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最新更新日：2018.07.16 ・燃焼投入口と2次空気吸入口、主燃焼室、火格子 2018年2月に燃料投入方式を変更しました。従来方式はシングルドアだったので燃料投入時に余分な空気を吸い込んでしまい、排気が有色だったことがありました。特に燃料の水分が多いときはこのトラブルが多いと思います。 解決策として燃料投入口はダブルドア構成にして、燃料供給時に余分な空気が炉内に流入しないようにしてます。余分な空気が入り込むと2次燃焼筒内の温度が下がり、煙成分の熱分解がしなくなってしまったりして、短時間なりでも煙が出てしまう要因になります。 φ100のバタフライダンパーを元に作りました。ダンパー軸の軸受けが黄銅製だったので、耐温度より外して、軸受部分はスキマが空いています。 直径φ30程度、長さ120mm程度のものはかなり安全に炉内へ投入できます。1ﾊﾞｯﾁの投入はブリッジ防止の観点から2個程度なので、投入作業は頻度が高いです。
下述の「主燃焼室」のレンガ部分＆ノズルに下の部品を順番に差込み組み立てていきます。主要な部分はφ4のクギをピンとして固定してます。
組み上げた写真です。右側は1次燃焼筒まわりを拡大したものです。2次燃焼筒その他の部品はφ４のクギをピンとして使用し、ゆるく固定しています。ちなみにピン用の穴はφ4.2のドリルで加工します。 燃料は2次空気口よりも高い位置に常時充填しておきます。分岐の上に入っていても問題は少ないです。分岐に燃料が引っかかったら、棒などで引っかかりを外します。
1次燃焼筒の図面はこんな感じです。ニップル継手は省略してます。
こんな感じで燃料を入れます。投入するときは2段目ドアを閉めた状態で、1段目ドアを回転させて燃料投入部を開口します。
1段目ドアを閉めます。
2段目ドアを開けると燃料は炉内へ落下し燃料投入が完了します。それなりのスピードで燃料は落下するので火格子の強度が必要ですが、下述の方式にしているので問題はないようです。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 燃料の太さが太くなってくると2段目ドアに引っかかってしまうので、シングルドアでの運用もしてます。 200mmの長さのスパイラルダクトと「φ100のT曲がり」継手の「フタ」でシンプルな作りです。シンプルな分、漏れこみ空気も少なくて水分率の低い燃料のときは排気に白煙が出にくいのでこちらを使います。
シングルドアをあけて1次燃焼筒の内部の動画はこちらです。煙突ドラフトにより2次燃焼筒へいきよい良く流れているのが目視できます。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ Y字型改修により、以前のような危険性はだいぶ解消されました。 ちなみに下が以前の燃料投入の写真です。ダイナミックさはこちらの方があります。
燃料供給部を全開にした動画はこちらです。 定常状態に入って来たら下の写真のように１バッチ200〜300gくらいの薪を1個ずつ投入します。排気温度が350℃を下回らなければ、無煙状態が継続できます。1バッチの時間はだいたい3〜5分くらいです。 熾き木炭の排出も必要ですので、なかなか忙しいのが実情です。燃料投入口が高いので立ったり座ったりも忙しいです。 1バッチの投入サイクルから計算すると、燃料は13〜15minで薪→熾き木炭に変わるようです。そのときの燃料の温度は水分の蒸発や水性ガス反応などもあり、一概に言えないかもしれませんがなんとなく800℃くらいかなと思ってます。 2次空気取入れ口から見える燃料を見ながら、内部の燃料が少なくなりすぎないように運転します。排気温度も参考にします。定期的に2次空気取入れ口から燃料をつついたり、火格子をゆするなりしてブリッジが無いことを見ながら運転します。
ちなみに燃料が2次空気口よりも低くなるとこうして明るく輝きます。こうなる前に燃料を補充します。
2次空気が燃焼ガス内に引き込まれる様子も目視できます。個人的にはこの渦を巻いて空気が引き込まれていく様子は大好きです。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 構造図を描いてみました。1次燃焼筒の内部の想像図です。 左が理想系で右がイマイチ系です。 左は燃料の充填が高いためにスキマが少ないために燃焼ガスと燃焼空気が加熱膨張しながら高速で燃料に衝突するために、固体燃料の燃焼が促進されて、結果として安定して燃焼し、高温、大風量の燃焼排ガスが発生できます。 転じてイマイチ系の右側は、燃焼ガスと燃焼空気が加熱膨張はされるのですが、スキマが多いために風速は遅いままになってしまい、燃料への衝突も弱く、固体燃料はなんとなくそれなりに燃えることにとどまって、結果としては低温で不安定な状態になってしまいます。 経験としては炉の下の部分の充填率が高いときに燃焼状態が良好に感じています。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ また燃焼筒の内部から特有の燃焼音もかなり大きくします。これは「気柱振動燃焼」という共鳴によるものだそうです。細径長管の燃焼室を持つ蒸気機関車型のボイラーなどで起きる現象だそうです。 内部温度で音速が変わるので、これというのは難しいですが、僕の設備だとだいたい150Hzくらいの音が共鳴するようです。 排気温度が高くなることと2次燃焼筒の小穴からの火炎の可視部の高さがかなり関係性があります。拡散火炎として燃焼しているので輝炎発光している部分が光っていて、ダクト放熱による燃焼ガスの冷却によりセンサー部分の燃焼ガス温度が下がった値が観測されると思っています。現在もこの小穴は温度センサーの動作確認用として使っています。
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・火格子（ファイヤ・グレート） ここはいろいろと工夫をした場所です。現在が最終形なのでは・・・・と考えています。 いろいろと寄り道をしましたが固体燃料の燃焼の王道である火格子（ファイヤ・グレート）方式になりました。ちなみにロストルも火格子のことでオランダ語が語源のものだそうです。また雨水側溝などのフタに「グレーチング」と呼ばれる金属性の格子がありますが、ファイヤ・グレートのグレートと同じ意味だそうです。 固体燃料を火格子の上で燃やすと軽い燃焼ガスは上方に去り、燃焼空気が燃料に供給されます。また燃料の灰は火格子から重力により落下し燃焼を邪魔しない。伝統的な火格子方式は大変理にかなってます。 元々がロケットストーブからはじまりましたが、オーソドックスなものに行き着きました。 蒸気機関車の燃焼室を縦方法に細くしたものかと思ってます。バック・トゥ・ザ・フューチャー３では機関車は薪で動いてましたね。 左端がヒンジ構造になっていて、火格子は手により遥動できます。これもはめ込むだけで固定はしません。 φ5mmの丸棒鋼を火格子に使ってましたが、温度による負担が大きく約50Hrくらいで損傷が大きく（下の画像の下のもの）なったので25mm幅の穴あきのフラットバーを2分割したものに変更しました。 断面形状は3.6mm×8.0mmですので、断面2次モーメントで約5倍になりますので耐久性はだいぶ向上したと思ってます。
真上から見たところ。センターからずれた位置にあるのは燃焼室後壁を作るレンガを薪カマドの内壁で支えるためです。 火格子の間隔がスカスカのように感じられるかと思いますが、薪がブリッジするのでこれくらいで「実質的にまあまあ」です。 また燃料投入時の衝撃は火格子から背面レンガ→カバー床へと伝わります。火格子そのものの強度と背面レンガとの支持方法により衝撃に耐えるのだと考えています。
ヒンジ部分はファイヤ・グレートのズレを防ぐためにレンガをディスクグラインダで削り、ガイド状にしました。ズレると燃料がずり落ちやすくなってしまうので。
ナナメ上から見たところ。ファイヤグレートの先端はアルミリベット＆鋼板でつないでいます。アルミは耐温が低いですが、だいぶ熱源から離れているのでなんとかできています。 上述の燃焼室の支持のために微妙にねじれた位置関係になっています。このねじれ具合は燃焼性能には影響していないと思ってます。
・主燃焼室 燃焼室は普通レンガで作りました。3面を囲っています。 背面は上述のファイヤ・グレートを支えるレンガで、側面は下述のものです。いずれも購入してきたものを追加工しています。溝を掘って、タガネで叩くとまあまあ成功します。レンガは柔らかく加工しやすいので好きな材料です。 ノズルと側面レンガはボルト締結というよりはボルトでつながっている程度にしてます。しっかり締めたりすると熱膨張や熱応力でトラブルの原因になりますので、手締め程度です。 このようにノズルに接する部分はディスクグラインダ＆石材用ディスクで5mmほど削りました。 図面はこんな感じです。
主燃焼室の最も高温のノズル部はこんな感じです。ここへ差し込むスパイラルダクト用ニップル継手はSS製ということもあり結構損傷します。だいたい寿命は50Hrくらいと思っています。損傷が大きくなったらニップル継手を交換します。 燃焼室まわりはすべて差し込み式で固定はしていません。試験が終わったら片付けるため。固定は煙突側はしっかり固定してます。
火格子部を燃焼室の外を見たところはこんな感じです。色から見ると最高部分の温度は1100℃くらいかと考えています。第一鋼業様の解説ページがとてもわかりやすいので紹介しておきます。熾きや燃焼灰は火格子から落下します。必要に応じて手で火格子をゆすりますと熾きの落下が促進できます。 実際はこの熾きの除去が忙しいです。また、燃焼室内の燃料の量が少なくなりすぎても燃焼室内の温度が維持できないので、投入した燃料の燃焼経過時間などを思い出しながら、燃料の投入を行います。 まず火格子の上の熾きを棒で突いて崩して火格子の下へ落とします。
落としたものは「木炭と灰」のページのように処理します。 |
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