Podsumowanie i uwagi praktyczne.

Podsumowanie

Na pozostałych stronach opisałem zjawisko płomienia pod kątem powstawania trujących zanieczyszczeń będących rezultatem niecałkowitego spalania. Z rozważań teoretycznych wynika, że piec ekologiczny powinien mieć rozdzielone miejsca spalania i odbioru ciepła. Dwuzdaniowa propozycja, co należy zrobić, aby uzyskać piec „typu zero”, który spala czysto i do końca jest taka.

Za paleniskiem, w którym pali się paliwo stałe, należy umieścić dobrze izolowaną komorę dopalacza i użyć w nim dobrego mieszalnika statycznego. Są trzy kluczowe elementy, które określają, czy dopalacz będzie dobrze działał:

  1. wysoka temperatura,
  2. dobre mieszanie,
  3. nie za krótki czas reakcji, czyli odpowiednia objętość gorącej części dopalacza.

Mieszalnika należy użyć dostosowanego do liczby Reynoldsa, która zależy od prędkości przepływu i wymiarów. Potrzebne parametry, czyli temperatura, jakość mieszania i czas dopalania gazu w dopalaczu zależą bardzo od temperatury i składu mieszanki na jego wlocie, czyli od rodzaju paliwa i konstrukcji paleniska. Dlatego trudno podać konkrety. Temperatura w dopalaczu powinna być taka, aby mogła zachodzić reakcja spalania bez pomocy frontu płomienia, czyli powyżej 800-900°C.

Eksperymenty i aktualne konstrukcje są przedstawione na blogu . Dotychczasowym (2017) wnioskiem z eksperymentów jest to, że warunkiem koniecznym jest zapewnienie poprawnej proporcji paliwa do powietrza.

Poniżej jest praktyczne podsumowanie zagadnienia spalania umożliwiające ocenę, czy konkretna konstrukcja pieca i dopalacza spełnia swoją rolę i ewentualnie, gdzie leżą jej niedostatki.

Uwagi praktyczne

W płomieniu zachodzi kilka zjawisk jednocześnie, ale przede wszystkim jest to reakcja chemiczna. Aby mogła zachodzić cząsteczki paliwa i tlenu muszą się spotkać. Czy przereagują, to jest pytanie nr 2, związane z temperaturą, ale najpierw muszą się spotkać, czyli paliwo i powietrze muszą się wymieszać. Obok filmik z klasyczną reakcją chemiczną pomiędzy kwasem i zasadą. Do kwasu wkraplana jest zasada. W roztworze jest barwnik, który jest bezbarwny w kwasie, a różowy w zasadzie. Wyobraźmy sobie, że kwas to powietrze, a zasada to gazowe paliwo. Na różowo barwi się obszar, gdzie jest przewaga paliwa, czyli będzie wydzielać się sadza. Mowa jest w tym miejscu o płomieniach żółtych, gdyż one sprawiają najwięcej kłopotu pod względem czystości spalania. W niebieskich (premiksowanych) od początku wszędzie jest przewaga powietrza i analiza spalania przebiega inaczej.

Około czasu 2:40 następuje całkowite zobojętnienie i zasada sodowa uzyskuje przewagę. Woda ma inne zachowanie niż gaz, ruch jest znacznie bardzie „skłębiony”. Aby zjawiska wyglądały podobnie powinniśmy takie mieszanie obserwować w powiększeniu. Jednak można wskazać pewną charakterystyczną i oczywistą cechę. Po dodaniu zasady powstają najpierw nierozmieszane duże różowe chmury, które stopniowo zanikają pozostawiając małe fragmenty, które potem znikają całkowicie. W przypadku, gdyby dodawana zasada była niejednorodna, sama w sobie niewymieszana, tak jak mieszanka palnych gazów w piecu, to byłoby to jeszcze bardziej widoczne, że mieszanie i reakcja zachodzą stopniowo.

Rys. 1) Mieszanie w spalaniu, A – początek, B – końcówka.

Przedstawia to schematycznie rys. 1.Po lewo jest sytuacja w chwilę po dodaniu nowej porcji reagentu, a po prawo, po pewnym czasie, kiedy nierozmieszane są już tylko małe resztki. W tym miejscu możemy powrócić od analogii z kwasem i zasadą do spalania paliwa gazowego. W przeciwieństwie do reakcji w zlewce reakcja spalania zachodzi jedynie w wysokiej temperaturze. Jeżeli nie będzie odpowiedniej temperatury, to reakcja nie zajdzie mimo wymieszania reagentów. Na początku, po lewo, temperatura jest gwarantowana, gdyż reakcja intensywnie zachodzi i wydziela się dużo ciepła. Kluczowe jest pytanie o temperaturę po prawej stronie. To właśnie te resztki są potencjalnym źródłem zanieczyszczeń w spalinach. Zasadniczo mała porcja paliwa spala się bardzo dobrze i czysto, tak jak pokazuje to przykład dowolnego małego płomyka. Jednak fragmenty paliwa po prawo są najczęściej pozostałościami po spalonej większej porcji (co symbolizują kropkowane linie na obrazku). W ich najbliższym otoczeniu panuje zmniejszone stężenie tlenu i spalanie zachodzi na tyle wolno, że ilość wydzielanego ciepła może nie pokryć strat. Jest to sytuacja analogiczna do miejsca C na zdjęciu świeczki (rys. 4) na stronie o froncie płomienia. A zatem jaka panuje tu temperatura? Zależy to od wielu czynników. Przede wszystkim od szybkości straty ciepła. Od tego zależy maksymalna temperatura osiągnięta w fazie intensywnego spalania (po prawej) i tempo jej spadku. Niekiedy można spotkać argument, że dobre dopalenie resztek wymaga wysokiej temperatury. Jest to stwierdzenie nietrafne. Po pierwsze reakcja spalania zachodzi w widoczny sposób już powyżej 850°C, a po drugie nie chodzi o temperaturę głównej części płomienia w czasie A, a o temperaturę pozostałych resztek w czasie B.

Rys. 2) Ognisko z turbulentnym frontem płomienia.

W praktyce reakcja spalania zachodzi w strumieniu. Punkt A leży na jego początku, a punkt B to dalsze miejsce strumienia. Rozpoznamy to w praktycznie każdym płomieniu. Albo mamy do czynienia z jęzorami laminarnymi, jak w omawianej wcześniej świeczce, albo mieszanie zachodzi bardziej turbulentnie i mamy schemat dużych obszarów A przechodzących w małe resztki B (np. na rys. 2). Stygnący „ogonek” laminarnego jęzora świeczki można uważać za pojedynczą resztkę w miejscu B. To znaczy w płomieniu świeczki mamy strumień powietrza płynącego do góry i mamy źródło paliwa w postaci knota. W miarę posuwania się wzdłuż strumienia, czyli do góry, paliwo reaguje z otoczeniem, aż zostaje resztka na końcu płomienia. Jeżeli strumień z knota paliwa był duży, to ta resztka jest otoczona produktami spalania, tlen nie dopływa wystarczająco szybko. Reakcja spalania zachodzi wtedy zbyt wolno, aby wyrównać straty ciepła. Zostają niedopalone produkty spalania tak, jak opisane na stronie o froncie płomienia. Natomiast dla dużego płomienia mieszanie zachodzi bardziej turbulentnie i gasnące resztki B tworzą porozdzielane obszary mniej lub bardziej oddalone od głównego obszaru spalania, jak to widać na rys. 2.

Schemat „część główna A / resztki B” rozpoznamy też z łatwością np. w płomieniu palnika retortowego na filmiku powyżej.

Trzeba zaznaczyć, że w konstrukcjach kotłów dolnego spalania mamy często do czynienia z płomieniami wstępnie zmieszanymi (można je nazwać „częściowo niebieskimi”). Ciężkie węglowodory ulegają rozpadowi na lżejsze przechodząc przez warstwę żaru. Mieszają się przy tym z powietrzem i tlenkiem węgla z częściowego utleniania węgla. Płomień ma wtedy barwę mieszaną żółto-fioletową. Trudno znaleźć dobrze wykonane zdjęcie takiego płomienia pokazujące schemat A/B, ale również i te płomienie mają swoje „ogonki”, końcówki i resztki, które tutaj analizujemy. Na filmiku testów nowego palnika firmy MDM widać resztki typu „miejsce B”, wypływające z głównego obszaru palnika.

Tak więc powróćmy do kluczowego pytania: jaka jest temperatura resztek w miejscu B na rys. 1? Czy ilość ciepła wytwarzanego przy spalaniu tych niewielkich resztek w otoczeniu o obniżonej zawartości tlenu wystarczy do pokrycia strat i utrzyma temperaturę potrzebną do dokończenia reakcji spalania? To jest kwestia decydująca o czystości spalania (mowa oczywiście o poprawnie skonstruowanym piecu lub kotle). Obserwacje praktyczne wskazują, że dodanie powierza w końcowej części płomienia niekoniecznie poprawia spalanie. Często wręcz przeciwnie, zimne powietrze gasi dopalające się resztki i powoduje większe kopcenie. Działającą metodą jest ogólne, całościowe podniesienie temperatury płomienia w części A. Wówczas po pierwsze stygnące gazy mają wyższą temperaturę początkową, po drugie miejsce B jest dogrzewane z miejsca A przez promieniowanie. Jest to przedstawione na rys. 3 na lewym obrazku.

Rys. 3) Dwie metody podniesienia temperatury w miejscu B.

Jest to metoda działająca, ale zawodna. W miarę oddalania się od głównej części płomienia temperatura szybko spada. W praktyce może się okazać, że do dobrego dopalenia resztek w głównej części płomienia musi panować bardzo wysoka temperatura. Jest to zapewne źródło poglądu, że dla osiągnięcia czystego spalania potrzebna jest ona konieczna. Inna metoda jest przedstawiona po prawej części rysunku. Aby utrzymać wysoką temperaturę miejsca B należy je zaizolować termicznie. Obie te metody właściwie się uzupełniają, potrzebny jest pewien zapas temperatury na starcie, a potem należy dokładnie izolować stygnące resztki.

Rys. 4) Błąd w ekranowaniu płomienia.

W polskich konstrukcjach można często spotkać błąd przedstawiony na rys. 4. Przy pracy kotła/palnika z pełną mocą płomień wypływa z docieplonego obszaru i przechodzi do części, gdzie jest wymiennik ciepła. Powoduje to oczywiście niepotrzebne pogorszenie jakości spalania.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *