Puun palamisen teoriaa ja mittausta

[Yleisajattelija]

Ei oikein löytynyt hyvää ketjua vanhoista, joten perustin uuden. Aiheena siis puun palamisen teoria, itseäni kiinnostaa eniten pelletin ja hakkeen palaminen kun pelletti-/hakepoltinta aloittelin hitsaamaan. Aihiona valmis pelletti-hakepoltininnovaation prototyyppi, jonka "IPR":t ostin öljyn/sähkö hinnan pompattua, kun sopivasti kohdalle sattui. 

Ensimmäinen vaihe on suunnitella modifikaatio Lakan ZK10 öljykattilaan, ja pitäisi tietää kuinka rakentaa palotapahtuma/konvektio. Erityisesti on selvittelyn alla pelletti-/hakeliekin pituus ja siinä varmaan vaikuttaa oikea toisioilman syöttö. Tuohon on takoitus laittaa termoparit ja katseluikkunat, sekä ehkä lambdamittarikin jos halvalla saa jostain.

Onko tuosta tietoa, kuinka pitkälle liekki menee ennenkuin kannattaa aloittaa konvektio ja miten pitkä konvektio-osa tarvitsee/kannattaa laittaa? Oikeasta piippuun menevän jäämäpalokaasun lämpötilasta lienee ainakin tietoa?

[VPJ]

Jos itse tekee niin jotain nykyaikaista kannattaa tehdä eikä mitään aataminaikaisia systeemejä enää.

https://www.heatfactory.fi/purowin

Ja nykyisillä sähkön hinnoilla jotakin tällaista:

https://www.hargassner.fi/chp-sahko-ja-lammitysjarjestelma/

[Pähkäilijä]

Onko tuosta tietoa, kuinka pitkälle liekki menee ennenkuin kannattaa aloittaa konvektio ja miten pitkä konvektio-osa tarvitsee/kannattaa laittaa? Oikeasta piippuun menevän jäämäpalokaasun lämpötilasta lienee ainakin tietoa?

niin pitkälle tarviaa liekin mennä että kaikki kaasuuntuneet yhdisteet ehtivät palaa. Malliesimerkkinä perinteiset yläpalokattilat jossa konvektio alkaa jäähdyttämään tapahtumaa silloin kun sen pitäisi olla vielä kuumenemassa.

Paras vaihtoehto on piipuun menevän savukaasun kondensoituminen jolloin siitä saadaan energia talteen. Kilosta 20% kosteaa puuta syntyy 630g vettä ja jos sen saa savukaasuista muutettua takaisin energiaksi syntyy faasimuutoksesta 0.63 kWh/ litra. Tosin materiaalien ym suhteen tätä ei ole vielä kotikäytössä tainnut kukaan saada onnistumaan joten helpompi päästää savukaasut pihalle kondensoitumaan.

[Yleisajattelija]

niin pitkälle tarviaa liekin mennä että kaikki kaasuuntuneet yhdisteet ehtivät palaa. Malliesimerkkinä perinteiset yläpalokattilat jossa konvektio alkaa jäähdyttämään tapahtumaa silloin kun sen pitäisi olla vielä kuumenemassa.

Paras vaihtoehto on piipuun menevän savukaasun kondensoituminen jolloin siitä saadaan energia talteen. Kilosta 20% kosteaa puuta syntyy 630g vettä ja jos sen saa savukaasuista muutettua takaisin energiaksi syntyy faasimuutoksesta 0.63 kWh/ litra. Tosin materiaalien ym suhteen tätä ei ole vielä kotikäytössä tainnut kukaan saada onnistumaan joten helpompi päästää savukaasut pihalle kondensoitumaan.

No, milloinkas ne kaasuuntuneet yhdisteet ehtivät sitten palaa? 7 metrin piippu ja puhallin käytössä, joten vetoa tarvittaessa piisaa. Itse kun tuota pähkäilin, niin aika olennaista on kaasuuntuminen ja toisioilman syöttökohta. Kattilavalmistajan suunnittelijan mukaan pelletti kaasuuntuu heti, mutta toisioilman optimaalinen syöttökohta ei selvinnyt (=yleensä kai lähes sama kuin ensiöilmalla). Mielestäni tuo on aika vaikea arvioida, mutta toisioilman "kylkiäistypen" lämmitys hiilijakeiden polttolämpötilaan (=800 astetta) pitää tehdä jotenkin.

Stoikiometrinen poltto vaatii 6kg ilmaa per kilo puuta, mutta käytännössä kaiketi suhde on 1/10. 1 m3 ilmaa painaa noin kilon, joten aikamoinen 10m3:n ilmamäärä pitää lämmittää 800 asteeseen.

Mikä estää veden kondensoimisen konvektoriin? Onko se puhtaasti savukaasujen jäähdytysongelma vai korroosioprobleemat?

[Pähkäilijä]

eiköhän kattilanvalmistajat ole mitanneet paljonkin missä vaiheessa on palo saavuttanut parhaan pisteensä muttei näitä mittauksia ole taviksille tarjolla. Helpoin tutkia eri kattiloita ja mittailla paljonko valmistajat ovat niihin jättäneet palotilaa.

Jos polttaa 100 kg puuta ja siitä saa kondensoitua 63 litraa vettä tarttee olla myös systeemit minne sen ohjaa. Vesihän ei ole ongelma mutta samalla kondensoituu rikkihappo.

http://www.puulammitys.info/index.php?topic=727.msg18101#msg18101

[Yleisajattelija]

seppol:n kommetti tuolta viiitatusta ketjusta:

"Puussa on rikkiä 0,05 % painosta. Jos poltetaan 100 kg puuta, rikkiä on 50 g. Rikin moolipaino on 32 g eli sitä on 1,7 moolia. Tästä syntyy 1,7 moolia rikkihappoa H2SO4. Sen moolipaino on 98 g. Rikkihappoa syntyy 153 g jokaisesta 100 kilosta puuta. Kun poltetaan 100 kiloa puuta savukaasujen massa on n. 1000 kg. Pitoisuus on 1,5 / 10000. Tämän edellytys on että kaikki rikki muuttuu rikkihapoksi.

Mitä katselen taulukoita, rikkihapon höyrystymispiste on 337 C."

...ja repa:n kontribuutio:

"No joo, ei tuossa synny rikkihappoa vaan rikkihapoketta: H2SO3. Se on laimea happo.

60-luvulla öljylämmittäjille muistaakseni opetettiin pitämään kattilalämpö yli 80 asteen ettei tuo hapoke kondensoidu.
Yllättävän paljon paljon tota rikkiä kertyy pitkässäjuoksussa vaikka pitoisuus on noinkin pieni.

Yleisesti pidetään pahana puunpoltossa syntyviä etikkahappoja, mutta jos palaminen on "täydellistä" niin niitä ei pitäisi syntyä?

Jos seppol löytää taulukosta tuon hapokkeen ominaisuudet niin täällä ollaan kuulolla."

Minulla siis 7 metrin hormi, jossa happoputki öljypolttimen takia ja poistoletku hormiputken mutkasta viemäriin. Letku oli näköjään tukketunut kun avasin kattilan mittailuja varten, ja valunut vesi oli jättänyt pieniä syöpymäjälkiä kattilan konvektoreiden vaakapinnoille, joten hapokasta on...

[Yleisajattelija]

Jos nyt yleisesti ymmärrän, niin viimeaikainen uutisointi tuoreen puun paremmasta lämpöarvosta kuivattuun puuhun verrattuna perustuu juuri tuohon kondensioenergian hyödyntämiseen, ja on totta vain silloin kun kattila pystyy ottamaan talteen savukaasujen vesihöyryssä olevan energian eli jäähdyttämään savukaasut jo konvektorissa alle 100 asteen?

Käytönnössä tuossa on ainakin kaksi ongelmaa, kuin selvitä syövyttävän tiivistyneen happoliemen kanssa (poisto konvektorista) ja toinen pienestä marginaalista lämmitysveden (ainakin 80 asteista) ja tiivistymispisteen (noin 100 astetta) välissä.

Jos höyryn energian talteenottoa ei ole, kaikki polttoaineessa oleva vesi on hukkaa -> polttopuu pitää olla kuivaa. Onko suurinpiirtein noin?

[Pähkäilijä]

Tuoreessa puussa on jotain helposti haihtuvia terpeenejä jotka kuivasta puusta puuttuvat ja niistä saadaan enempi energiaa poltossa. Savukaasuista veden kondensoinnin energia ei paranna polttotulosta sillä se vesi pitää muuttaa ensin höyryksi joka vie energiaa. Muuten tuon veden määrä polttotapahtumassa

-  jos normi polttuuklapi painaa kilon, siinä on yleensä 800 g puuta ja 200 g vettä.
Palaessaan 800 g puuta tuotta vettä 430 g + 200 g = 630 g
- jos kilon klapissa on 900 g puuta ja 100 g vettä, sitä tulis yhteensä vettä 485 g + 100g  = 585 g
- jos kilon klapissa on 700 g puuta ja 300 g vettä, sitä tulis yhteensä vettä 380 g + 300g  = 680 g
- jos kilon klapissa on 600 g puuta ja 400 g vettä, sitä tulis yhteensä vettä 325 g + 400g  = 725 g

Ääripäiden erotus vain 140 g.

Vastaavat kastepisteet kun ilmakerroin 1,5 eli 7 m3 ilmaa / kg puuta:

585 g => 50 C
630 g => 52 C
680 g => 53 C
725 g => 56 C

muoks - tuossa hutkimusta tuoreen puun poltosta http://www.ffrc.fi/Liekkipaiva_2018/B3.pdf

[Yleisajattelija]

Hmm...eikös tuossa artikkelissa nimenomaan juuri kerrota, että käytössä oli kondensoiva järjestelmä, jolloin veden höyrystymisenergia saadaan takaisin?

Normaaliuunissa tai puukattilassa tuo höyrystysenergia menetetään, jonka takia tuoretta puuta ei kannata polttaa. Nuo terpentiinit toki palavat yhtälailla tavallisessa uunissakin.

Kondensoivalla kattilalla saadaan aika merkittävä etu, koska ilmakuivan puun kosteus taitaa olla n. 20%, ja veden höyrystymiseen tarvittava energia on hyvin suuri.

Ja edellisessä viestissä oleva muu vesi on käsittääkseni hiilivetyjen palamistuotteena syntyvää vettä/vesihöyryä, jonka kondensoiminen pitäisi yhtä lailla parantaa kokonaishyötysuhdetta.

Tuossa tukimuksessa siis Kauhavan 10MW:n hakevoimalaitos jossa savukaasupesuri ja lämpöpumppu savukaasuenergian talteenotossa. Ilmeisesti tarkoituksena nesteyttää happoliemi ja ottaa samalla kondensoitumisenergia talteen.

[Yleisajattelija]

Tuossa tutkimuksessa on kyllä mielenkiintoinen maininta siitä, että haihtuvien terpentiinien energia on suurinpiirtein sama kuin tuoreen puun sisältämän ylimääräisen veden höyrystymisenergia. Siten esim. hakkeen stokeripoltossa ilman savukaasujen kondensoimista kuivan ja tuoreen hakkeen tuottama energia olisi suurinpiirtein sama. Toki ongelmaksi tulee hakekasan taipumus itsekuumenemiseen, joka rajoittaa tuoreesta puusta tehdyn hakkeen varastoimista.

Klapien poltossa tilanne lienee selvä, märät puut eivät pala kunnolla joten hyötysuhde jää huonoksi. Lisäksi suuri vesihöyryn määrä aiheuttaa helposti happoliemen tiivistymistä hormissa, joka särkee muuratut hormit.

Muoks:hakkeesta haihtuu terpentiinit parissa päivässä, joten normaali hakepoltto ei pysty niitä hyödyntämään (pitäisi olla rankasyöttö ja haketin polttimessa tms.).

Muoks2: hyvin melenkiintoinen on viittaus  mahdolliseen vesihöyryn katalyyttiseen hajoamiseen vedyksi (tai onko tuo nyt vesikaasua). Itse asiassa artikkelissa on esitetty taulukko, jossa rankapuussa terpentiinien haihtuminen ei olisi vaikuttanut E(comb) arvoon, en tosin tiedä mitä tuo tuossa tarkoittaa.

[Jonkkeri]

Muoks2: hyvin melenkiintoinen on viittaus  mahdolliseen vesihöyryn katalyyttiseen hajoamiseen vedyksi (tai onko tuo nyt vesikaasua). Itse asiassa artikkelissa on esitetty taulukko, jossa rankapuussa terpentiinien haihtuminen ei olisi vaikuttanut E(comb) arvoon, en tosin tiedä mitä tuo tuossa tarkoittaa.

Vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi, kun se on vuorovaikutuksessa hiilen kanssa hapettomassa tilassa olikohan yli 800°C lämpötilassa. Samoin hiilimonoksidi CO pystyy ryöstämään hapen myös hiilidioksidilta (CO2), jolloin syntyy 2CO. Youtubesta löytyy videoita vesikaasusta kun hakee "water gas". Tästä pystyy edelleen jatkojalostamaan metanolia (metanolisynteesi).

[Jonkkeri]

seppol:n kommetti tuolta viiitatusta ketjusta:

"Puussa on rikkiä 0,05 % painosta. Jos poltetaan 100 kg puuta, rikkiä on 50 g. Rikin moolipaino on 32 g eli sitä on 1,7 moolia. Tästä syntyy 1,7 moolia rikkihappoa H2SO4. Sen moolipaino on 98 g. Rikkihappoa syntyy 153 g jokaisesta 100 kilosta puuta. Kun poltetaan 100 kiloa puuta savukaasujen massa on n. 1000 kg. Pitoisuus on 1,5 / 10000. Tämän edellytys on että kaikki rikki muuttuu rikkihapoksi.

Mitä katselen taulukoita, rikkihapon höyrystymispiste on 337 C."

...ja repa:n kontribuutio:

"No joo, ei tuossa synny rikkihappoa vaan rikkihapoketta: H2SO3. Se on laimea happo.

60-luvulla öljylämmittäjille muistaakseni opetettiin pitämään kattilalämpö yli 80 asteen ettei tuo hapoke kondensoidu.
Yllättävän paljon paljon tota rikkiä kertyy pitkässäjuoksussa vaikka pitoisuus on noinkin pieni.

Yleisesti pidetään pahana puunpoltossa syntyviä etikkahappoja, mutta jos palaminen on "täydellistä" niin niitä ei pitäisi syntyä?

Jos seppol löytää taulukosta tuon hapokkeen ominaisuudet niin täällä ollaan kuulolla."

Minulla siis 7 metrin hormi, jossa happoputki öljypolttimen takia ja poistoletku hormiputken mutkasta viemäriin. Letku oli näköjään tukketunut kun avasin kattilan mittailuja varten, ja valunut vesi oli jättänyt pieniä syöpymäjälkiä kattilan konvektoreiden vaakapinnoille, joten hapokasta on...

Tuo pitoisuus on kyllä todella pieni, mutta kyllä sekin mustaa rautaa syövyttää. Jos käytetään haponkestävää terästä, esim. 316, niin syöpymisen pitäisi pysyä aika maltillisena pienillä pitoisuuksilla. Oheisessa taulukossa 17-12-2.5 on 316:n käyrä, eli noilla pitoisuuksilla ja lämpötiloilla syöpymä on 0,1mm/vuosi, kun teräs on jatkuvasti kosketuksissa rikkihapon (neste) kanssa. Rikkihappo käyttäytyy niin, että laimea seos tietysti syövyttää vähiten, mutta osalla teräslaaduista 100% pitoisuuden lähellä oleva seos syövyttää vähemmän, kuin esim 80% seos. Joka tapauksessa, jos lauhduttimen/kondensaattorin tekisi haponkestävästä teräksestä tai jopa lasikuidusta (polyesterihartsilla), niin ongelmia ei pitäisi materiaalin kestävyyden suhteen olla. Lisäksi tuossa olisi varmaankin oltava pisaranerotin, jotta nesteenä olevat pisarat eivät ilmavirran mukana kulkeudu piippuun.

https://www.assda.asn.au/blog/266-general-corrosion-resistance

[Yleisajattelija]

Tuo pitoisuus on kyllä todella pieni, mutta kyllä sekin mustaa rautaa syövyttää. Jos käytetään haponkestävää terästä, esim. 316, niin syöpymisen pitäisi pysyä aika maltillisena pienillä pitoisuuksilla. Oheisessa taulukossa 17-12-2.5 on 316:n käyrä, eli noilla pitoisuuksilla ja lämpötiloilla syöpymä on 0,1mm/vuosi, kun teräs on jatkuvasti kosketuksissa rikkihapon (neste) kanssa. Rikkihappo käyttäytyy niin, että laimea seos tietysti syövyttää vähiten, mutta osalla teräslaaduista 100% pitoisuuden lähellä oleva seos syövyttää vähemmän, kuin esim 80% seos. Joka tapauksessa, jos lauhduttimen/kondensaattorin tekisi haponkestävästä teräksestä tai jopa lasikuidusta (polyesterihartsilla), niin ongelmia ei pitäisi materiaalin kestävyyden suhteen olla. Lisäksi tuossa olisi varmaankin oltava pisaranerotin, jotta nesteenä olevat pisarat eivät ilmavirran mukana kulkeudu piippuun.

https://www.assda.asn.au/blog/266-general-corrosion-resistance

Joissakin venäläisissä "ihmeuuneissa" esitetään syyksi erikoisen hyvälle hyötysuhteelle hehkuvan hiilipedin aiheuttamaa vesihöyryn katalyyttistä hajoamista vedyksi ja hapeksi. Vedyn palaminen toisi ilmaista energiaa polttoon. Tuo vaikuttaa kyllä ikiliikkujan tapaiselta innovaatiolta, mutta tuo katalyyttinen mekanismihan on sinällään todistettu vesikaasun valmistuksessa. Jos katalyyttinen hajoaminen tapahtuu, niin siitä voi kyllä olla mielenkiintoisia sivuseurauksia hyötysuhteeseen vedyn palamisessa ja siitä syntyvän vesihöyryn tiivistymisessä konvektiopintoihin. Normaalisti vedyn palaminen ilman hajaantumisvaiheen energiankulutusta on eksoterminen prosessi ja syntyvä palamislämpötila saattaa käsittääkseni ylittää merkittävästi höyrystymislämpötilan ja silloin tulisi kysymykseen joku höyryn tulistamiseen liittyvä hyötytekijä.

Onko joku palstalaisista ollut tulistetun höyryn energialaskelmien kanssa tekemisissä, saako tulistetulla höyryllä teoreettista/käytännöllistä hyötysuhde-etua konvektorissa?

 

[Yleisajattelija]

Doniin! Rästissä olleet kesähommat on nyt tehty ja alkaa pellettipolttimen rakentaminen.

Kattila olisi tarkoitus varustella "riittävällä" instrumentoinnilla polttimen säätämiseksi.

Tuolla olisi näpsäkän näköinen K-elementti keraamisella suojalla, onko kokemuksia?

www.ebay.com/itm/374150274526?

Tuolla toinen, mutta lyhyt. Tätä ilmeisesti käytetään autojen pakokaasumittauksissa?

www.ebay.com/itm/404004935253?


En nyt välttämättä usko lambda-arvon mittaukseen, mutta kaipa sekin pitää tuohon survoa, palstalla onkin ollut keskustelua noista. Varsinkin noiden ohjausboxien saatavuudessa taitaa olla haasteita, mikä noissa olisi paras joita saa tällä hetkellä?

Onko "pumping current reference" LSU4.9 Boschin viimeisin sana lambdoissa? LSU4.2 käyttää "reference air cell":iä.

Uusin Boschin lambdasensori taitaa olla tämä:

https://www.bosch-motorsport.com/content/downloads/Raceparts/en-GB/51917195228833675.html

Hinnassa ei taida enää olla suurta eroa 4.2 vs. 4.9:

LSU4.2:

www.ebay.com/itm/353987003763?

LSU4.9:

https://www.ebay.com/itm/354187721268?

Tuon LSU4.9:n ohjaussirukaan ei paljon maksaisi, jos olisi aikaa tehdä softa:

https://www.ebay.com/itm/172217681494?

Valmis ECU + LSU4.9 ei olisi mahdottoman hintainen sekään:

https://ldperformance.co.uk/product/wideband-controller-for-bosch-lsu49/

Tuon lambda-anturin sijoittaminen pelletti-/puukattilaan taitaa kuitenkin olla problemaattista:

https://www.nzefi.com/bosch-lsu-wide-band-airfuel-ratio-lambda-sensors-fail-often-aftermarket-performance-applications/

Laajakaistalambda vaatii aika korkean (780C) vakiolämpötilan toimiakseen ja puukattilassa tuossa lämmössä oleva kohta on aika huonosti sekoittunut. Siellä, missä lambda yleensä taitaa käytännössä olla, on liian alhainen lämpötila luotettavan mittauksen tekemiseksi. Lisäksi tuo WB-sensori vaatii käytännössä jonkun autojen ECU-tyyppisen ohjausboxin. joka pitää olla lisäksi koko ajan päällä kalibroinnin takia.

Noissa on kyllä ilmeisesti jonkinmoinen lämmityselementti:

https://www.bosch-motorsport.com/content/downloads/Raceparts/Resources/pdf/Data%20Sheet_69034379_Lambda_Sensor_LSU_4.9.pdf

Mutta toiminta selvästikin on riippuvainen mitattavan seoksen lämpötilasta.

Tässäpä nämä taitaakin tulla syyt esille, miksi lambdat yleensä näyttävät mitä sattuu puukattiloissa...

Onko tietoa, mikä lambda ja mihin sijoitettu ja toimiiko järkevästi?

https://www.kardonar.com/wp-content/uploads/2016/01/Effecta-Lambda-FIN.pdf

Lambda-anturin sijoituspaikka näkyy olevan poistohormissa, jossa ei ainakaan laajakaistalambda (välttämättä) toimi kunnolla:

https://www.kardonar.com/wp-content/uploads/2017/02/Lambda-25-35-60_FIN_low.pdf

[JKAVS]

Asensin syksyllä tällaisen mittaamaan savukaasun lämpöjä omasta kattilasta. Ainakin vielä toimii.
https://www.ebay.com/itm/191905888228?mkcid=16&mkevt=1&mkrid=711-127632-2357-0&ssspo=DncGcHAoTwi&sssrc=2047675&ssuid=pH4FIn44TCe&widget_ver=artemis&media=COPY