Редакция от 12.04.18    00:45 

Питер Берг опубликовал  на своем сайте http://batchrocket.eu/en/workings  статью о основных принципах работы ракетных печей. Перевод этой статьи в черновом варианте представлен на этой страничке. Основой послужил кривоватый Google перевод, и его следы еще остались в тексте . Поэтому желающие могут поучаствовать в улучшении перевода. 

Автор перевода Владимир Петров aka Furno 

Как и почему это работает

Что такое горение древесины ?

Во время сжигания древесины органические молекулы разлагаются на более мелкие кусочки. В конце концов они становятся газами и являются источником пламени, когда они горят. Результаты полного сгорания: тепло, углекислый газ (CO2) и вода.

(прочитайте больше)

Смешивание

Пиролизный газ чрезвычайно горючий, взрывоопасный, когда он достаточно горячий и тщательно перемешан со свежим воздухом. Это смешение не происходит спонтанно, оно достигается из-за сильно турбулентных условий в порту и райзере.

(прочитайте больше)

Смешивание и турбулентность в топливнике

В мире людей строящих ракетные печи (Rocket Heater) райзером (riser) называют короткой изолированный внутренний дымовой (жаровой) канал. Высокое и узкое отверстие на нижней части называеют «портом». Сочетание райзера и  топливника (Batch Box, Fire Box) называется «ядром», а по-русски топкой. Способ вызова турбулентности отличается от обычной дровяной печи.

(прочитайте больше)

Высокая температура

Еще один важный фактор : высокая температура. К ней нужно относиться серьезно Во время работы температуры в райзере достигают температуры до 1200 ºCelsius (2190 ºFahrenheit).

(прочитайте больше)

Предостережения

Соответствующие размеры и пропорции топливника, порта, райзера и воздухозаборников сильно завязаны друг на друга. Даже  небольшого изменениея может быть достаточно, чтобы нарушить правильное функционирование топки. Кроме того, очень важна надлежащая дымовая труба.

(прочитайте больше)

Testo 330-2

Измерения, которые в конечном итоге привели к окончательному варианту ракетной топки , выполнены с помощью цифрового газоанализатора Testo 330-2. Это устройство измеряет во время каждого «испытания» температуру выхлопных газов, уровень кислорода (O2) и содержание окиси углерода (СО).

(прочитайте больше)

Сгорание дров

Треугольник огня показывает три компанента, необходимые для розжига  и горения огня.

Полное сжигание древесины (которая состоит из углеводородов) приводит к следующему: атомы водорода объединяются с кислородом для образования водяного пара (H2O), атомы углерода объединяются с кислородом для получения двуокиси углерода (CO2) и максимального количества энергии.

Эти же конечные продукты находятся при сжигании природного газа.

Уменьшите или удалите одну из сторон треугольника, тогда сгорание не будет полным , а скорее неполным сгоранием. Водный пар и двуокись углерода все еще производятся, но также производятся два других продукта: монооксид углерода (СО), бесцветный токсичный газ и частицы углерода, которые появляются как сажа и дым. Кроме того, максимальное количество тепла НЕ производится.

На первый взгляд, сгороание дров не кажется слишком сложным, некоторые небольшие сухие ветки с бумагой, зажигают спичку и огонь разгорается. Когда у нас уже есть огонь, мы можем подумать и приложиьт усиля чтобы он лучше горел. Нам нужны более высокие температуры, чем несколько сотен градусов небольшого костра, и нам нужно «держать его под контролем», а не позволять ему расти чрезмерно. Изолируя сам костер, мы сохраняем тепло от огня «внутри огня», который способствует полному сгоранию и удерживает большую часть тепла от огня внутри камеры сгорания.

В результате этих «новых условий» (при очень высокой температуре, и баланса  воздуха -не слишком много, не слишком мало) будет чистое горение. Хотя это вроде простые цели, но требуется множество усилий, чтобы найти представленные здесь параметры, которые достигают чистого ,бездымного сгорания. Чтобы понять, почему нет дыма, необходимо понимать, что дым - это просто несгоревшее топливо, не более того. Фактически в этих горючих газах обнаруживается до 60% доступной энергии древесины. Так что дым не «просто неприятен»  и влияет на большую площадь во внешней среде, это фактически «деньги в дым» в очень прямом смысле.

В буквальном смысле, кроме примерно одного процента золы, все содержимое древесины может быть преобразовано в тепло **, и поскольку такой дым является лишь показателем неполного преобразования топлива в тепло. Эти печки, как описано выше, имеют очень высокие температуры горения, поэтому дым очень горячий. Мы смешиваем предварительно нагретый воздух с этим дымом, что приводит к самовозгоранию дыма. Даже  угарный газ (монооксид углерода CO)  - смертельный яд - на самом деле просто несгоревшее топливо (напомним выше, что при полном сгорании СО не является продуктом сжигания древесины). CO не имеет собственного запаха, Поэтому, когда газ в городских плитах, который содержал до 8% CO, был использован для бытовых целей обограва и кухонных плитах  в течение двадцатого века, к нему всегда добавляли  меркаптан (неприятный запах) ,  чтобы предупредить людей о любых утечках или что потухла комфорка. Тем не менее дело в том ,что СО является топливом (и используется как таковое в городском газе), и все содержание энергии дров может быть извлечено, если сжеть правильно.

** Хотя это строго верно, нужно понять несколько моментов, чтобы перевести это в реальный мир. Эти нагреватели не будут использоваться в лаборатории с чистым кислородом, они будут использоваться дома. Даже погодные условия будут меняться и влиять на горение. Самое главное, что вся высушенная на воздухе древесина будет содержать некоторую влагу. Это необходимо отключить до того, как может произойти сжигание древесины. Чтобы сварить воду, требуется огромное количество энергии.

На графике показано, как повышается температура воды по мере добавления энергии. (он начинается с ниже точки замерзания, которую мы будем игнорировать. Если только дерево, которое вы используете, само по себе ниже нуля). По мере добавления энергии (горизонтальная ось) температура поднимается вдоль прямой C, для каждого «бит» добавленной энергии есть соответствующее повышение температуры, поэтому это прямая линия.

Когда вода достигает точки кипения (100 ºC), она больше не нагревается (видно по линии D, она горизонтальна, даже если энергия все еще вводится в систему). На этом этапе энергия, поглощаемая водой, не делает воду более горячей , а скорее превращает воду из «жидкости в газ», и это происходит без изменения температуры. Линия E будет ТОЛЬКО начинаться, как только вся вода превратится в пар.

Если у нас нет конденсационного котла, энергия, необходимая для превращения воды в пар, теряется в системе и в атмосферу. Таким образом, в реальной мировой практике это некоторые из потерь, которые происходят и будут происходить.  Из сказанного можно сделать очень важный вывод.  НИКОГДА не сжигайте ничего, кроме сухой древесины. Теперь вы знаете, почему.

Следующее видео - прекрасный пример воспламеняемости дыма.

Смешивание и турбулентность 

Как ни странно, сама древесина не горит. Она похожа на бензин, но сам по себе бензин не горит. Если вы достаточно быстры, вы можете окунуть горящую спичку в жидкий бензин. Не рекомендум, вамэто  попробовать, так как, скорее всего, спичка зажжет смесь бензиновых паров и кислорода чуть выше жидкого бензина. Как только этомы это поймем, нам станет ясно, что это «пары» древесины (пиролизные газы) , смешанные с кислородом, и являются веществами, которые сгорают. Тепло приводит к процессу пиролиза, что химические компоненты в древесине разбиваются на более мелкие, легковоспламеняющиеся компоненты, которые затем объединяются с кислородом (в присутствии тепла), в свою очередь, высвобождая больше тепла, из-за чего цикл продолжается. Чистое древесное пламя должно быть синим, его трудно увидеть при солнечном свете. Потому что есть также пылающая углеродная пыль, переносимая пламенем, цвет красный, оранжевый или желтый, чем выше температура, тем светлее цвет. Когда в пламени много газа и крошечный кусок углерода, он может казаться желто-фиолетовым.

Как только мы выяснили, что это вещества, выделяемые из древесины при нагреве, которые смешиваются  с кислородом, мы видим, что полное и тщательное перемешивание этих веществ с кислородом необходимо для полного сгорания. На практике это самая важная цель для достижения и самая сложная задача. Столб дыма, поднимающийся от огня, скорее всего, будет гореть на его «внешней поверхности», границе между дымом (топливом) и воздухом, богатым кислородом. Внутри столба дыма очень мало кислорода, поэтому тамнет  никакого сгорания. Он, наконец, оставляет дым (несгоревшее топливо), потому что, хотя он в конечном итоге удовлетворяет достаточному количеству кислорода, он достаточно охладился, что сгорания не происходит. Напомним, что для сгорания, топлива, кислорода и тепла необходимы три условия.

Обычный метод, используемый в печах для горения, подразумевающий смешивание кислорода и топлива, заключается в том, чтобы вводить свежий воздух (обычно  предварительно не нагретый) в зону горения из нескольких мест. Для этой системы требуется много воздуха, что является серьезным недостатком, поскольку он снижает температуру зоны горения, что является одним из трех условий, необходимых для полного сгорания. В металлических печах это охлаждение зоны горения не считается недостатком, а скорее преимуществом, так как температуры, которые могут быть достигнуты при сгорании дров, достаточно велики, чтобы сталь, даже нержавеющая сталь, прогорела в удивительно короткие сроки , Сочетание богатой кислородом и бедной углеродом среды ,  в сочетании с высокими температурами очень быстро разъедает сталь. В результате во время каждого горения в самых жарких местах будет происходить сильный точечный нагрев .

Топки, описанные здесь, предназначены для поддержания самых жарких температур горения, которые могут превосходить металлические печи, и обеспечить надлежащее смешивание топливного газа и кислорода способами, описанными в следующем разделе.

--

Смешивание и турбулентность в топливнике

Смешивание древесного газа и кислорода в топливнике  обеспечивается тщательной геометрией ядра топки  и правильным расположением как первичного, так и вторичного воздухозаборников. Эти критически важные размеры будут даны позже. Расположение этих компонентов конструкции довольно простое, камера сгорания, которая длиннее, чем ширина задней части с портом , где и размещается вертикальная изолированная «дымовая труба». Это упомянутый выше райзер. Функция камеры сгорания, естественно, предназначена для сжигания древесины, функция изолированного райзера должна обеспечивать окончательное (и полное) сжигание любого древесного газа, полученного из древесины. Из предыдущих разделов мы теперь понимаем, что необходимо для того, чтобы полностью сгорало топливо (древесный газ),

Обратите внимание, в частности, на связь между этими двумя элементами топливником и райзером, высокое и узкое отверстие между ними. Это называется «порт». Фактически это сечение 70% поперечного сечения райзера (площадь поперечного сечения райзера является одним из «стандартных размеров» в этих нагревателях, а именно: размер, из которого можно масштабировать другие размеры). Это внезапное сужение на пути газового потока имеет очень важную функцию, поскольку * то же * количество газа протекает через систему во все времена, когда оно сталкивается (или проходит) через более узкое отверстие, поток должен быть быстрым (помните, что такое же количество газа проходит в любое время и во всех местах). Результатом этого ускорения является то, что давление в этой точке понижается.

Теперь, обратимся к рисунку, полая трубка (показанная черным в верхней части камеры сгорания) соединяет внешний воздух непосредственно с точкой наименьшего давления воздуха в системе, при открытии порта. Это приводит к поступлению воздуха (или, более того, кислорода) в газовый поток, когда он входит в порт. Как можно представить, теперь мы имеем три условия, необходимые для сжигания, топлива, температуру и кислород. Древесный газ уже очень горячий, в этом месте очень много тепла, все, что нам нужно сейчас, - это окончательное полное смешивание кислорода и древесного газа. Последний пункт, который следует отметить сейчас, поскольку вторичный воздух, вводимый в порт, должен проходить через стальную трубу, расположенную поверх огня, что бы он был предварительно нагрет на пути к порту.

Тщательное и полное смешивание древесного газа и кислорода происходит, когда смесь проходит через узкий порт  в райзер. Поскольку поток газа ускоряется через ограничение порта и затем резко замедляется, когда он достигает * большего * пространства за портом, массив потока газа состоящий из все еще быстро движущиеся молекул, проходящие через порт, врезается в внезапно замедленныемолекулы перед ними. Это создает значительную турбулентность и является непрерывным до тех пор, пока скорость газа в порту выше, чем в райзере, большую часть времени горения. Эти условия приводят к тому, что легковоспламеняющиеся газы смешиваются в закрученный двойной вихрь вначале горизонтальной плоскости, а затем восходящий двойную спираль, когда он поднимается в райзере и когда он выходит из системы.

Восходящий двойной штопор заставляет газы проходить гораздо длинному пути  (и, следовательно, занимать больше времени), чем если бы они шли прямо вверх. То, что это более длительное перемещение происходит в хорошо изолированной, чрезвычайно горячей среде, позволяет легко гореть смешанному  топливу и кислороду.

Ускорение газов, когда они проходят через узкое пространсво, известно как « эффект Вентури », закон физики, впервые описанный Даниэлем Бернулли в 18 веке. Сильные хаотические условия, создаваемые этой компоновкой, можно увидеть в этом коротком видео, снятом в вертикальном положении, и прямо на выходе из порта, где происходит смешение и образуется двойной вихревой / восходящий штопор.

Достаточно уникальный способ, которым эти печки создают условия для турбулентности , необходимые для полного смешивания кислорода и топлива, дает благоприятные результаты для эффективности сгорания. Звучаение похожее на постукивание молотком по металлической коробке означает, что было введено много воздуха. Это продлевает срок службы этих печей, но, как отмечено, снижает эффективность. Поскольку предварительно нагретый вторичный воздух в нагревателе для периодического ввода вводится в точную точку для полного смешивания, нам не нужно нигде вблизи того же количества вводимого воздуха в качестве металлических нагревателей. Таким образом, общая площадь поперечного сечения комбинированных воздухозаборников меньше, чем можно было бы ожидать в обычной  печи. Эти меньшие, чем ожидалось, воздухозаборники, возможно, еще более удивительны, когда видно, как быстро топливо потребляется в этих печах.

Последнее объяснение того, почему «избыточное количество холодного воздуха» противоречит хорошей эффективности. Существенным компонентом воздуха для сжигания является кислород. Любой другой компонент в воздухе - только пассажир, он ничего не способствует сгоранию, а служит только для охлаждения огня (они известны как балластные газы. Как и на судне, балласт - это только лишний вес, а не груз). Как  вы можете видеть , эти печи имеют тщательно выверенную геометрию и используя естественные законы, подают  нужное количество кислорода в точное место, необходимое для полного смешивания и сжигания.

Может быть, мы можем расширить эту идею "золотой середины". Воздуха должно быть не много , и не мало и главное он должен поступать в нужном месте.

Эти топки создают типичный , низкий (но как ни странно приятный ) звук. Фактически, именно этот характерный звук нашел во всех этих вариантах печей, которые дали название «Ракетные печи». Ниже приведенное короткое видео указывает на этот характерный звук, этот конкретный пример находится в металлическом корпусе, поэтому он имеет больше  звуковых волн из него,  при постройке ядра, используя кирпичную кладку , тембр меняется на менее шумный, более низкий звук и это совсем не страшно.

Больше тепла

Как топливник, так и райзер сильно теплоизолированы, с особым упором на изоляцию райзера (где температуры могут быть самыми большими). Это позволяет вцелом быстрее достичь оптимальной рабочей температуры и улучшает сгорание смеси древесного угля / кислорода, которая, конечно же, является основой эффективности печи.

Важное замечание

Важно понимать, что формы и размеры блока сжигания являются весьма критическими, вариации от них достаточно непроверены (ваш вариант может поразить победителя, но без испытаний никто никогда не узнает). «Плотность» этих размеров и коэффициентов вполне логична, они несут ответственность за то, что происходит в топке.

Для достижения целей этой топки(бездымного высокоэффективного сгорания, которое может быть выполнено и построено другими), важно, чтобы разработанные и проверенные размеры соблюдались достаточно близко.

Требуется надлежащая дымовая труба, дымоход - это «двигатель» любого дровяного нагревателя, и это движущая сила, которая создает достаточную тягу для чистого сгорания. Как обсуждалось выше, воздухозаборники меньше, чем «ожидаемые», и, возможно, на них легче влияют вариации от конструкции, приведенной здесь. Соотношения дизайна можно найти в разделе «Строительство». Когда температура дымохода повышается (и, следовательно, тяга), можно уменьшить расход воздуха или использовать более крупные куски древесины. Большее количество «коротких» кусков дерева имеет меньшую площадь поверхности, чем аналогичная по весу «тонко разделенная» древесина.

Эти печи сжигают топливную нагрузку без ограничений в подаче воздуха или любой другой мерой, используемой для «замедления горения для долговечности». К настоящему времени должно быть ясно, что для максимальной эффективности и чистоты горения такие меры только вредят этой цели. Таким образом, чтобы использовать или выгодно использовать созданное тепло, нам нужна большая излучающая поверхность или достаточно большая масса для поглощения и медленного высвобождения накопленного тепла. Эти различные подходы будут рассмотрены позже.

Любопытным явлением этих печей является время, затрачиваемое на сжигание закладки. Оказывается (против интуиции), что полная закладка древесины сгорает примерно в то же время, что и половинная закладка древесины (или другого отношения), от освещения до  фазы тлеющих углей. Таким образом, можно видеть, что полная загрузка древесины обеспечивает удивительно большое количество энергии за данный момент времени. Следовательно, нам нужны способы сбора этого тепла, которые будут обсуждаться на следующих страницах.

Результаты

За последние четыре года (с 2012 по 2016 год) я выполнил сотни протопок на ядре, представленном здесь, и я удовлетворен стабильныой и надежной конструкцией печи. Testo 330-2 - это газоанализатор, который измеряет выход дымохода, и из этих данных рассчитывает эффективность горения и может быть подключен к компьютеру, как я и сделал для создания собственной линейной диаграммы и электронных таблиц

Испытание, показанное на приведенной выше диаграмме, было проведено в нагретой топке, что можно определить исходя из начальной температуры (измеренной в выходном отверстии дымохода в градусах Цельсия, представленном синей линией). Как упоминалось ранее, «горячий» (уже до рабочей температуры) дымоход будет иметь соответственно сильную тягу, и поэтому в этой протопке огонь быстро развивался. Во время работы уровень кислорода (зеленая линия) опустился ниже того, что я считаю границей между оптимальным и не оптимальным (6% O2). Ниже этой цифры появляется вероятность выхода более высокой (фиолетовой линии) CO (при наличии недостаточного кислорода). Это не произошло в этом случае, как видно, поэтому, пока этот риск присутствует, ясно, что отличные сгорание все еще может быть получено. Из всех предыдущих обсуждений, данных по горению, можно видеть / понимать, что уровни кислорода, и температура дымовых газов напрямую связана с эффективностью сгорания. Эффективность показана красной линией.

Когда содержание кислорода не опускается ниже 10% при соответственно низкой температуре дымохода 80 ° С (176 ° F), эффективность будет выше, чем показано на приведенном выше графике. Однако более низкие температуры выхлопных газов означают меньшую тягу и могут иметь последствия для сгорания из-за более низкой скорости потока через систему.

Эти графики, которые показывают взаимосвязь между различными параметрами горения, представляют собой графический способ понять «важный вывод», сделанный выше. Сомнительно, что отклонение от приведенных здесь описаний приведет к более оптимальному нагреву. Конечно, это возможно, но маловероятно. Взаимодействия внутри нагревателя очень сложны, и любое изменение должно быть оценено путем фактического измерения путем тестирования, аналогичного показанному здесь.

Вышеприведенная графика, конечно, очень хорошая и по этой причине не очень репрезентативная. Несколько более нормальная диаграмма, которая генерируется во время разработки в 2012 году, может быть такой:

Сравнивая графики, мы можем узнать несколько вещей (например, почему Testo абсолютно необходим для того, чтобы точно знать, что происходит во время ожога), и посмотрите, как этот ожог более репрезентативен, чем просто «звездный пример», который был показан выше. Как вы можете видеть, чрезвычайно низкие уровни СО (розовая линия), которые указывают на полное сгорание, происходят не так скоро, как раньше, и это не так долго. Также обратите внимание на то, что уровень кислорода (зеленая линия) не идет низок, но все еще находится на очень хорошем уровне. Измерение кислорода известно как «избыток O2».

Выше приведенно графическое изображение очень ужастного  горения,  с большой неравномерностью , а иногда и дымлением. Недавние разработки подошли к концу с гораздо лучшими результатами, это будет обсуждаться в главе «Основные проекты».