Чому з труби йде дим
Відповідь очевидна, бо піч топлять і в ній горить паливо (дрова, вугілля, солярка, газ). У нашій свідомості ці речі нероздільні: якщо піч топлять вугіллям, це завжди означає бруд та специфічний вугільний запах. Все це ми спостерігаємо, проїжджаючи через приватний сектор, особливо в холодну безвітряну погоду.
Виявляється, все не так просто: якщо паливо спалити повністю, то з труби йтиме прозоре повітря та вуглекислий газ, а в холодну пору ми бачитимемо водяну пару (туман). А той дим, який ми бачимо,— це газова фаза палива, що не згоріла.
Постає питання: звідки взагалі береться ця газова фаза? Якщо топити газом або рідким паливом, то все зрозуміло, але ж вугілля та дрова тверді? І чому ця таємнича газова фаза не повністю згорає?
Щоб це зрозуміти, розглянемо процес горіння.
Отже, ми запалили сірник. Якщо її погасити, ми побачимо, як від неї піде білий димок. Це випаровуються летючі речовини, що входять до її складу. Якщо нагрівати деревину досить сильно, вона на три чверті перетвориться на газ, той білуватий газ, який ми на секунду побачили при гасінні сірника, а в залишку ми отримаємо деревне вугілля. При температурі близько 200–300ºС цей газ загориться. Гарячий газ є полум'я, яке ми бачимо.
Ці процеси можна поділити. Якщо нагріти дрова без доступу кисню, ми перетворимо їх на газ, який потім спалюється в пальнику, так працює піролізний котел. У часи війни на дровах працювали навіть автомобілі.
Якщо температура в печі мала або в ній недостатньо кисню, відбувається неповне згоряння газів, і ми бачимо дим, що виходить з труби.
Схожим чином горить і вугілля, адже їхній склад дуже схожий: вугілля - це та ж деревина, за мільйони роківперетворилася на камінь. Але є й відмінності. У вугіллі більше нелетючого вуглецю, є негорючі мінеральні добавки (зола), натомість летких речовин менше: у бурому вугіллі їх близько 50%, у кам'яному 20–40%, а в антрациті лише близько 5%.
Згадаймо, як топлять звичайну сільську піч. На колосники в топку кладуть трохи дров та запалюють їх. Коли дрова розгорілися, починають засипати вугілля: спочатку небагато, а потім, коли перша порція розгориться, засипають основну порцію вугілля.
У момент розпалювання дров та вугілля йде дим: температура в цей момент ще недостатня для повного згоряння. Коли засипали основну порцію вугілля, нижній шар, що горить, нагріває верхні шари, з них активно виділяється газова фаза, але для її згоряння недостатньо ні температури, ні кисню, так як колосники щільно закриті вугіллям, а повітря подається знизу через колосники і весь кисень витрачається в нижньому шарі. Гази, замість згоряти і обігрівати наш будинок, просто відлітають у трубу. Так топиться сільська піч.
Подивимося, що відбувається в «сучасних» вугільних печах з верхнім завантаженням та в котлах інших типів. Виробники котлів прагнуть зробити котел дешевим і довговічним, тому стінки котла, де відбувається горіння, роблять водоохолоджуваними. Тобто, котел одночасно є і частиною теплообмінника і не прогорає, оскільки температура стінок котла дорівнює температурі води в котлі (близько 80 ºС).
Начебто все правильно, але не зовсім.
Для того, щоб котел працював з високим ККД (близько 95%), необхідно в топку подавати суворо вивірену кількість кисню: не більше і не менше.
Якщо подати менше, не буде повного згоряння; якщо більше, зайве повітря просто нагріється і піде в трубу, несучи тепло і знижуючи ККД. Кількість повітря має бути пропорційнокількості газів, що виділилися.
У існуючих побутових казанах немає механізмів контролю за правильністю процесу горіння. Автоматика відстежують температуру та намагаються її регулювати, змінюючи подачу повітря. Коли температура котла підвищується, виділяється більше газів. Для їх повного згоряння потрібно більше кисню, але автоматика знижує піддув, щоб зменшити інтенсивність горіння. У результаті гази, що виділилися, відлітають незгорілими.
Навіть якщо кисню достатньо, це ще не означає, що вся газова фаза згорить повністю: потрібна ще висока температура на всьому шляху горіння, а він становить більше 1 м. У існуючих котлах вже через 20-40 см гази ударяються об холодні стінки котла, обтікаючи холодні стінки теплообмінника, вони частково гаснуть і йдуть у трубу. Ми самі не дали їм повністю згоріти, в результаті не лише отримали брудний дим, а й пустили частину вугілля «в трубу».
Другий продукт неповного згоряння – сажа. Під час горіння грудочки вугілля розжарюються, і в них відбуваються мікровибухи та відстріл іскор; те саме ми бачимо коли горять хвойні дрова. Іскра - це найдрібніша частка вугілля, в основному вуглець і зола. Вуглець горить при температурі понад 800 ºС. Вдаряючись об стінки, що охолоджуються, ці частинки відразу гаснуть і осідають на теплообміннику у вигляді сажі.
Виправити справу можна: для цього потрібно рознести процес горіння та теплообміну, дати вугіллю час згоріти повністю. . Цим пояснюється його високий ККД і чистота газів, що виходять: повністю згоріле вугілля — це невидимий і нешкідливий вуглекислий газ, водяна пара та інші продукти повного згоряння.
Таким чином, проблема диму криється не у вугіллі, а у способі його спалювання.
1 Вплив повітряних пробок на систему опалення 2 Джерела влучення повітря в систему 2.1 Вода яксамостійний винуватець газоутворення 3 Способи запобігання появі повітря в системі
З чого складаються роботи з обмуровки котла НДІСТУ і для чого це необхідно