Туристические печки. Вы хотите поговорить об этом?

Ну, собс-но, как раз я и хочу о них поговорить.

1. Введение

Мне довольно давно любопытна тема печек-щепочниц. Идея простая: компактное устройство, сравнимое с газовой горелкой (+ баллоны) как по весу, так и по мощности, позволяющее обойтись при готовке "подножными" дровами и избавляющее от необходимости возиться с костром или покупать и таскать газ/бензин.
Это может быть актуально как в автономных походах по зонам, где "дрова" есть повсеместно, но в ограниченном количестве (тундра и т.п.), так и в матрасных вылазках в лес, где хочется просто сэкономить свои усилия.

Тема щепочниц неоднократно всплывала у нас на форуме:
www.nn.ru/community/tourism/...polzovalsya.html
www.nn.ru/community/tourism/...865419#118888297
www.nn.ru/community/tourism/...l.html#129201998
Совсем недавно в этой непрофильной теме www.nn.ru/community/tourism/...821832#141544402 завязалась мини-дискуссия, которую Стас aka sks4 предложил перенести в отдельную ветку, в результате чего и появилась эта тема.

Когда речь заходит о печках, нельзя не упомянуть древний эпос, который хранится в запасниках Скитальца
skitalets.ru/wwwthreads/show...ed&sb=5&part=all
и два его продолжения
skitalets.ru/wwwthreads/show...=5&part=all&vc=1
skitalets.ru/wwwthreads/show...=9&part=all&vc=1
а может быть, есть и другие там же.

Не пытаясь составить полный обзор литературы на эту тему, дам ссылку ещё на один сайт redrick.ru/ , где собрано изрядно информации по разным печкам, только на настоящий момент сайт почему-то не работает.

Цель данной темы -- оценить плюсы и минусы различных конструкций малогабаритных печек на древесном топливе с точки зрения их применения в различных (!) условиях.

Критерии оценки печек видятся мне следующими.

1. Вес/габариты. Должны быть сопоставимы с параметрами газовых/бензиновых горелок с запасом топлива.
2. Максимальная тепловая мощность. Опять же, должна быть сопоставима с газом, чтоб можно было, в идеале, на морозе и/или ветру вскипятить котелок нужных размеров.
3. Регулируемость мощности. Чтоб можно было варить кашу, а не только кипятить воду. Для применений, где варка не требуется (например, нужен только чай или используются сублиматы), требование снимается.
4. Расход дров. Для применений, где дров неограниченное количество, требование снимается.
5. Всеядность (способность питаться влажной древесиной).
6. Отсутствие осаждения копоти на посуду.


2. Классификация компактных печек

Известные конструкции можно сгруппировать следующим образом.

1. Одностенные безнаддувные.
Малогабаритные варианты, типа неоднократно упоминавшейся "щепочницы" IKEA www.yaplakal.com/forum2/topic1005337.html имеют недостатки: малая мощность (кружку вскипятить -- не вопрос, но котелок литра 2, ещё и в неблагоприятных условиях -- уже может не получиться или занять долгое время), копоть на посуде, недостаточная всеядность.

С увеличением размеров всё становится существенно лучше, на Скитальце хорошо отзывались об изделии Folding Firebox. Мощность достаточна для всего, всеядность присутствует. Но вес 900 г выходит за рамки техзадания.

2. Одностенные наддувные.
Кружка с колосниковой решёткой у дна, под которую внешним устройством нагнетается воздух.
i2.guns.ru/forums/icons/forum_pictures/008049/8049684.jpg
Фото отсюда forum.guns.ru/forummessage/21/569868-69.html , обсуждение там же.
Мощность и всеядность присутствуют. Недостаток: нет регулируемости (если пытаться убавлять поток воздуха, будет гореть совсем плохо и сильно коптить). Без наддува не работает (дырка-то там только под воздуховод; если его снять, достаточного притока воздуха не получится). Использование электрики снижает надёжность.

3. Двустенные безнаддувные.
www.splav.ru/goodsdetail.aspx?gid=20150704173905171354
она же Wild Woodgas Stove, она же продаётся в изобилии на китайских сайтах.
Есть масса мануалов по изготовлению таких печек из консервных банок.
Классика жанра -- "канадка" Bushbuddy, близкий аналог -- Solo Stove.

Конструкция обеспечивает подачу так называемого "вторичного воздуха" выше закладки топлива, помимо "первичного", подаваемого снизу через колосниковую решётку.
Конструкция претендует на повышенную энергоэффективность. В характеристиках этой печки появляется магическое слово "пиролизная": по замыслу, тлеющее топливо (в верхнем или нижнем слое закладки) производит горючие газы, которые затем сгорают непосредственно под дном нагреваемой посуды, смешиваясь с вторичным воздухом.

В реальности, как говорят, она действительно хорошо работает после "выхода на режим", когда корпус раскаляется, появляются угли, и возникает хорошая тяга как первичного, так и вторичного воздуха. В том числе, нормально топится сырыми дровами, коптит меньше чем одностенка. По мощности, однако, радикального прироста всё равно нет в сравнении с безнаддувными одностенками. В то же время, сам процесс розжига ("вывода на режим"), особенно при сырых дровах, вызывает затруднения и занимает время.

4. Двустенные наддувные -- вершина данной ветки эволюции.
Известные представители -- печки Бонда, Саловарова, Spenton Woodgas, антикварная Sierra -- вероятно, прародитель этого вида печек.
От пункта 3 отличается вентилятором, приделанным снизу-сбоку (у Бонда и аналогов) или совсем снизу (под печкой, осесимметричная конструкция -- как у Саловарова, Spenton, Sierra).
Эти печки довольно популярны и имеют ряд достоинств: всеядность и мощность в силу наддува, экономия топлива и снижение копоти благодаря вторичному воздуху, регулируемость за счёт управления нагнетателем воздуха.
В то же время, они обладают естественными недостатками как двухстенок (удвоенный вес), так и наддувных печек (добавочный вес вентилятора, энергозависимость, сниженная надёжность из-за электрификации). Ну и само собой, печки различаются от реализации к реализации (разные формы и габариты камеры сгорания, разное количество первичного и вторичного воздуха и их соотношение, и т.п.).

Именно этот вид печек порождает наибольшее количество холивара на просторах интернетов (см. упомянутую епическую тему со Скитальца), как то: "Нужна 2-я стенка или не нужна?", "Вентилятор нужен или не нужен?", и наконец главный хит "Так ПИРОЛИЗНАЯ эта печь или нет, и как сделать чтобы она была пиролизная, и у кого она получилась самая-самая пиролизная, и надо ли это вообще???".


3. Теория горения древесины

Для того чтобы разумно отвечать на такие вопросы, нужно понимать механизм горения древесины. Наиболее внятное изложение я нашёл здесь gornilo.ru/08art-h/aHo4.html , см. главу 1 "Горение древесины" gornilo.ru/08art-im/fHosh_2013/G1%20-%20c.4-83_5mb.pdf . Попробую сформулировать коротко, как я это себе представляю.

При сжигании древесины фактически горят две вещи:
1) Углерод (основная составляющая угля).
2) Горючие газы (в основном, это угарный газ CO; любое пламя над древесиной -- это факел горящих газов).

В топке также присутствуют вода H2O и углекислый газ CO2, которые не горят (т.е. не производят тепла), но участвуют в реакциях -- см. ниже. В том числе, вода для некоторых реакций является катализатором, т.е. совсем без неё горело бы хуже. Есть также вещества, которые в реакциях вообще не участвуют -- это твёрдые вещества, из которых образуется зола, и атмосферный (молекулярный) азот. Древесина в её исходном виде вообще не горит (ну разве что под автогеном, но у нас в печке его нет).

Основные процессы следующие:

1) Пиролиз = обугливание -- разложение древесины под действием высокой температуры, продуктами которого являются: уголь; углекислый газ и водяной пар; относительно небольшое количество разного органического "дерьма", что-то из которого может гореть ("пиролизные газы"). Эти пиролизные газы -- это первое, что вспыхивает пламенем, когда мы нагреваем кусок дерева, потому что к этому моменту гореть пока больше нечему. Позже, при развитом горении, пламенем горит в основном угарный газ, см. ниже. Пиролиз не требует доступа кислорода.

2) Горение угля. Требует доступа кислорода. Продуктами являются CO2 и CO. Для обеспечения эффективности, CO необходимо дожечь.

3) Газификация -- (частичное) превращение твердого топлива в смесь горючих газов. Один путь газификации древесины -- пиролиз (п.1). Второй путь -- окисление угля до CO (п.2). Есть и другие пути: взаимодействие CO2 с углеродом с образованием CO, и взаимодействие H2O с углеродом с образованием CO и H2 (обе реакции -- эндотермические, т.е. потребляющие тепло).

4) Горение газов ( = пламя). Требует смешивания с кислородом в должной пропорции и источника воспламенения (высокой температуры). Для того, чтобы эти газы не унесли с собой энергию, нужно либо успеть их дожечь "на месте" (не позволить им улететь из пламени и остыть), либо отвести в сторону и дожечь там (это и есть "газификационная" или "пиролизная" конструкция).


4. Обсуждение и выводы

Сам по себе термин "пиролизный" применительно к устройствам, сжигающим продукты газификации твердого топлива, неудачен, поскольку (см. выше) пиролиз -- это не единственный и не главный путь газификации (а если мы говорим о газификации угля, то там вообще пиролиза нет). Правильнее было бы называть такие устройства "газификационными". И даже так их называть не вполне правильно, поскольку (см. выше) газификация участвует в любом пламенном горении древесины (нет газа -- нет пламени). Так или иначе, когда какие-то устройства называют "газификационными" или "пиролизными", подразумевают, что процессы газификации твердого топлива и сжигания газа разнесены конструктивно. Это разнесение либо обусловлено необходимостью (например, в газификационном автомобиле), либо каким-то образом служит улучшению каких-то качеств (например, за счёт сжигания газа непосредственно вблизи нагреваемого объекта). При всех возможных преимуществах газификационной конструкции, она имеет недостатки, очень существенные с точки зрения универсальных туристических печек:
clubpechnikov.ru/piroliznyj-kotel/

Обводненность топлива более 30% приводит к резкому снижению КПД, т.к. на испарение влаги и каталитическое разложение паров воды расходуется тепловая энергия топливной закладки.
Из термохимии процессов в пирокотлах следует еще один их недостаток: небольшие пределы регулировки мощности при условии сохранения высокого КПД.

Тут наверно надо ещё пояснить, что "обводнённость 30%" означает очень сухую древесину (высушенную в помещении). Любая "сухая" древесина на открытом воздухе имеет бОльшую обводнённость. Возможно, можно настроить газогенераторную топку и на сырую древесину, но сделать её универсальной видимо нельзя, судя по тому что пишут.

Далее, касаемо двустенной конструкции щепочниц и вторичного воздуха вообще. В качестве полярных примеров я бы привёл кузнечный горн и печку-буржуйку.

В кузнечный горн подаётся только первичный воздух (внутрь закладки топлива). Горение происходит "на максимуме", т.е. в режиме избытка кислорода. Уголь горит максимально интенсивно, по всей его поверхности, так что остаётся кислород, в котором горючие газы немедленно сгорают. Вторичный воздух не нужен. Попытка регулировать горение притоком воздуха в таком варианте неудачна, т.к. с его уменьшением весь кислород будет вступать в реакцию, и дожигать горючие газы будет нечем. Регулировать такую печку можно только подачей топлива. В таком режиме работает "печь-ракета" (см. гугл "rocket stove"), это тоже заманчивый вариант, возможно я о нём напишу, но позже.

В печку-буржуйку первичный воздух вообще не подаётся. Там нет колосника (решётки), дрова лежат на дне топки, а воздух может добраться до дров только через пламя. Т.е. в такой конструкции присутствует только вторичный воздух. За счёт этого в объёме топки всегда и автоматически имеется достаточное количество воздуха для дожигания газов. Закладка дров не сможет произвести большего количества горючего газа, чем может сгореть в поступающем воздухе, потому что если она "попытается" это сделать, то весь воздух вступит в реакцию с газом, и до закладки топлива кислород не доберётся, что замедлит горение. В результате получаем отрицательную обратную связь и устойчивое горение, регулируемое подачей воздуха.

В "правильных" печках-двухстенках должен реализоваться некий комбинированный режим. Первичный воздух поступает в закладку топлива, и регулируя его количество, можно регулировать интенсивность горения. Увеличение количества первичного воздуха приведёт к увеличению горящего слоя в закладке, но на дожигание газов первичного кислорода всё равно не останется, т.к. он полностью вступит в реакцию внутри закладки, если только дутьё не доведено до насыщения ("режим горна"). Поэтому вторичный воздух в регулируемых печках необходим. Он подаётся выше закладки топлива (в пламя), и горючие газы догорают под дном посуды.

В этом и состоит мой тезис:
Вторичный воздух необходим в печках с "толстыми" закладками топлива, где горение ограничивается подачей воздуха. Если горение ограничивается подачей топлива (кузнечный горн, печь-ракета), то вторичный воздух не нужен (нужно много первичного).
К "пиролизной" или "не пиролизной" конструкции всё это вообще никакого отношения не имеет.

И наконец, конкретное предложение. Почему бы не сделать туристическую наддувную печку на принципах "буржуйки", т.е. чисто на вторичном воздухе, без первичного? Это будет одностенная печка в виде кружки без дырок, с подачей воздуха сверху. Получим и регулируемое горение, и полное дожигание газов, и всё это в весе и габаритах одностенки, а не двухстенки. Единственный недостаток -- без наддува гореть оно вообще не будет, в отличие от двухстенки, которая неплохо горит и без вентилятора.


Примечание: при желании тему можно расширить и до обсуждения отопительных палаточных печек.