Скорость горения древесины

Скорость горения топлива прямо влияет на тепловую эффективность дровяного камина. К факторам, влияющим на скорость горения, также относятся: температура в камере сгорания, скорость эвакуации дымовых газов, создание условий для полного сгорания древесины и минимизация газообразных выбросов, загрязняющих природу или опасных для человеческого организма.

Интересные эксперименты по исследованию зависимости скорости и времени горения от объема топки, влажности древесины, избытка первичного воздуха и удельной площади поверхности топлива классического камина проводились Центром энергетических исследований в г. Остраве (Чехия). О них мы и расскажем в этой статье.

Введение

Постоянно растущий интерес, который демонстрирует Европа к использованию возобновляемых источников энергии, вызван растущей озабоченностью, связанной с зависимостью многих европейских стран от внешних энергетических источников, например, газа. Поэтому неудивительно внимание к такому традиционному виду отопления индивидуальных домов, как дрова. Древесина используется для отопления очень давно, но, в настоящее время изменяется технический уровень данного вида обогрева жилья, так как ХХI век предъявляет более высокие технические и экологические требования к процессу отопления.

Современные дровяные печи имеют высокую тепловую эффективность – не менее 70% и полностью удовлетворяют требованиям законодательства многих стран, по которым запрещен выпуск каминной продукции, загрязняющей окружающую среду, включая окись углерода и твердые частицы. С ростом популярности дровяных печей, особенно в густонаселенных районах мегаполисов, экологические требования ужесточаются и устанавливаются более строгие ограничения на выброс в атмосферу вредных веществ. Кроме того, высокая конкуренция на каминном рынке требует от производителей новых и улучшенных дизайнерских решений. В целом, для решения таких разных задач требуется глубокое знание законов горения и принципов управления этими законами. Эти сведения могут быть полезными и для обычных пользователей печей и каминов, так как помогут рационально и эффективно использовать камин, улучшая комфортный температурный режим в помещении.

Характеристики процесса

Процесс горения дров в камине цикличен. Цикл начинается с розжига топлива или его несгоревших остатков после предыдущего запуска камина, а заканчивается выключением камина с остатками древесины в топочной камере, которые будут участвовать в следующем цикле сгорания топлива. С точки зрения пользователя одним из самых важных характеристик отопительного прибора, наряду с его тепловыми параметрами и длительностью горения, является частота загрузки топки древесиной. Обычно три килограмма сухой древесины сгорает на открытом огне в течение четверти часа. Роль камина заключается в том, чтобы удлинить процесс горения с эквивалентным количеством топлива (в нашем случае, 3 кг) до, по крайней мере, одного часа (что соответствует средней тепловой мощности в 10 кВт) при минимальном выбросе загрязняющих атмосферу веществ. Реальная оптимизация процесса горения зависит от качества и количества подаваемого топлива и воздушного режима. Для количественной оценки цикла сгорания можно использовать кривую скорости горения топлива, которая определяет тепловую мощность процесса сгорания в заданный момент времени.

Экспериментальное исследование зависимости скорости горения топлива от разных факторов обеспечивается относительно легко. Графически эта зависимость представляет собой кривую выгорания, «падающую» при уменьшении массы сжигаемого топлива. В нашем случае потеря веса при сгорании топлива обозначается в относительных единицах (1 или 100%), а падение как м р. Кривая выгорания может быть описана простым экспоненциальным уравнением вида

Y = EXP-(для хN ).

Если время, измеряемое в минутах, обозначить как τ, а скорость горения топлива обозначать Wр и измерять ее в kg.min -1, то математически зависимость будет выглядеть так:

W р = -Dмр/Dτ [kg.min -1 , мин -1 ]

На графике (Рис.1) видно, что вес топлива в начале и конце цикла разный. При розжиге он равен 1 (100%), а при полном выгорании - 0 (0%). Поправку, которая учитывает потери веса в виде воды (при влажной древесине) или остаточной золы, можно легко исправить с достаточной степенью точности или же совсем не учитывать, так как доля этих компонентов в сухой древесине незначительна.

процесс горения дров

Рис. 1. График зависимости скорости горения от веса сгораемого топлива

На Рис. 1 показана типичная кривая выгорания и ее временная зависимость от «падения» веса сгораемого топлива. Очевидно, что кривая тем круче, чем выше скорость горения и термическая мощность, и короче продолжительность одного цикла горения (увеличение частоты загрузки топлива). Конечным результатом являются циклически сильно флуктуирующие тепловые характеристики оборудования для сжигания древесины, которые можно «сгладить», учитывая цикличность концентрации кислорода в зоне сгорания топлива. В идеальном случае, при постоянной скорости горения, потери массы топлива могут быть описаны линейной зависимостью.

реакция горения в упрощенной форме

Рис.2. Реакция атмосферного кислорода на процесс горения древесины в упрощенной форме

Постоянный режим подачи воздуха для горения минимизирует образование газообразных загрязняющих веществ (окиси углерода) и, в меньшей степени, несгоревших углеводородов. В случае, когда в камере сгорания недостаточно воздуха для горения (кислорода), монооксид углерода (СО) не может быть полностью преобразован в диоксид углерода (СО2), а присутствует в дымовых газах, что очень нежелательно. Несгоревший оксид углерода в дыме очень токсичен, кроме того, увеличиваются потери несгоревшего углерода в выхлопных газах, что не может не сказаться на полезной мощности камина. Реакция атмосферного кислорода на процесс горения древесины в упрощенной форме описывает Рис.2. В левой части изображения показан воздух для горения, направленный к поверхности древесины. В нижней части рисунка - поверхность древесины, основными компонентами которой являются элементы углерода и кислорода (реальная структура дерева, естественно, более сложная). Высокая доля кислорода объясняет легкую воспламеняемость древесины по сравнению с другими видами топлива, такими, например, как уголь.

Далее: часть 2, часть 3

Обратите внимание: