вопрос:
Печное отопление

Печь с горением с избытком воздуха, с дожигом печного дыма в высокотемпературном пламени

Печное отопление - водяное отопление. Автономное теплоснабжение.

Предлагаемая печь с горением с избытком воздуха, с дожигом печного дыма в высокотемпературном пламени с отличается от классической схемы печи низким выбросом печного дыма. Аналогично с горением богатой топливной смеси в двигателях (избыток топлива) и бедной топливной смеси (избыток кислорода).

Как функционирует печь классической схемы

Приблизительный газовый состав реального воздуха

азот 67%
кислород 20%
вода (в виде пара, сильно изменяется) 10%

Приблизительный состав дров и горение

Молярная масса дров (целлюлоза C₆H₁₀O₅) - 162.
Лигнин (доля которого 1/5) оставим в стороне...
Продуктами горения дров, окисления целлюлозы, являются: приблизительно 6 C0₂ (из воздуха - 6 O₂, молярная масса 192) и 5 H₂O (из воздуха - 2,5 O₂, молярная масса 80).
Итого, для окисления целлюлозы нужно 272 моля кислорода, или для сгорания 1 килограмма дров необходимо 1,68 кг кислорода, или 8,4 кг воздуха, или 7 кубометров воздуха.

Для полного сгорания 1 кубометра дров (кубометры - при продаже, расчёт!), физических-фактических кубометров - 0,59, или около 0,47 тонн дубовых или буковых спелых дров, в которых воды 20%, нужно более 2560 кубометров воздуха.

Классическая схема печи - топка с поддувалом и печной трубой с гравитационной тягой - работает при точном балансе тяга-объем горения дров, скорость прохождения печных газов по трубе. Оптимальный режим - это когда через топку проходит точно такое количество воздуха, которое необходимо для окисления (горения) дров.

Недостаточное количество воздуха вызывает неполное сгорание - выброс дыма, сажи - углеводородных соединений, газообразного углерода, недогоревшего угарного газа (CO). Углеводородные соединения и угарный газ - это выброшенное в трубу топливо. Но при горении с недостаточным объемом воздуха, проходящего через топку, уменьшается объем впустую нагреваемого азота и воды воздуха, которые выбрасывается через трубу - а это около 77%.

Температуру печного газа в печной трубе нельзя опускать ниже 120 градусов, иначе происходит осмоление дымохода, выпадение сажи - углерода, воды. Температура пламени находится между 300°С (температурой воспламенения дерева) и 800-1000 °С. Так пламя в топке не занимает весь объем, и горение неравномерно, будем считать, что реально газ, проходящий через топку, разогревался бы до 600 градусов (часть тепла тут же излучается в виде инфракрасного излучения и передается на стенки топки теплопередачей).

деталь:
Объем воздуха, подаваемого в топку, меньше объема печного газа, выбрасываемого из трубы, примерно на 20%.
целлюлоза C₆H₁₀O₅
C(твердое топливо) + 0₂ -> CO₂
H(твердое топливо) + O₂ -> H₂0

Оптимум полноты сгорания топлива в печи находится в зоне обедненной топливной смеси, но с учетом 77% балластных веществ в воздухе, оптимум КПД печи находится в зоне "чуть-чуть" богатой топливной смеси - на грани дыма и копоти.

Но если отбирать из печного газа всё тепло?

При классической гравитационной тяге в дымоходе это невозможно. Хотя основной составляющей тяги является разность плотности забортного воздуха нормальной влажности и плотности печного газа, овлажненного сгоревшим топливом, опускать температуру ниже 120 градусов нельзя - происходит конденсация паров воды (увеличение плотности! -> снижение тяги) и вместе с конденсатом - выпадение в осадок коллоидных частиц дыма.

А если устроить принудительную тягу для печного горения?

Допустим, классическая печка на богатой топливной смеси, допустим, что мы можем отобрать из печного газа столько тепла, сколько хотим - хоть до минус 40°С. Пусть из трубы идёт не горячий дым, а морозный туман, насыщенный углекислым газом и водой - например, теплообменником теплового насоса. При этом нужно принудительно подавать воздух - точнее, отсасывать воздух из печной трубы - иначе топку и печную трубу придется изготавливать герметичной. Пример - см. «Дымосос»

Результат:
Коэффициент полезного действия печи повысится, но из печной трубы потечет черная вонючая жидкость - смесь воды и углеводородов. Хотя нет - при минус 40 по Цельсию это будет не жидкость, а чёрный и вонючий лёд, который забьет трубу.

Поэтому нужно выполнять условие:
относительная влажность печного газа меньше 100% при -40°С, для обеспечения проходимости печной трубы. При минус 40°С влажность воздуха очень низкая, а опускать температуру в печной трубе - отбирать тепло от выхлопной трубы печи ниже температуры наружного воздуха не есть умно: см. HVAC: печное отопление, вентиляция и кондиционирование. Печное отопление - в том числе и "газовые котлы"

Это условие достигается при более чем двух-трёхкратном увеличении подачи воздуха в топку - на одно доброе дубовое полешко (2 кг) - не 14 кубометров воздуха, а где-нибудь 30-35 кубов воздуха.

Но как же экономичность топки? А она как раз не страдает, а увеличивается до невиданных значений: сколько энергии потратили на нагрев "лишних" кубометров воздуха, столько и взяли. Зато всё топливо из дров взяли - сожгли дотла, и даже чуть больше - читайте продолжение статьи.

продолжении статьи:

Схема печи для горения с избытком воздуха - бездымное горение, полное сгорание

 
06янв2013