Правила форума
Регистрация

Вход
Правила форума
здесь.

Этот раздел предназначен для обсуждения вопросов эксплуатации, обслуживания и ремонта велосипедов, компонентов и снаряжения.
Вопросы по выбору этих вещей задавать в другом разделе.


Горение, эффективность и угарный газ

Сообщение » 04 ноя 2014, 20:02

Давно уже интересуюсь разными системами приготовления пищи типа JetBoil в которых на дне посуды сделан радиатор, позволяющий уменьшить потери тепла пламени в окружающую среду. Однако только сегодня наткнулся на статью очень замороченного по горелкам человека, который начинает с того, что рассказывает (не столь очевидную) химию пламени. Для тех, кому лень читать на английском, краткая выжимка:

Молекула пропана (C3H8) выглядит как-то так:
Изображение

Но не суть, какой у нас газ: при 800-900°C большие углеводородные молекулы любого газа распадаются под действием тепла (пиролиз) на отдельные радикалы:
C-C-C-C → C-C• + •C-C

Из большого C3H8 получаются разнодлинные кусочки, например C2H4 (этилен). При 1150°C этилен формирует ацителен и водород:
H2C-CH2 → HC≡CH + H2

Который тут же распадается на углерод и водород ещё:
HC≡CH → 2C + H2

Итого у нас в результате пиролиза осталось много молекул водорода и ещё немного углерода.
Молекула водорода от температуры распадается на два атома:
H2 → H• + •H

Атомы водорода реагируют с кислородом из воздуха, что дает в результате реакции воду и много энергии - получается перегретый водяной пар, который нагревает молекулы углерода:
4H• + O2 → 2H2O + ЭНЕРГИЯ!!!
Вот откуда берется водяной конденсат при горении даже на сухом воздухе пустыни Гоби ;)

Теперь тепла хватает, чтобы углерод тоже прореагировал с кислородом дав угарный газ и ещё немного энергии:
2C + O2 → 2CO + ЭНЕРГИЯ!

Если температура превышает ~1000°C и у нас достаточно кислорода, то угарный газ будет окислен до углекислого газа с выделением ещё большой порции энергии:
2CO + O2 → 2CO2 + ЭНЕРГИЯ!!

Вот мы всё и сожгли. На входе был пропан и кислород из воздуха, на выходе много энергии, вода и углекислый газ.
Или угарный газ (и ощутимо меньше энергии), если температуры/кислорода не хватило, чтобы он догорел до углекислого.

На примере пламени свечи эти стадии реакции горения хорошо видны визуально:
Изображение
1. Прозрачная часть. 600°С, недостаточно кислорода и температуры для пиролиза и горения - это просто перегретый пар от парафина, подогреваемый от ИК излучения пламени ниже.
2. Голубое пламя. 800°С, медленный пиролиз и собственно горение на границе с воздухом. Много кислорода, но ещё мало расцепленного углерода. Здесь горит более лёгкий водород.
3. Тёмное пламя. 1000°С, здесь идёт активный пиролиз углеводородов (расщепляются длинные молекулы на куски), но пока мало кислорода для горения. Это уже плазма, но ещё не огонь в классическом смысле.
4. Яркое пламя. 1200°С, кислорода мало, но тут уже начинает гореть расщепленный ранее углерод давая угарный газ (жёлтое пламя) - наконец начинается окисление.
5. Бесцветное пламя. 1400°С, достаточно кислорода для окисления угарного газа в углекислый по границе с воздухом, самая горячая часть пламени.
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 04 ноя 2014, 20:12

И вот теперь возникает интересный момент с эффективностью радиаторов посуды в пламени:
+ за счёт ИК и перегретого водяного пара мы эффективно собираем энергию пламени и переносим её через радиатор нагревая воду в посуде
- отбирая энергию и охлаждая плазму пламени мы не даем произойти последней реакции окисления угарного газа, которая дает существенный процент энергии во всём горении.
- получаем много ядовитого угарного газа (что критично, если готовим в палатке).

Минусы или плюсы? Зависит от того, насколько сильно мы охлаждаем пламя. При одинаковом радиаторе это будет зависит от выставленной вентилем мощности горелки: соотношение газ/воздух практически не меняется от напора сопла, а вот интенсивность горения и температура пламени при большем потоке будет выше и охлаждение не так скажется на замедлении или остановке последних реакций окисления.
Более того, в относительно закрытом (радиатором) объеме при высокой температуре дожигание угарного газа будет даже эффективней, чем просто на открытой горелке.

Вывод: всякие JetBoilы нужно эксплуатировать в режиме максимального пламени (полностью открытого вентиля подачи газа). Налил воду, включил на полную, закипела - выключил.
Долго варить рисовую кашу на медленном огне - менее эффективно, чем на классической горелке/посуде без радиатора, т.к. топливо не дожигается полностью (выбрасывается в атмосферу в виде недоокисленного угарного газа). А в палатке варить что-либо на медленном огне просто опасно - можно не заметив угореть.
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 04 ноя 2014, 20:45

Отдельная интересная ремарка для людей, использующих дровяную печь (например в бане). Если сильно разогреть печь, а потом закрыть поддувало до момента полного прогорания углей, то угарный газ образуется не столь как продукт горения (активного горения нет, приток кислорода практически перекрыт), а при восстановлении на раскалённом угле углекислого газа до угарного:
CO2 + C → 2CO при температуре > ~1000°C
Поэтому хорошая печная труба (не должна давать дыму остыть, таким образом всегда поддерживая тягу) - залог здоровья ;)
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 04 ноя 2014, 20:58

До кучи в одну тему добавлю про "зимний газ". Температура кипения:
пропана -42°С
изобутана -12°С
бутана +0.5°С


При температуре ниже (холодней) температуры кипения газ из баллона выходить не будет (он не будет испаряться, не будет избыточного давления внутри баллона).

Пропан дорог, бутан дешёв. Производитель газовых баллонов редко пишет процентный состав газовой смеси, зато часто пишет во весь баллон "ЗИМНИЙ ГАЗ" и продает бутан за дорого.
Помните, в составе зимнего газа не должно быть бутана, а только пропан и изобутан.
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 04 ноя 2014, 21:01

К слову сказать в сплаве есть аналог JetBoilа, но я засматриваюсь на титановую посуду.
http://www.splav.ru/catalog.aspx?cat=20110215094028200174
"Trust Me I Know What I'm Doing" ...Sledge Hammer!
Аватара пользователя
Sledge Hammer
старожил
 
Откуда: Курск, Центр
Велосипед(ы): Forward 1200 (планетарка 8ск. на ремне), Ti "Sledge Hammer"


Сообщение » 04 ноя 2014, 22:16

С титановой посудой тоже есть не очевидная засада в эффективности.
Теплопроводность:
титана - 22 Вт/(м·К)
алюминия - 204 Вт/(м·К)
меди - 401 Вт/(м·К)


Хотя дно котелка достаточно тонкое, но титан в ~десять раз хуже алюминия проводит тепло.
Конечно из титана можно сделать на порядок более тонкое дно (толщины фольги) и оно не будет прогорать в отличии от алюминия имея схожую теплопроводность. Но его можно будет случайно проткнуть вилкой %)

Поэтому титановая посуда хороша например для термомиски, но не для котелка. Как всегда есть выбор между чистым весом посуды или суммарным весом включая "дополнительный" газ, который нужно будет потратить на тот же объем относительно алюминиевого котелка.
Однако титановая посуда рулит по остальным параметрам: чистый вес, прочность, антипригарность, невозможность прожечь без воды и просто неубиваемость.

PS: В свете проблемы теплопроводности парадоксально смотрится титановый JetBoil. Сам он конечно весит меньше своего алюминиевого собрата (на 55 грамм), но газа придётся нести больше. И чем больше готовить, тем заметно вес "лишнего" газа будет превышать разницу веса котелков этой горелки.
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 04 ноя 2014, 22:57

Отрасль туризма так заросла маркетингом, что настоящим инженерам просто не протиснуться за рамки мизерной себестоимости (при большой наценке). А ещё патентные запреты не дают копировать удачные решения.

 Я представляю идеальный котелок таким:
Интегрированная с котелком и ветрозащитой горелка типа систем JetBoil, но со шлангом на "внешний" баллон. Горелка имеет раскладные-выдвижные пластиковые лапы для более устойчивого стояния на неровной поверхности, на сантиметр приподнята на лапах над землёй, что предотвращает контакт нагревающейся части низа сопла например с пенкой в палатке. Регулятор подачи газа находится со стороны баллона. Стандартный резьбовой баллон ставится вверх тормашками (отверстием вниз), что обеспечивает подачу жидкой фракции газа. Газ испаряется не в баллоне, а в трубке предварительного подогрева в самой горелке, что положительно сказывается на замерзании баллона при отрицательных температурах. Конструкция раскладных лапок для перевернутого баллона типа такой. Возможно использование цанговых баллонов с переходником.
Подача воздуха к соплу сделана с помощью спиралевидных прорезей в камере расширения под рассекателем, что обеспечивает более полное смешивание газа с воздухом. Можно кстати поиграть и с формой сопла.
Рассекатель небольшой, выпуклой формы с каталитической сеточкой по внешнему радиусу которой расположена дополнительная воздухозаборная щель. Над рассекателем биметаллическое дно котелка оребренное спиралевидным радиатором. Оребрение выполнено двойным: более короткие внутренние рёбра на медленный поток медные, более длинные внешнего радиуса на быстрый поток - алюминиевые.
Дно котелка - основная алюминиевая пластина покрывающая всё дно котелка (с рёбрами внешнего радиуса и внешней стенкой ветрозащиты) и запрессованный в центре биметаллический блин из тонкой (~1 мм) медной пластины (с рёбрами внутреннего радиуса). Дно имеет выпуклую внутрь котелка "самоварную" форму для большего теплосъема в центре потока от рассекателя.
Дно запрессовано в двухстенный вакуумированный термос-цилиндр из тонкостенного титанового сплава (по типу термочашек, только без дна). Запрессовка двойная с накатом, чтобы избежать расхождения шва при разном коэффициенте температурного расширения материалов. Сверху классический чехольчик из вспененного полиуретана с ручкой. И классическая крышка из термостойкого пластика с отверстием для слива и удобным открыванием без ожогов.
Шланг компактно скручивается у ножек горелки фиксируясь в центре на выступ. Нижняя часть и стандартный 230 гр. баллон плотно входят по диаметру в котелок горелки. Система не гремит при перевозке.

Как-то так. Я ведь вовсе не специализируюсь на посуде или системах сжигания газа :)
Самое обидное - всё это уже есть в том или ином виде у разных производителей и например сделать вакуумированный титановый термо-цилиндр не представляет какую-то техническую сложность (кружки и большие термосы делают во всю). Но в одну реальную горелку собрать все эффективные решения никто не берётся.
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 05 ноя 2014, 00:09

прямо готовое ТЗ на систему приготовления пищи )))
но я к чему, есть товарищи которые использовали jetboil и есть еще система MSR Reactor http://www.cascadedesigns.com/msr/stoves/stove-systems/reactor-stove-systems/product

так что если интересны непосредственно отзывы по использованию эксплуатации то могу навести мосты.
pastnick
два колеса
 
Велосипед(ы): Merida TFS XC 100-V


Сообщение » 05 ноя 2014, 01:16

Разница не существенна между титаном и алюминием по времени закипания, а вот по другим параметрам титан превосходит
[youtube]tJyG5aYwonQ[/youtube]
"Trust Me I Know What I'm Doing" ...Sledge Hammer!
Аватара пользователя
Sledge Hammer
старожил
 
Откуда: Курск, Центр
Велосипед(ы): Forward 1200 (планетарка 8ск. на ремне), Ti "Sledge Hammer"


Сообщение » 05 ноя 2014, 12:17

В приведенном ролике на разницу закипания можно не смотреть: если греть воду без крышки, то хоть в чугунине - наибольшие теплопотери будут уходить с водяным паром сверху с открытой поверхности воды.

Удельная теплоёмкость воды 4,187 кДж/кг*К.
Для испарения 1 кг воды нужно 2256 кДж тепла.
При сгорании 1 кг чистого пропана образуется 47 МДж тепла.

Получаем, чтобы вскипятить 1 кг воды (с 20 до 100 градусов Цельсия) нужно потратить 335 кДж энергии.
Каждый грамм сгорания пропана дает 47 кДж энергии. Если без потерь передать её воде, то нужно всего около 7 грамм газа.

Моя обычная горелка на максимальной мощности имеет расход 170 гр/час (2,8 гр/мин).
Литр воды должен был бы закипать за ~2,5 минуты. Вау, это в два раза лучше, чем у JetBoilов! :]

Однако у нас есть ряд потерь энергии: от неполного сгорания газа, до ИК излучения стенок котелка.
Но самая главная из них, а так же самая глупая - не закрытая крышка. Например если до момента закипания из котелка испариться 100 гр воды, то на это уйдёт примерно половина энергии горения (22,56 кДж)!
И это самый лучший способ остужать воду - испаряя её ;)

Поэтому видео выше - фигня, а не измерения посуды. Если бы они закрывали крышку, то титановая посуда имела существенный проигрыш.
Он так же более сложен, чем кажется только считая теплопроводность дна: стенки котелка имеют большую площадь, чем дно и через них так же идёт большая теплопотеря. В случае с титановым котелком - на дне терялось бы больше, а на стенках терялось бы меньше. И даже это всё можно посчитать, но проще - найти бы реальное сравнение с закрытой крышкой ;)
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 05 ноя 2014, 12:23

Вывод - нужен комбинированный биметаллический котелок с титановыми стенками и крышкой и медным дном.
Только непонятно, как бороться с разностью коэффициентов расширения.
Там, где асфальт, нет ничего интересного, а где интересно, там нет асфальта (А. и Б. Стругацкие)
Аватара пользователя
apro
Администратор
 
Откуда: Курск
Велосипед(ы): Jamis Dakota d29 Pro, кастом Torpado Celeste T6000, кастом Gary Fisher Tarpon


Сообщение » 05 ноя 2014, 12:25

Кстати у JetBoil'а есть забавная горелка с перевернутым баллоном.
Они пока наиболее близки к тому, чтобы сделать идеальную горелку с высокой эффективностью и приемлемым удобством :)

Обзор от суровых зимних велотуристов на озере Байкал:
[youtube]DvNJ61zF9Hw[/youtube]
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 05 ноя 2014, 14:31

просто добавь бензина =)
Изображение
Аватара пользователя
Night
два колеса
 
Откуда: Курск, Клыкова
Велосипед(ы): Jamis Renegade Expat '17


Сообщение » 06 ноя 2014, 16:24

akwa38, в посудо- и горелко-строении критерии эффективности очень расплывчаты и не всегда очевидны. И очень много тупого маркетинга, да.
Из неочевидных критериев:
1. Важный параметр - олеофильность. Алюминиевые сплавы и термопласты (полиэтилен, полипропилен) олеофильны, а нержавеющая сталь, титан, минеральные эмали - не очень. На практике это означает, что отмыть от жира после приготовления пищи холодной водой алюминиевый котелок или полиэтиленовую миску будет очень трудно и неприятно. Титановые котлы (каны) - рулят! :co_ol:
 
Мой друг Виталик, наблюдая, как я отмываю алюминиевые каны в горной реке, выдал фразу: "Паш, от одного взгляда на твои синие руки можно получить воспаление легких!" :hi_hi_hi:

 
Сам я обычно пользовался вместо миски стальным прямоугольным эмалированным лотком "для холодца". Благодаря низким бортикам и форме его удобно дочиста вылизывать языком изнутри. Можно вообще не мыть, и жиры не пропадают зря. Лоток крепкий, можно вместо совка использовать для копки снега. Но тяжел, да. Сейчас в продаже есть подходящие лотки из нержавейки, они полегче.
Полиэтиленовую миску можно вывернуть наизнанку, внутренняя поверхность станет внешней. Будет удобно ее вылизывать или вытирать о снег, траву.
2. Маловажный параметр - теплопотери. На самом деле они скорее полезны, чем вредны. Потому что хочется погреться у горелки после трудного дня.
 
Вспомним "печь Нансена" с циркуляцией горячих газов вокруг стенок котлов. Члены его экспедиций и те, кто потом строил подобные конструкции говорили, что печь некомфортна, потому что не греет нифига. Но снег и лед растапливает хорошо.

Борьба с теплопотерями - проверенные решения:
- котелок (кан) по типу армейского, с плотной крышкой. Крышку можно использовать вместо миски и вместо сковородки (оладушек испечь, зажарку настоящую к супчику приготовить).
- куском стеклоткани неплотно (с зазором) оборачиваешь по бокам котелок вместе с примусом. Завеса не доходит до земли, сверху на крышке котелка придавливается камешком. Достаточно для защиты от ветра и теплопотерь излучением. Практика показала, что экономия горючего - примерно в 2 раза. Ничего не весит, ничего не стоит. Поэтому не маркетиногвое решение. Но очень эффективное. ИМХО эффективнее и не надо.
 
- Не топить снег и лед, искать жидкую воду. По крайней мере в высокогорье ее часто можно найти, если знать где искать. Обычная норма бензина: 100г на человека в день (2 готовки). Если придется растапливать снег, норму увеличить в 2 раза.

3. Важный параметр - топливо. Однозначно бензин, или хотя бы универсальная бензин+газ горелка.
Туристы не любили бензин и с удовольствием перешли на сжиженный газ ИМХО потому, что бензин сложно было переносить. Как ни уплотняй самодельную или промышленную канистру, бензин все равно протекает под пробкой по резьбе и воняет. Пропитывает запахом все, что в рюкзаке.
 
Некоторые группы даже назначали "бензинового человека". Он не нес крупы и спальник, только бензин и консервы.

Решение проблемы дала Пепси-кола! У ПЭТ-бутылок очень точная и очень гладкая (шероховатость сопрягаемых поверхностей при герметизации имеет решающее значение) конусная посадка пробки на горлышко. Бензин не вытекает и не пахнет, попробуй сам - убедишься. Но к этому времени в моде уже был газ.
Последний раз редактировалось pvp 06 ноя 2014, 17:00, всего редактировалось 1 раз.
Аватара пользователя
pvp
два колеса
 
Откуда: Курск, КЗТЗ
Велосипед(ы): GT Transeo 3.0 Disc; Barracuda 1110


Сообщение » 06 ноя 2014, 16:56

akwa38 писал(а): наткнулся на статью очень замороченного по горелкам человека, который начинает с того, что рассказывает (не столь очевидную) химию пламени.

Через пост на risk.ru находил ссылку на исследования энтузиаста из Австралии, который у себя в саду поставил палатку и с помощью газоанализатора проверил множество разных газовых и бензиновых горелок на полноту сгорания и состав газов при работе в палатке. Его выводы были очень неутешительны. Никакую горелку, даже самую "крутую", нельзя безопасно использовать в замкнутом объеме палатки.
Не могу сходу эту ссылку найти :ne_vi_del:
А тема очень важная. Множество трагедий было от горелок, причем с очень опытными людьми.
Аватара пользователя
pvp
два колеса
 
Откуда: Курск, КЗТЗ
Велосипед(ы): GT Transeo 3.0 Disc; Barracuda 1110


Сообщение » 12 май 2017, 17:17

Я уже около года пользуюсь интегрированной с котелком горелкой Fire-Maple FMS-X2 и всячески ей доволен (ну кроме веса пожалуй, против старой титановый 60 гр. горелки).
Но на утро второго дня похода в Дивногорье обнаружил две проблемы: не работала пьеза и пламя горело вяло характерным метановым жёлтым цветом (с недостатком кислорода).

На завтрак пришлось поджигать горелку внешней зажигалкой (спасибо за Zippo Костику!). Пьеза отсырела под дождём и просохнув снова стала давать искру.
Сам пьезоэлемент достаточно просто снять и промазать сверху лаком по щелям корпуса или пшикнуть на него силиконом, дабы вода не создавала внутри мостиков замыкания. Предлагаю это сделать и на других горелках. Но ещё надежней убирать горелку в сухое место (не просто в палатку, где всё равно будет конденсат, а ещё и в транспортный мешок/упаковку) на время сна.

А вот с пламенем пришлось повозиться: внутрь трубки подачи газа (от жиклёра до рассекателя) ночью забрались муравьи и благополучно там сдохли. Казалось бы они должны были прогореть и рассыпаться в пыль, но за счет выходящего из баллона газа (который горит пламенем уже выше рассекателя) их трупики эффективно охлаждались и существенно перекрывали подсос кислорода, вызывая на выходе вялое горение чистого бутана ярким жёлтым пламенем. На таком пламени удалось подогреть пару котелков кипятка для каши и чая, но газ явно не догорал (уходило его существенно больше), а время закипания воды выросло в пару раз.
Разобрал и почистил горелку я только вчера дома: рассекатель откручивается (против часовой стрелки), пьеза вынимается из гнезда вбок, круглая железная подставка снимается вверх с защёлок. Изнутри трубки был наковырян целый табун муравьёв, набежавших туда на карамелизированный сахар пролитого чая. После обратной сборки чистой горелки она снова горит голубым горячим пламенем, как и раньше радуя скоростью закипания.

Так что если ваша горелка вдруг после ночи поменяла цвет пламени - загляните внутрь ;)
akwa38
Администратор
 
Велосипед(ы): титановый крокодил


Сообщение » 12 май 2017, 18:02

Подобная беда часто бывает у бензиновых примусов. Там регулярная чистка жиклеров - обязательное дело
Единственная достойная внимания Страва - это цифры в финишном протоколе.
Аватара пользователя
Piton357
Бешеный пёс
 
Откуда: Курск, мурыновка
Велосипед(ы): Wilier Mortirolo, Wilier 503XN


Сообщение » 12 май 2017, 19:42

Как мне нравится читать такие темы)
Движение есть жизнь, уменьшение же подвижности означает снижение жизненных процессов.
Аватара пользователя
bicycle
два колеса
 
Откуда: Курск
Велосипед(ы): Format 1414


Вернуться к началу