Proces spalania

Najprostszym sposobem uzyskania energii cieplnej jest spalanie paliw. Jest to egzotermiczna (oddająca ciepło) reakcja chemiczna, w czasie której następuje łączenie się palnych składników z tlenem znajdującym się w powietrzu. Fizyczne zjawisko spalania drewna można podzielić na trzy etapy: suszenie (rozpalanie), odgazowanie (płomienie) i zgazowanie paliwa (żar).

Suszenie paliwa polega na odparowaniu wilgoci przemijającej i higroskopijnej. Wilgocią przemijającą jest woda, którą paliwo zostało nasączone w czasie wzrostu, wadliwego magazynowania lub transportu. Wilgoć tę można usunąć, susząc paliwo na powietrzu. Wodę zaabsorbowaną przez paliwo, dzięki jego właściwościom pochłaniania, nazywa się wilgocią higroskopijną. Jedynym sposobem jej usunięcia jest podgrzanie do temperatury 105 - 110 C. Suszenie to zjawisko endotermiczne. Suszone paliwo pobiera cały czas ciepło, lecz nie osiąga temperatury zapłonu, w której wydzielałyby się gazy łatwo palne. Następuje to dopiero przy około 300 C, gdy drewno osiągnie swoją temperaturę zapłonu.

Odgazowanie paliwa rozpoczyna się po jego wysuszeniu. Dalsze zwiększanie temperatury powoduje wydzielanie się gazów łatwo palnych. Łączą się one z tlenem zawartym w powietrzu i spalają, wytwarzając płomień o wysokiej temperaturze. Etap ten, do momentu osiągnięcia temperatury zapłonu substancji lotnych, ma charakter endotermiczny, następnie przekształca się w zjawisko typowo egzotermiczne. Zapotrzebowanie na powietrze jest największe w drugiej części tego etapu.

Zgazowanie paliwa jest ostatnią częścią procesu spalania i polega na utlenianiu się węgla pierwiastkowego do tlenku i dwutlenku węgla. Rozżarzony węgiel drzewny pali się bez płomieni i wydziela duże ilości energii cieplnej.

Niezbędnymi warunkami spalania, prócz pozbycia się wody z paliwa i osiągnięcia temperatury zapłonu części lotnych, jest dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza, zapewniającej całkowite utlenienie pierwiastków i związków palnych. Niedostatek tlenu może spowodować spalanie niezupełne. Jest to proces szkodliwy, ponieważ zamiast utleniania węgla pierwiastkowego do dwutlenku, powstaje silnie toksyczny tlenek węgla. Nie spalone części lotne paliwa uchodząc do komina zmniejszają uzyskiwaną ilość cieplną. Oznaką spalania niezupełnego jest ciemnoczerwony płomień i obfity dym. Podczas spalania zupełnego ogień ma kolor żółto-pomarańczowy, a dym jest jasny. W warunkach spalania niecałkowitego spalaniu ulega tylko część stałej masy paliwa. Podczas spalania całkowitego spala się cała stała masa paliwa, a końcowym produktem jest popiół zawierający między innymi sole mineralne, pobrane przez drzewo podczas wzrostu.

Aby osiągnąć prawidłowe parametry spalania, musimy zadbać o dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza. Jego dopływ do komory spalania, w kominkach systemu zamkniętego, musi być kontrolowany. Zbyt mała ilość doprowadzi do wspomnianych wyżej niekorzystnych zjawisk. Nadmiar powietrza powoduje, że nie związany tlen oraz obojętny azot niepotrzebnie pobierają ciepło z paleniska, obniżając jego sprawność.

Podstawowym paliwem do kominka zamkniętego jest drewno odpowiedniego gatunku. Na ogół wykorzystuje się drewno, jakim się dysponuje w danym momencie, ale warto przestrzegać pewnych reguł, żeby uniknąć kłopotów z eksploatacją kominka. Rozpalanie ognia w kominkach systemu zamkniętego wymaga pewnego doświadczenia, którego nabywa się podczas eksploatacji, stosownie bowiem do etapu palenia trzeba regulować dopływ powietrza. Szczegóły układu regulacji spalania w różnych wkładach mogą się różnić, ale cel jest taki sam: najwłaściwsza regulacja dopływu powietrza.

Rozpalanie zaczyna się zazwyczaj od otworzenia szybra (jeżeli takie urządzenie istnieje) i przepustnic dopływu powietrza do komory spalania. Na dnie paleniska układamy, na zgnieciony papier lub rozpałkę, drobne kawałki suchego drewna, nadając im kształt stożka, jak w typowym ognisku i podpalamy. Tak przygotowane paliwo, zapala się w całej swej objętości. Ułożenie drewna niechlujnie, powoduje obfite wydzielanie się dymu oraz spowolniony zapłon szczap drewna. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury paleniska, stopniowo dokładamy coraz większe kawałki drewna. Ze względów bezpieczeństwa nie należy używać jako rozpałki żadnych łatwopalnych płynów – benzyny, olejów ani spirytusu.

Podczas rozniecania ognia, otwory dopływowe powinny być całkowicie otwarte, tak aby powietrze miało swobodny dopływ do paleniska. Dla przyspieszenia rozpalania, można lekko uchylić drzwiczki (mała szczelina). Pełny dopływ powietrza utrzymuje się do całkowitego rozpalenia się drewna, to znaczy do pojawienia się intensywnych płomieni i żaru. Jest to znak, że kominek jest wstępnie nagrzany i należy odpowiednio zmniejszyć dopływ powietrza. W kominku z zamkniętą komorą spalania, przy zredukowanym dopływie powietrza, raz dołożone drewno pali się nieprzerwanie, w zależności od gatunku. Dla drewna iglastego (sosny), czas ten waha się od 4 do 6 godzin, zaś w przypadku liściastego (brzozy), do ponad 8 godzin. Im więcej powietrza dostarczy się do komory spalania, tym drewno szybciej się spali.

Kominki z paleniskami zamkniętymi, poza poczuciem bezpieczeństwa, oferują nam, dzięki swojej sprawności, sporą porcję energii. Zanim przejdziemy do sposobów jej wykorzystania, omówimy zjawisko wymiany ciepła. Spotykamy się z nim wszędzie tam, gdzie występują różnice temperatur. Ciało lub jego część o wyższej temperaturze przekazuje energię cieplną ciału lub jego części o temperaturze niższej. Zjawisko to występuje w przyrodzie w sposób naturalny, natomiast w technice jest inicjowane i kierowane przez człowieka. Rozróżniamy trzy podstawowe rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcję (unoszenie) i promieniowanie.

Przewodzenie ciepła jest to zjawisko polegające na przekazywaniu ciepła przez stale stykające się ze sobą te same cząsteczki ciała stałego.

Konwekcja (unoszenie) ciepła występuje, gdy cząsteczki ciała przenoszącego ciepło zmieniają swoje położenie względem ciała oddającego lub pobierającego ciepło. Ten rodzaj wymiany ciepła jest typowy dla płynów i gazów. Ruch poszczególnych cząsteczek może być wywołany w sposób naturalny w wyniku zmiany gęstości cząsteczek spowodowanej zmianą ich temperatury - konwekcja naturalna - lub sztuczna (np. za pomocą wentylatora lub pompy) - konwekcja wymuszona.

Promieniowanie ciepła polega na przenoszeniu ciepła za pośrednictwem fal elektromagnetycznych wysyłanych przez powierzchnie ciał o wyższej temperaturze, w kierunku powierzchni ciał o niższej temperaturze. Zjawisko to może odbywać się tylko między ciałami rozdzielonymi ośrodkiem przepuszczającym fale elektromagnetyczne (większość gazów) lub w próżni.

Wszystkie te rodzaje wymiany ciepła występują w przyrodzie i technice zazwyczaj równocześnie i to w różnych kombinacjach. Wymianę ciepła należy zawsze traktować jako zjawisko złożone.

Najstarszym źródłem ciepła jest ognisko. Pewnym udoskonaleniem było obłożenie go kamieniami i spojenie ich gliną. W takim palenisku ciepło utrzymywało się nawet po wygaszeniu ognia. Zamknięcie paleniska od góry i odprowadzenie spalin na zewnątrz to początek budowy pieców i kominów. Średniowiecze przyniosło wspaniały rozwój rzemiosła zduńskiego. Kamienne piece wypierane były przez coraz sprawniejsze i ozdobniejsze piece kaflowe.

Pewną odmianą pieców kaflowych są stosowane obecnie, najczęściej w starym budownictwie, elektryczne piece akumulacyjne. W XVII w. zaczęto budować piece stalowe, które udoskonalane przez lata są stosowane i dzisiaj, zwłaszcza gdy nośnikiem energii jest drewno, gaz ziemny lub olej opałowy. Wszystkie wyżej omówione typy urządzeń grzewczych noszą nazwę miejscowych urządzeń grzewczych, ponieważ wytwarzane i magazynowane w nich ciepło jest przekazywane jedynie do otoczenia (pomieszczenia, w którym znajduje się to urządzenie). Pieców kaflowych ani kominków z paleniskiem otwartym (tradycyjnych) nie buduje się dziś tak powszechnie jak niegdyś, bywają jednak stosowane w budownictwie jednorodzinnym (zarówno letniskowym, jak i całorocznym). W klimacie takim jak w Polsce, ich wadą jest niedostateczna sprawność cieplna (kominki tradycyjne) lub zbyt duże wymiary, niezbędne do dostarczenia odpowiedniej mocy cieplnej (piece kaflowe).

Kominki i piece żelazne i żeliwne (stałopalne) znajdują dużo większe zastosowanie, niż mało sprawne kominki tradycyjne i zbyt masywne piece kaflowe. Mają dużą sprawność i można w nich spalać praktycznie każdy rodzaj paliwa, regulując przy tym szybkość spalania, zależnie od wydajności cieplnej i użytego opału. Inną ich zaletą jest zwarta budowa, stosunkowo nieduża masa oraz możliwość niebanalnego rozwiązania wnętrz mieszkalnych.

Jeżeli zadaniem urządzenia grzewczego jest ogrzanie pomieszczenia lub kilku pomieszczeń oddalonych od miejsca powstania ciepła, to mamy do czynienia z ogrzewaniem centralnym. Pierwsze centralne ogrzewanie, znane pod nazwą hypokaustum, zastosowali, w łaźniach i budynkach mieszkalnych, starożytni Grecy i Rzymianie. Spalali oni w palenisku, znajdującym się w piwnicy budynku drewno lub bezdymny węgiel drzewny. Spaliny i gorące powietrze przepływały siecią poziomych kanałów podłogowych, a następnie pionowymi kanałami na zewnątrz, ogrzewając masywną konstrukcję budynku. Ogrzana podłoga i ściany oddawały potem ciepło do pomieszczenia, w wyniku promieniowania i konwekcji. Typowe centralne ogrzewanie powietrzne stosowano w średniowieczu, w potężnych zamkach gotyckich, np. w Malborku. Ogrzane w palenisku kamienie, po wygaszeniu ognia, oddawały ciepło powietrzu przepływającemu między nimi. Gorące powietrze przepływało kanałami pionowymi do pomieszczeń ogrzewanych.

Do dzisiaj nośnikiem ciepła ogrzewania centralnego tego typu, jest gorące powietrze rozprowadzane przewodami (w ścianach lub stropach) do pomieszczeń. Uwzględniając sposób dostarczenia ciepła powietrzu, można wyróżnić: ogrzewanie bezpośrednie i ogrzewanie pośrednie. Pierwsze jest typowym ogrzewaniem powietrznym, noszącym również nazwę ogrzewania powietrzno - ogniowego. Ciepło powstające w piecu podczas spalania, jest przekazywane bezpośrednio do „omywającego” go powietrza. W ten sposób ogrzewano duże pomieszczenia: sale zebrań, kościoły itp. W ogrzewaniach pośrednich występuje dodatkowy, pośredni nośnik ciepła, którym jest woda lub para. W zależności od siły wywołującej przepływ powietrza przez przewody, ogrzewanie dzielimy na grawitacyjne, konwekcyjne i z pobudzeniem mechanicznym za pomocą wentylatora. Do ogrzewania można użyć powietrza zewnętrznego, powietrza recyrkulacyjnego (pobranego z wnętrza pomieszczenia) lub mieszanego.