P9150174

Creative Commons-Licentie Peter van den Berg-ova Batch Box Rocket 

je na voljo pod Priznanje avtorstva-Deljenje pod enakimi pogoji 4.0 Mednarodna licenco

Kaj je gorenje lesa?

Med zgorevanjem lesa organske molekule razpadajo na manjše delce. Sčasoma razpadejo do plinov, ki ustvarjajo plamen ognja. Rezultati popolnega zgorevanja so: toplota, ogljikov dioksid (CO2) in voda.
(peberi več)

Mešanje

Lesni plin je zelo gorljiv, celo eksploziven, kadar je zadosti segret in dobro pomešan s svežim zrakom. Tako mešanje se ne pojavi spontano, ampak se doseže z močnimi turbulentnimi tokovi plinov znotraj reže in vertikale v gorilni enoti.
(preberi več)

Mešanje in burnost v Intervalni Raketni Peči

V svetu graditeljev raketnih peči se imenuje kratek izolirani dimnik v notranjosti peči "toplotna vertikala" (angl. heat riser). Ozek in visok prehod na dnu med prostorom za gorivo in toplotno vertikalo pa se imenuje "reža" (ang. port). Kombinacija vertikale in zgorevalne komore se imenuje "jedro" (angl. core). Način spodbujanja burnega mešanja plinov se razlikuje od načina običajnih peči na drva.
(preberi več)

Toplota

Prav tako je pomemben še en dejavnik okolja: visoka temperatura. Izmerjene temperature v toplotni vertikali dosegajo tudi 1200 °C.
(preberi več)

Opozorila

Navedene velikosti zgorevalne komore, reže, toplotne vertikale in vhodov za zrak so ozko določene. Relativno majhna sprememba lahko zadostuje, da zmoti pravilno delovanje peči. Prav tako je pomembno, da je peč priklopljena na ustrezen dimnik.
(preberi več)

Testo 330-2

Testne meritve, na osnovi katerih je tudi izdelana sedanja intervalna raketna peč, so izpeljane z digitalnim analizatorjem plinov, modelom Testo 330-2. Naprava preko celotnega testiranja meri temperaturo izhodnih plinov, vrednosti kisika (O2) in vsebnost ogljikovega monoksida (CO).
(preberi več)

Gorenje lesa

Ognjeni trikotnik prikazuje tri pogoje za začetek in vzdrževanje gorenja.

Iz popolnega zgorevanja lesa (ki je zgrajen iz ogljikovodikov) nastane: vodikovi atomi se s kisikom povežejo v molekule vode (in ob temperaturi vrelišča zapustijo sistem kot vodna para), ogljikovi atomi se povežejo s kisikom v molekule ogljikovega dioksida (CO2) in obenem se sprosti največja možna količina energije v obliki toplote.
Enake končne produkte najdemo tudi v plinskih gorilnikih.

Zmanjševanje ene od količin predstavljenih v trikotniku privede do nepopolnega zgorevanja. Še vedno nastajajo vodni hlapi in ogljikov dioksid, toda poleg njih se tvori še ogljikov monoksid (CO), kot strupen brezbarvni plin, in samostojni delci ogljika, ki se vidno pojavi v obliki saj in dima.
Za povrh pa tudi NI sproščena največja možna količina energije.

Površno gledano gorenje lesa ne izgleda zapleten proces - nekaj suhih vej in papir, primakneš vžigalico in ogenj zagori. Da obdržimo čisto gorenje ognja, moramo nekoliko globlje razmisliti. Potrebujemo višje temperature, kot tistih nekaj sto stopinj, ki jih ponuja majhen ogenj in gorenje moramo obdržati "pod kontrolo", da se prekomerno ne razširi. Z izolacijo ognja samega pripomoremo k temu, da tvorjena toplota ostane "znotraj ognja", kar pripomore k popolnemu zgorevanju in ohrani večino toplote znotraj zgorevalne komore.

Rezultati teh "novih pogojev" (zelo visoka temperatura, "Goldilokov dovod zraka" - ne preveč, ne premalo, raaavno prav) privedejo do ognja brez dima. Čeprav so zahteve enostavne, je bilo za razumevanje procesa popolnega zgorevanja in določitev pravih vrednosti parametrov vloženega veliko truda (vrednosti parametrov podane v nadaljevanju). Da razumemo zakaj dima ni, se moramo zavedati, da je dim enostavno samo nezgoreno gorivo - nič več in nič manj. Pravzaprav je v teh gorljivih plinih shranjeno tudi do 60% energije. Zato dimnih plinov ne smemo jemati "zgolj kot nadlogo", ki ima velik vpliv na zunanje okolje - dejansko gre z njim "denar skozi dimnik".

Z izjemo približno enega odstotka pepela, se celotna vsebina lesa lahko pretvori v toploto** in posledično je dim edini indikator nepopolne pretvorbe. Grelniki, ki smo jih malo prej opisali, imajo zelo visoko temperaturo zgorevanja, zato so dimni plini zelo vroči. Ko združimo predgreti zrak s temi plini, pride do spontanega zgorevanja dima. Celo strah vzbujajoči ogljikov monoksid - smrtonosni strup - je dejansko samo nezgoreno gorivo (malo prej smo že omenili, da je CO rezultat NEpopolnega zgorevanja lesa). Še v dvajsetem stoletju so ponekod v mestnih plinovodih uporabljaji tudi do 8% CO za ogrevanje. Ker sam po sebi nima vonja, so v mešanico dodajali merkaptan (plin z neprijetnim vonjem), v opozorilo ljudem o morebitnem uhajanju plina ali o neprižganih gorilnikih. Zapomnimo si, da je CO gorivo (ki se tudi uporablja v mestnih plinovodih), in da ob popolnem zgorevanju lahko les v celoti pretvorimo v energijo.

** Čeprav je to dobesedno res, moramo razumeti še nekaj točk, preden to implementiramo v resnični svet. Konec koncev grelnikov ne bomo uporabljali v laboratorijih s čistim kisikom, ampak v običajnih domovih. Celo vremensko stanje bo pogojevalo in vplivalo na gorenje. In, kar je najbolj važno, ves zračno suh les bo vseboval nekaj vlage. Ta mora biti odstranjena pred zgorevanjem lesa. Da jo uparimo, zahteva ogromne količine energije.

Graf prikazuje kako ob dodajanju energije narašča temperatura vode. (začetek grafa se nanaša na temperature pod lediščem - ta del bomo izpustili. Upoštevati bi ga morali, če bi uporabljali drva, ki so bila shranjena pod to temperaturo!) Ko dodajamo temperaturo (vodoravna os), temperatura narašča v ravni liniji C. Vsakemu "delčku" dodane energije pripada ustrezen dvig temperature, zato se to na grafu kaže kot ravna linija.

Ko voda doseže temperaturo vrelišča (100°C), se ne segreva več (linija D je vodoravna, čeprav v sistem še vedno vnašamo enegrijo). Tekom tega segmenta energija, ki vstopa v vodo le-te ne segreva, ampak jo spreminja iz "tekoče v plinasto obliko". Ta prehod se vrši brez spremembe v temperaturi. Linija E nastopi ŠELE, ko se celotna voda pretvori v paro.

Energija, ki je potreba, da se voda pretvori v paro je za ogrevanje nedostopna in se izgubi v atmosferi, razen v primeru kondenzacijskih kotlov. To so izgube, ki se pri ogrevanju v resničnem svetu vedno pojavljajo. Izluščimo pa lahko *zelo*pomembno*sporočilo*: VEDNO uporabljajte SUH LES. Sedaj veste zakaj.

Spodnji video je dober primer vnetljivosti plinov.

Mešanje in turbulentnost

Zdi se nenavadno, da les sam po sebi ne gori. Tudi bencin, kot tekočina ne gori. Vžigalico lahko ugasnemo v tekočem bencinu, če jo zelo hitro potopimo. Vendar poskusa ne priporočam, ker obstaja velika verjetnost, da se bo vžgala mešanica bencinskih hlapov in kisika tik nad tekočino. Ko razumemo ta pojav, postane jasno, da so lesni "hlapi" pomešani s kisikom tisto, kar gori pri drvah. Toplota povzroči, da kemijske komponente v lesu razpadejo na krajše, vnetljive molekule, ki reagirajo s kisikom (ob prisotnosti toplote), to pa posledično privede do še večjega sproščanja toplote in krog se nadaljuje. Čisti dimni plin je modrikast in slabo viden na sončni svetlobi. Ker pa so v tem plinu pomešani tudi ogljikovi delci, vidimo barvo plamenov kot rdečo, oranžno ali rumeno - svetlejša barva govori o višji temperaturi. Kadar v plamenih prevladuje plin in je ogljikovih delcev zelo malo, je barva lahko rumenkasto vijolična.

Ko se zavemo, da se s kisikom povežejo substance, ki se zaradi toplote izločijo iz trdega lesa, postane jasno, da je popolno mešanje le-teh s kisikom ključno za popolno zgorevanje. V praksi je to najbolj pomemben, a težko dosegljiv cilj. Steber dima, ki se dviga z ognja bo najverjetneje gorel na njegovi "zunanji površini", na meji med dimom (gorivo) in zrakom (bogatim s kisikom). Znotraj tega stebra je zelo malo kisika, zato do zgorevanja ne pride. V nekaj trenutkih ostane le še dim (neizkoriščeno gorivo) - četudi se pomeša z zadosti kisika, so plini preveč ohlajeni, da bi prišlo do vžiga. Pomnite, da so za zgorevanje nujni trije pogoji: gorivo, kisik in toplota.

Običajna metoda zgorevalnih grelnikov za povečevanje mešanja kisika in plinov je, da svež zrak (ponavadi ni predgret) dodajamo v ogenj z večih lokacij. Ta sistem ima slabo stran, ker potrebuje veliko zraka, ki posledično zniža temperaturo ognja. Temperatura pa je eden od treh pogojev za popolno zgorevanje. V kovinskih pečeh tako ohlajanje ognja ne sprejemajo kot slabost, ampak kot prednost, saj so tudi pri gorenju drv lahko dosežene tako visoke temperature, da se jeklo (tudi nerjavno) uniči v presenetljivo kratkem časovnem obdobju. Okolje z visoko prisotnostjo kisika, nizko prisotnostjo ogljika, skupaj z visoko temperaturo bo zelo pospešilo korozijo jekla. Kot rezultat, bo tekom vsakega gorenja prišlo do močnega luščenja kovine na točkah, kjer so dosežene najvišje temperature.

Tukaj opisani grelniki so oblikovani tako, da ohranjajo najvišje možne temperature (mnogo višje od tistih, ki bi jih kovinski grelniki lahko vzdržali) in, da zagotovijo ugodno mešanje plinov in kisika po metodah, ki so opisane v sledečem besedilu.

Mešanje in turbolentnost v intervalni peči

Mešanje lesnih plinov in kisika v intervalni peči je doseženo s premišljeno oblikovano geometrijo zgorevalne sredice in s pravilno postavitvijo vhodov za primarni in sekundarni zrak. Kritične mere so zbrane v naslednjih poglavjih. Postavitev gradbenih komponent je dokaj enostavna - skozi podolgovato zgorevalno komoro potujejo plini v vodoravni smeri od vhodnih vrat proti navpičnemu izoliranemu "dimniku". To je tista toplotna vertikala, ki smo jo omenili malo prej. Naloga zgorevalne komore je seveda zgorevanje lesa, naloga izolirane toplotne vertikale pa je, da omogoči dokončno (in popolno) zgorevanje vseh lesnih plinov, ki so predhodno nastali ob gorenju lesa. Iz prejšnjih poglavij sedaj že vemo, da za popolno zgorevanje potrebujemo gorivo (lesni plini), toploto (iz ognja in iz samega zgorevanja lesa, ki je v tem primeru močno izolirano, da se zagotovi čim manjše toplotne izgube) in kisik.

Naj povem še nekaj o povezavi med zgorevalno komoro in toplotno vertikalo, o visoki in ozki odprtini med njima. Imenuje se "reža". Površina njenega preseka je 70% površine preseka toplotne vertikale (presek toplotne vertikale je ena izmed "standardnih dimenzij" v teh grelnikih, ostale mere za gradnjo izpeljemo iz nje). To nenadno zožanje na poti dimnih plinov igra zelo pomembno vlogo: v vsakem trenutku teče skozi sistem "enaka" količina plinov, in ko gre skozi to ožino (oziroma ko preide to ožino), se hitrost gibanja plinov poveča (pomni, v vsakem trenutku in na vseh delih poti prehaja enaka količina plinov). Rezultat pospeška prehajanja plinov povzroči padec tlaka v tem delu grelnika.

core177b2 slo

V risbi vidimo votlo cev (črni element na vrhu zgorevalne komore), ki zunanji zrak direktno povezuje z režo, kjer je področje najnižjega zračnega tlaka v sistemu. To povzroči dovod (sesanje) zunanjega zraka (oziroma kisika) v tok plinov ob vstopu v režo. Sedaj vemo, da so v tem področju prisotni gorivo, toplota in kisik - trije pogoji za zgorevanje. Lesni plin ima že ekstremno visoko temperaturo, na tej lokaciji je že prisotna ogromna količina toplote, potrebujemo samo še končno in čim bolj popolno mešanje kisika in lesnih plinov. Pomembno je tudi to, da sekundarni zrak prihaja v režo po kovinski cevi že pregret, ker je cev postavljena neposredno nad ognjem.

Temeljito mešanje lesnih plinov in kisika se vrši na prehodu iz reže v toplotno vertikalo. Ko se tok plinov skozi zožanje pohitri in takoj za tem na hitro upočasni, ko doseže "večji" prostor za tem mestom, nastane skupek zvrtinčenih plinov. Ko se tok plinov skozi zožanje v reži pohitri in takoj za tem na hitro upočasni, ko doseže "večji" prostor za režo pride do narivanja plinov. Pojav nastane, ker hitrejše molekule ob izhodu iz reže pritiskajo v počasnejše molekule pred njimi. Ta pojav povzroči konkretne vrtince in traja dokler hitrosti plinov v reži presegajo hitrosti plinov v vertikali. To traja večino časa gorenja. Taki pogoji povzročijo vmešavanje gorljivih plinov v dvojno spiralo, ki sprva nastane v vodoravni ravnini in nato kot dvojna vzpenjajoča spirala (kot dvojni vijak) znotraj celotne višine toplotne vertikale.

Dvigajoča dvojna spirala prisili pline, da se vzpenjajo po precej daljši poti (in posledično tudi daljši čas), kot če bi ubrali pot direktno navzgor po celotni toplotni vertikali. Ker se to vrtinčenje vrši v dobro izoliranem in zelo vročem okolju, mešanica dimnih plinov in kisika takoj zgori.

Pohitritev plinov, ki potujejo skozi ožino je poznana kot "venturijev efekt", ki ga je v enem od zakonov fizike opisal Daniel Bernoulli v osemnajstem stoletju. Visoko kaotične pogoje, ki nastanejo v takem dizajnu si lahko ogledate v sledečem kratkem posnetku. Pogled je navpično navzdol v dno toplotne vertikale, kjer se ob izhodu iz reže tvori skupek vrtinčenih plinov in, kjer nastaja dvojni vrtinec/spirala.

Dokaj edinstven način doseganja turbolentnih pogojev za mešanje gorljivih plinov in kisika v teh grelnikih prinaša tudi druge ugodne rezultate v povezavi z učinkovitostjo zgorevanja. Surov pristop kovinskih grelnikov je našel rešitev v dovajanju ogromne količine zraka. To je sicer podaljšalo njihovo življenjsko dobo, vedar posledično tudi zmanjšalo učinkovitost. V intervalnih raketnih grelnikih sekundarni zrak predgret vstopa točno v točko, kjer se mešanje plinov pojavi, zato ne potrebujemo niti približno toliko zraka, kot v kovinskih, običajnih grelnikih. Posledično je skupni presek dovedenega zraka manjši, kot bi pričakovali iz izkušenj od običajnih grelnikov. Majhen dovod zraka je še bolj presenetljiv, ko vidimo kako hitro zgoreva les znotraj grelnikov.

Razložil bom še zadni razlog zakaj "presežek hladnega zraka" prinaša slabšo učinkovitost grelnika. Bistvena komponenta za zgorevanje v zraku je kisik. Druge primesi so samo "potniki", ki h zgorevanju ne prispevajo ničesar pozitivnega, ampak samo ohlajajo področje gorenja (znani so kot balastni plini - podobno kot na ladji, balast pomeni zgolj prekomerno maso in ne uporabnega tovora). Iz napisanega postane razvidno, da ti grelniki s pomočjo premišljene uporabe geometrije in upoštevanja naravnih zakonov uvajajo ravno pravšnjo količino zraka na področje, kjer prihaja do popolnega mešanja in zgorevanja.

Morda bi lahko v našem primeru kar razširili idejo "goldilokovega zraka": Zraka ni ne preveč, ne premalo, ampak raaaavno prav in še boljše, doveden je tudi na raaavno pravšnjem mestu.

Ti grelniki oddajajo tipičen zvok: nizko, tiho bučanje (na nek način pomirjujoče). Pravzaprav je ta zvok skupen vsem variantam takih grelnikov, od tod tudi izvira poimenovanje "raketne peči". V naslednjem kratkem film se sliši ta značilen zvok. Vendar je v tem primeru ohišje kovinsko in je zvok nekoliko bolj "zveneč", kovinski. Pri zidanih, masivnih izvedbah je zvok bolj zamolkel, nikakor ne moteč.

Mnogo toplote

Čeprav sta tako kurišče, kot toplotna vertikala dobro izolirana, je vendar poudarek večji pri toplotni vertikali, saj se tu dosegajo najvišje temperature. Dobra izolacija omogoča, da se zgorevalno okolje hitro ogreje na optimalno delovno temperaturo in posledično izboljša zgorevanje mešanice lesnih plinov in kisika. To je osnova, ki zagotavlja dobro učinkovitost grelnika.

Pomembno

Oblike in dimenzije zgorevalne enote so precej ozko določene. Druge različice niti niso bile testirane (sprememba v obliki lahko pripelje do še boljšega delovanja, toda brez preizkušanja in meritev tega ne bo izvedel nihče). Ozko določen nabor oblik je pogoj za preverjeno kvalitetno delovanje grelnika.

Pomembno je, da za dosego namenov tega grelnika (visoko učinkovito zgorevanje brez dima, ki ga lahko dosežejo vsi) čim manj odstopamo od preizkušenih dimenzij.

Potrebujemo tudi primeren dimnik. Ta je "motor" vsakega grelnika na drva, ki ustvarja gonilno silo za zadosten vlek, ki je potreben pri čistem zgorevanju. Spremenjene dimenzije lahko tudi hitro vplivajo na dovedeni zrak, ki se pri teh grelniki dovaja v dokaj manjših količinah. Merska razmerja najdete v poglavju "Gradnja". Ko temperatura v dimniku naraste (in posledično tudi vlek), dotok zraka lahko zmanjšamo ali pa nadalje kurimo debelejša drva. Ta imajo manjšo površino, kot tanjša drva z enako maso.

Ti grelniki gorijo brez omejitve pri dovajanju zraka in brez kakršnekoli druge metode, ki bi "upočasnjevala zgorevanje v zameno za daljše gorenje". Do sedaj bi moralo biti jasno, da take metode samo zmanjšajo učinkovitost in čistost zgorevanja. Da lahko toploto od zgorevanja kvalitetno izrabimo, potrebujemo veliko sevalno površino ali več mase, ki bo absorbirala in počasi oddajala toploto v prostor. Taki pristopi so opisani v nadaljevanju.

Čas gorenja ene celotne serije drv je zanimiv fenomen teh grelnikov. Izkaže se, da polno nalaganje zgori v približno enakem času, kot polovično nalaganje (ali druge količine), merjeno od prižiga do faze žerjavice. To pomeni, da polno nalaganje doprinese presenetljivo velike količine energije v danem času. Zato potrebujemo načine, da to toploto lahko ujamemo - o tem bom pisal v nadaljevanju.

Rezultati

V zadnjih štirih letih (od 2012 do 2016) sem izpeljal na stotine kurjenj s tem grelnikom. Zadovoljen sem z razvojem, ki je pripeljal do stabilnega in zanesljivega delovanja. Testo 330-2 je analizator plinov, ki meri sestavo izhodnih plinov in iz dobljenih podatkov izračuna učinkovitost gorenja. Ob povezavi z računalnikom podatke lahko prikažem v obliki grafa in tabele.

Batch rocket results diagram

Zgornji graf prikazuje test že ogretega grelnika, kar je razpoznavno iz začetne temperature (temperatura je izmerjena v Celzijevih stopinjah pri vhodu v dimnik, modra črta). Omenil sem že, da dimnik, ki je segret do delovne temperature, že ima vzpostavljen močan vlet, zato se je v tem testu gorenje hitro razvilo. Tekom testa je količina kisika (zelena črta) padla pod vrednost, ki jo smatram za mejo optimalnega (6% O2). Pri nižjih vrednostih se možnost višjih CO izpustov (roza črta) precej poveča zaradi primanjkljaja kisika. Vendar tu rezultati kažejo na odlično gorenje, navkljub nizkim vrednostim kisika.

Glede na prejšnja poglavja lahko sklepamo, da sta vsebnost kisika in temperatura v dimniku direktno povezana z učinkovitostjo gorenja. Ta je prikazana z rdečo linijo.

Če vsebnost kisika ne bi padla niti pod 10% in temperatura plinov (v dimniku) ne bi narasla nad 80°C, bi bila učinkovitost višja. Vendar pa nižja temperatura prinaša slabši vlek, ki lahko zaradi počasnejšega pretoka plinov slabo vpliva na kvaliteto zgorevanja.

Grafi, ki prikazujejo korelacije med posameznimi parametri gorenja so način razumevanja prejšnjega poglavja; tvegano je sklepati, da bodo odstopanja od danih smernic pripeljala do boljših rezultatov. To seveda JE možno, a malo verjetno. Znotraj jedra grelnika se dogajajo telo kompleksne interakcije, zato je za vsako spremembo smotrno izvesti meritve in dobljene rezultate primerjati z rezultati objavljenimi tukaj.

Prejšnji graf je rezultat zelo dobrega gorenja v ugodnih pogojih, zato ni ravno reprezentativen. Naslednji prikazuje bolj normalne rezultate - meritve so nastale med razvojem leta 2012:

Iz primerjave grafo se lahko kar nekaj naučimo (na primer za kaj je Testo absolutno potreben, da vemo kaj se dogaja med gorenjem) in vidimo, da je slednje gorenje dosti bolj reprezentativno, kot prejšnji primer, ki je eden najboljših. Tu se ekstremno nizke vrednosti CO (roza črta), ki kažejo na popolno zgorevanje, pojavijo nekoliko kasneje, pa tudi ne trajajo tako dolgo. Vidimo tudi, da vrednost kisika (zelena črta) ne gre tako nizko, vseeno pa je v okviru zelo ugodnega območja. Meritev kisika je poznana kot "prebitek O2".

Zadnji graf prikazuje zelo divje, neenakomerno gorenje, včasih tudi ob prisotnosti dima. Nedavni razvoj je privedel do dosti boljših rezultatov, o tem bom pisal v poglavju "Oblike jedra".

Flag Counter