В прошлой статье мы рассмотрели такой любопытный способ обогрева, который имеет своих сторонников, так противников, как использование тепловых насосов, в качестве которых (если не изготавливать их самостоятельно, что в принципе, тоже возможно) выступают обычные кондиционеры типа сплит-систем.
Интересно, что подобный способ обогрева не является единственным, в череде несколько экзотичных вариантов и сегодня мы рассмотрим ещё один, который заставляет задуматься — использование газогенераторных установок, для производства пиролизного газа.
До начала рассказа следует отметить, что КПД подобных устройств в среднем несколько выше, чем у прямого сжигания топлива, и соотносится примерно как до 0,7 (у прямого сжигания) к 0,8..0,9 (у пиролизной газогенерации).
Причиной этого является более полное использование энергии топлива, так как пиролиз позволяет извлекать из топлива вплоть до 25% больше энергии, дожигая те газы, которые, в противном случае, при прямом сжигании топлива, просто вылетели бы в трубу.
Считается, что технология отопления с помощью газогенерации (в виде именно оформленной технологии) сложилась только в XX веке несмотря на то, что сама технология газогенерации была известна существенно ранее: ещё на рубеже между XVIII и XIX веками, широко использовался «светильный газ» который изготавливался пиролизом каменного угля и не только — использовалась для этого и древесина.
Причём, что интересно, следующим применением стало также вовсе не отопление, а применение пиролизной газогенерации в качестве топлива для автомобилей — думается что причиной этого явился и сам исторический процесс, в ходе которого в виду промышленной революции и всё большего перетекания людей в города и на производства, требовалось обеспечить эти области концентрации людей освещением, поэтому первейшей целью стало использование светильного газа именно в этих целях.
Из сегодняшнего дня это кажется немного странноватым, однако, нужно просто поставить себя на позиции человека тех лет: электрическое освещение ещё не вошло в обиход, кругом повсеместно применялись менее прогрессивные методы освещения (свечи, керосиновые лампы) и, по-настоящему массового и эффективного освещения до сих пор не было.
Да, существовали несколько выбивавшиеся из общей канвы варианты, взять хотя бы тот же самый «друммондов свет» — в котором кислородно-водородное пламя нагревало негашёную известь, светившуюся в ходе этого ярко-белым светом:
Или ацетиленовый фонарь, в котором выделялся сгораемый газ ацетилен, от реакции карбида кальция с водой:
Но это всё были относительно нишевые применения, а человечеству нужно было что-то более массовое, простое и недорогое — чем и явился светильный газ.
Попутно, к слову: с позиции сегодняшнего дня эти исторические источники света являются достаточно тусклыми, например, друммундов свет, в среднем, мог обеспечить яркость порядка 60 Вт современной лампы накаливания, тогда как ацетиленовая лампа была существенно тусклее.
Техническая революция привнесла с собой появление и активное развитие автомобильной отрасли, которая тоже требовала своего топлива.
Первый двигатель внутреннего сгорания, разработанный в 1860 годах французским инженером Этьеном Ленуаром работал именно на светильном газе, и, в дальнейшем, этот двигатель был применён на первом транспортном средстве в 1872 году, тогда как несколько позднее, уже в 1915-1916 годах, была проведена успешная попытка перевести ряд двигателей на природный газ, в ходе чего было выявлено, что двигатели тех лет могли выдать большую мощность именно на газу, чем на бензине.
Для сжигания в двигателях в начале XX века применяли светильный газ, в виду неразвитости индустрии добычи, тогда как в период 1920-1940 годов уже произошёл окончательный переход к природному газу.
Таким образом, можно констатировать что применение горючих газов разного рода для сжигания в моторах, развивалась параллельно с использованием бензина.
Не зря XX век называют «веком моторов», думается, что в полной мере это сказалось и на источниках моторного топлива: активное развитие моторной индустрии (и недостаточная развитость инфраструктуры) привела к нехватке топлива, в виду чего, на рубеже примерно с 1920 по 1950-е годы наблюдается пик интереса к газогенераторным установкам, в качестве источника энергии для двигателей внутреннего сгорания.
Причём, что интересно (для меня самого это было удивительно узнать), — подобные газогенераторные установки применялись не только в автомобилях, но и в железнодорожных тепловозах!
В этом нетрудно убедиться, если обратиться к подборке книг, которую я совершенно случайно обнаружил, знакомясь с этой темой вот здесь — стоит только обратить внимание на годы издания книг, и правдивость утверждения о пике интереса в те годы, станет очевидна.
К сожалению, за давностью лет этой странички, ни одна ссылка на книги у меня не заработала, поэтому, желающие могут их поискать самостоятельно, здесь же можно почерпнуть для себя полные названия книг на эту тему.
Таким образом, подытоживая эту часть рассказа, можно для себя отметить, что интерес человечества к теме газогенераторных установок был продиктован историческим процессом и его реалиями: отсутствием чего-то и присутствием большого количества чего-то другого :-)
Проще говоря: дров и иного топлива, было много, никто особо не задумывался о смене его типа для отопления, в то время как в других областях (освещение, транспорт) это было продиктовано насущной необходимостью, поэтому, судя по всему, там и наблюдалось такое активное развитие.
Гораздо позже, где-то начиная со второй половины XX века, когда у человечества высвободились ресурсы: автомобили были переведены на природный газ и бензин, инфраструктура добычи этих топлив была налажена, освещение стало электрическим — настала пора подумать и об увеличении эффективности отопительных технологий.
Можно сказать, что газогенераторные печи, используемые для отопления, эксплуатируют отработанные ещё в первой половине XX века технологии, разрабатывавшиеся для автомобилей, только теперь, они были доработаны для работы в новом направлении — появились водяные контуры отопления, теплообменники, были добавлены средства удалённого управления и мониторинга.
Но, по большому счёту, ядром любой такой установки являются достаточно старые технологии…
В виду вышесказанного, а также по причине достаточной скудности литературы, относящейся собственно к газогенераторным отопительным котлам, кажется имеет смысл ещё раз обратить внимание на технологию автомобильных газогенераторов, так как, освоив эту технологию, при желании, можно создать отопительную установку даже самостоятельно. К тому же, в наше время это существенно легче сделать — многие сложные технологии (резка металла, сварка, микроконтроллеры, программирование) является доступными практически каждому.
Таким образом, понимание основ превращает этот процесс в своеобразное творчество, что интересно само по себе…;-)
Итак, что же собой представляет, в среднем, подобная установка?
Для начала надо сказать, что для такой установки годится достаточно широкий круг топлив, в качестве которых могут выступать: древесина, торф, каменный уголь разного рода, — а также производные из этих продуктов (брикеты и т.д.).
Другие типы сгораемого сырья, наподобие сельскохозяйственных отходов, соломы считаются низкокачественным топливом и подходят в меньшей степени.
Суть физики процесса заключается в том, что если топливо нагревается без доступа воздуха, то это приводит к выделению из него имеющейся влаги, одновременно с продуктами сухой перегонки, представляющих собой, например, для древесины, показанные в таблице ниже:
В таблице выше, среди продуктов перегонки, можно видеть горючий газ CО — окись углерода, который, как мы увидим далее, путём преобразований и конструкции газогенератора получают даже специально — и это является неотъемлемой частью процесса газогенерации!
Процесс сгорания углерода топлива представляет собой экзотермический процесс, с выделением большого количества тепла, где реакция выглядит следующим образом (количество выделяемого/поглощаемого тепла в реакциях ниже специально опущено, для простоты чтения):
С+О2 = СО2 (1)
В случае нехватки кислорода реакция протекает несколько иначе, в результате чего образуется меньшее количество тепла, а также горючий газ — уже известная нам окись углерода:
С + 0,5О2 = СО (2)
Окись углерода может быть специально получена не только в процессе сгорания, но и при восстановлении инертного углекислого газа, в раскалённом слое древесного топлива:
С + СО2 = 2СО (3)
После чего, получившаяся окись углерода может быть использована полезным образом — т.е. сожжена в двигателе, в результате чего наблюдается следующая реакция:
СО + 0,5О2 = СО2 (4)
Ещё одним способом получения окиси углерода может быть пропускание водяного пара через раскалённое топливо, где при этом наблюдается следующая реакция:
С + Н2О = СО + Н2 (5)
При таком последнем способе, влага, которая используется в реакции, может быть извлечена из самого топлива (в процессе его просушки в газогенераторе), а также подведена извне, специально (в некоторых конструкциях газогенераторов).
Окись углерода, полученная, или уже имеющаяся, реагирует с водяным паром, в результате чего протекает следующая реакция:
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2 (6)
Почему так акцентируются на получении окиси углерода: потому что он считается одним из самых ценных компонентов горючего газа, и, если специально не работать над его получением, то ценный углерод (т.е. топливо) будет расходоваться не полностью, уходя в отбросы.
Таким образом, состав горючего газа представляет собой ряд компонентов, где немаловажную роль играет окись углерода.
Существующие газогенераторы разделяются, по типу протекающего процесса, как минимум, на три вида:
Прямого процесса
Обращённого процесса
Поперечного процесса
Исходя из всего этого, посмотрим на картинку ниже, где показана принципиальная схема типового газогенератора прямого процесса:
Если связать эту картинку с рассмотренными ранее реакциями, то можно сказать следующее:
В зоне горения — протекают реакции (1) и (2);
В зоне восстановления — реакции (3), (5), (6);
В зоне сухой перегонки — образуются летучие соединения — смолы и т.д.
Принципиальными отличиями такого типа газогенератора от всех остальных является подача воздуха в нижней его части и забор газа в верхней, а также невозможность его применения для питания двигателя — связано это с большим количеством смол в газе, который получается при данном типе газогенератора (что не исключает его применение в качестве отопительного средства).
Поэтому, для питания двигателей применяют газогенератор обращённого типа процесса:
Как можно видеть, он отличается тем, что воздух в нём подаётся в среднюю часть, а горючий газ забирается из нижней части, — в таком варианте получающийся газ отличается малым содержанием смол, и применим для использования в двигателях.
Объясняется это тем, что зона сухой перегонки находится выше зоны высокой температуры, и, при отсосе горючего газа снизу генератора, газу надо пройти через зону высокой температуры, где смолы подвергаются разложению.
Ещё одним альтернативным вариантом является газогенератор с поперечным процессом — как можно видеть на картинке ниже, в нём и воздух подаётся посередине и горючий газ забирается тоже посередине (только с другой стороны).
Подобный газогенератор также не применим для питания двигателей, так как получаемый с его помощью горючий газ будет отличаться большим количеством смол, из-за расположения горячей зоны — ниже зоны забора газа:
Исторические данные свидетельствуют, что установка газогенераторов на автомобили может быть произведена без их переоборудования, то есть, за основу могут быть взяты обычные автомобили, с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания.
Но в виду относительно большого веса подобных генераторных установок, исторически их монтировали на грузовики, например типа ЗИС, ГАЗ, которые могли развивать скорость на новом топливе вплоть до 70-80 км/ч, преодолевая обычные дорожные условия без каких-либо проблем:
Подобные генераторы на древесном топливе могли обеспечить пробег из расчёта примерно 1:1 — расхода килограмма топлива на 1 км пробега.
С использованием каменного угля соотношение несколько улучшалось, примерно до 1,8 км на 1 кг топлива.
Таким образом, мы видим, что, вооружившись знанием о таком интересном способе создания газообразных топливных продуктов, можно вполне попробовать организовать и самостоятельно нечто подобное, для целей обогрева.
Как я уже говорил выше, мне не удалось найти в открытом доступе сколько-нибудь подробных книг касающихся собственно газогенераторных котлов сходных тем, которые использовались в авто, за исключением только некоторой обрывочной информации, касающейся более высокой производительности автомобильных газогенераторов, по сравнению с отопительными котлами — то есть, необходимо будет поразмыслить над некоторым уменьшением производительности, с целью увеличить время работы генератора от одной загрузки топливом.
Насколько удалось выяснить, у всех газогенераторных установок есть одна общая черта: они практически не могут работать без принудительного вытягивания (отсоса) газообразных продуктов из них — это является их неотъемлемым элементом, необходимым для нормальной работы.
В случае использования газогенератора на автомобиле, таким элементом выступает сам двигатель, постоянно тянущий газ; в случае же отопительных котлов, насколько удалось выяснить, для этого применяется принудительная воздуходувка.
Думается, что, ограничив силу тяги (т.е. обороты воздуходувки), а также ограничив подачу воздуха (несколько перекрыв входной патрубок) — можно добиться регулирования производительности в широких пределах, с целью добиться более спокойного горения, для применения подобного устройства в целях отопления, в противовес очень активному и производительному режиму газогенераторов автомобилей…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
