Практически у каждого из нас есть небольшой опыт Прометея - близкое знакомство с огнем.
У кого то это только мангал с углем и розжигом из магазина, кто то просто разводил костер, кто то грелся у долгоиграющего костра типа нодья, кто то топил печку буржуйку в вагончике, а у кого то все детство прошло в частном доме с дровяным отоплением.
И простой жизненный опыт отложил нам где то, на задворках памяти, что есть хорошие березовые дрова, которые жарко горят, есть гнилая осина, от которой тепла не дождёшься, есть стреляющая искрами из костра ёлка...
Начнем с базовой величины - с теплотворной способности. Возьмем из справочника определение:
"Теплотворная способность (теплота сгорания) - основной показатель топлива, характеризует количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л)".
Исходной, основной, является массовая теплотворная способность, т. е. количество выделившейся теплоты, отнесенное к массе. Для биотоплива (да и для других видов топлив) она зависит от химического состава. А химический состав для большинства твердых органических веществ, используемых в качестве топлива (древесина, солома, лузга, костра) практически одинаков - в пределах той точности, что нас интересует. На то проведено много исследований - кому интересно, может найти более серьезные источники, нежели дзен. И даже можно сказать, что теплота сгорания тополиного пуха (или ваты) и дубовых дров одинакова. Кто то сразу возразит - тополиный пух просто пыхает
а дубовые дрова долго и жарко горят. Но вспомним школьную загадку - что тяжелее, килограмм свинца или килограмм пуха?
Если сравнивать теплотворную способность в своем первичном определении (отнесенная к массе) то она будет различаться только при различной влажности. Напомним упрощенную формулу для теплотворной способности древесины (применимо для большинства похожих органических веществ):
Q=4400-50xW, где Q - теплотворная способность, в ккал, W - относительная влажность, в процентах.
То есть нет никакой разницы в разных видах топлив, только лишь по влажности.
Наш жизненный опыт говорит иное. Попробуем разобраться. Древесина имеет клеточную структуру - как и почти все живое (за исключением вирусов). В сухом состоянии выглядит как пористый материал. Для примера, условное изображение сухой древесины:
Стенки клеток образованы древесным веществом, с плотностью, близкой к 1,5 г/см3 (кг/дм3, т/м3). Пустоты заполнены воздухом (в сухой древесине), частично воздухом, частично влагой (в живой или свежеспиленной древесине), и полностью заполнены водой в древесине, утонувшей - топляке.
Разные породы имеют разное соотношение размеров стенок клеток и пустот. Потому абсолютно сухая древесина дуба имеет плотность 650 кг/м3 (верхняя картинка), а древесина пихты 350 кг/м3 (нижняя картинка).
Разные породы древесины при равной влажности имеют одинаковую теплотворную способность (потому, что одинаковый или близкий химический состав), но разную плотность.
Объемная теплотворная способность у разных пород с разной плотностью будет значительно отличаться - пропорционально плотности - до двух и даже немного более раз. Топки же, в которых сжигается топливо, имеют ограниченный объем. Поэтому легкие дрова малой плотности, с малой объемной теплотворной способностью (но высокой массовой теплотворной способностью) будут прогорать в два раза быстрее и надо закладывать/добавлять их в два раза чаще, нежели высокой плотности.
А теперь вспоминаем (кто знает) или интересуемся - как продаются дрова? Они продаются складскими кубами - геометрический объем плотно уложенных колотых или не колотых дров. Тут надо вспомнить про коэффициент полнодревесности (про него позже поговорим подробно) - во сколько плотность складского или насыпного куба отличается от плотного. Для не колотых дров он может доходить до 0,7, колотых - примерно 0,5.
Получается, купив куб дубовых колотых дров, мы купили примерно 0,5 м3 плотных или чуть больше 300 кг.
Для пихты это вообще 180 кг (хотя, справедливости ради, в продажу такие легкие дрова стараются не пускать).
Пройдемся сразу по брикету. В процессе прессования внутренние пустоты с воздухом закрываются, в основном. Некоторая часть остается, поэтому плотность брикетов никогда не достигает плотности древесного вещества - 1,5. Но практически всегда больше 1 - то есть тонет в воде, будучи сухим. Всегда плотнее самых плотных дров. Продаются по весу - цена за 1 кг, 10 кг или 1 тонну.
Потому, сравнивать стоимость складского куба дров и тонны брикета совсем не корректно. Но если уж очень хочется - нужно использовать коэффициент 4 или даже 5 для легких дров. То есть стоимость 1 т брикета надо со стоимостью 4-х кубов дров.
В реалиях ситуации бывают еще хуже (коэффициент больше) - дрова малой влажности встречаются редко - чаще процентов 30, и лишь изредка 20 и меньше. Брикеты же наоборот - почти всегда имеют влажность 10-12% и только иногда до 14%.
Из вышеприведенных схем строения становится понятно, почему брикет из разных пород древесины практически не отличается по теплотворной способности (не только массовой, но и объемной) - все породы древесины имеют близкий химический состав, и сжимаются в процессе прессования до одной плотности - только дуб сожмется всего в два раза от состояния "плотного куба", а пихта - почти в четыре.
Объемная теплотворная способность у брикета примерно в два раза выше, чем у плотной древесины и в четыре - легкой.
Небольшая разница по брикетам из разных пород все же есть, но это связано со смолистостью древесины и корой. Смола (и березовый деготь) в общем случае имеет более высокую теплоту сгорания, чем древесина, кора, в свою очередь, содержит больше смолистых веществ чем чистая, без коры, древесина. При сжигании дров это мало заметно, поскольку влажность коры почти всегда выше, чем древесины, и повышенная теплотворная способность с лихвой перекрывается повышенной влажностью. В брикет же прессуется только сухая кора, и положительный эффект может быть замечен.
Рассмотрим теперь такую характеристику различных топлив, как воспламеняемость. Мы знаем, из различных источников и из своего опыта, что лужица бензина очень легко вспыхивает, если поднести даже маленький огонек, а в такую же лужицу дизельного топлива можно бросать горящие спички и с большой вероятностью ничего не будет - спички будут просто гаснуть.
У твердых биотоплив есть похожее свойство. В начале этой части мы вспоминали по тополиный пух. Вспыхивает как бензин. Есть сухая трава - легко загорается от случайно брошенной не затушенной спички. Есть солома, которая легко загорается. Достаточно легко загораются тоненькие веточки или древесная стружка. Сухие еловые дрова даже большой толщины легко загораются в костре. Дубовые, такие же сухие - гораздо медленнее.
Если мы возьмем два полена, одинакового размера, одинаковой влажности, но одно из ели (или пихты или сосны) а второе из дуба (или бука или граба) и внесем в пламя газовой горелки, то первое загорится довольно быстро, а второе будет долго сопротивляться пламени. Кстати, в старину было подобие несгораемых сейфов - сундуки из плотных пород, иногда с оковкой по углам - углы первыми прогреваются и первыми загораются.
Можно для сравнения попытаться зажечь кусок каменного угля - он будет сопротивляться пламени еще сильнее.
В чем различие? В плотности, и связанных с ними теплопроводностью и теплоемкостью.
У пуха плотность всего лишь чуть больше плотности воздуха - килограммы на метр кубический, может доходить до десяти кг/м3. Трава - десятки кг/м3, максимум до сотни. Легкие и плотные породы древесины мы уже рассматривали, от сотен до тысячи кг/м3, каменный уголь - примерно 1,6 т/м3.
Чем меньше плотность, тем лучше теплоизоляция (вспомним пуховики, различные утеплители) - меньше теплопроводность, и меньше объемная теплоемкость. Что это дает для процесса горения? Сторонним источником тепла быстро и до большой температуры нагревается поверхностный слой материала и он вспыхивает - это у легких материалов малой плотности. Само вспыхивание - это выделение летучих и их возгорание. Плотные материалы за счет высокой теплопроводности и теплоёмкости длительное время не дают прогреться поверхностным слоям, быстро и в большом количестве отводя тепло вовнутрь.
Но когда твердое топливо загорелось - все меняется до противоположенной ситуации. Горящую траву можно погасить, просто сбив пламя ветками, горящую кучку соломы затушит дождь, а хорошему костру из плотных дров не страшен и ливень.
Теплотворная способность и плотность - это два основных свойства характеризующих топливо, воспламеняемость - производная из этих двух.
Очень показателен в данном случае пример использования в качестве трута переугленной хлопковой ткани.
Высокая теплотворная способность (до 6000 ккал/кг) и низкая плотность позволяет иметь очень хорошую воспламеняемость, так что загорается от искр, образуемых кремнем и кресалом.
Всеми этими свойствами. осознанно или нет, мы пользуемся при разведении костра. Особенно в случае разведения какими то старинными способами добывания огня.
В качестве трута используем материалы с максимальной теплотворной способностью, минимальной плотностью и максимальной воспламеняемостью. Для растопки - материалы с несколько большей плотностью - сухая трава, сухой мох, сухая хвоя, тонкие веточки, стружка, лучина. Затем постепенно увеличиваем плотность - веточки и сучки потолще, щепки - но по возможности из сухой легкой древесины типа ели и сосны. И лишь затем в дело идут более толстые и плотные дрова. Если лёгкой древесины нет, то в процессе розжига костра приходится плотные дрова колоть на совсем уж мелкие щепочки - снижать насыпную плотность.
В различных топочных устройствах - печках, котлах - имеем дополнительные ограничения, связанные с их топочным объемом и теплонапряженностью.
Если рассматривать твердотопливные топочные устройства с ручной загрузкой, то для пользователя важны три основных параметра: тепловая мощность, КПД (или эффективность) и время работы между дозагрузками топлива.
Эти параметры связаны между собой и дополнительно завязаны на тип используемого топлива.
Мощность и время дозагрузки.
Используя топливо высокой теплотворной способности, но малой плотности (пучки травы, комки бумаги, пух) мы будем добавлять его практически непрерывно, а оно, это топливо, будет сгорать быстро или еще быстрее. То есть на топливе малой плотности мы не сможем получить сколь нибудь приличную мощность, и интервал между дозагрузками будет стремится к нулю. Заполнить и переполнить топку не получится - слишком быстро все сгорает.
Перейдя затем на топливо несколько большей плотности - мелкие дрова из легкой древесины - мы сможем получить максимальную мощность. А может даже "форсированный режим" - мощность больше максимально заявленной. Но добавлять такие мелкие дрова придется почти постоянно - интервал между дозагрузками будет минимальный. Создать избыток топлива (когда все заполнено и добавить еще полешко уже некуда) можно, но только на короткое время.
Увеличивая плотность и размер используемых дров мы выйдем на некое "плато" когда время между дозагрузками все время увеличивается, а тепловая мощность остается почти постоянной. А затем, при дальнейшем увеличении плотности мощность начнет падать. Но большую часть времени добавить в топку дополнительное топливо будет некуда - все заполнено.
(здесь должен быть график)
В этом есть некий парадокс использования брикетов, в частности брикетов типа РУФ.
Если тепловой агрегат - котел или печка - не имеет запаса тепловой мощности, или, что хуже, на его мощности было "сэкономлено" то при работе на топливе малой плотности (легкие дрова) и почти непрерывном его добавлении удается развить максимум или даже чуть больше, и создать приемлемую температуру в помещении. А плотное топливо (брикет) горит медленно, мощность меньше максимума, и добавить дополнительно уже некуда - объем топки ограничен.
У брикетов РУФ есть еще одно свойство - произведен ли он на линии с сушилкой, или без нее. Это связано с тем, что такой брикет формуется в достаточно широком диапазоне влажности - от 6 до 14%. На ряде деревообрабатывающих производств, которые работают с сухой доской (столярка, погонаж, мебель) образуются сухие отходы, которые можно сразу отправить в пресс и получится брикет. Но он при этом может быть по верхней границе влажности. На линиях с сушилкой сырье сушат "с запасом", ближе к нижней границе влажности. Теплотворная способность брикета при этом различается незначительно. При нормальном котле этих различий не заметно. Но если котел или печка на пределе или с недостатком мощности, да еще и с "холодной" топкой то это становится заметно. Кроме того, увеличение процента влаги ускоряет разрушение брикета в процессе горения на мелкую фракцию, что может сильнее закрывать живое сечение колосника и дополнительно уменьшать активность горения.
КПД или эффективность.
Здесь многое зависит от конструкции топочного устройства, и от того, рассчитано ли оно на непрерывный режим работы, или только на периодический. Но топливо здесь то же играет роль, хотя и в малой степени. Особенно это заметно на топках периодического действия. В чем их особенность? Они используют теплоёмкость материалов в их конструкции. В начальный момент, когда поверхности топочного устройства, соприкасающиеся с дымовыми газами (например, обороты или колпаки в кирпичных печах) не прогретые, то тепло от горения топлива активно ими поглощается. По мере прогрева, с уменьшением разницы температур между поверхностями и газами эффективность и КПД падает. Процесс горения к этому времени должен постепенно прекратится. Если же в топке заложено большое количество плотного топлива, то оно продолжает активно гореть и бОльшая часть тепловой энергии бесполезно вылетает в трубу.
Древесная гранула.
Применяется (в быту) в механизированных автоматизированных котлах и напрямую сравниваться с дровами и брикетами не может. По плотности отдельной гранулы сопоставима с брикетом (плотность больше 1), по насыпной (складской) плотности - примерно 650 кг/м3 - в два с лишним раза плотнее самых плотных дров, но несколько меньше плотно упакованного брикета.
