Дровяная печь — старейшее изобретение населения земли, успешно применяющееся и на данный момент, в том числе и в бане. Совершенствуясь от года к году, дровяные банные печи сейчас стали сверхтехнологичными устройствами, дающие возможность получать данные макроклиматические условия с высочайшими показателями эффективности расходования горючего. Но всякому отопительному устройству, работающему на дровах, присуща своя особенность — цикличность процессов горения.

Нрав процессов, происходящих в дровяной печи, определяется сначала повторяющимся нравом горения самих дров, состоящих из консистенции многих органических и неорганических хим соединений с разными качествами, сгорающих либо испаряющихся с разными скоростями. Более неуравновешенный параметр дров — их влажность, которая может изменяться в очень широких границах.

Для свойства мокроватого состояния древесной породы в индустрии используют условные определения: влажная древесная порода с влажностью выше 100% (при конкретном контакте с водой — до 250%), свежесрубленная древесная порода с влажностью 50-100% (древесную породу с влажностью выше 30% время от времени именуют сырой), воздушно-сухая древесная порода с влажностью 15-20% (выдержанная на воздухе и не увлажнённая осадками), комнатно-сухая древесная порода с влажностью 8-12% (продолжительно хранящаяся в отапливаемом помещении), древесная порода камерной сушки с влажностью 4-8% (специально высушенная в сушильных камерах при температурах 70-100°С). полностью сухая древесная порода, практически вся лишённая воды в итоге долговременной сушки при температурах выше 100°С (к примеру, при сушке в бане). При продолжительном хранении в воздушной среде с определённой размеренной температурой и влажностью древесная порода (в особенности в измельчённом виде) приобретает полностью определённую влажность, именуемую сбалансированной (гигроскопической) и примерно схожую для древесной породы всех пород.

Влажность древесной породы определяют весовым способом (отбираемые из партии эталоны взвешивают, высушивают до полностью сухого состояния и повторно взвешивают), или наименее надёжным электронным (влагометрами) — по изменению электронного сопротивления материала.

Воду в древесной породе делят на связанную (гигроскопическую), находящуюся в стенах древесных клеток, и свободную, находящуюся в полостях клеток и межклеточных местах. При сушке довольно стремительно испаряется свободная влага (летом — за 1-3 месяца), при всем этом в древесной породе, именуемой сухой, остаётся только гигроскопическая — связанная — влага (с содержанием воды наименее предела насыщения клеточных стен 30%). Предел гигроскопичности (при влажности воздуха 100%) находится в зависимости от температуры и меняется от30% (при 20°С) до 19% (при 100°С). Сбалансированная влажность древесной породы в не насыщенном водяным паром воздухе (другими словами в воздухе с относительной влажностью наименее 100%) может принимать значения от 1-2% до максимума гигроскопичности.

Примерная динамика сушки такая. Влажность свежесрубленной в апреле берёзы (распиленной, колотой, сложенной в поленницу) — 80%. Влажность той же древесной породы в июле — 30%, в октябре — 25%, в январе — 23%, в апреле через один год хранения — 20%, в апреле через два года хранения — 15%. Дровами же принято считать древесную породу с влажностью менее 30%, но лучше её сушить минимум один полный год с достижением влажности 20%.

Требования к отделочным древесным материалам более жёсткие, в особенности для бань, потому что сокращение линейных размеров древесной породы (к примеру, ширины вагонки) связано конкретно с удалением связанной воды. А именно, вагонку для бань нужно сушить или в камерах, или на воздухе минимум З года.

Элементный хим состав полностью сухой древесной породы всех пород фактически схож: углерод — 49-50%, кислород — 43-44%, водород — 6%, азот — 0,1-0,3%, неорганическая часть — 0,1-1% (последняя даёт при сжигании золу и содержит кальций, калий, натрий, магний, кремний и др.)

В древесной породе содержатся последующие главные вещества: целлюлоза — 39-58%, лигнин — 17-34%, гемицеллюлоза — 15-38%, экстрактивные вещества (танниды, смолы, камедь, эфирные масла).

Плотность древесного вещества (материала клеточных стен) не находится в зависимости от породы и равна 1530 кг/м3. Плотность же древесной породы в сухом состоянии из-за наличия в ней заполненных воздухом пустот для различных пород колеблется в широких границах — от 100 кг/м3 до 1300 кг/м3 (гваякум’). С увеличением влажности древесной породы её плотность растет.

Древесная порода более распространённых российских пород при стандартной влажности 12% имеет плотность: ель —445 кг/м3, осина — 495 кг/м3, сосна — 500 кг/м3, берёза — 630 кг/м3, лиственница — 660 кг/м3, дуб —690 кг/м3.

Пористость лревесины 45-70% обеспечивает её проницаемость для жидкостей и газов. Но ввиду малого размера пор газоги-Яродинамическое сопротивление доевесины велико, что и позволяет использовать её в качестве материала для оградющих конструкций построек.

Так как древесная порода всех пород деревьев в Рф имеет схожий хим состав, массовая теплота сгорания различных пород в полностью сухом состоянии в расчёте на 1 кг тоже схожа — 4500 ккал/кг.

При всем этом объёмная теплота сгорания составляет в среднем: для дуба — 3000 ккал/дм3, берёзы — 2600 ккал/дм3, сосны — 1800 ккал/дм3, ели и осины — 1700 ккал/дм3.

Все обозначенные величины относятся к полностью сухой древесной породе и с учётом теплоты конденсации водяных паров из товаров сгорания дров. В действительности же дрова всегда мокроватые, а пары воды из дыма в печи не конденсируются. Более того, пары воды в главном выбрасываются из дымовой трубы без конденсации. Это, естественно, плохо с энергетической точки зрения, но отлично исходя из убеждений долговечности труб и чистоты воздуха в помещении ввиду отсутствия конденсата.

При всем этом каждый 1% влажности приводит к понижению теплоты сгорания на 5-6 ккал/кг за счёт нагрева и испарения связанной воды и ещё на 45 ккал/кг за счёт понижения толики сухой древесной породы в дровах. Другими словами каждый процент влажности уменьшает теплоту сгорания приблизительно на 50 ккал/кг. Не считая того, сама полностью сухая древесная порода даёт при сгорании воду в количестве до 0,5 кг на 1 кг сухих дров, на нагрев и испарение которой уходит 300 ккал/кг тепла.

Таким макаром, настоящая теплотворная способность древесной породы влажностью 20% составит менее 3200-3300 ккал/кг. Для практических расчётов рекомендуется использовать нормативное значение малой теплотворной возможности древесной породы, равное 13800 кДж/кг либо 3300 ккал/кг (регламентировано ГОСТ 12.1.044-89 «Положения безопасности. Общие требования»). Вкупе с тем ГОСТ 9817-95 «Аппараты бытовые, работающие на твёрдом топливе» советует ещё более низкие значения. А именно низшая (малая) теплота сгорания дров, в согласовании с этим нормативным документом, составляет 10200 кДж/кг либо 2400 ккал/кг при влажности дров менее 35%.

Принципиальным обстоятельством является и то, что сама полностью сухая древесная порода даёт при сгорании больше воды, чем её содержится в самих дровах. Потому влажность дров очень оказывает влияние на теплотворную способность дров, но на влажность дымовых газов не настолько уж существенно. Так, при использовании дров влажностью не 20%, а 10% влажность дымовых газов понизится никак не вдвое, а всего только на 15-20%.

Вопрос об образовании воды при сгорании полностью сухих дров становится совсем ясным, если поглядеть на хим формулу основного компонента древесной породы — целлюлозы [С6Н702(0Н)3]п, представляющей собой натуральный полимер, полисахарид. Формально целлюлоза состоит из углерода и воды, причём по весу более чем наполовину из воды, которая и гореть-то не может. Потому древесная порода и обладает теплотой сгорания на уровне всего 4500 ккал/кг — много ниже, чем же не имеющие в своём хим составе воды кокс, нефть и газ, теплота сгорания которых добивается величины 10000 ккал/кг.

Да и это не так принципиально. Определяющим моментом будет то, что при температурах выше 500°С целлюлоза может быть на сто процентов газифицирована — переведена в смесь горючих газов, которые позже и сгорят при смешении с воздухом.

Процессы газификации древесной породы известны издавна: ещё в 40-х годах XX века в СССР грузовики-полуторки оснащали движками внутреннего сгорания, работавшими на синтез-газе (СО + Н2), вырабатывавшемся в газогенераторе автомобиля из древесных чурок (малеханьких поленьев длиной см 10, которые по разнарядке заготовляли колхозы).

При определённых критериях древесную породу можно рассматривать как смесь углерода и воды, которая в свою очередь может быть переведена при больших температурах в смесь горючих газов. Но разумеется, что в реальности древесная порода никак не является механической консистенцией углерода и воды. Она состоит из многих органических веществ с разными физико-химическими качествами. При нагреве древесная порода выделяет летучие продукты деструкции (разложения), ни воде, ни синтез-газу не надлежащие и представляющие из себя кислородсодержащие органические соединения — альдегиды, кетоны, Спирты и т.д.

2-ой принципиальной реакцией газификации является взаимодействие при температурах выше 1000°С углерода (углей сажи) с углекислым газом, являющимся продуктом окисления углерода, другими словами продукты сгорания могут вторично прореагировать с горючим (углеродом), образуя угарный газ СО и обуславливая недожог в печи: С02 + С = > 2СО.

Дрова (также все материалы из растительного сырья, включая бумагу, являющуюся стопроцентной целлюлозой, торф, табак курительный и пр.) могут пылать в 2-ух режимах: тлеющем и огненном. Не вдаваясь в детали, поясним сущность режимов на упрощённом модельном примере горения древесного горючего с торца в гипотетичной газонепроницаемой гильзе.

Поначалу поместим в трубку древесный уголь, всегда присутствующий на поверхности пылающих дров — тот древесный уголь, которым топили самовары. Нагреем торец каким-либо образом до температуры воспламенения (около 600°С), другими словами подожжём торец. Кислород 02, диффундирующий к поверхности горючего и даже отчасти проникающий вглубь угля, начнёт химически реагировать с ним, образуя углекислый газ С02 с выделением термический энергии, которая расходуется на нагрев самого отходящего углекислого газа, на нагрев торцевой поверхности угля и на термическое излучение с раскалённого торца.

Если процесс завязался, другими словами появилось устойчивое горение, повышением подачи кислорода (к примеру, обдувом) можно поднять температуру горения торца за счёт большего тепловыделения (кривая 1 на рис. 2а). При всем этом увеличивается скорость горения, другими словами скорость перемещения пылающего торца на лево.

Процесс проходит без пламени в диффузионном режиме подвода молекул окислителя и отвода молекул товаров сгорания. Если скомпенсировать радиационные (лучистые) утраты тепла с торца за счёт термического инфракрасного излучения оковём наружного облучения торца таким же инфракрасным излучением (к примеру, поместив кусочки пылающего угля рядом вместе), то температура торца ещё больше повысится. Это соответствует отлично известному в быту явлению: полешки пылают и догорают лучше «в коллективе», когда друг друга греют. Одно полешко в печке (в особенности колосниковой) пылает плохо, их нужно минимум два, либо необходимо иметь раскалённый кирпичный под (дно) печи. Наибольшая же температура во всех случаях будет наблюдаться конкретно на торце угля.

А сейчас добавим слева от слоя угля кусок древесной породы: это будет модель поверхности пылающих дров, состоящих из древесной породы, покрытой коркой древесного угля. В таком случае горение древесного угля на торце сохранится по той же модели, которая подверглась рассмотрению выше, но добавится ещё один процесс: древесная часть эталона безизбежно греется от раскалённого слоя угля и разлагается с выделением летучих товаров, которые могут распространяться исключительно в слой угля.

Разложение древесной породы с выделением летучих товаров начинается уже при 150-200°С, температура же их воспламенения — около 300°С. Таким макаром часть кислорода, диффундирующая снаружи вовнутрь пористого угля, спаливает летучие продукты, а образующиеся продукты сгорания (углекислый газ С02 и вода Н20) так же диффузией удаляются из слоя древесного угля (и при всем этом могут вступать в реакции газификации, упомянутые выше).

Наибольшая температура (600°С и выше) достигается снутри слоя угля, обычно поблизости поверхности торца. Этот режим горения и именуется тлением.

Если же в режиме тления повысить подачу кислорода (оковём поддува) и скомпенсировать утраты тепла излучением (разместив жаркие угли рядом вместе), то температура угольного слоя резко увеличивается. При всем этом возрастает и выход летучих веществ из древесной породы, поток которых становится настолько массивным, что уже не пускает встречный кислород не только лишь вовнутрь угля, да и на его поверхность. Режим горения при всем этом резко меняется. Выходящие летучие вещества образуют вне угольного слоя факел пылающего газа, который и сгорает в воздухе зрительно как пламя природного газа. В данном случае мы имеем дело с режимом резвого огненного горения.

Наибольшая температура при всем этом достигается вне угольного слоя в зоне пламени. Если уменьшить подачу кислорода, огненный режим перебегает в тлеющий. Соответствующим признаком огненного горения является образование угольного остатка — после выгорания летучих веществ остаток (угли) сгорает по обыкновенной схеме.

Обычно в обычных печах подразумевается внедрение процессов огненного горения с сильной подачей воздуха, в том числе и через колосниковые решётки. Но в ближайшее время обширное распространение получили печи, использующие режим тления. Их обычно именуют печами долгого горения (беспламенного горения, фронтального горения, переднего горения И Т.п.). Печи долгого горения просто узнаваемы: они имеют, обычно, глухой под без колосников, а главное — герметично (либо по последней мере плотно) закрывающуюся дверцу топочной камеры и точно регулируемые заслонки для дозированной подачи воздуха. Печи долгого горения на одной закладке горючего могут проработать до 10-15 часов. По сопоставлению с огненными печами эти отопительные устройства очень маломощны — 1-5 кВт, но конкретно такую мощность наружной теплопотери имеют и типовые кирпичные печи.

В последующий раз мы продолжим разговор об особенностях горения твёрдого горючего.

Достойные внимания странички:

Строим барбекю своими руками
Очистка дымопровода
Строим шашлычницу своими руками