заключается в том, чтобы вводить свежий воздух (обычно не предварительно нагретый) в огонь в несколько мест. Для этой системы требуется много воздуха, что является серьезным недостатком, поскольку оно снижает температуру огня, что является одним из трех условий, необходимых для полного сгорания. В металлических печах это охлаждение огня не считается недостатком, а скорее преимуществом, так как температуры, которые могут быть достигнуты при горении дров, достаточно велики, чтобы сталь, даже нержавеющая сталь, была уничтожена в удивительно короткие сроки. Сочетание богатой кислородом и бедной углеродом окружающей среды в паре с высокими температурами очень быстро разъедает сталь. В результате во время каждого горения в самых жарких местах будет происходить сильный скол.

Нагреватели, описанные здесь, предназначены для поддержания самых жарких температур горения, которые могут превосходить металлические нагреватели, и обеспечить надлежащее смешивание топливного газа и кислорода способами, описанными в следующем разделе.

Смешивание и турбулентность в Batch Box

Смешивание древесного газа и кислорода в нагревателе Batch Box обеспечивает тщательная геометрия сердечника горения и правильное позиционирование как первичного, так и вторичного воздухозаборников. Эти критические измерения будут даны позже. Расположение этих компонентов конструкции довольно просто. Камера сгорания, которая более длинная, чем широкая, вентиляционное отверстие сзади, где размещается вертикальная изолированная «дымовая труба». Это упомянутый выше райзер. Функция камеры сгорания, естественно, предназначена для сжигания древесины, функция изолированного райзера должна обеспечивать окончательное (и полное) сжигание любого древесного газа, полученного из горения дров. Из предыдущих разделов мы теперь понимаем, что необходимо для того, чтобы полностью сгорало топливо (древесный газ).

Обратите внимание, в частности, на связь между этими двумя элементами, камерой сгорания и райзером, высокое и узкое отверстие между ними. Это называется «порт». Фактически это 70% поперечного сечения райзера (площадь поперечного сечения райзера является одним из «стандартных размеров» в этих нагревателях, а именно: размер, из которого можно масштабировать другие размеры). Это внезапное сужение на пути газового потока имеет очень важную функцию, поскольку «то же» количество газа протекает через систему во всё время. Когда он приходит через (или проходит через) более узкое отверстие, поток должен затем ускориться в этой точке (помните, то же количество газа проходит во всё время и во всех местах). Результат этого ускорения заключается в том, что давление в этой точке понижается.

core177b2 ru

Теперь, обращаемся к диаграмме. Полая трубка (показанная черным в верхней части камеры сгорания) соединяет внешний воздух непосредственно с точкой наименьшего давления потока в системе, при входе в порт. Затем это приводит к поступлению воздуха (или, более того, кислорода) в газовый поток, когда он входит в порт. Как можно представить, теперь мы имеем три условия необходимые для сжигания, топливо, тепло и кислород. Древесный газ уже очень жаркий, в этом месте очень много тепла, все, что нам нужно сейчас - это окончательное полное смешивание кислорода и древесного газа. Последний пункт, который следует отметить, поскольку вторичный воздух, вводимый в порт, проходит через стальную трубу, расположенную поверх огня. Она была предварительно нагрета на пути к порту.

Тщательное и полное смешивание древесного газа и кислорода происходит, когда смесь проходит через узкий порт и в райзер позади. Поскольку поток газа ускоряется через ограничение порта и затем резко замедляется, когда он достигает «большего» пространства за портом, массивная куча происходит в потоке газа, когда всё ещё быстро движущиеся молекулы, проходящие через порт, врезаются во внезапно замедлившиеся молекулы перед ними. Это создаёт значительную турбулентность и является непрерывным до тех пор, пока скорость газа в порту выше, чем в райзере, большую часть времени горения. Эти условия приводят к тому, что легковоспламеняющиеся газы смешиваются в закрученный двойной вихрь вначале горизонтальной плоскости, а затем восходящий двойной штопор, который поднимается в райзере при выходе из системы.

Восходящий двойной штопор заставляет газы проходить более длинный путь (и, следовательно, занимать больше времени), чем если бы они шли прямо вверх. То, что это более длительное перемещение происходит в хорошо изолированной, чрезвычайно горячей среде, позволяет легко сжигать смешанное топливо и кислород.

Ускорение газов, когда они проходят через ограничение, известно как «эффект Вентури», закон физики, впервые описанный «Даниэлем Бернулли в 18 веке». Высокие хаотические условия, создаваемые этой компоновкой, можно увидеть в этом коротком видео, снятом в вертикальном положении, и прямо на выходе из порта, где происходит массивная куча, и образуется двойной вихрь-восходящий штопор.

Достаточно уникальный способ, которым эти нагреватели создают турбулентные условия, необходимые для полного смешивания кислорода и топлива, имеет другие благоприятные результаты для эффективности сгорания. «Тупой подход кувалды» в металлических нагревателях означает, что было введено много воздуха. Это продлевает срок службы этих нагревателей, но, как отмечено, снижает эффективность. Поскольку подогретый вторичный воздух в Batch Box введен в точное место для полного смешивания, нам не нужно везде такого же количества введенного воздуха как в металлических нагревателях. Таким образом, общая площадь поперечного сечения комбинированных воздухозаборников меньше, чем можно было бы ожидать в обычной печи. Эти меньшие, чем ожидалось, воздухозаборники, возможно, еще более удивительны, когда видно, как быстро топливо потребляется в этих нагревателях.

Последнее объяснение того, почему «избыточное количество холодного воздуха» противоречит хорошей эффективности. Существенным компонентом воздуха для сжигания является кислород. Любой другой компонент в воздухе - только пассажир, он ничем не способствует сгоранию, а служит только для охлаждения огня (они известны как балластные газы, как и на судне, балласт - это только лишний вес, а не груз). Как видите в этих нагревателях, тщательно используя геометрию и используя естественные законы, вводится нужное количество кислорода в точное место, необходимое для полного смешивания и сжигания.

Может быть, мы можем расширить эту идею «златовласкиного» воздуха. Мало того, что это не слишком много или слишком мало воздуха, справедливо, это ещё в правильном месте.

Эти нагреватели создают типичный шум, низкий урчащий (но, странно комфортный) звук. На самом деле, именно этот характерный звук встречается во всех этих вариантах нагревателей, которые дали название "Ракетные печи". Ниже приведенное короткое видео указывает на этот характерный звук. Этот конкретный пример находится в металлическом корпусе, поэтому он имеет больше «круг» для него. Строя его используя камень или кирпич, тембр меняется на менее шумный, более низкий звук, совсем не оскорбительный.

Много тепла

Как топка, так и райзер сильно изолированы, с особым упором на изоляцию райзера (где температуры могут быть самыми большими). Это позволяет более быстро достичь оптимальной рабочей температуры и улучшает сгорание смеси дровяной газ/кислород, которая, конечно же, является основой эффективности нагревателя.

Важный пункт

Важно понимать, что форма и размеры устройства сжигания являются весьма критическими, их вариации эффективно не тестированы (ваш вариант может поразить победителя, но без испытаний никто никогда не узнает). «Точность» этих размеров и коэффициентов вполне логична, они несут ответственность за то, что там происходит.

Для достижения целей этого нагревателя (бездымного высокоэффективного сгорания, которое может быть выполнено и построено другими), важно, чтобы разработанные и проверенные размеры соблюдались достаточно близко.

Требуется надлежащая дымовая труба. Дымоход - это «двигатель» любого дровяного нагревателя, и это движущая сила, которая создает достаточную тягу для чистого сгорания. Как обсуждалось выше, воздухозаборники меньше, чем «ожидаемые», и, возможно, на них легче влияют вариации от конструкции, приведенной здесь. «Соотношения дизайна» можно найти в разделе «Как построить». Когда температура дымохода повышается (и возникает «тяга»), можно уменьшить расход воздуха или использовать более крупные куски древесины. Большее количество «коротких» кусков дерева имеет меньшую площадь поверхности, чем аналогичного веса «тонко разделанная» древесина.

Эти нагреватели сжигают закладку топлива без ограничений в подаче воздуха или любой другой мерой, используемой для «замедления сжигания для долговечности». К настоящему времени должно быть ясно, что для максимальной эффективности и чистоты горения такие меры только вредят этой цели. Таким образом, чтобы использовать или выгодно использовать созданное тепло, нам нужна большая излучающая поверхность или достаточно большая масса для поглощения и медленного высвобождения накопленного тепла. Эти различные подходы будут рассмотрены позже.

Курьёзный феномен этих нагревателей время, затрачиваемое на сжигание закладки. Оказывается (напротив, интуитивно), что полная загрузка древесины сгорает примерно за то же время, что и половинная загрузка древесины (или другого отношения), от розжига до фазы светящегося угля. Таким образом, можно видеть, что полная загрузка древесины обеспечивает удивительно большое количество энергии за данный момент времени. Следовательно, нам нужны способы сбора этого тепла, которые будут обсуждаться на следующих страницах.

Результаты

За последние четыре года (с 2012 по 2016 год) я выполнил сотни прогонов на ядре, представленном здесь, и я удовлетворён стабильным надежным нагревателем этого дизайна. Testo 330-2 - это газоанализатор, который измеряет выход дымохода и из этих данных рассчитывает эффективность горения. Может быть подключён к компьютеру, как я сделал для создания собственной линейной диаграммы и электронных таблиц.

Испытание, показанное на приведённой выше диаграмме, было проведено в тёплом нагревателе, что можно определить исходя из начальной температуры (измеренной в выходном отверстии дымохода в градусах Цельсия, представленном синей линией). Как упоминалось ранее, «горячий» (уже до рабочей температуры) дымоход будет иметь соответственно сильную «тягу», и поэтому в этом прогоне огонь развивался быстро. Во время прогона уровень кислорода (зелёная линия) опустился ниже того, что я считаю границей между оптимальным и не оптимальным (6% O2). Ниже этой цифры появляется вероятность выхода более высокой (фиолетовой линии) CO (при наличии недостаточного кислорода). Это не произошло в этом случае, как видно, поэтому, пока этот риск присутствует, ясно, что отличные сжигания все ещё могут быть получены. Из всех предыдущих обсуждений, данных по горению, можно видеть/понимать, что уровни кислорода и температура дымовых газов напрямую связаны с эффективностью горения. Эффективность показана красной линией.

Когда содержание кислорода не опускается ниже 10% при соответственно низкой температуре дымохода 80 °С, эффективность будет выше, чем показано на приведённом выше графике. Однако более низкие температуры выхлопных газов означают меньшую «тягу» и могут иметь последствия для сжигания из-за более низкой скорости потока через систему.

Эти графики, которые показывают взаимосвязь между различными параметрами горения, представляют собой графический способ понять «важный пункт», сделанный выше, что сомнительно, что отклонение от приведенных здесь описаний приведет к более оптимальному нагревателю. Конечно, это возможно, но маловероятно. Взаимодействия внутри нагревателя очень сложны, и любое изменение должно быть оценено путём фактического измерения, путём тестирования аналогичному показанному здесь.

Вышеприведённая графика, конечно, очень хорошая и по этой причине не очень репрезентативная. Несколько более нормальная диаграмма, которая генерируется во время разработки в 2012 году, может быть такой:

Сравнивая графики, мы можем узнать несколько вещей (например, почему Testo абсолютно необходим для того, чтобы точно знать, что происходит во время горения), и посмотрите, как этот пробег более репрезентативен, чем просто «звездный пример», который был показан выше. Как вы можете видеть, чрезвычайно низкие уровни СО (розовая линия), которые указывают на полное сгорание, происходят не так скоро, как раньше, и это не так долго. Также обратите внимание на то, что уровень кислорода (зеленая линия) не идет низко, но все еще находится на очень хорошем уровне. Измерение кислорода известно как «избыток O2».

Выше приведенно графическое изображение очень свирепого горения. Рёв, беглое и ухабистое, а иногда и дымление. Недавние разработки подошли к концу с гораздо лучшими результатами, это будет обсуждаться в главе «Проекты».

Flag Counter