Дрова и теплотворная способность
1. Удельная теплотворная способность любой древесины 18 - 0,1465W, МДж/кг=4306-35W ккал/кг, W-влажность.
2. Объемная теплотворная способность березы (10-40%) 2,6кВт*ч/л
3. Объемная теплотворная способность сосны (10-40%) 2,1кВт*ч/л
4. Просушить до 40% и ниже не так и сложно. Для кругляка даже необходимо, если планируется колка.
5. Зола не горит. Сажа и древесный уголь близки к каменному углю
6. При сгорании сухой древесины выделяется от 567 грамм воды на килограмм дров.
7. Теоретический минимум подачи воздуха для горения - 5,2м3/кг_сухих_дров Нормальная подача воздуха при том около 3м3/л_сосны и 3_5 м3/л_березы.
8. В дымоходе температура внутренних стенок которого выше 75град конденсат не образуется (при дровах до 70% влажности).
9. КПД ТТ котла/топки без теплоутилизации не может превышать 91% при температуре дымовых газов 200град.
10. Теплоутилизатор тепла дымового газа с конденсацией пара в пределе может возвращать до 30% и более от теплоты сгорания дров, в зависимости от их исходной влажности.
11. Различие между полученным здесь выражением для удельной теплотворной способности дров и литературной зависимостью обусловлено в первую очередь использованием различных определений влажности
12. Объемная теплотворная способность трухлявых дров с сухой плотностью 0,3 кг/л составляет 1,45кВт*ч/л в широком диапазоне влажностей.
13. Для определения объемной теплотворной способности различного рода дров достаточно измерить плотность воздухосухих дров данного вида, помножить на 4 и получить теплотворную способность в кВт*ч литра данных дров практически вне зависимости от влажности. Назову правилом четверки
Содержание
1. Общие положения.
2. Теплотворная способность абсолютно сухой древесины.
3. Теплотворная способность влажной древесины.
3.1. Теоретический расчет теплоты испарения воды из древесины.
3.2. Расчет теплоты испарения воды из древесины
4. Зависимость плотности древесины от влажности
5. Объемная теплотворная способность.
6. Об влажности дров.
7. Дым, древесный уголь, сажа и зола
8. Сколько паров воды образуется при сгорании древесины
9.Скрытое тепло.
10. Количество воздуха необходимое для сжигания дров
10.1. Количество дымового газа
11. Теплота дымового газа
12. О КПД топки
13. Суммарный потенциал теплоутилизации
14. Еще раз об зависимости теплотворной способности дров от влажности
15. О теплотворной способности трухлявых дров
16. Об объемной теплотворной способности любых дров.
Пока закончил. Буду рад дополнениям и конструктивным замечаниям/предложениям.
1. Общие положения.
Сразу оговорюсь, что выяснилось, что под влажностью древесины понимаю два разных понятия. Я далее буду оперировать только той влажностью, о которой говорят для пиломатериалов. Т.е. масса воды в дереве поделенная на массу сухого остатка, а не масса воды поделенная на полную массу.
Т.е. влажность 100% означает, что в тонне дров 500кг воды и 500кг абсолютно сухих дров
Концепт первый. Говорить об теплотворной способности дров в килограмах конечно можно, но неудобно, так как влажность дров сильно различается и соответственно удельная теплотворная способность тоже. При все при этом дрова мы покупаем кубометрами, а не тоннами.
Уголь покупаем тоннами, поэтому для него теплотворная способность в первую очередь интересна на кг.
Газ покупаем кубометрами, поэтому теплотворная способгность газа интересна именно на кубометр.
Уголь имеет теплотворную способность около 25МДж/кг, а газ примерно 40мДж/м3. Про дрова пишут от 10 до 20 МДж/кг. Разбираемся. Ниже увидим, что объемная теплотворная способность, в отличие от массоой для дров не столь сильно и меняется.
2. Теплотворная способность абсолютно сухой древесины.
Для начала определим теплотворную способность полностью сухих дров (0%) просто по поэлементному составу древисины.
Отсюда, считаю что проценты даны массовые.
1000 г абсолютно сухих дров содержат:
495г С
442г O
63г H
Наши итоговые реакции. Промежуточные опускаем (их тепловые эффекты в той или иной степени сидят в итоговой реакции):
С+O2->CO2+94 ккал / моль~400 кДж/моль
H2+0,5O2->H2O+240 кДж/моль
Теперь определим добавочный кислород - который и даст тепло сгорания.
495г С ->41,3 моль
442г O2->13,8 моль
63г H2->31,5 моль
Для сгорания углерода надо 41,3 моль кислорода и для сгорания водорода 15,8 моль кислорода.
Рассмотрим два предельных варианта. В первом весь имеющийся в дровах кислород связался с углеродом, во втором с водородом
Считаем:
1-й вариант
Получаемое тепло (41,3-13,8)*400+31,5*240=11000+7560=18,6МДж/кг
2-й вариант
Получаемое тепло 41,3*400+(31,5-13,8*2)*240=16520+936=17,5МДж/кг
Истина, вместе со всей химией где-то посередине.
Количество выделяемых углекислоты и паров воды при полном сгорании одинаково в обоих случаях.
Т.е. теплотворная способность любых абсолютно сухих дров (хоть осина, хоть дуб) 18+-0,5МДж/кг~5,0+-0,1кВт*ч/кг
3. Теплотворная способность влажной древесины.
Теперь ищем данные для теплотворной способности в зависимости от влажности.
Для расчета удельной теплотворной способности в зависимости от влажности предлагается использовать формулу Q=A-50W, где A изменяется от 4600 до 3870 http://tehnopost.kiev.ua/ru/drova/13-teplotvornost-drevesiny-drova.html
или взять 4400 в соответствии с ГОСТ 3000-45 http://www.pechkaru.ru/Svojstva drevesin.html
Разберемся. полученные нами для сухих дров 18МДж/кг=4306ккал/кг.
а 50W соответствует 20,9 кДж/г воды. Теплота испарения воды 2,3кДж/г. И тут нестыковка. Стало быть в широком диапазоне параметров влажности формула возможно неприменима. При малых влажностях из-за неопределенного A, при больших (больше 20-30%) из-за неверных 50.
В данных по непосредственно теплотворной способности противоречия от источника к источнику и есть неясность что же понимается под влажностью. Ссылки приводить не буду. Поэтому просто посчитаем теплоту испарения воды в зависимости от влажности.
3.1. Теоретический расчет теплоты испарения воды из древесины.
Для этого воспользуемся зависимостями
ограничимся 20град.
отсюда
3% -> 5%(отн)
4% -> 10%(отн)
6% -> 24%(отн)
9% -> 44%(отн)
12% -> 63%(отн)
15% -> 73%(отн)
20% -> 85%(отн)
28% -> 97%(отн)
Как из этого получить теплоту испарения? а довольно просто.
mu(пара)=mu0+RT*ln(pi)
Соответственно разница химпотенциалов пара над деревом и водой определяется как delta(mu)=RT*ln(pi/pнас). pi - парциальное давление пара над деревом, pнас - парциальное давление насыщенных паров. Их отношение это относительная влажность воздуха выраженная в доле,обозначим ее H.
соответственно
R=8,31 Дж/моль/К
T=293К
разница химпотенциалов это разница в теплоте испарения выраженная в Дж/моль. Запишем выражение в более удобоваримых единицах в кДж/кг
delta(Qисп)=(1000/18)*8,31*293/1000 ln(H)=135ln(H) кДж/кг с точностью до знака
3.2. Расчет теплоты испарения воды из древесины
Отсюда наши графические данные перерабатываются в мгновенные значения теплоты испарения воды:
3% -> 2,71МДж/кг
4% -> 2,61МДж/кг
6% -> 2,49МДж/кг
9% -> 2,41МДж/кг
12% -> 2,36МДж/кг
15% -> 2,34МДж/кг
20% -> 2,32МДж/кг
28% -> 2,30МДж/кг
Далее 2,3МДж/кг
Ниже 3% будем считать 3МДж/кг.
Чтож. У нас есть универсальные данные, применимые для любой древесины, считая что исходная картинка также применима для любой древесины. Это очень хорошо. Теперь рассмотрим процесс увлажнения древисины и соответсвенное падение теплотворной способности
пусть у нас 1кг сухого остатка, влажность 0гр, теплотворная способность 18МДж/кг
увлажнили до 3% - добавили воды 30гр. Масса выросла на эти 30 грамм, а теплота при сгорании уменьшилась на теплоту испарения этих 30 грамм. Итого у нас (18МДж-30/1000*3МДж)/1,03кг=17,4МДж/кг
далее увлажнили еще на 1% масса увеличидась еще на 1%, а скрытое тепло увеличилось на 0,0271Мдж. Итого 17,2МДж/кг
И так далее пересчитываем все значения. Получаем:
0% -> 18,0МДж/кг
3% -> 17,4МДж/кг
4% -> 17,2МДж/кг
6% -> 16,8МДж/кг
9% -> 16,3МДж/кг
12% -> 15,8МДж/кг
15% -> 15,3МДж/кг
20% -> 14,6МДж/кг
28% -> 13,5МДж/кг
30%-> 13,3МДж/кг
40%-> 12,2МДж/кг
70%-> 9,6МДж/кг
Ура! Эти данные опять же не зависят от породы древесины.
При этом зависимость отлично описывается параболой:
Q=0,0007143*W^2 - 0,1702W + 17,82
или линейно на интервале 0-40
Q = 18 - 0,1465W, МДж/кг или в ккал/кг Q=4306-35W (вовсе не 50) С различием мы еще разберемся отдельно.
4. Зависимость плотности древесины от влажности
Буду рассматривать две породы. Сосна и береза
Для начала порылся и решил остановится на следующих данных по плотности древисины
Зная величины плотности можем определить объемный вес сухого остатка и воды в зависимости от влажности, свежеспил не учитываем, так как влажность не определена.
Отсюда плотность березы 2,10E-05x2 + 2,29E-03x + 6,00E-01
сосны 1,08E-05x2 + 2,53E-03x + 4,70E-01
тут x - влажность.
Упрощу до линейного выражения в диапазоне 0-40%
Получается
сосна ro=0,47+0,003W
береза ro=0,6+0,003W
Неплохо бы набрать статистику по данным, так как сосна 0,47 м.б. и около дела, но вот береза легче, и 0,57 где-то.
5. Объемная теплотворная способность.
Теперь рассчитаем теплотворную единицы объема способность сосны и березы
Для березы
влажность плотность удельная_теплоемкость объемная теплоемкость
0 0,6 18 10,8
15 0,64 15,31541 9,801862
25 0,67 13,91944 9,326025
75 0,89 9,273572 8,253479
Для березы видно, объемная теплотворная способность изменяется от 8МДж/л для свежеспила до 10,8 для абсолютно сухих. В практически значимом интервале 10-40% примерно от 9 до 10 МДж/л ~ 2,6кВт*ч/л
Для сосны
влажность плотность удельная_теплоемкость объемная теплоемкость
0 0,47 18 8,46
15 0,51 15,31541 7,810859
25 0,54 13,91944 7,516497
75 0,72 9,273572 6,676972
Для березы видно, объемная теплотворная способность изменяется от 6,5МДж/л для свежеспила до 8,5 для абсолютно сухих. В практически значимом интервале 10-40% примерно от 7 до 8 МДж/л ~ 2,1кВт*ч/л
6. Об влажности дров.
Ранее я упомянул практически значимый интервал 10-40%. Хочу пояснить. Из проведенных ранее рассуждений становится очевидным, что сухие дрова палить более целесообразно, чем сырые, джа и просто легче их жечь, проще таскать до топки. Осталось понять, что значит сухие.
Если обратимся к картинке выше, то увидим, что при тех же 20град свыше 30% равновесная влажность воздуха рядом с таким деревом 100%(отн.). Что это значит? АК то что полено ведет себя как лужа, и сохнет при любых погодных условиях, даже может сохнуть в дождь. Скорость сушки ограничивается только диффузией, а значит длиной полена если неколотое.
К слову, скорость сушки полена длиной 35см примерно эквивалдентна скорости сушки доски пятидесятки, при том за счет трещинок в полене скорость сушки его дополнительно вырастает по сравнению с доской, а укладка в однорядные полленицы еще улучшает сушку по сравнению с доской. Представляется что за пару месяцев летом в однорядной полленице на улице можно выйти на влажность 30% и менее лоя полуметровых дров. Колотые естественно сохнут еще быстрее.
Готов обсудить, если есть результаты.
Нетрудно представить что это за полено такое на вид и ощупь. Оно не содержит трещинок в торце, на ощупь чуть влажное. Если будет лежать как попало в воде - может появится плесень, грибки. Радостно забегают если тепло всякого рода жучки. Колется конечно, но неохотно. Думаю выше 50% где-то не колется практически вообще. Топор/колун входят с "хлюпом" и весь эффект
Воздухосухая древесина, уже имеет трещинки и влажность менее 20%. Уже относительно легко колется и отлично горит.
Что такое 10%? Смотрим на картинку. Это вовсе не обязательно камерная сушка. Это может быть сушка в сауне или просто в отапливаемом помещении в течении сезона. Эти дрова горят - только успевай подбрасывать, отлично разгораются, легкие и "звенящие" на ощупь. Также великолепно строгаются на лучины.
7. Дым, древесный уголь, сажа и зола
Основными продуктами горяния дров являются углекислый газ и пары воды. Которые нараду с азотом являются основными компонентами дымового газа.
Помимо этого остаются несгоревшие остатки. Это сажа (в виде хлопьев в трубе, и собственно то что мы называем дымом), древесный уголь и зола. Их состав следующий:
древесный уголь:
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1490.html
состав: 80-92% С, 4,0-4,8% Н, 5-15% О - тот же каменный по сути, как и предположил
Древесныйуголь содержит также 1-3% минер. примесей, гл. обр. карбонатов и оксидов К, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.
А вот и зола что такое Негорючие оксиды металлов. Золу кстати в мире применяют в качестве добавки к цементу тоже клинкер по сути, только полученный на сдачу (без доп. энергозатрат).
сажа
Элементный состав,
Углерод, С 89 – 99
Водород, Н 0,3 – 0,5
Кислород, О 0,1 – 10
Сера, S0,1 – 1,1
Минеральные вещества0,5
Правда это немного не те сажи - а технические сажи. Но думаю разница невелика.
И древесный уголь и сажа близки к каменному углю по составу, а значит мало того что горят, но и имеют высокую теплотворную способность - на уровне 25МДж/кг. Думаю образование и угля и сажи в первую очередь связано с недостаточной температурой в топке/недостатком кислорода.
8. Сколько паров воды образуется при сгорании древесины
1 кг сухих дров содержит 63грамма водорода или
Воды из этих 63 граммов при сгорании получится максимум 63*18/2 (тратим два грамма водорода на получение 18 грамм воды)=567 грамм/кг_дров.
Суммарное количество воды образуемое при сгорании древесины таким образом составит
0% ->567 г/кг
10%->615 г/кг
20%->673 г/кг
40%->805 г/кг
70%->1033 г/кг
9.Скрытое тепло.
Интересным является вопрос, а если влагу образуемую при сгорании дрвесины сконденсировать и забрать полученное тепло, сколько его там? Оценим.
0% ->567 г/кг->1,3МДж/кг->7,2% от теплоты сгорания дров
10%->615 г/кг->1,4МДж/кг->8,8% от теплоты сгорания дров
20%->673 г/кг->1,5МДж/кг->10,6% от теплоты сгорания дров
40%->805 г/кг->1,9МДж/кг->15,2% от теплоты сгорания дров
70%->1033 г/кг->2,4МДж/кг->24,7% от теплоты сгорания дров
Вот он теоретически предел той добавки, что можно выжать от конденсации воды. При том если топить таки не сырыми дровами то весь предельный эффект в пределах 8-15%
10. Количество воздуха необходимое для сжигания дров
Вторым потенциальным источников тепла для повышения эффективности работы ТТ котла/печи является отбор тепла у дымового газа.
У нас уже есть все необходимые данные, поэтому не будем лезть в источники. Для начала нужно рассчитать теоретический минимум подачи воздуха для сжигания дров. Для начала сухих.
Обратимся к параграфу 2
1 кг дров:
495г С ->41,3 моль
442г O2->13,8 моль
63г H2->31,5 моль
Для сгорания углерода надо 41,3 моль кислорода и для сгорания водорода 15,8 моль кислорода. При том 13,8 моль кислорода уже есть. Итого потребность в кислороде для горения 43,3 моль/кг_дров. отсюда потребность в воздухе 216 моль/кг_дров=5,2 м3/кг_дров (кислород - одна пятая).
Для различной влажности древесины имеем
0%->5,2 м3/кг->2,4 м3/л_сосны ! 3,1 м3/л_,березы
10%->4,7 м3/кг->2,4 м3/л_сосны ! 3,0 м3/л_,березы
20%->4,3 м3/кг->2,3 м3/л_сосны ! 2,9 м3/л_,березы
40%->3,7 м3/кг->2,2 м3/л_сосны ! 2,7 м3/л_,березы
70%->3,1 м3/кг->2,1 м3/л_сосны ! 2,5 м3/л_,березы
Как и в случае теплотворной способности видим, что требуемая подача воздуха на литр дров слабо зависит от их влажности.
При этом меньше полученной величины подавать воздуха нельзя - будет неполное выгорание топлива, образование угарного газа, сажи и угля. Сильно больше подавать тоже нецелесообразно, так как при том неполное выгорание кислорода, снижение предельной температуры дымовых газов, большие потери в трубу.
Вводят коэффициент избытка (gamma) воздуха, как отношение фактической подачи воздуха к теоретическому минимуму (5м3/кг).Величина коэффициента избытка может быть разной и составляет обычно от 1 до 1,5.
10.1. Количество дымового газа
При этом 43,3 моль кислорода мы сожгли, но выделили 41,3 моль CO2, 31,5 моль химической воды и всю влажность древесины.
Таким образом количество дымового газа на выходе из топки больше чем на входе и составляет в пересчете на комнатную температуру
0% ->5,9 м3/кг, из них водяного пара 0,76 м3/кг
10%->5,5 м3/кг, из них водяного пара 0,89 м3/кг в том числе испаренного 0,13
20%->5,2 м3/кг, из них водяного пара 1,02 м3/кг в том числе испаренного 0,26
40%->4,8 м3/кг, из них водяного пара 1,3 м3/кг
70%->4,4 м3/кг, из них водяного пара 1,69 м3/кг
Зачем нам все это надо?
А вот зачем. Для начала можем определить кокой же температуры нужно поддерживать дымоход, чтобы в нем никогда не было конденсата. (к слову у меня конденсата в трубе нет совсем).
Для этого найдем температуру соответсвующую относительной влажности дымового газа для 70% дров. Можно по графику выше. Ищем 1,68/4,4=0,38.
А вот и нельзя по графику! Там ошибка
Берем эти данные http://www.fptl.ru/spravo4nik/davlenie-vodyanogo-para.html и получаем температуру 75град. Т.е. если дымоход будет горячее, конденсата в нем не будет.
При коэффициентах избытка больших единицы количество дымового газа следует считать как расчетное количество дымового газа (5,2 м3/кг при 20%) плюс (gamma-1) помноженное на теоретически требуемое количество воздуха (4,3 м3/кг при 20%)..
Например для избытка 1,2 и 20% влажности имеем 5,2+0,2*4,3=6,1м3/кг
11. Теплота дымового газа
Ограничимся случаем в котором температура дымового газа 200град. Будем искать избыток тепла дымового газа по сравнению с комнатной температурой - потенциал теплоутилизации. Примем коэффициент избытка воздуха 1,2. Данные по дымовому газу отсюда: http://thermalinfo.ru/publ/gazy/gazovye_smesi/teploprovodnosti_i_svojstva_dymovykh_gazov/28-1-0-33
Плотность при 200град 0,748, Cp=1,097.
при нуле 1,295 и 1,042.
Обращаем внимание, что плотность связана по закону идеального газа: 0,748=1,295*273/473. А теплоемкость практически константа. Так как мы оперируем потоками пересчитанными на 20 град то определим плотность при данной температуре - 1,207. а Cp возмем среднее, где-то 1,07. Итого теплоемкость нашего стандартного куба дыма 1,29 кДж/м3/К
0% ->6,9 м3/кг->1,6МДж/кг->8,9% теплоты сгорания дров
10%->6,4 м3/кг->1,5МДж/кг->9,3% теплоты сгорания дров
20%->6,1 м3/кг->1,4МДж/кг->9,7% теплоты сгорания дров
40%->5,5 м3/кг->1,3МДж/кг->10,5% теплоты сгорания дров
70%->5,0 м3/кг->1,2МДж/кг->12,1% теплоты сгорания дров
В дополнение к тому попробуем обосновать разницу между литературной теплотворной способностью дров 4400-50W и полученными выше 4306-35W. Обосновать разницу в коэффициенте.
Предположим что авторы формулы считают тепло на нагрев дополнительного пара такими же потерями как и скрытое тепло и усушка древесины. У нас между 10 и 20% выделено дополнительного пара 0,13м3/кг_дров. Не заморачиваясь с поиском величины теплоемкости водяного пара (все равно не сильно они различаются) получаем доп потери на нагрев доп воды 0,13*1,3*180=30,4КДж/кг_дров. На один процент влажности в десять раз меньше 3 кДж/кг/% или 0,7 ккал/кг/%. Получили не 15. Все еще нестыковка. Причин пока более не вижу.
12. О КПД топки
Есть желание понять, что же кроется в т.н. КПД котла. Тепло дымового газа - безусловно потери. Потери через стенки также безусловно (если не считаются плезными). Скрытое тепло - потери? Нет. Скрытое тепло от испаряемой влаги у нас сидит в уменьшенной теплотворной способности дров. В химически образуемая вода - продукт горения, а не потеря мощности (она не испаряется а сразу образуется в виде пара).
Итого предельный КПД котла/топки определяется потенциалом теплоутилизации (без учета конденсации) написанным чуть выше. И составляет около 90% и не более 91. Для повышения КПД нужно снижать температуру дымового газа на выходе из топки, например снижением интенсивности горения, но при том следует ожидать более обширного образования сажи - дымно и не 100% сжигание дров->снижение КПД.
13. Суммарный потенциал теплоутилизации.
Из данных представленных выше довольно просто считаем для случая охлаждения с дымового газа 200 до 20 и конденсацией влаги. Для простоты всей влаги.
0% ->2,9МДж/кг->16% от теплоты сгорания дров
10%->3,0МДж/кг->18,6% от теплоты сгорания дров
20%->3,0МДж/кг->20,6% от теплоты сгорания дров
40%->3,2МДж/кг->26,3% от теплоты сгорания дров
70%->3,6МДж/кг->37,4% от теплоты сгорания дров
Следует отметить что величины довольно заметные. Т.е. потенциал теплоутилизации есть, при этом величина эффектов в абсолютной величине в МДж/кг слабо зависит от влажности, что, возможно упрощает инженерный расчет. В обозначенном эффекте где-то половина приходится на конденсацию, остальное на теплоемкость дымового газа.
14. Еще раз об зависимости теплотворной способности дров от влажности
Попробуем обосновать разницу между литературной теплотворной способностью дров 4400-50W и полученными выше 4306-35W в коэффициенте перед W.
Предположим что авторы формулы считают тепло на нагрев дополнительного пара такими же потерями как и скрытое тепло и усушка древесины. У нас между 10 и 20% выделено дополнительного пара 0,13м3/кг_дров. Не заморачиваясь с поиском величины теплоемкости водяного пара (все равно не сильно они различаются) получаем доп потери на нагрев доп воды 0,13*1,3*180=30,4КДж/кг_дров. На один процент влажности в десять раз меньше 3 кДж/кг/% или 0,7 ккал/кг/%. Получили не 15. Все еще нестыковка.
Предположим еще один вариант. Заключающийся в том, что авторы известной формулы оперировали так называемой абсолютной влажностью древесины, в то время как мы здесь оперировали относительной.
В абсолютной за W принимается отношение массы воды к полной массе дров, а в относительной отношение массы воды к массе сухого остатка (см. п.1).
Исходя из этих определений построим зависимость абсолютной влажности от относительной
0%(отн)->0%(абс)
10%(отн)->9,1%(абс)
20%(отн)->16,7%(абс)
40%(отн)->28,6%(абс)
70%(отн)->41,2%(абс)
100%(отн)->50%(абс)
Отдельно рассмотрим снова интервал 10-40. В нем можно апроксимировать полученную зависимость прямой W= 1,55 Wабс - 4,78.
Подставляем данное выражение в формулу для полученной ранее теплотворной способности и имеем новое линейное выражение для удельной теплотворной способности дров
4306-35W=4306-35*(1,55 Wабс - 4,78)=4473-54W. Получили наконец результат значительно более близкий к литературным данным.
15. О теплотворной способности трухлявых дров
В случае топки костра на природе, в том числе на шашлыках я, наверное как и многие предпочитаю топить сушняком. Данные дрова представляют собой довольно трухлявые сухие ветки. Горят хорошо, довольно жарко, но для образования определенного количества углей требуется примрно вдвое больше чем нормальной волздухосухой березы. Но где-ее взять то эту сухую березу в лесу? Поэтому и топлю тем что есть и тем что не вредит лесу. Такие же дрова отлично применимы для топления печки/котла в доме.
Что такое этот сушняк? Это та же древисина в которой обычно шел процесс гниения, в т.ч. прямо на корню, в результате плотность сухого остатка сильно уменьшилась, появилась рыхлая структура. Данная рыхлая структура более паропроницаема чем обычная древисина, поэтому ветка высохла прямо на корню при определенных условиях.
Можно также использовать трухлявые стволы деревьев если они сухие. Сырую трухлявую древесину сжигать очень трудно, поэтому ее пока рассматривать не будем.
Мне не доводилось измерять плотность подобных дров. Но субъективно эта плотность где-то в полтора раза ниже обыкновенной сосны (с широкими допусками). Исходя из этого постулата посчитаем объемную теплоемкость в зависимости от влажности, при том топлю обычно сушняком от лиственных пород, плотность которых исходно была выше, чем сосны. Т.е. рассмотрим случай когда трухлявое полено имеет плотность сухого остатка вдвое меньше, чем исходной древесины.
Так как для березы и сосны линейные формулы зависимости плотности у нас совпали (с точностью до плотности абсолютно сухих дров), то и для трухли также воспользуемся данной формулой:
ro=0,3+0,003W. Это очень грубая прикидка, но похоже никто особо не исследовал поднятый здесь вопрос. М.б. у канадцев есть сведения, но у них и лес свой, со своими свойствами.
0% (0,30 кг/л) ->18,0МДж/кг ->5,4МДж/л=1,5кВт*ч/л
10% (0,33 кг/л) ->16,1МДж/кг->5,3МДж/л=1,5кВт*ч/л
20% (0,36 кг/л) ->14,6МДж/кг->5,3МДж/л=1,5кВт*ч/л
40% (0,42 кг/л) ->12,2МДж/кг->5,1МДж/л=1,4кВт*ч/л
70% (0,51 кг/л) ->9,6МДж/кг->4,9МДж/л=1,4кВт*ч/л
Что уже не особо удивительно, объемная теплотворная способность трухлявых дров опять слабо зависит от влажности и составляет около 1,45кВт*ч/л.
16. Об объемной теплотворной способности любых дров.
Вообще, рассмотренные породы, включая трухлю можно объединить под одной формулой для теплотворной способности. Для того чтобы получилась не совсем академическая формула, а применимая на практике вместо абсолютно сухой древисины запишем для 20%-й:
Плотность Теплотворная способность
0,66 кг/л -> 2,7кВт*ч/л
0,53 кг/л -> 2,1кВт*ч/л
0,36 кг/л -> 1,5кВт*ч/л
Т.е. объемная теплотворная способность воздухосухих дров вне зависимости от породы составляет примерно Q=4*плотность(в кг/л), кВт*ч/л
Т.е. чтобы понять что будут давать ваши конкретные дрова (различные фруктовые, трухлявые, хвойные и т.п.) Можно один раз определить плотность условно воздухосухих дров - взвешиванием и определением объема. Помножить на 4 и применять полученную величину для практически любой влажности дров.
Подобное измерение я бы проводил сделав короткое полено (в пределах 10см) приближенного к цилиндру или прямоугольному параллелепипеду (досочке). Цель - чтобы не заморачиваться по измерению объема и достаточно быстро высушить на воздухе. Напоминаю, вдоль волокон сушка в 6,5 раз быстрее, чем поперек. И это 10см полешко высохнет на воздухе летом за неделю.
2. Объемная теплотворная способность березы (10-40%) 2,6кВт*ч/л
3. Объемная теплотворная способность сосны (10-40%) 2,1кВт*ч/л
4. Просушить до 40% и ниже не так и сложно. Для кругляка даже необходимо, если планируется колка.
5. Зола не горит. Сажа и древесный уголь близки к каменному углю
6. При сгорании сухой древесины выделяется от 567 грамм воды на килограмм дров.
7. Теоретический минимум подачи воздуха для горения - 5,2м3/кг_сухих_дров Нормальная подача воздуха при том около 3м3/л_сосны и 3_5 м3/л_березы.
8. В дымоходе температура внутренних стенок которого выше 75град конденсат не образуется (при дровах до 70% влажности).
9. КПД ТТ котла/топки без теплоутилизации не может превышать 91% при температуре дымовых газов 200град.
10. Теплоутилизатор тепла дымового газа с конденсацией пара в пределе может возвращать до 30% и более от теплоты сгорания дров, в зависимости от их исходной влажности.
11. Различие между полученным здесь выражением для удельной теплотворной способности дров и литературной зависимостью обусловлено в первую очередь использованием различных определений влажности
12. Объемная теплотворная способность трухлявых дров с сухой плотностью 0,3 кг/л составляет 1,45кВт*ч/л в широком диапазоне влажностей.
13. Для определения объемной теплотворной способности различного рода дров достаточно измерить плотность воздухосухих дров данного вида, помножить на 4 и получить теплотворную способность в кВт*ч литра данных дров практически вне зависимости от влажности. Назову правилом четверки
Содержание
1. Общие положения.
2. Теплотворная способность абсолютно сухой древесины.
3. Теплотворная способность влажной древесины.
3.1. Теоретический расчет теплоты испарения воды из древесины.
3.2. Расчет теплоты испарения воды из древесины
4. Зависимость плотности древесины от влажности
5. Объемная теплотворная способность.
6. Об влажности дров.
7. Дым, древесный уголь, сажа и зола
8. Сколько паров воды образуется при сгорании древесины
9.Скрытое тепло.
10. Количество воздуха необходимое для сжигания дров
10.1. Количество дымового газа
11. Теплота дымового газа
12. О КПД топки
13. Суммарный потенциал теплоутилизации
14. Еще раз об зависимости теплотворной способности дров от влажности
15. О теплотворной способности трухлявых дров
16. Об объемной теплотворной способности любых дров.
Пока закончил. Буду рад дополнениям и конструктивным замечаниям/предложениям.
1. Общие положения.
Сразу оговорюсь, что выяснилось, что под влажностью древесины понимаю два разных понятия. Я далее буду оперировать только той влажностью, о которой говорят для пиломатериалов. Т.е. масса воды в дереве поделенная на массу сухого остатка, а не масса воды поделенная на полную массу.
Т.е. влажность 100% означает, что в тонне дров 500кг воды и 500кг абсолютно сухих дров
Концепт первый. Говорить об теплотворной способности дров в килограмах конечно можно, но неудобно, так как влажность дров сильно различается и соответственно удельная теплотворная способность тоже. При все при этом дрова мы покупаем кубометрами, а не тоннами.
Уголь покупаем тоннами, поэтому для него теплотворная способность в первую очередь интересна на кг.
Газ покупаем кубометрами, поэтому теплотворная способгность газа интересна именно на кубометр.
Уголь имеет теплотворную способность около 25МДж/кг, а газ примерно 40мДж/м3. Про дрова пишут от 10 до 20 МДж/кг. Разбираемся. Ниже увидим, что объемная теплотворная способность, в отличие от массоой для дров не столь сильно и меняется.
2. Теплотворная способность абсолютно сухой древесины.
Для начала определим теплотворную способность полностью сухих дров (0%) просто по поэлементному составу древисины.
Отсюда, считаю что проценты даны массовые.
1000 г абсолютно сухих дров содержат:
495г С
442г O
63г H
Наши итоговые реакции. Промежуточные опускаем (их тепловые эффекты в той или иной степени сидят в итоговой реакции):
С+O2->CO2+94 ккал / моль~400 кДж/моль
H2+0,5O2->H2O+240 кДж/моль
Теперь определим добавочный кислород - который и даст тепло сгорания.
495г С ->41,3 моль
442г O2->13,8 моль
63г H2->31,5 моль
Для сгорания углерода надо 41,3 моль кислорода и для сгорания водорода 15,8 моль кислорода.
Рассмотрим два предельных варианта. В первом весь имеющийся в дровах кислород связался с углеродом, во втором с водородом
Считаем:
1-й вариант
Получаемое тепло (41,3-13,8)*400+31,5*240=11000+7560=18,6МДж/кг
2-й вариант
Получаемое тепло 41,3*400+(31,5-13,8*2)*240=16520+936=17,5МДж/кг
Истина, вместе со всей химией где-то посередине.
Количество выделяемых углекислоты и паров воды при полном сгорании одинаково в обоих случаях.
Т.е. теплотворная способность любых абсолютно сухих дров (хоть осина, хоть дуб) 18+-0,5МДж/кг~5,0+-0,1кВт*ч/кг
3. Теплотворная способность влажной древесины.
Теперь ищем данные для теплотворной способности в зависимости от влажности.
Для расчета удельной теплотворной способности в зависимости от влажности предлагается использовать формулу Q=A-50W, где A изменяется от 4600 до 3870 http://tehnopost.kiev.ua/ru/drova/13-teplotvornost-drevesiny-drova.html
или взять 4400 в соответствии с ГОСТ 3000-45 http://www.pechkaru.ru/Svojstva drevesin.html
Разберемся. полученные нами для сухих дров 18МДж/кг=4306ккал/кг.
а 50W соответствует 20,9 кДж/г воды. Теплота испарения воды 2,3кДж/г. И тут нестыковка. Стало быть в широком диапазоне параметров влажности формула возможно неприменима. При малых влажностях из-за неопределенного A, при больших (больше 20-30%) из-за неверных 50.
В данных по непосредственно теплотворной способности противоречия от источника к источнику и есть неясность что же понимается под влажностью. Ссылки приводить не буду. Поэтому просто посчитаем теплоту испарения воды в зависимости от влажности.
3.1. Теоретический расчет теплоты испарения воды из древесины.
Для этого воспользуемся зависимостями
ограничимся 20град.
отсюда
3% -> 5%(отн)
4% -> 10%(отн)
6% -> 24%(отн)
9% -> 44%(отн)
12% -> 63%(отн)
15% -> 73%(отн)
20% -> 85%(отн)
28% -> 97%(отн)
Как из этого получить теплоту испарения? а довольно просто.
mu(пара)=mu0+RT*ln(pi)
Соответственно разница химпотенциалов пара над деревом и водой определяется как delta(mu)=RT*ln(pi/pнас). pi - парциальное давление пара над деревом, pнас - парциальное давление насыщенных паров. Их отношение это относительная влажность воздуха выраженная в доле,обозначим ее H.
соответственно
R=8,31 Дж/моль/К
T=293К
разница химпотенциалов это разница в теплоте испарения выраженная в Дж/моль. Запишем выражение в более удобоваримых единицах в кДж/кг
delta(Qисп)=(1000/18)*8,31*293/1000 ln(H)=135ln(H) кДж/кг с точностью до знака
3.2. Расчет теплоты испарения воды из древесины
Отсюда наши графические данные перерабатываются в мгновенные значения теплоты испарения воды:
3% -> 2,71МДж/кг
4% -> 2,61МДж/кг
6% -> 2,49МДж/кг
9% -> 2,41МДж/кг
12% -> 2,36МДж/кг
15% -> 2,34МДж/кг
20% -> 2,32МДж/кг
28% -> 2,30МДж/кг
Далее 2,3МДж/кг
Ниже 3% будем считать 3МДж/кг.
Чтож. У нас есть универсальные данные, применимые для любой древесины, считая что исходная картинка также применима для любой древесины. Это очень хорошо. Теперь рассмотрим процесс увлажнения древисины и соответсвенное падение теплотворной способности
пусть у нас 1кг сухого остатка, влажность 0гр, теплотворная способность 18МДж/кг
увлажнили до 3% - добавили воды 30гр. Масса выросла на эти 30 грамм, а теплота при сгорании уменьшилась на теплоту испарения этих 30 грамм. Итого у нас (18МДж-30/1000*3МДж)/1,03кг=17,4МДж/кг
далее увлажнили еще на 1% масса увеличидась еще на 1%, а скрытое тепло увеличилось на 0,0271Мдж. Итого 17,2МДж/кг
И так далее пересчитываем все значения. Получаем:
0% -> 18,0МДж/кг
3% -> 17,4МДж/кг
4% -> 17,2МДж/кг
6% -> 16,8МДж/кг
9% -> 16,3МДж/кг
12% -> 15,8МДж/кг
15% -> 15,3МДж/кг
20% -> 14,6МДж/кг
28% -> 13,5МДж/кг
30%-> 13,3МДж/кг
40%-> 12,2МДж/кг
70%-> 9,6МДж/кг
Ура! Эти данные опять же не зависят от породы древесины.
При этом зависимость отлично описывается параболой:
Q=0,0007143*W^2 - 0,1702W + 17,82
или линейно на интервале 0-40
Q = 18 - 0,1465W, МДж/кг или в ккал/кг Q=4306-35W (вовсе не 50)
С различием мы еще разберемся отдельно.4. Зависимость плотности древесины от влажности
Буду рассматривать две породы. Сосна и береза
Для начала порылся и решил остановится на следующих данных по плотности древисины
Зная величины плотности можем определить объемный вес сухого остатка и воды в зависимости от влажности, свежеспил не учитываем, так как влажность не определена.
Отсюда плотность березы 2,10E-05x2 + 2,29E-03x + 6,00E-01
сосны 1,08E-05x2 + 2,53E-03x + 4,70E-01
тут x - влажность.
Упрощу до линейного выражения в диапазоне 0-40%
Получается
сосна ro=0,47+0,003W
береза ro=0,6+0,003W
Неплохо бы набрать статистику по данным, так как сосна 0,47 м.б. и около дела, но вот береза легче, и 0,57 где-то.
5. Объемная теплотворная способность.
Теперь рассчитаем теплотворную единицы объема способность сосны и березы
Для березы
влажность плотность удельная_теплоемкость объемная теплоемкость
0 0,6 18 10,8
15 0,64 15,31541 9,801862
25 0,67 13,91944 9,326025
75 0,89 9,273572 8,253479
Для березы видно, объемная теплотворная способность изменяется от 8МДж/л для свежеспила до 10,8 для абсолютно сухих. В практически значимом интервале 10-40% примерно от 9 до 10 МДж/л ~ 2,6кВт*ч/л
Для сосны
влажность плотность удельная_теплоемкость объемная теплоемкость
0 0,47 18 8,46
15 0,51 15,31541 7,810859
25 0,54 13,91944 7,516497
75 0,72 9,273572 6,676972
Для березы видно, объемная теплотворная способность изменяется от 6,5МДж/л для свежеспила до 8,5 для абсолютно сухих. В практически значимом интервале 10-40% примерно от 7 до 8 МДж/л ~ 2,1кВт*ч/л
6. Об влажности дров.
Ранее я упомянул практически значимый интервал 10-40%. Хочу пояснить. Из проведенных ранее рассуждений становится очевидным, что сухие дрова палить более целесообразно, чем сырые, джа и просто легче их жечь, проще таскать до топки. Осталось понять, что значит сухие.
Если обратимся к картинке выше, то увидим, что при тех же 20град свыше 30% равновесная влажность воздуха рядом с таким деревом 100%(отн.). Что это значит? АК то что полено ведет себя как лужа, и сохнет при любых погодных условиях, даже может сохнуть в дождь. Скорость сушки ограничивается только диффузией, а значит длиной полена если неколотое.
К слову, скорость сушки полена длиной 35см примерно эквивалдентна скорости сушки доски пятидесятки, при том за счет трещинок в полене скорость сушки его дополнительно вырастает по сравнению с доской, а укладка в однорядные полленицы еще улучшает сушку по сравнению с доской. Представляется что за пару месяцев летом в однорядной полленице на улице можно выйти на влажность 30% и менее лоя полуметровых дров. Колотые естественно сохнут еще быстрее.
Готов обсудить, если есть результаты.
Нетрудно представить что это за полено такое на вид и ощупь. Оно не содержит трещинок в торце, на ощупь чуть влажное. Если будет лежать как попало в воде - может появится плесень, грибки. Радостно забегают если тепло всякого рода жучки. Колется конечно, но неохотно. Думаю выше 50% где-то не колется практически вообще. Топор/колун входят с "хлюпом" и весь эффект
Воздухосухая древесина, уже имеет трещинки и влажность менее 20%. Уже относительно легко колется и отлично горит.
Что такое 10%? Смотрим на картинку. Это вовсе не обязательно камерная сушка. Это может быть сушка в сауне или просто в отапливаемом помещении в течении сезона. Эти дрова горят - только успевай подбрасывать, отлично разгораются, легкие и "звенящие" на ощупь. Также великолепно строгаются на лучины.
7. Дым, древесный уголь, сажа и зола
Основными продуктами горяния дров являются углекислый газ и пары воды. Которые нараду с азотом являются основными компонентами дымового газа.
Помимо этого остаются несгоревшие остатки. Это сажа (в виде хлопьев в трубе, и собственно то что мы называем дымом), древесный уголь и зола. Их состав следующий:
древесный уголь:
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1490.html
состав: 80-92% С, 4,0-4,8% Н, 5-15% О - тот же каменный по сути, как и предположил
Древесныйуголь содержит также 1-3% минер. примесей, гл. обр. карбонатов и оксидов К, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.
А вот и зола что такое
Негорючие оксиды металлов. Золу кстати в мире применяют в качестве добавки к цементу тоже клинкер по сути, только полученный на сдачу (без доп. энергозатрат).сажа
Элементный состав,
Углерод, С 89 – 99
Водород, Н 0,3 – 0,5
Кислород, О 0,1 – 10
Сера, S0,1 – 1,1
Минеральные вещества0,5
Правда это немного не те сажи - а технические сажи. Но думаю разница невелика.
И древесный уголь и сажа близки к каменному углю по составу, а значит мало того что горят, но и имеют высокую теплотворную способность - на уровне 25МДж/кг. Думаю образование и угля и сажи в первую очередь связано с недостаточной температурой в топке/недостатком кислорода.
8. Сколько паров воды образуется при сгорании древесины
1 кг сухих дров содержит 63грамма водорода или
Воды из этих 63 граммов при сгорании получится максимум 63*18/2 (тратим два грамма водорода на получение 18 грамм воды)=567 грамм/кг_дров.
Суммарное количество воды образуемое при сгорании древесины таким образом составит
0% ->567 г/кг
10%->615 г/кг
20%->673 г/кг
40%->805 г/кг
70%->1033 г/кг
9.Скрытое тепло.
Интересным является вопрос, а если влагу образуемую при сгорании дрвесины сконденсировать и забрать полученное тепло, сколько его там? Оценим.
0% ->567 г/кг->1,3МДж/кг->7,2% от теплоты сгорания дров
10%->615 г/кг->1,4МДж/кг->8,8% от теплоты сгорания дров
20%->673 г/кг->1,5МДж/кг->10,6% от теплоты сгорания дров
40%->805 г/кг->1,9МДж/кг->15,2% от теплоты сгорания дров
70%->1033 г/кг->2,4МДж/кг->24,7% от теплоты сгорания дров
Вот он теоретически предел той добавки, что можно выжать от конденсации воды. При том если топить таки не сырыми дровами то весь предельный эффект в пределах 8-15%
10. Количество воздуха необходимое для сжигания дров
Вторым потенциальным источников тепла для повышения эффективности работы ТТ котла/печи является отбор тепла у дымового газа.
У нас уже есть все необходимые данные, поэтому не будем лезть в источники. Для начала нужно рассчитать теоретический минимум подачи воздуха для сжигания дров. Для начала сухих.
Обратимся к параграфу 2
1 кг дров:
495г С ->41,3 моль
442г O2->13,8 моль
63г H2->31,5 моль
Для сгорания углерода надо 41,3 моль кислорода и для сгорания водорода 15,8 моль кислорода. При том 13,8 моль кислорода уже есть. Итого потребность в кислороде для горения 43,3 моль/кг_дров. отсюда потребность в воздухе 216 моль/кг_дров=5,2 м3/кг_дров (кислород - одна пятая).
Для различной влажности древесины имеем
0%->5,2 м3/кг->2,4 м3/л_сосны ! 3,1 м3/л_,березы
10%->4,7 м3/кг->2,4 м3/л_сосны ! 3,0 м3/л_,березы
20%->4,3 м3/кг->2,3 м3/л_сосны ! 2,9 м3/л_,березы
40%->3,7 м3/кг->2,2 м3/л_сосны ! 2,7 м3/л_,березы
70%->3,1 м3/кг->2,1 м3/л_сосны ! 2,5 м3/л_,березы
Как и в случае теплотворной способности видим, что требуемая подача воздуха на литр дров слабо зависит от их влажности.
При этом меньше полученной величины подавать воздуха нельзя - будет неполное выгорание топлива, образование угарного газа, сажи и угля. Сильно больше подавать тоже нецелесообразно, так как при том неполное выгорание кислорода, снижение предельной температуры дымовых газов, большие потери в трубу.
Вводят коэффициент избытка (gamma) воздуха, как отношение фактической подачи воздуха к теоретическому минимуму (5м3/кг).Величина коэффициента избытка может быть разной и составляет обычно от 1 до 1,5.
10.1. Количество дымового газа
При этом 43,3 моль кислорода мы сожгли, но выделили 41,3 моль CO2, 31,5 моль химической воды и всю влажность древесины.
Таким образом количество дымового газа на выходе из топки больше чем на входе и составляет в пересчете на комнатную температуру
0% ->5,9 м3/кг, из них водяного пара 0,76 м3/кг
10%->5,5 м3/кг, из них водяного пара 0,89 м3/кг в том числе испаренного 0,13
20%->5,2 м3/кг, из них водяного пара 1,02 м3/кг в том числе испаренного 0,26
40%->4,8 м3/кг, из них водяного пара 1,3 м3/кг
70%->4,4 м3/кг, из них водяного пара 1,69 м3/кг
Зачем нам все это надо?
А вот зачем. Для начала можем определить кокой же температуры нужно поддерживать дымоход, чтобы в нем никогда не было конденсата. (к слову у меня конденсата в трубе нет совсем).
Для этого найдем температуру соответсвующую относительной влажности дымового газа для 70% дров. Можно по графику выше. Ищем 1,68/4,4=0,38.
А вот и нельзя по графику! Там ошибка
Берем эти данные http://www.fptl.ru/spravo4nik/davlenie-vodyanogo-para.html и получаем температуру 75град. Т.е. если дымоход будет горячее, конденсата в нем не будет.
При коэффициентах избытка больших единицы количество дымового газа следует считать как расчетное количество дымового газа (5,2 м3/кг при 20%) плюс (gamma-1) помноженное на теоретически требуемое количество воздуха (4,3 м3/кг при 20%)..
Например для избытка 1,2 и 20% влажности имеем 5,2+0,2*4,3=6,1м3/кг
11. Теплота дымового газа
Ограничимся случаем в котором температура дымового газа 200град. Будем искать избыток тепла дымового газа по сравнению с комнатной температурой - потенциал теплоутилизации. Примем коэффициент избытка воздуха 1,2. Данные по дымовому газу отсюда: http://thermalinfo.ru/publ/gazy/gazovye_smesi/teploprovodnosti_i_svojstva_dymovykh_gazov/28-1-0-33
Плотность при 200град 0,748, Cp=1,097.
при нуле 1,295 и 1,042.
Обращаем внимание, что плотность связана по закону идеального газа: 0,748=1,295*273/473. А теплоемкость практически константа. Так как мы оперируем потоками пересчитанными на 20 град то определим плотность при данной температуре - 1,207. а Cp возмем среднее, где-то 1,07. Итого теплоемкость нашего стандартного куба дыма 1,29 кДж/м3/К
0% ->6,9 м3/кг->1,6МДж/кг->8,9% теплоты сгорания дров
10%->6,4 м3/кг->1,5МДж/кг->9,3% теплоты сгорания дров
20%->6,1 м3/кг->1,4МДж/кг->9,7% теплоты сгорания дров
40%->5,5 м3/кг->1,3МДж/кг->10,5% теплоты сгорания дров
70%->5,0 м3/кг->1,2МДж/кг->12,1% теплоты сгорания дров
В дополнение к тому попробуем обосновать разницу между литературной теплотворной способностью дров 4400-50W и полученными выше 4306-35W. Обосновать разницу в коэффициенте.
Предположим что авторы формулы считают тепло на нагрев дополнительного пара такими же потерями как и скрытое тепло и усушка древесины. У нас между 10 и 20% выделено дополнительного пара 0,13м3/кг_дров. Не заморачиваясь с поиском величины теплоемкости водяного пара (все равно не сильно они различаются) получаем доп потери на нагрев доп воды 0,13*1,3*180=30,4КДж/кг_дров. На один процент влажности в десять раз меньше 3 кДж/кг/% или 0,7 ккал/кг/%. Получили не 15. Все еще нестыковка. Причин пока более не вижу.
12. О КПД топки
Есть желание понять, что же кроется в т.н. КПД котла. Тепло дымового газа - безусловно потери. Потери через стенки также безусловно (если не считаются плезными). Скрытое тепло - потери? Нет. Скрытое тепло от испаряемой влаги у нас сидит в уменьшенной теплотворной способности дров. В химически образуемая вода - продукт горения, а не потеря мощности (она не испаряется а сразу образуется в виде пара).
Итого предельный КПД котла/топки определяется потенциалом теплоутилизации (без учета конденсации) написанным чуть выше. И составляет около 90% и не более 91. Для повышения КПД нужно снижать температуру дымового газа на выходе из топки, например снижением интенсивности горения, но при том следует ожидать более обширного образования сажи - дымно и не 100% сжигание дров->снижение КПД.
13. Суммарный потенциал теплоутилизации.
Из данных представленных выше довольно просто считаем для случая охлаждения с дымового газа 200 до 20 и конденсацией влаги. Для простоты всей влаги.
0% ->2,9МДж/кг->16% от теплоты сгорания дров
10%->3,0МДж/кг->18,6% от теплоты сгорания дров
20%->3,0МДж/кг->20,6% от теплоты сгорания дров
40%->3,2МДж/кг->26,3% от теплоты сгорания дров
70%->3,6МДж/кг->37,4% от теплоты сгорания дров
Следует отметить что величины довольно заметные. Т.е. потенциал теплоутилизации есть, при этом величина эффектов в абсолютной величине в МДж/кг слабо зависит от влажности, что, возможно упрощает инженерный расчет. В обозначенном эффекте где-то половина приходится на конденсацию, остальное на теплоемкость дымового газа.
14. Еще раз об зависимости теплотворной способности дров от влажности
Попробуем обосновать разницу между литературной теплотворной способностью дров 4400-50W и полученными выше 4306-35W в коэффициенте перед W.
Предположим что авторы формулы считают тепло на нагрев дополнительного пара такими же потерями как и скрытое тепло и усушка древесины. У нас между 10 и 20% выделено дополнительного пара 0,13м3/кг_дров. Не заморачиваясь с поиском величины теплоемкости водяного пара (все равно не сильно они различаются) получаем доп потери на нагрев доп воды 0,13*1,3*180=30,4КДж/кг_дров. На один процент влажности в десять раз меньше 3 кДж/кг/% или 0,7 ккал/кг/%. Получили не 15. Все еще нестыковка.
Предположим еще один вариант. Заключающийся в том, что авторы известной формулы оперировали так называемой абсолютной влажностью древесины, в то время как мы здесь оперировали относительной.
В абсолютной за W принимается отношение массы воды к полной массе дров, а в относительной отношение массы воды к массе сухого остатка (см. п.1).
Исходя из этих определений построим зависимость абсолютной влажности от относительной
0%(отн)->0%(абс)
10%(отн)->9,1%(абс)
20%(отн)->16,7%(абс)
40%(отн)->28,6%(абс)
70%(отн)->41,2%(абс)
100%(отн)->50%(абс)
Отдельно рассмотрим снова интервал 10-40. В нем можно апроксимировать полученную зависимость прямой W= 1,55 Wабс - 4,78.
Подставляем данное выражение в формулу для полученной ранее теплотворной способности и имеем новое линейное выражение для удельной теплотворной способности дров
4306-35W=4306-35*(1,55 Wабс - 4,78)=4473-54W. Получили наконец результат значительно более близкий к литературным данным.
15. О теплотворной способности трухлявых дров
В случае топки костра на природе, в том числе на шашлыках я, наверное как и многие предпочитаю топить сушняком. Данные дрова представляют собой довольно трухлявые сухие ветки. Горят хорошо, довольно жарко, но для образования определенного количества углей требуется примрно вдвое больше чем нормальной волздухосухой березы. Но где-ее взять то эту сухую березу в лесу? Поэтому и топлю тем что есть и тем что не вредит лесу. Такие же дрова отлично применимы для топления печки/котла в доме.
Что такое этот сушняк? Это та же древисина в которой обычно шел процесс гниения, в т.ч. прямо на корню, в результате плотность сухого остатка сильно уменьшилась, появилась рыхлая структура. Данная рыхлая структура более паропроницаема чем обычная древисина, поэтому ветка высохла прямо на корню при определенных условиях.
Можно также использовать трухлявые стволы деревьев если они сухие. Сырую трухлявую древесину сжигать очень трудно, поэтому ее пока рассматривать не будем.
Мне не доводилось измерять плотность подобных дров. Но субъективно эта плотность где-то в полтора раза ниже обыкновенной сосны (с широкими допусками). Исходя из этого постулата посчитаем объемную теплоемкость в зависимости от влажности, при том топлю обычно сушняком от лиственных пород, плотность которых исходно была выше, чем сосны. Т.е. рассмотрим случай когда трухлявое полено имеет плотность сухого остатка вдвое меньше, чем исходной древесины.
Так как для березы и сосны линейные формулы зависимости плотности у нас совпали (с точностью до плотности абсолютно сухих дров), то и для трухли также воспользуемся данной формулой:
ro=0,3+0,003W. Это очень грубая прикидка, но похоже никто особо не исследовал поднятый здесь вопрос. М.б. у канадцев есть сведения, но у них и лес свой, со своими свойствами.
0% (0,30 кг/л) ->18,0МДж/кг ->5,4МДж/л=1,5кВт*ч/л
10% (0,33 кг/л) ->16,1МДж/кг->5,3МДж/л=1,5кВт*ч/л
20% (0,36 кг/л) ->14,6МДж/кг->5,3МДж/л=1,5кВт*ч/л
40% (0,42 кг/л) ->12,2МДж/кг->5,1МДж/л=1,4кВт*ч/л
70% (0,51 кг/л) ->9,6МДж/кг->4,9МДж/л=1,4кВт*ч/л
Что уже не особо удивительно, объемная теплотворная способность трухлявых дров опять слабо зависит от влажности и составляет около 1,45кВт*ч/л.
16. Об объемной теплотворной способности любых дров.
Вообще, рассмотренные породы, включая трухлю можно объединить под одной формулой для теплотворной способности. Для того чтобы получилась не совсем академическая формула, а применимая на практике вместо абсолютно сухой древисины запишем для 20%-й:
Плотность Теплотворная способность
0,66 кг/л -> 2,7кВт*ч/л
0,53 кг/л -> 2,1кВт*ч/л
0,36 кг/л -> 1,5кВт*ч/л
Т.е. объемная теплотворная способность воздухосухих дров вне зависимости от породы составляет примерно Q=4*плотность(в кг/л), кВт*ч/л
Т.е. чтобы понять что будут давать ваши конкретные дрова (различные фруктовые, трухлявые, хвойные и т.п.) Можно один раз определить плотность условно воздухосухих дров - взвешиванием и определением объема. Помножить на 4 и применять полученную величину для практически любой влажности дров.
Подобное измерение я бы проводил сделав короткое полено (в пределах 10см) приближенного к цилиндру или прямоугольному параллелепипеду (досочке). Цель - чтобы не заморачиваться по измерению объема и достаточно быстро высушить на воздухе. Напоминаю, вдоль волокон сушка в 6,5 раз быстрее, чем поперек. И это 10см полешко высохнет на воздухе летом за неделю.