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 . Pierwszym wnioskiem z eksperymentów jest konieczność zapewnienia poprawnej proporcji paliwa do powietrza. Drugim (03.2018) jest to, że przyzwoitą czystość spalania można osiągnąć w warunkach garażowych i przy niewygórowanym budżecie.

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. Powyżej 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. Analiza powstawania zanieczyszczeń w takim turbulentnym płomieniu będzie trochę inna niż dla laminarnego płomienia świeczki, jednak wnioski końcowe są bardzo zbliżone. Powstawanie zanieczyszczeń zależy od relacji pomiędzy prędkością spalania resztek typu B i tempem ich stygnięcia.

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 źródłem poglądu, że dla osiągnięcia czystego spalania 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.

Poniższy filmik pochodzi z testów dopalacza mojego znajomego i ilustruje zagadnienie. Ustawienia nie były optymalne i widać oderwane fragmenty jęzorów płomienia typu „B” wylatujące z rozgrzanego obszaru, a nawet z dopalacza. Wyraźnie widać je w zwolnieniu (ustawienia filmiku są na dole po prawej). Takie fragmenty stygnąc w zimnym otoczeniu będą powodować podniesienie poziomu zanieczyszczeń w porównaniu z sytuacją, w której cały płomień mieściłby się w czerwonym obszarze. Na tym przykładzie łatwo zrozumieć, że jakość mieszania, a także początkowy skład płomienia wpływającego do dopalacza mają duże znaczenie dla osiągnięcia tego celu.

9 myśli na temat “Podsumowanie i uwagi praktyczne.”

  1. Dziękuje za włożoną pracę i zebraną tutaj wiedzę wielki pozytyw dla Pana 😀

    Mam jeszcze pytanie kolor jasnozielony przy spalaniu węgla to bliżej czy dalej do spalania całkowitego? Czy ten kolor jest w stanie w przybliżeniu określić temp. panującom w palenisku?

    Pozdrawiam i życzę ciepła całkowitego hehe 😀

    1. Przepraszam za długie oczekiwanie. Źle ustawiłem swoje powiadomienia, a ogólnie nie spodziewałem się, że ktoś napisze jakiś komentarz. 🙂
      Moim zdaniem zielony kolor może się pojawić jedynie w wyniku obecności nietypowych pierwiastków. Sam węgiel go raczej nie spowoduje. Widziałem go niekiedy np. przy spalaniu gazety użytej jako rozpałka, co jest związane z pigmentami drukarskimi (jak sądzę). Tutaj https://en.wikipedia.org/wiki/Colored_fire podają, że mogą to być związki miedzi lub boru (boraks, kwas borny). Z węgla mogą być odcienie żółtego (sadza) lub niebieskie i fioletowe, ale przejście pomiędzy nimi biegnie przez fiolet-purpurę (płomienie w mocno rozgrzanych palnikach DS), a nie przez zielony.
      ps. Jeżeli zielony kolor pochodzi z tzw. dodatków poprawiających spalanie, to ogólnie jestem wobec nich sceptyczny. Natomiast czyste spalanie najprościej rozpoznać po zwykłym braku dymu z komina i braku sadzy na wymienniku. W następnej kolejności można spróbować spaliny powąchać (ostrożnie), gdyż większość spotykanej tam trującej chemii jest zarazem gryząca i śmierdząca.

  2. Zółto zielony płomień z węgla to mieszanka jasno gorącego zółtego płomienia i fioletowego płomienia.
    Świadczy o dobrych warunkach spalania węgla i spalaniu całkowitym.

    1. Mieszaniną światła żółtego i fioletowego nie jest światło zielone.
      https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PlanckianLocus.png

      Kolory na rysunku nie są wiernie oddane, gdyż ekran monitora nie jest w stanie wyświetlić czystych kolorów, w sieci można znaleźć też trochę ładniejsze obrazki.
      Zaznaczona linia odpowiada barwom sadzy o różnej temperaturze. Barwa światła zmieszanego leży na odcinku pomiędzy kolorami mieszanymi. Jak widać mieszanie żółtego światła sadzy (na moim monitorze okolice tych temperatur mają tutaj raczej wygląd pomarańczowy, ale ważna jest pozycja x-y) i fioletowego nie zrobi światła zielonego.

  3. Witam wszystkich,

    mtdeusz masz rację teraz jak przyuważyłem to ten kolor występuje dopiero w fazie spalania koksu w mieszance węgiel – drzewo w tym wypadku jest to sosna, link do filmiku –> https://youtu.be/PfefEHwygdE

    niestety kamera nie złapała kolorów jak należy, ale kolor płomienia to http://archidiecezja.lodz.pl/pwp/wp-content/uploads/2015/04/niebo-seledyn.jpg ( coś koło tego )

    Z czego wynika ten kolor co jest takiego w tej mieszance węgiel (koks) – drzewo że daje taki kolor?
    Wiem tyle że to jest najcieplejszy moment palenia, daje najwyższe temp. i rozgrzewa rury konwekcyjne które widać na filmie do czerwoności a są one ze stali kotłowej czyli muszą osiągać ok. 1000*C?

    Piec jest archaiczny bo nie posiada nawet powietrza wtórnego a płytki szamotowe co widać na filmiku to samoróba w której już się druty przepalają 🙂

    Ten piec to koza nie zasila C.O.. Chciałbym go tak usprawnić aby jak najdłużej utrzymywał żar/temp. (wydłużyć czas spalania) może być kosztem strat ciepła, ale chciałbym to osiągnąć w inny sposób niż „kiszeniem” opału bo już musiałem po takim kiszeniu wypalać sadzę z komina 🙂 Jestem otwarty na wszystkie sugestie.

    Piecem ogrzewam tylko 60mkw a ma moc 15kW.
    Link do piecyka http://www.termofor.com.pl/index.php/produkt/butakov-inzynier-piec-koza-15-kw-250-m3-na-wegiel-i-drewno-cid

    Pozdrawiam,

    1. Zielonego po prostu nigdy nie widziałem. Mogę polecić forum forum.info-ogrzewanie.pl, tam jest duża liczba autentycznych praktyków, może też ktoś taki płomień obserwował?
      Wydaje mi się, że to musi być coś bezpośrednio świecącego na zielono lub zielono-niebiesko, zielony nie powstanie ze zmieszania światła niebieskiego ze światłem sadzy. A niczego zielono-niebieskiego w płomieniach nigdy nie widziałem, ale głowy nie dam, że nie jest to możliwe, bo formalnie te fragmenty spektrum też są obecne, kwestia wzajemnych proporcji.
      https://pl.wikipedia.org/wiki/Pasma_Swana
      Ale tak, czy siak, nie wiązałbym tego jakoś bardzo z czystością spalania. Płomień niebieski na pewno nie ma w sobie sadzy, więc na pewno na starcie ma przewagę w czystym spalaniu, a o zielonym trudno mi się wypowiedzieć, bo nie widziałem.

      Co do „kiszenia” chyba niestety nie ma prostej alternatywy. Wszystkie piece na drewno mają ten problem. Jakaś płyta od góry w stylu piec Stropuva? Te zawieszone płyty szamotowe będą akurat współgrać.

    2. ps. Nie jestem pewien, ale dawno temu chyba widziałem zielono-niebieski płomień w niesprawnej kuchence turystycznej na propan-butan (było za mało powietrza). Ale tak jak napisałem wyżej, nie łączyłbym specjalnie tego koloru z czystością spalania.

  4. A przy zmieszaniu światła niebieskiego z jasno zółtym?.
    Ja też widziałem takie płomienie.
    Miedź,bar w żarze skąd by tam się wziełky?

Dodaj komentarz

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