ГОРЕНЕ

За да разберем как работи една печка е нужно да знаем, поне в основни линии, какво представлява горенето и огънят. Това добре познато явление, макар просто на пръв поглед, е съвкупност от множество процеси, за чието пълно описание са нужни сериозни познания.

Не целим да постигнем научна и техническа прецизност, а само малко да осветим въпроса за огъня. За простота ще разгледаме горенето на дърво.
От какво се състои дървото, сухото и мъртво дърво, в качеството му на горивен материал?

Дървото, като всяка материална субстанция, е изградено от атоми, организирани в молекули, които от своя страна изграждат клетки, образуващи различни тъкани. Около 40-45% от дървесината се състои от целулоза, 23–32% – хемицелулоза, от 15 до 25% -лигнин и няколко процента вода и разнообразие от вещества, които за краткост и простота ще наречем „други“.

Целулозата е кристален неразклонен биополимер, без вкус и мирис, неразтворим във вода, изграден от въглерод, водород и кислород. Хемицелулоза се нарича кой да е от група хетерополимери и за разлика от целулозата е аморфна, веригите ѝ са разклонени и образува слаби структури.

Лигнинът е сложен полимер, изграден от ароматни алкохоли, наречени монолигнини. Това е най-изобилният полимер на планетата след целулозата. Именно лигнинът придава специфичните качества на всяко дърво – здравина и твърдост. Той е необичаен, има силно разклонена хетерогенна структура. Благодарение на лигнина всяко стръкче тревичка, всеки храст и изобщо всяко растение се държи изправено и устоява поривите на вятъра и потупванията на случайните минувачи.

А сега малко за горенето, температурата и топлината, за пламъка и светлината:
За доброто разбиране на горенето трябва да знаем какво е температурата. Температурата е мярка за интензивността на движението на атомите и молекулите, които изграждат материята. Теоретично тя може да се изменя от нула до безкрайност. Но на практика е установено, че абсолютната нула не може да бъде достигната, тя съществува само във въображението на учените. Абсолютната нула означава абсолютна липса на движение. Подобно качество е противно на живота и природата на енергията.

И така, когато започнем да нагряваме дадена субстанция нейните градивни частици започват да ускоряват своя танц. Да нагряваме означава да внасяме енергия.

Топлина, за краткост, наричаме топлинната енергия. Топлинна енергия се произвежда при горенето на дърво например и не само.
Горенето е бързо окисление на дадено вещество, което за краткост ще наричаме гориво, при което се отделя топлина, светлина и смес от изходни вещества, предимно твърди частици, газове и вода.

Всеки материал си има критична температура, при която започва да гори. Когато налице има необходимите количества гориво, кислород и температура горенето може да започне.

Да се върнем на дървото и мислено да напалим огън. Ето, струпваме тънки и дебели клонки, те са нашето изходно гориво, около нас е пълно с кислород, който вдишваме с всеки дъх. Сега е нужно само да повишим температурата на някои от клонките до критичната като внесем енергия. Може да ги разтъркаме малко или може просто да вземем източник на топлинна енергия, като запалка например. Енергията на източника започва да ускорява танца на градивните частици, движенията им набират сила, започва процес на разрушение. Движенията стават толкова силни, че преодоляват силите които държат атомите в молекулите и молекулите в клетките. Всичко трепти и вибрира! Бавно но сигурно целулозата и лигнинът започват да се разпадат, дългите вериги започват да се рушат, виждаме дим – малки парченца дървесина носени от въздуха. Температурата се покачва още, разпада става още по-силен, наоколо се появяват газове (помните ли алкохолите в лигнина) и ето, на лице е нашата горивна смес – димни частици, премесени с разнообразие от газообразни въглеводороди. Всичко това се е образувало от разпада на целулозата и лигнина, но все още няма горене. Горенето се предшества от разпрашаването и газифицирането на целулозата и лигнина (пиролиза). Сега молекулите на тези газове се блъскат все по-силно със свободния кислород във въздуха, докато в даден момент ударите стават толкова мощни, че кислородът се вмъква в молекулата на газа, свързва се с част от нея и тя се разпада, взривява се – бум! Горенето е започнало. Енергията на разлитащите се отломки е това, което наричаме топлина и не само!

Реакцията се ускорява, всяка окислена молекула, разпадайки се, освобождава енергия и отдава част от нея на други молекули. Процесът става толкова интензивен, че наоколо започват да се появяват пламъчета светлина. Атоми и молекули се блъскат яростно едни в други, повишавайки своята вътрешна енергия, която след миг се освобождава навън под формата на светлина. Инфрачервена, видима и дори ултравиолетова. Светлината също грее. Особено инфрачервената. Колкото по-висока става температурата, толкова по-светли стават пламъците.
Светлината също отнася част от топлинната енергия, освободена при горенето. Тя се нарича лъчиста енергия.

Пламъците са видимата част от огъня. Те се излъчват от нагорещените газове и частици.

За какво служат печките?

Печките са устройства, които чрез изгаряне на гориво, отделят топлинна енергия, служеща за различни цели и нужди. Ефективността на всяка печка основно се определя от две неща – първо, колко пълноценно изгаря горивото и второ, каква част от отделената топлина остава използваема.
Възможно най-неефективната форма на горене е откритият огън. Затова сме измислили и печките на първо място. В днешно време всички печки и камини, за да работят добре, имат нужда от комин. Коминът отвежда изгорелите газове и неизгорелите димни частици навън от дома ви. Също така коминът предоставя нужната „тяга“ на печката, като засмуква въздух и по-този начин внася кислород в горивната камера.

Тягата на комина зависи от неговата височина и от разликата в температурите на изгорелите газове и околния въздух. Проходното сечение на комина е важен фактор. У нас най-разпространеният размер на димоходните тръби е с диаметър 13см. От тук и минималното сечение на комина трябва да е 13см. Всъщност, коминът може да има няколко димохода, което позволява в един комин да се включат няколко печки, но всяка печка изисква отделен димоход със съответното проходно сечение.

Стесненията, острите завои и дори грубите повърхности затрудняват и смущават движението на газовете.
Коминът трябва да е разположен така, че да е на най-високата част на покрива, наблизо да няма високи хълмове и сгради, защото вятърът, минавайки покрай тези възвишения, създава зони с различно налягане, което влияе на работата на комина.
Второ, добрата изолация е необходима, за да може коминът да остава топъл, при което по-ефективно подпомага издигането на изгорелите газове. Ако коминът е студен, газът който се движи в него се охлажда, свива се, натежава и пада надолу. Също така се създават условия за кондензация.

И така комините са неразделна част от печките. И като тях изискват поддръжка. Трябва да се чистят. Но защо? В идеалния случай на горене, всичко което остава е вода и въглероден двуокис. Но това го няма никъде. Дори двигателите с вътрешно горене и каквото и да е горене пушат и бълват всякакви газове, макар че са доста изтънчени устройства и работят с добре рафинирани горива.

В повечето печки горенето е с ниска ефективност, което ще рече, че малка част от горивото изгаря. Останалата част, която е смес от изгорели газове, неизгорели газове, димни частици, пепел и водни пари, пътуват по комина и попадат в атмосферата. Докато пътуват през комина, димните частици и пепелта се слепват и полепват по него, подпомагани от топлината, влагата и газовете. Тези наслоявания намаляват ефективната площ на комина и затрудняват движението на газовете и обикновено печката започва да връща дим в стаята. Същите наслоявания се появяват и по димоотводните тръби (кюнците).

Поддържането на тягата в една печка изисква постоянно изхвърляне на горещ газ през комина. Тук е вторият фактор, обуславящ ефективността на печката като цяло. Първо, около 50-70% от горивото става на топлина и второ, само част от тази топлина остава използваема. Останалата напуска през комина.

Основни предимства на ракетната печка.

Сега, като хвърлихме малко светлина около печките и горенето, ще ни е по-лесно да разберем как работи и защо е по-ефективна една ракетна печка.
На картинката по-долу се вижда схематичното устройство на една такава печка. В основата на печката е тяло, изработено от огнеупорен и топлоизолационен материал, което по форма наподобява буквата J. Както се вижда на картинката, клонките се слагат в късата вертикална част, огънят гори в хоризонтална горивна камера, а газовете и димът пътуват през централния комин, след което попадат в пространство, ограничено от цилиндричен метален корпус и се отвеждат към димоотводните тръби и комина. Нищо сложно нали? Кое все пак прави печката по-ефективна? Основно две неща.

rocket-mass-heater-animation
Най-напред да разгледаме централния комин. Както вече споменахме, това тяло е изработено от топлоустойчив и топлоизолационен материал. Значи хем издържа на високи температури, хем не провежда добре топлина. Ниската топлопроводност е важна. Благодарение на това му качество, централния комин се нагрява до високи температури от порядъка на 800 до 1000 градуса. Това разбира се не става веднага, като запалим печката. Необходимо е да погори около 20 до 30 минути, в зависимост от интензивността на горенето, за да се нагрее добре централния комин. Когато това стане казваме, че печката е в работен или „ракетен“ режим.

И сега да се върнем малко назад към въображаемия огън, който запалихме. Да си представим, че горенето е започнало и централният комин е загрят, тоест печката е в работен режим. Какво се случва тук, което е различно от една обикновена печка. Ами случва се следното – сместа от изгорели и неизгорели газове, от дим и водни пари, получени от изгарянето на материала в хоризонталната горивна камера, преминавайки през горещия централен комин, влиза в контакт с нагорещените стени и това, което не е изгоряло в хоризонталната камера изгаря тук. Това означава, че колкото е по-висок централният комин, толкова по-добро изгаряне ще имаме. Това се нарича вторично изгаряне. Градивните частици (атомите) на материала от който е направен централният комин трептят с голяма интензивност, но при това остават на местата си, материала не се разпада. Именно затова се казва, че е термоустойчив. Молекулите на газовата смес, като се доближават до стените, получават допълнителна енергия и ускоряват своето движение (нагряват се) и при досег с кислород изгарят, при което се отделя топлина, част от която продължава към топлообменика, а друга остава в централния комин поддържайки неговата температура. Толкова за ролята на централния комин. Много съществен елемент, който заедно с хоризонталната горивна камера са сърцето на ракетната печка.

Друго интересно явление, което възниква като резултат от устройството на ракетните печки е тягата. Ракетната печка създава собствена тяга. Това означава, че тя може да работи и без комин! Може просто да изкарате кюнеца през прозореца и готово. Но все пак коминът подпомага нейната ефективност и мощност. Как се получава собствената тяга или „ракетната“ тяга? Нагорещената смес от газове, която напуска централния комин, попадайки в пространството заключено между него и цилиндричния корпус, се охлажда рязко. Това е, защото цилиндричният корпус, който е изработен от метал, е в контакт с околния въздух, който е с температура, да речем около 22 градуса, а газовата смес, която напуска централния комин е с температура 400 и повече градуса. Охладеният газ се свива и налягането в пространството около комина пада – получава се вакуум, благодарение на който печката „засмуква“ въздух през отвора на горивната камера. Затова е важно да има херметичност на външния корпус.

Ракетната тяга е голям плюс. Именно тя ни позволява да усвоим в максимална степен топлинната енергия произведена в процеса на горене. Това става като пуснем изходните газове през достатъчно дълги димоотводни тръби, които играят ролята на топлообменници. Тук е важно да се спомене, че не е възможно да се регулира тягата на ракетната печка чрез клапа в димоотводната тръба. Това е защото „ракетната“ тяга „бута“ газа и ако сложим преграда на пътя му той започва да излиза през съединенията на кюнците и нахлува в помещението.
Работата с ракетна печка има своите тънкости. И тук нямаме идеално горене през цялото време. Все пак дори автомобилните двигатели изпускат дим и пушат понякога. Оптималното горене се постига чрез оптимално съотношение между температура, гориво и кислород.

Ракетната печка ни дава възможност да се радваме на полуоткрит огън, пали се лесно и бързо и ни дава по-добър контрол над интензивността на горене.

Print Friendly

Стани част от Семейството на Гамера!