Fatüzelés

A fa nedvességtartalma és fűtőértéke

Minél nedvesebb a fa, annál kisebb a fűtőértéke. A fában található nedvességnek az elégés alatt el kell párolognia. Mivel a víz elpárologtatásához jelentős mennyiségű energia szükséges, ezért minél nagyobb a tűzifa víztartalma, annál több energia vész kárba a fűtés folyamán.

A következő táblázat a fa nedvességtartalma (vízmennyiség százalékban a fa száraz súlyához képest) és a fűtőérték közötti összefüggéseket mutatja.

Jól látható, hogy a nedves fa 50%-os víztartalommal csak fele annyi fűtőértékkel rendelkezik, mint egy jól kiszárított 10%-os fa.

Nedves fát eltüzelni nem csak gazdaságtalan, hanem környezetkárosító is. A nagy nedvességtartalom miatt az égési hőmérséklet kisebb, növekszik a korom és káros anyag kibocsátás, megnő a kémény eltömődésének a veszélye.

A fa szárítása

Csak száraz, legfeljebb 20% nedvességtartalmú fával szabad fűteni. A fának időre van szüksége a száradáshoz, mely minimum 2 év.

A diagram szabadban tárolt, frissen vágott fa nedvességtartalmának időbeni alakulását mutatja. Jól megfigyelhető, hogy a csapadékosabb hónapokban a fa újra nedvességet vesz magába.

A fa meggyulladása

Minél nagyobb a fadarab térfogathoz viszonyított felülete, annál könnyebben gyullad meg.
Ezért a vékonyra hasított gyújtós vagy a rőzse különösen alkalmasak begyújtásra. A fa gyulladási hőmérséklete csak fele akkora mint a tojásbriketté, az ugyanis csak 500⁰C-on gyullad meg.

Az égési folyamatot három fázisra lehet osztani:

1. Száradási folyamat

A légszáraz fában visszamaradt nedvesség még mindig a tömeg 15-20%-a. Ez a nedvesség csak 100⁰C körüli hőmérsékleten távozik a fából.

Ebben a szakaszban a fa összezsugorodik, repedések keletkeznek, ami meggyorsítja a száradási folyamatot.

2. Nyugalmi fázis

A fa összetevői nagyjából egyidőben kezdenek folyékonnyá válni; molekuláik hasadni és párologni kezdenek. 100-200⁰C-on a képződő gázok a fát még nagyon lassan hagyják el.

A legkorábban képződő fagázok a gyújtópapír lángjától gyulladnak meg, de ha a gyújtólángot elvennénk, maguktól már nem égnének tovább. Mintegy 225⁰C-ig kell a fával hőenergiát közölni, hogy az égési folyamat folytatódjék.

Bár a fa szilárd tüzelőanyag, meggyújtva mégis túlnyomórészt fagázként ég el. Éghető összetevőinek tömeg szerint kereken 83%-a ég el gázalakban. A fűtőanyagok közül a fa ezért a szalma mellett a gázokban leggazdagabb tüzelőanyagnak számít. Ez a gázalakban elégő 83% adja a fa fűtőértékének 70%-át.

A száradás után kb. 100-300^oC között megindul a fa elgázosodása. A faanyagból energiadús, különböző összetételű éghető gázok (szénhidrogének) szabadulnak fel. Ezen anyagok égése ( mely a faanyag 80%-át teszi ki) hosszú sárga lángok formájában figyelhető meg.

Mivel a fa túlnyomórészt a fagáz nagy lángjaival ég el, jó elégéshez nagy égéstérre van szüksége. A gázláng köré felhevített, oxigénben gazdag friss többletlevegőt is kell juttatni. Erre az előmelegített, “másodlagos” (szekunder) levegőre azért van szükség, mert a képződött, energiában gazdag fagáz csak így ég el maradéktalanul.

260⁰C-tól a fatűzben végbemenő átalakulás (pirolízis) során hőtöbblet keletkezik, a reakció még exoterm. Mivel a gyorsan bomló fadarab közelében oxigénhiány van, a képződő fagázok gyakran jóval odébb lobbannak lángra, ott ahol már elegendő oxigéntartalmú levegővel keverednek. Mintegy 1000^OC lánghőmérséklet kell ahhoz, hogy a fagáz reakcióképes összetevőire -szénre és hidrogénre - tökéletesen felbomoljon és oxidálódjék.

A fában lévő fűtőenergiát csak akkor hasznosíthatjuk maradéktalanul, ha a fagáz oxigénnel keveredve magas hőmérsékleten éghet el. Csak ekkor nem szállnak tökéletlenül hasadt szénhidrogén-(oxid-)vegyületek a kéményen át a légkörbe. A fagázok tökéletes elégésekor széndioxid (CO₂) és víz (H₂O) keletkezik, mindkettő természetes, a környezetet nem szennyező anyag.

3. Kiégési folyamat

Az elillanó anyagok elégése után keletkezik a faszén. A faszénparázs 500-800 °C között elgázosodik és korom nélkül elég. Ez a folyamat rövid, áttetsző lángok formájában mutatkozik.

Hő hatására a fa szénhidrogén-vegyületeinek hidrogéntartalmú összetevői lehasadnak és gáz formájában elégnek. A gyorsan távozó fagáz miatt nem jut elegendő oxigén a fadarab felületére, ezért ez egyre inkább faszénné alakul át. A gázok eltávozása után a faszén 500-800^OC hőmérsékleten elizzik. A tiszta faszén ugyanis jóformán láng nélkül ég el, ezért a faszén kandallóba nem való.

Egy darab fában, egy időben mind a három folyamat lejátszódhat.

Égéstermékek

Az égési levegő 80%-át elsődleges (primer) levegőként kell a fatűzhöz juttatni. Ez a “primer levegő nélkülözhetetlen a fa összetevőinek bomlásához és a fagáz képződéséhez, de a faszén sem ég el nélküle.

Az égési levegő 20%-át másodlevegőként kell a fagázlángok térségébe juttatni. A “szekunder levegő” a fagáz tökéletes elégéséhez kell. A másodlevegő ne hűtse le a fagázlángokat, mert akkor nem égnek ki tökéletesen. Ezért lehetőleg forrón kell a fagázlángokhoz juttatni. Jó tűzterekben örvényszakaszok vagy szűk fúvónyílások segítik elő a jobb keveredést annak érdekében, hogy a fagáz elegendő oxigénhez jutva, lehetőleg még a hőcserélők elérése előtt tökéletesen elégjen, ehhez legalább egy percnyi kiégési időre lenne szüksége.

A fagázok gyakorlatilag nem keverhetők tökéletesen oxigénben gazdag levegővel, ezért több oxigénben dús levegőt kell adagolnunk, mint amennyi számításaink szerint a tökéletes égéshez kellene. A tapasztalatok szerint a tényleges levegőszükséglet a számítottnak mintegy 170%-a.
Fontos tudni, hogyha a levegő adagolását megszakítjuk, ezzel lassítjuk ugyan a fa bomlásának ütemét, de maga a bomlás még nem szűnik meg, csak a hatásfok romlik jelentős mértékben. Tehát ne csökkentsük a hőteljesítményt azáltal, hogy kevesebb friss levegőt adagolunk, vagy hogy lefojtjuk a kémény huzatát; ilyenkor ugyanis a fagáz már nem éghet ki teljesen. Jobb ha ehelyett a hőteljesítményt takarékos tüzelőadagolással szabályozzuk, vagyis mérsékelten, de rendszeresen rakunk a tűzre.

Nem csak a túl kevés levegő hátrányos, de a túl sok is ugyan olyan kedvezőtlen. 10kg légszáraz fa elégéséhez 30-40m³ levegő szükséges. Ha túl sok levegőt adagolunk, a többletet is fel kell melegíteni. A feleslegesen felhevített levegővel energia távozik a kéményen át anélkül, hogy hasznot hozna. Ha a füstgáz hőmérséklete 200^OC, akkor minden feleslegesen adagolt és melegített köbméter levegő kb 70Wh hőveszteséget jelent.

Ezek alapján már érthetjük, hogy a nyitott tűzterű kandallók idejében miért is voltak gyérebbek az erdők, s miért fáztak bundában is a kandalló mellett. Az energia egyserűen kirohant a kéményen.

Kémiailag a fa éghető szénből és hidrogénből áll. Ez az összeállítás egy természetbarát fűtőanyagra utal, mivel kritikus anyagok, mint kén, klór és nehézfémek teljesen hiányoznak belőle.

Égéskor elsősorban víz H₂O (elgőzölögve) és széndioxid CO₂ kell, hogy keletkezzen. A tapasztalatok szerint a fa égése során bizonyos körülmények között más anyagok is felszabadulnak, melyet füst és kellemetlen szagok formájában érzékelünk. Ennek oka a fából kiszabaduló gázok nem megfelelő elégése, mely létrejöhet:

• alacsony égéshőmérséklet, nedves fa,
• a teljes égéshez szükséges levegő hiánya,
• nem megfelelő műszaki állapotú, vagy nem megfelelően működtetett tüzelő készülék miatt.

Az így keletkező anyagok sokfélék lehetnek: széndioxid, ecetsav, fenol, metán, formaldehid,