Blog

koza analityczna

Wspólnie z kolegą wykonaliśmy wstępną wersję kozy. Tutaj leży poziomo, ale pracować będzie pod skosem. Boki zamknięte, a powietrze regulowane zaworami. Od góry szybka do podglądania. Do tego jest okrągły ruszt o regulowanej pozycji. Dopalacz będzie na wylocie po środku. Bezpośrednio przy wylocie jest jeszcze dodatkowa rura doprowadzająca powietrze, ale na razie na wyrost, nie podłączona.

plan działania nr 2

Testy z rurą pokazały, że potrzebne jest stabilne źródło płomienia wchodzącego na dopalacz. Dlatego w następnej kolejności chciałbym przetestować wpływ składu płomienia wchodzącego do mieszalnika. Plan jest, aby jako palenisko użyć rury z bocznym wyprowadzeniem, tak jak na rysunku. Wylot do dopalacza zaznaczony strzałką. Rura (lub profil kwadratowy) gruby, stalowy, oczywiście na straty, ale ceramiki jeszcze nie umiem. Temperatura w tym miejscu nie jest potrzebna wysoka, będę musiał pilnować przegrzania.

W takiej rurze zmieniając położenie rusztu można będzie testować różne położenia paliwa stałego, czyli spalanie dolne (po prawej), górne (po lewej) i kombinację pośrednią. Jako paliwo planuję testować węgiel, trociny i drewno. Osoby bardziej doświadczone sugerują, że węgiel w skośnej rurze może mieć tendencję do zawieszania się. Jednak skośna z kilku powodów wygodniejsza, więc zapewne będę popychał pogrzebaczem.

W dopalaczu przetestuję 2 naprzemiennie umieszczone półki z izolującego materiału, które powinny ograniczyć ucieczkę ciepła przez promieniowanie. Będzie kłopot z obserwacją, co się dzieje w środku, ale może coś wymyślę. Będę próbował użyć jakiejś ceramiki do konstrukcji dopalacza.

testy sierpniowe

W sierpniu wykonałem szereg testów z izolowaną rurą. Taka rura jest odpowiednikiem wewnętrznego komina, który w terminologii pieców rakietowych nazywa się heat riser. Niestety materiał zdjęciowo-filmowy mam bardzo słaby. Sytuacja w rurze zmieniała się bardzo szybko i byłem mocno zajęty robieniem wszelkich testów i obserwacji. Próby palenia przeprowadzałem najczęściej wieczorem i wobec kiepskiego oświetlenia do celów dokumentacji praktycznie potrzebna by była druga osoba.

Pierwszy z testów (wykonany jeszcze w lipcu) miał testować mieszalnik statyczny. Średnica rury to 15cm, a długość obszaru zaizolowanego 60cm. W środku 3 sekcje kształtek z blachy, które miały robić mieszanie. Widać, że instrukcje mieszalników statycznych nie kłamią i 3 sekcje, a także długość 4 razy średnica, to jest zdecydowanie za mało. Widać, jak niedopalone płomienie wychodzą z mieszalnika. Natomiast temperatury w głębi ładne, pomarańczowe. W tym teście już zaczęła się objawiać słabość blachy. W wysokiej temperaturze mięknie, traci sprężystość i kształt. Prześwity po bokach wyraźnie źle wpływały na dymienie (filmik 3-krotnie zapętlony).

Dłuższa rura z dłuższą izolacją (zdjęcie po zakończeniu prób, wrzesień).

Testowałem różne wstawki mieszające, między innymi wiernie wykonaną przegrodę typu Westfall. Doszedłem, że wygodniej robić moduły, które uszczelniałem potem po bokach. Poniżej trzy pogięte elementy wyjęte po teście z lipca i naszykowany moduł do wstawienia.

Jak wspomniałem dokumentacja z testów jest słaba. Tutaj playlista jest ze wszystkimi filmikami, jakie mam. Pierwsze cztery z testu z pojedynczą przegrodą, dwa końcowe z wstawionym modułem ze zdjęcia powyżej.

Poniżej jedno ze zdjęć. Niekiedy cała rura była pełna płomienia, ale to były najciekawsze fragmenty, więc niestety nie miałem czasu na myślenie o aparacie.

Na wlocie prymitywny ruszt z grubych drutów. Testowałem różne materiały, drewno, słomę, węgiel, tworzywa sztuczne.

 

Wnioski

W otoczeniu mocno rozgrzanych ścianek nadzwyczajnie rośnie palność. Pali się wszystko, co jest palne. Na marginesie, widać to było już po testach palnika dymu mojego znajomego. Jasnoczerwona temperatura ścianek jest wystarczająca, aby zapalić dym, który już zgasł (sczerniał). Obserwowałem np. zapalenie się czarnej smużki dymu, która przesączała się bocznymi nieszczelnościami i wchodząc w gorący obszar robiła się świecąco żółta. Natomiast otoczenie w kolorze ciemnoczerwonym wprawdzie bardzo podnosi palność dymu z destylacji (smoła), ale dymu z sadzy już powtórnie nie zapali. Należy wziąć poprawkę, że nie całe otoczenie obszaru testowego było w tej konfiguracji ciepłe. Płomień „widział” zimniejszą część i wylot rury.

Temperatury można osiągnąć przyzwoite. Największe obserwowałem na węglu, kolor jasnopomarańczowy. W tej temperaturze blacha 0.5 ma spoistość rozmoczonego kartonu. Chciałem przetestować jeden z mieszalników z lipca, ale ostatecznie haczykiem wyjąłem coś w rodzaju zwisającego naleśnika.

Rezultaty pod kątem czystości spalania są bardzo obiecujące. Głównym problemem było utrzymanie odpowiedniej temperatury przez dłuższy czas. Przy odpowiednich warunkach, czyli rozgrzaniu dopalacza i proporcji powietrza spaliny z drewna były całkowicie bezwonne. Zapach mocno rozgrzanego powietrza. Przy dodatku węgla czuć kwaśno-ostry zapach dwutlenku siarki, jak spaliny z koksu, albo skoksowanego węgla. Przy samym węglu stężenie SO2 było na tyle duże, że nie dawało się powąchać. Zaznaczam, że na wlocie dopalacza kopciuch, jak na zdjęciu powyżej. W celu testowania dokładności spalania wkładałem na palenisko również różne folie, opakowania, styropian. Przy dobrych warunkach na wylocie nie było różnicy, brak zapachu.

Głównym problemem było utrzymanie stabilnych warunków spalania przez dłuższy czas. Ruszt był mały, paliwo ulegało szybkiemu odgazowaniu. Nie miałem osobnej regulacji powietrza wtórnego. Dobre warunki dopalania udawało mi się osiągnąć przez krótkie minuty. Cykl najczęściej wyglądał tak, że po dołożeniu paliwa spadała temperatura dopalacza i leciał dym. Potem paliwo się rozpalało, dużo ognia w dopalaczu, ale brak wystarczającej ilości tlenu. Dopiero po pewnym wypaleniu pojawiało się więcej powietrza i okres całkowitego spalania. Ale w tym czasie dopalacz rozgrzany wcześniejszym mocnym ogniem, więc wynik nie na 100% miarodajny. W fazie przygasania ponownie lekkie dymienie.

Początkowo nastawiałem się na testowanie mieszalników, ale w chwili obecnej kolejność priorytetów jest następująca.

  1. Poprawna proporcja paliwa do powietrza na wlocie dopalacza. Niedostatek tlenu skutkuje oczywiście sadzą, ale zbyt duży nadmiar powietrza powoduje zbyt niską temperaturę. Płomień wtedy pali się w trybie „standard”, czyli zimne ścianki i mniejsze lub większe kopcenie. Przy nadmiarze powietrza, ale zbyt blisko stosunku stechiometrycznego, potrzeba więcej czasu i miejsca na wymieszanie (jak przy miareczkowaniu w chemii). Prawdopodobnie wstępne podgrzanie powietrza wtórnego poszerzy akceptowalny zakres współczynnika nadmiaru.
  2. Dopiero przy poprawnym składzie można myśleć o dobrej temperaturze.
  3. Mając skład mieszanki i temperaturę można zadbać o mieszanie.

Następne testy będą miały na celu skonstruowanie stabilnego spalania paliwa stałego. Natomiast w zakresie dopalacza chciałbym najpierw przetestować coś w rodzaju „zatyczki” przeciw ucieczce promieniowania, czyli naprzemiennie położone 2 półki z izolującego materiału.

 

radykalny postęp – palnik dymu

Trzy tygodnie temu kupiłem porządną wełnę ceramiczną wytrzymującą do 1200°C. Zwykła wełna mineralna się topi i przykleja do rury, a do tego emituje jakieś gazy z lepiszcza. Jeszcze nie użyłem jej do testu mieszalnika.

Natomiast nastąpił ogromny postęp w konstrukcji pieców. Pewien pasjonat konstrukcji pieców, z którym nawiązałem wcześniej kontakt mailowy, wziął na poważnie to co przedstawiłem na tym wiki. Do jednej ze swoich konstrukcji dodał na wylocie poziomą, izolowaną rurę palnika z mieszalnikiem statycznym. Wynik jest piękny. Ani śladu sadzy i dymu. Według konstruktora nie ma nawet zapachu spalania węgla. Konstrukcja, którą zamierzam testować jest podobna do konstrukcji rocket mass heater lub kominka Petera van den Berga, gdyż na dopalacz ma wchodzić żółty płomień. Natomiast rozwiązanie poniższe nawiązuje bardziej do tradycji gazyfikacji. Na ruszcie zachodzi spalanie pierwotne i powstaje palny dym, który jest spalany w palniku. Rozgrzane ścianki palnika bardzo skutecznie podnoszą palność dymu.

Na tym filmiku widać wnętrze rury dopalacza chwilę po zapłonie w nim gazu. Jako mieszalnik jest użyta prosta przegroda mieszająca wzorowana na mieszalniku Westfall model 2800. Jako rozpałka użyte drewno na wcześniejszym koksie.

Tutaj krótki filmik, na którym widać cały piec. Piec jest mały, testowy, dla porównania cegła ma 25cm długości. Komora paleniska ma 10x10cm. Rura palnika-dopalacza 5cm (2″) średnicy i 40cm długości.

Na zdjęciu wnętrza paleniska, widać dziurkowaną przegrodę, którą wchodzi powietrze pierwotne. Spaliny i płomień przechodzą do rury dopalacza schowanej po przeciwnej stronie. Tam jest też podawane powietrze wtórne. Trochę nietypowa konstrukcja jest związana z faktem, że piec służył również do innych prób. Kolejna wersja będzie całkowicie zmieniona, ponieważ dopalacz musi być ceramiczny, a samo palenisko również się przegrzewa.

Tutaj około 20 min. później, po dorzuceniu węgla i porządnym rozpaleniu. Węgiel jest gatunku mocno koksującego. W tej chwili jest zdecydowanie w fazie odgazowania. Żółte wtrącenia w płomieniu pochodzą od gazujących węgielków, które wpadły do dopalacza. Po wygazowaniu węgli zaniknęły. Płomień sam z siebie jest blady, słabo widoczny. Myślę, że w stosunku do aktualnej mocy objętość (długość) izolowanej rury jest ciut za mała, gdyż płomień zaczyna wychodzić na zewnątrz rozgrzanej strefy. Dym od zabłąkanych węgli w dopalaczu jest widoczny w postaci lekko różowego zamglenia. Filmik zapętlony 4-krotnie.

Tutaj jest zdjęcie wnętrza rury zrobione po wygaszeniu. Konstruktor pieca sprawdzał, że czarny nalot na końcu rury i na przegrodzie mieszającej nie jest sadzą. Z doświadczeń wykonanych przeze mnie w sierpniu wynika, że jest to najprawdopodobniej twardy lak ze smoły węglowej. Konieczne jest przejście ze stali na ceramikę, ponieważ rura stalowa niszczy się bardzo szybko.

Uważam, że efekt jest bardzo obiecujący. Piec jest bardzo mały, a jednak rura palnika rozgrzewa się do czerwoności, czyli zachodzą warunki do dopalania również bezpłomieniowego. Piec daje ładny, czysty płomień. Należy dodać, że to całkowicie pierwsza konstrukcja.

plan działania

Rys. 1. Wstępny projekt pieca

Swój projekt pieca węglowego lub na biomasę przedstawiłem na rys. 1. Składa się z paleniska, dopalacza i wymiennika. Palenisko powinno przekształcić paliwo stałe w gaz. Tylko tyle (i aż tyle). Dopalacz powinien na gorąco wymieszać gaz, skutkiem czego na wylocie będzie jedynie dwutlenek węgla i woda. Oczywiście też popiół, tlenki siarki i być może azotu, ale głównym celem jest całkowite usunięcie szkodliwych związków organicznych i sadzy. Wymiennik powinien być dalej, nie jest pokazany na rysunku.

Opis elementów: A) Podajnik ślimakowy lub tłokowy. B) Komora paleniska. Spalanie zachodzi w prawej części, gdzie dołem lub bokami jest podawane powietrze. Paleniskiem może być palnik retortowy lub rynnowy. Może to być też klasyczny ruszt z odpopielaczem. C) Dopalacz. Kanał w którym są płytki w rodzaju mieszalnika LPD, SMX lub czymś pomiędzy nimi. D) Izolacja dopalacza. E) Wylot do wymiennika. F) Opcjonalna komora załadunkowa do załadunku ręcznego. Może zastępować podajnik automatyczny. W połączeniu z dodatkową przegrodą w komorze paleniska może tworzyć klasyczny piec dolnego spalania.

Taka konstrukcja nie ma w sobie prawie niczego nowego. Przewijała się od kilku lat na różnych forach internetowych. Producenci pieców nie stosują takiego rozdziału pomiędzy częścią spalającą i wymiennikiem najprawdopodobniej ze względu na wygodę konstrukcji i brak wystarczającego zainteresowania aspektem ekologicznym. Jeden z użytkowników forum info-ogrzewanie.pl własnoręcznie wykonał piec dolnego spalania z rozdzieloną częścią spalającą i wymiennikiem ciepła. Połączone są one „ciepłym” kanałem dopalającym. Piec ten od wielu lat spala bezdymnie bardzo rozmaite paliwa od węgla po wilgotne trociny. Jednak, prawdę mówiąc, ten akurat piec jest raczej wyjątkiem potwierdzającym regułę, że typowe piece mają bardzo złą konstrukcję.

Tym, co wyróżnia piec typu „zero”, jest obecność izolowanego dopalacza z mieszalnikiem. Dopalacz ten powinien mieć w środku temperaturę powyżej „czerwonej”. W komorze paleniska paliwo reaguje z powietrzem i generuje dużo ciepła. Dla uniknięcia nadmiernej temperatury może być potrzebny jakiś „balast” w postaci EGR lub odpowiedniej ilości powietrza nadmiarowego. W dopalaczu też będzie mieć miejsce generacja ciepła, zależnie od składu na wejściu, ale generalnie chodzi o dopalanie, więc w dalszej części kanału nie będzie źródła ciepła. Palność wchodzącej mieszaniny nie powinna mieć znaczenia dla poprawnego działania, gdyż reakcje spalania zachodzą również poza frontem płomienia, tak jak w konstrukcjach FLOX. Ponieważ w miejscu, w którym spalanie się kończy, nie można liczyć na źródło ciepła, więc należy użyć dobrej izolacji. Z obliczenia teoretycznego wynika, że ok. 4% straty ciepła oznacza 100°C spadku temperatury. Przykładami niewielkich i dobrze izolowanych konstrukcji są małe piece kowalskie opalane gazem oraz piece do wypalania ceramiki. Dla ustabilizowania opisanych temperatur oraz właściwej proporcji tlenu najprawdopodobniej konieczne będzie użycie automatyki.

Jak dotychczas w celu praktycznego sprawdzenia teorii wykonałem eksperyment z izolowaną rurą blaszaną φ=15cm, na której jednym końcu spalałem różne materiały typu drewno, słoma itp. Rura umieszczona poziomo i zapewniony przez nią niewielki przepływ powietrza. Eksperyment pokazał, że płomień, o ile nie stygnie przez promieniowanie, to zgodnie z przewidywaniem gaśnie bardzo powoli. Natomiast nie ulega dopaleniu, ponieważ się nie miesza z powietrzem (na długości 1m). Jest to głównie spowodowane tym, że lepkość kinematyczna gazów w temperaturze płomienia jest ok. 10 razy większa, niż w temperaturze pokojowej. Robiłem również próbę palenia w tej rurze wilgotnych jesiennych liści. Przy dobrym dogrzaniu promieniowaniem palą się bez trudności i bez większej różnicy w stosunku do paliw suchych. Niestety jestem bardziej teoretykiem, więc „przepustowość” eksperymentalną mam niewielką. Ten eksperyment wykonywałem w grudniu 2014. Gdyby ktoś chciał pomóc, to zapraszam.

Następna w kolejności seria doświadczeń będzie testowała mieszalniki statyczne. Rura φ 10-15cm, 1m, izolowana wełną ognioodporną. Umieszczona pionowo z konwekcją swobodną lub poziomo z przepływem wymuszonym, jeszcze zobaczę. Rura i mieszalnik możliwe, że na straty po kilku solidnych doświadczeniach. W środku blaszki mieszalnika w tej pracy nazywanego „new design” SMX(1,1,3). Mieszalnik 3-4 sekcje. Problemem może być ucieczka ciepła przez promieniowanie. SMX w artykule jest do kanału kwadratowego, a ja rurę na straty mam okrągłą, ale coś zaimprowizuję. Na wlocie rury palące się ognisko, słoma, gaz z butli, itp. i „ręczne” kontrolowanie proporcji powietrza. Środek mieszalnika powinien być minimum czerwony, optymalnie pomarańczowy Czytaj dalej plan działania