Laboratori

Si et preguntes COM funcionen les cuines, si ets d'aquells que fins que no veuen una fórmula no s'ho acaben de creure, aquesta és la teva secció.

El Forn Blanc Gran arriba amb molta dificultat a 200ºC. Després d'aplicar vàries modificacions, s'ha arribat a la conclusió que és degut a la mala conducció tèrmica que té el tub de ferro galvanitzat tan prim. Degut a tenir un gruix de només 1mm, les flames que li arriben de la rocket o gasificadora (concentrades en una àrea circular d'aproximadamet 10cm de diàmetre) no aconsegueixen conduir aquesta temperatura a la resta del tub. Així, s'aconsegueix una petita zona de temperatures per sobre els 400ºC i tota la resta del tub amb temperatures molt més petites. Això fa que la temperatura interior del forn li costi molt arribar a 200ºC.

Per això, la solució s'estima que podria ser utilitzar un tub interior de metall molt més gruixut (i molt més car també). Ara com ara, el projecte està en "descans" fins que trobem el material adequat.

El rendiment que el forn blanc ha demostrat en les primeres proves ha estat molt bo. A continuació el gràfic del primer perfil de temperatura registrat.

Les lliçons apreses experimentalment aquestes últimes setmanes ens acosten a aconseguir una cuina de tir natural TLUD (top-lit-up-draft) de clova d'ametlla, ja que fins ara aquest combustible només havíem aconseguit una BLUD (bottom-lit-up-draft), que no es pot utilitzar per l'enorme flama que fa.

Els pellets són el combustible ideal en molts aspectes: són uniformes, tenen la mida justa per permetre el pas de l'aire en la columna del reactor, tenen molt poca humitat,... PERÒ també són un combustible molt costós de fer, ja que representa una manipulació molt complexa de la fusta (triturat, pelletització, assecat, etc.)

LLIÇONS APRESES FINS ARA AMB EL MÈTODE EXPERIMENTAL RESPECTE EL PROCÉS DE GASIFICACIÓ EN CUINES TLUD-ND:

1. El procés de gasificació necessita una quantitat PETITA d'aire primari.
2. El procés de combustió necessita una quantitat GRAN d'aire secundari.
3. Combustibles petits com la clova d'ametlla i els pellets limiten molt la circulació d'aire primari en la columna de combustible dins el reactor, cosa que pot anular les reaccions de gasficiació i apagar la flama.
4. L'alçada de la columna de combustible és un factor essencial en cuines ND (Natural-Draft, Tir-Natural). 5 centímetres més o menys de combustible pot ser la diferència entre permetre el pas de l'aire primari o no.
5. Per una cuina ND es pot augmentar el tir posant extensions, ja sigui abans del recipient de cocció (com una prolongació del reactor) o després del recipient de cocció (una xemeneia)
6. En una cuina gasificadora, l'alçada total de la cuina és un factor important. Una cuina molt alta pot tenir poca estabilitat, però també pot ser més còmode per cuinar sense doblegar l'esquena.
7. Cada combustible té una mida i composició diferent, i per tant, té necessitats diferents d'aire primari. Una mateixa cuina només funcionarà correctament amb diferents combustibles si aquests són molt semblants entre si en quant a mida, forma, grau d'humitat,...
8. Cada cuina només funcionarà òptimament per un combustible determinat, amb unes característiques constants. En el procés de disseny i creació d'una cuina gasificadora, sempre cal començar per saber QUIN COMBUSTIBLE TENIM, i en funció d'això es podran dissenyar les característiques de la cuina.

Sa Gasificadora 1.0 ha de millorar un aspecte: la flama (i la potència) és massa gran per una cuina domèstica, això la converteix en una cuina molt ràpida però poc eficient.

PLANTEJAMENT DEL PROBLEMA

 És necessari millorar les següents característiques:

- Menys potència (flama més petita): actualment la flama és tan gran que és poc eficient i massa perillosa.

- Més temps de cocció: la durada de la combusió total és massa ràpida, degut a l'enorme quantitat d'aire primari que entra al sistema.

1ª HIPÒTESI (VERTADERA): la gran quantitat d'aire primari indueix una gasificació molt ràpida. Controlant la quantitat d'aire primari es podria alentir la gasificació i per tant reduir la potència de foc.

DEMOSTRACIÓ DE LA 1ª HIPÒTESI: les primeres proves en aquest sentit han demostrat que una vegada el procés de gasificació està en marxa, limitant l'aire primari efectivament s'aconsegueix reduir la flama, més adequada per una cocció normal. Eliminant per complet l'aire primari, porta a l'extinció total de la flama. Això pot ser un risc de seguretat en un espai tancat, ja que l'emissió de gasos continua, i no es cremen. 

CONCLUSIONS DERIVADES DE LA 1ªHIPÒTESI:

       a) Ha d'existir un mecanisme de control de l'aire primari

       b) Aquest mecanisme ha de ser bastant precís

       c) Aquest mecanisme ha d'impedir el tancament total de l'entrada d'aire primari

2ª HIPÒTESI (FALSA): quan s'impedeix totalment l'entrada d'aire primari, la flama s'extingeix no degut a la falta de gas (perquè la gasificació efectivament continua tenint lloc) sinó degut a una falta d'aire secundari. Per tant, una vegada la gasificació està en marxa, es pot anular totalment l'entrada d'aire primari, alentint així la gasificació i reduint la flama, SEMPRE QUE SEGUEIXI EXISTINT UN FLUX SUFICIENT D'AIRE SECUNDARI.

NEGACIÓ DE LA 2ªHIPÒTESI: s'ha construit un reactor amb cap entrada d'aire primari i un flux suficient d'aire secundari. S'ha comprovat com, funcionant com a TLUD, la reacció de gasificació no pot tenir lloc sense una certa quantitat d'aire primari, i la flama s'extingeix.

Fent una prova de la qualitat de la terra per construcció de cuines rocket a Can Ravanet. Hi ha millor forma de provar-ho que fent una cuina rocket directament?

CONDICIONS DE LA PROVA

• Llenya: inicialment d'albó i després de pi
• Temperatura exterior: 14ºC
• Piròmetre insertat en el forn
• Al minut 30, en arribar a 200ºC, es va retirar el foc i es va posar el tap superior en el forn. (aquest tap no tanca bé i perd calor per els costats)

COMENTARIS

• La velocitat d'escalfament depèn molt de la llenya que s'utilitza. En concret, del seu diàmetre i del tipus de fusta. El pi crema molt bé, ja que té reïna i altres substàncies piròfites. La fusta d'ametller no crema tan ràpid.
• Les pendents més pronunciades de la gràfica corresponen a moments en què el foc era molt fort, quasi sempre cremant llenya més fina (aprox. 1cm diàmetre)
• Les pendents més suaus (per exemple, entre 15 i 20 min en la gràfica) són moments en què el foc no cremava tan fort.
• En la zona de refredament, el forn tarda 50 minuts a baixar de 200ºC a 100ºC. Aquest temps seria suficient per coure alguna cosa utilitzant només el calor residual.
• El temps entre 200ºC i 160ºC és només de 15 minuts. Aquesta pèrdua ràpida de calor potser és per convecció i deguda a què el tap superior no tanca bé.

Hi ha 3 mecanismes de transmissió de calor:

- Conducció

- Convecció

- Radiació

Segons Christa Roth, les cuines tipus rocket, on la olla està a una certa distància del foc, el mecanisme més important de transferència de calor seria el de convecció, mentre que en cuines molt baixes, on la olla està molt prop de les brases, el mecanisme més important seria el de radiació.

Definició

"La combustió es una reacció química en la qual un element combustible es combina amb un altre oxidant (generalment oxigen en forma de O₂ gasós), desprenent calor i produint un òxid. Els tipus més freqüents de combustibles són els materials orgànics que contenen carboni i hidrogen. El producte d'aquestes reaccions pot incloure monòxid de carboni (CO), diòxid de carboni (CO₂), aigua (H₂O) y cendra." (viquipèdia)

Què passa quan es "crema" alguna cosa, per exemple el pa torrat?

En un procés de combustió, la principal font de calor és la crema de gasos combustibles (CO, H2,...). A continuació es pot veure un esquema del procés de combustió/carbonització que cal entendre molt bé per poder entendre el funcionament de les cuines eficients:

ESQUEMA DEL PROCÉS DE COMBUSTIÓ/CARBONITZACIÓ

Font: Micro-gasification: Cooking with gas from biomass

Passos en la combustió de biomassa

(fragment extret del llibre TLUD Handbook, de Paul S. Anderson)

Pas 1: Assecat

El primer canvi ocorre durant l'assecat. La quantitat d'aigua transformada en vapor depèn en el contingut d'humitat del combustible cru, que determina també l'entrada de calor necessària per evaporar tota l'aigua i la pèrdua de massa i volum per arribar a assecar-se combustible.
 

Pas 2: Piròlisi (Carbonització)
L'augment de les temperatures i la calor absorbida eventualment pot causar una descomposició completa de la la biomassa, que se separa en els gasos i vapors volàtils, mentres un carbó sòlid queda enrere. Els vapors contenen diversos compostos de carboni amb valor de combustible, és el què es coneix com a "fusta de gas" o "gas pobre". Donat que el producte sòlid d'aquesta etapa és carbó, també es coneix com "Carbonització". La piròlisi pot ocórrer en l'absència total d'oxigen, el factor de regulació és la calor. En resum: sense calor, la piròlisi, no té lloc, no es genera gas de fusta i tampoc foc.
 

Pas 3: Gasificació del carbó
Quan es forma carbó, la següent etapa de la fase sòlida és la de convertir els àtoms de carboni a gasos i la porció no-carboni a cendra.
Això només passa si es disposa d'oxigen i arriba prou calenta com per reaccionar al residu carbonós. Després es produeix la gasificació del carbó: l'oxigen reacciona amb els sòlids de carboni produint monòxid de carboni, diòxid de carboni i la creació de l'energia tèrmica addicional. La fracció de no combustible sòlid contingut mineral del carbó es manté com cendra.

Nota:
El factor de regulació de gasificació del carbó és la quantitat d'oxigen disponible i la temperatura del carbó. Si el residu carbonós es refreda i / o el subministrament d'oxigen està restringit, la conversió de carbó a cendres no té lloc i el carbó es conserva i no es crea cendra.
 

Pas 4: Combustió dels gasos
L'etapa final de "Combustió dels gasos" és on els gasos són cremats i el gruix de la calor s'allibera, la qual es pot utilitzar per exemple per cuinar. És el mateix que passa quan se'ns crema una llesca de pa a la torradora: en primer lloc comença a canviar color pàl·lid, de color blanc a marró daurat, mentre que allibera una olor apetitosa. Si es deixa massa temps a la torradora, el volàtils emergents aviat es convertiran en un espès fum penetrant "gas de fusta", mentre que el pa es mostren diversos tons de negre per la carbonització. En el pitjor dels casos sortirà com un tros de carbó negre no aptes per al consum humà

La combustió és una sèrie de reaccions d'oxidació, les qual només poden tenir lloc si l'oxigen suficient està disponible. El principal factor que regula la combustió és la quantitat d'oxigen barrejat amb els vapors i gasos calents. Si no hi ha disponible suficient oxigen, els gasos no poden ser cremats i s'emet un fum blanc espès irritant provinent de gasos no cremats.
 

Una barreja completa d'aire calent amb els "gasos de fusta" i gas de carbó (si la gasificació de carbó té lloc), en combinació amb una flama existent, donen com a resultat la combustió completa dels components de gas. La flama és la manifestació visible de la combustió. Per anar bé, només els gasos totalment oxidats, haurien de sortir de la zona de combustió - el que significa que tots els hidrocarburs a partir de la biomassa de combustible s'han oxidat a diòxid de carboni i vapor d'aigua.
Si la combustió és incompleta, a causa de la falta d'oxigen o si els vapors s'hagin refredat per sota del punt en què es cremen, es converteixen en les emissions no desitjades: en el cas de "gas de fusta" és un fum irritant. En el cas del gas de carbó, és en forma de monòxid de carboni, tòxic i inodor, imperceptible, i altament verinós i un perill per la salut humana.

A continuació veiem quines són les reaccións que tenen lloc durant les fases de piròlisi i combustió del procés de gasificació:

Per tant, veiem que el procés de gasificació el gas combustible més produït és el Monòxid de carboni, seguit de l'Hidrogen i amb molta menys proporció el Metà.

Per tant, podem deduir que el què interessarà és afavorir una mescla aproximada del 30% de gas amb 70% d'aire, ja que és aquest el punt ideal d'inflamabilitat dels gasos.

 Aquí van les dades tècniques d'aquest model:

- Tub de 12cm de diàmetre (2cm més gran que els anteriors models)

- Tub d'alimentació de combustible inclinat uns 45º respecte a la xemeneia

- Obertura posterior que fa de dipòsit de cendres i entrada secundària d'aire

- Perlita com aïllant.

Problemes més importants detectats:

1) La combustió no és complerta, cosa que fa que emeti fum negre molt lleig.

2) La perlita entra a la cambra de combustió degut a defectes de fabricació.

El problema nº1 té dues causes directes i relacionades:

1.1) L'entrada de combustible és massa ràpida en relació a la quantitat d'aire que necessita

1.2) La xemeneia és massa curta i no té temps a cremar tots els gasos

Solucions:

1.1) Disminuir la inclinació del tub alimentador

1.2) Allargar la xemeneia. Per això serà necessari juntar 2 bidons i incrementar la mida total de la cuina, cosa que la farà més difícilment transportable.

El problema nº2 té una solució clara: construir millor les cuines i ser més acurat amb els acabats.

Actualització 3/8/11:

He construit una altra cuina utilitzant tubs de 10cm de diàmetre, tapant al màxim els forats de les juntes, i posant un limitador de combustible perquè les ametlles caiguin pausadament. També s'ha instal·lat un colze de 90º sota la zona de combustió, de forma que actua d'entrada d'aire i de dipòsit de cendres. D'aquesta forma l'entrada d'aire és molt més eficient que l'anterior versió.

Resultats observats

Ha millorat molt la combustió, tot i que continua traient fum intermitentment en els moments en què un grapat de clovelles cau dins la zona de combustió. Degut a la forma irregular de les clovelles, és molt difícil provocar una caiguda progressiva de les mateixes dins la zona de combustió.

Com es pot fer una pintura fosca que puguin fer les persones pobres de tot el món amb  materials senzills (cendres, clara d'ou, suc, pasta de blat, etc.)? 

     * Shannon Cox suggereix ennegriment de la part exterior de les olles sobre el foc. Té kits d'alumini d'emergència de l'exèrcit i es van posar negres la primera vegada que els va utilitzar per cuinar sobre el foc. Som conscients que això pot funcionar. Seria bo saber quant de temps tardai si hi ha formes d'accelerar el procés.

     * Haakon Kjernli escriu: "Quan era petit, vaig llegir un consell per l'ennegriment de metall. Immersió en oli de llavors de lli i mantenir al foc  fins que l'oli es crema i deixa un color negre sòlid, similar al que s'obté en una paella sobre un foc obert. Suposo que qualsevol tipus d'oli o greix farà la feina. Feu això unes quantes vegades i si no recordo malament, s'aconsegueix un revestiment negre molt resistent que no és aïllant ni es trencarà. Jo no ho he provat durant 30 anys, però jo la pròxima vegada que m'assengui prop d'un foc amb un tros de metall i una mica de greix o oli de prop ho provaré."