¿Qué tan grande es un incendio de 1kW?

Resolvamos esto a partir de la ley de Stephan Boltzmann. ¿De qué color es un fuego? Si observa las tablas de colores para los radiadores de cuerpo negro a varias temperaturas, estimo que son alrededor de 1000K. (Tenga cuidado: algunas llamas están coloreadas por fuertes espectros de emisión, lo que hace que su luz sea muy diferente del color de un radiador de cuerpo negro). Mirando alrededor de la web de varias fuentes me dice que entre 1000K y 2000K es correcto.

La ley de Stefan Boltzmann me dice entonces que un radiador de cuerpo negro a 1500K arroja alrededor de$300\,{\rm kW\,m^{-2}}$, por lo que esto implica una llama del orden de$3\times 10^{-3}{\rm m^2}$: del tamaño de una pequeña estufa de campamento de anillo de gas. De mi respuesta aquí estimo que alrededor del 20% de la energía que se escapa al quemarse es a través de la radiación: el resto es a través de gases calientes. Por lo tanto, debemos reducir aún más nuestra respuesta: sobre la llama de un mechero Bunsen.

Comprobemos esto: Wikipedia me da un calor de combustión para propano de$–2202.0\,{\rm kJ\,mol^{-1}}$, asi que$2\,{\rm MJ}$para unos 20 litros de gas a temperatura y presión ambiente. Mi manual del mechero Bunsen dice que usa alrededor de 100 litros por hora. Ese es$2\,{\rm J}$por$3600/5$segundos, o aproximadamente$2.5\,\rm kW$.

Así que es un mechero Bunsen trabajando lentamente.

¿Cuál es el tamaño/escala de un fuego de leña que produce 1kW?

• Según mis conocimientos sobre el contenido de energía de los combustibles y los procesos de combustión,
  alrededor de 0,5 a 1 pulgada cúbica por minuto de madera típicamente seca en un fuego abierto.

• Basado en un manual de Wood Fuels de 80 páginas absolutamente excelente que descubrí en el camino, más o menos lo mismo, para mi sorpresa. Ver al final para más detalles.

• Es importante destacar: basado en una serie de fuentes enumeradas en el informe patrocinado por el gobierno de Nueva Zelanda de 2005
  Informe técnico de hogares cálidos: estudio detallado de las opciones de calefacción en Nueva Zelanda : aproximadamente los mismos resultados que los anteriores para un quemador cerrado bien diseñado, pero tal vez hasta 5 veces un fuego tan grande (20% de la eficiencia, 5 veces más uso de combustible) para fuegos abiertos diseñados informalmente.

1. De las cifras típicamente publicadas para la energía en los combustibles.

Los hidrocarburos normalmente proporcionan alrededor de 10 kWh/kg para una combustión completa.
La madera es una combinación de hidrocarburos más moléculas de cadena larga con enlaces menos energéticos. Además, el contenido de agua marca una diferencia muy significativa en la producción de calor, ya que la madera bien seca proporciona quizás el doble de la producción de energía por masa.

Para madera bien seca, una estimación razonable es quizás de 3 a 5 kWh/kg de producción térmica con buena combustión. Un fuego abierto puede resultar en una combustión menos que completa (como lo demuestran, entre otras cosas, las llamas amarillas ricas en carbono y el humo). Un espacio de combustión cerrado con paredes aisladas, un buen suministro de aire dirigido de tal manera que estimule la circulación y temperaturas de combustión más altas pueden aproximarse al ideal. Un "fuego" puede estar muy por debajo de la mitad del ideal. Una primera prueba de, digamos, 3 kWh/kg es probable que sea alta.

Para lograr 1 kW a 3 kWh/kg se necesitará 1/3 kg o unos 330 gramos o unas 11,5 onzas de madera por hora. La madera rara vez se proporciona en lotes de onzas o incluso gramos :-). Las densidades de la madera varían ampliamente pero, siempre que no esté quemando lignum vitae, una densidad de alrededor de 0,6 (en relación con el agua o 600 kg/m^3) es probable que sea más o menos correcta.
Entonces, los 330 gramos de madera requeridos tendrán un volumen de alrededor de 330/0.6 = 550 cc o alrededor de medio litro. Una lata clásica de Coca-Cola o Pepsi tiene un volumen de 375 cc, por lo que 550 cc son aproximadamente
550/375 = 1,5 veces el tamaño de una lata de refresco por hora.

En realidad, es probable que esté en el lado bajo con un fuego abierto y menos de madera perfectamente sazonada y probablemente el doble de eso sería seguro. El doble es aproximadamente 1 litro o 3 latas de refresco.
Eso es 1000/60 = 17 cc/minuto o alrededor de 1 pulgada cúbica por minuto.
Esa es una cantidad razonablemente fácil de visualizar y, como se indicó anteriormente, con madera bien curada y un quemador razonable, podría ser la mitad de esa cantidad.

2. Del manual de combustibles de madera

Publicado por AIEL - Asociación Italiana de Energía Agroforestal en 2008

Este es un excelente recurso para cualquier persona interesada en este tema.

Este folleto de más de 80 páginas está dirigido al mercado de la quema de madera comercial y cubre todos los aspectos de la evaluación y el procesamiento de la madera cosechada y el efecto de las especies, los métodos de procesamiento del contenido de agua y mucho más.

Una mirada a través de sus muchas tablas y gráficos sugirió que

• Los resultados varían enormemente con una serie de factores importantes que son relevantes, y

• Mis resultados empíricos (basados ​​en aportes de muchas fuentes durante demasiados años) están 'dentro del rango esperado'.

El siguiente gráfico de la Figura 2.8.2 en la página 25 del informe proporciona un resultado útil.
La línea roja representa los kWh/kg graficados contra el contenido de humedad.
Con un alto contenido de humedad (60 %) se dispone de aproximadamente 1,6 kWh/kg.
Para madera casi perfectamente seca, se dispone de unos 5 kWh/kg.
Para estados intermedios identifican
Astillas de madera - 3,4 kWh/kg Maderas en rollo - 4,0 3,4 kWh/kg
Pellets - 4,6 kWh/kg

Estos deben reducirse por la densidad al convertir kWh/kg a kWh/litro
o a kWh por lata de madera del tamaño de coque. Proporcionan una amplia gama de valores de densidad para diferentes tipos de madera y situaciones, con mi densidad = 0,6 lo suficientemente cerca de lo habitual para ser útil.

Efecto de la humedad en la madera: La reducción de energía de la humedad tiene dos fuentes principales.

• El agua no "quema"* por lo que cada porcentaje de masa de agua presente en una masa dada de madera húmeda da como resultado una reducción en el porcentaje de material combustible.
  Entonces, de manera simplista, Energía Húmeda = Energía seca x (100-M)/100 donde M es el porcentaje de humedad de la masa.

• Debido a que la temperatura de los "gases de la gripe" está muy por encima de la temperatura de ebullición del agua en$\rm100^\circ C$, el agua que sale de un fuego generalmente estará en forma de 'vapor': vapor de agua en >$\,100^\circ C$. El proceso de combustión ha tenido que calentar el agua hasta el punto de ebullición y luego suministrar el calor latente de vaporización para convertirla en vapor. Para contenidos de humedad típicos, la energía requerida para hacer esto es significativa pero relativamente pequeña en comparación con la pérdida de energía debida al reemplazo del combustible.

por ejemplo, suponga 6 kWh/kg para una muestra de madera seca.
10% de humedad desplazaría$\rm10\% \times 6000\,Wh = 600\,Wh$de una masa de 1 kg.
$\rm600\,Wh = 600 \times 3600 = 2.16\,MJ$.
Energía para calentar 100 g de agua 10$^\circ$C decir a$\rm100\,^\circ C \simeq 4.3\,J/^\circ C/g \times (100\,^\circ C-10\,^\circ C) \times 100\,g \simeq 40\,kJ$.
Energía para vaporizar 100g de agua de$100\,^\circ\,\rm C$al vapor =$\rm2260\,J/g\times100\,g = 226\,kJ$

Pérdida total de energía debido a la vaporización del 10 % de agua =$266\,\rm kJ$= 11% Pérdida de energía por agua reemplazando madera =$2160\,\rm kJ$= 89%. Pérdida total en agua =$2.426\,\rm MJ$.
% de pérdida de energía en 1 kg de madera debido al 10% de humedad =$\rm2.426\.MJ/21.6\,MJ$= 11,2%

• No se tiene en cuenta el proceso de "gas de agua" mediante el cual el paso del vapor de agua sobre carbón caliente da como resultado la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno y la reactivación para formar CO y CO.$_2$. Los efectos energéticos netos de este proceso varían inmensamente según las circunstancias y se ignoran aquí.

3. Basado en el informe técnico de Warm Homes .

El poder calorífico de la madera seca/curada está de acuerdo con las otras fuentes, como era de esperar.

Sin embargo, debido a que este informe trata sobre la calefacción doméstica, incluye una variedad de escenarios de combustión que van desde fuegos abiertos hasta quemadores cerrados de alta temperatura controlada. Por lo tanto, también proporciona estimaciones de eficiencia energética que varían mucho con la instalación y que vale la pena analizar para ver qué se necesita para alcanzar el objetivo de 1 kW en un caso determinado.

Página 5 - Leña - fuego abierto
$\rm0.4–0.6\,m^3/100\,kWh$entregado;
$\rm125–200\,kg/100\,kWh delivered$.

Eficiencia de conversión a calor: 5 - 15% !!!!!!!

Ellos notan:

• La baja eficiencia de los fuegos abiertos es el resultado de la pérdida de calor por convección a través de la chimenea. La mayor parte de la calefacción de las habitaciones se produce por radiación de calor, pero su eficacia puede verse reducida por el efecto de las corrientes de aire provocadas por el movimiento del aire hacia la chimenea. En general, se supone que la eficiencia máxima de los fuegos abiertos es del 15%. Los costos operativos presentados en este trabajo se basan en eficiencias de 10 y 15%.

• Naturaleza del calor: La calefacción es principalmente radiante, con convección limitada hacia la habitación (la mayor parte del calor de convección se pierde por la chimenea). Sin embargo, si la chimenea incluye un respaldo húmedo, parte del calor de convección será capturado por este para calentar el agua.

• Capacidad para calentar toda la casa: la forma de salida de calor, principalmente radiante en lugar de convección, combinada con la salida de calor limitada y la falta de medios para circular o distribuir este calor hacen que esta forma de calefacción no sea adecuada para calentar toda la casa. Algunas casas antiguas tienen varias chimeneas, lo que permite calentar varias habitaciones, pero seguirán sufriendo las muy bajas eficiencias inherentes a las chimeneas abiertas.

Las entradas relevantes adicionales están en las páginas

8 - Quemador multicombustible 55-75%
10 - Quemador de leña cerrado 55 - 75%
12 - Leña peletizada 75 - 92%
35 - Pellets de madera 90 - 95%

El aceite de cocina contiene alrededor de 9 kcal por gramo y es de 930 gramos por litro. Cuando haces las conversiones, da como resultado 9,75 kilovatios hora en una botella de litro de aceite de cocina. Así que es un fuego que quemará una botella de aceite de cocina en 9 horas y tres cuartos. Este es en realidad un fuego bastante pequeño en comparación con lo que puede estar acostumbrado a encender en una chimenea. Realmente muestra cuánto se pierde en una chimenea al tener que deshacerse de los humos. Probablemente podría hacer este fuego en una lata ventilada de 400 gramos (como la que usa para frijoles, sopa o comida para gatos) con algunas llamas hasta la parte superior de la lata. Solía ​​​​tener una estufa de gas de leña de aire forzado de alrededor de 6 pulgadas de alto y ancho, y afirmaba tener una potencia de aproximadamente 3 kilovatios.

Alternativamente, se trata de 30 velas de té.

Experimento: Corta los fondos de algunas latas de bebidas. Taladre 4 agujeros (broca de 3 mm) alrededor del borde inferior donde se encuentra la lata. Pasa algodón a través de los agujeros y humedece con aceite de cocina. Vea cuántos ensamblajes se necesitan para tener una tasa de combustión de aproximadamente 100 g/hora con aceite de cocina. Puede hacer esto en interiores (¡lejos de materiales inflamables!) ya que las llamas tienen poco hollín (que también ayuda a convertir casi toda la energía del aceite en calor). Flote el conjunto en aceite y encienda las mechas. mira cuantos

la mayoría de los incendios no se queman constantemente. la tasa de liberación de calor aumenta, alcanza su punto máximo y luego desciende. una correlación experimental bien establecida en la ciencia del fuego muestra que la altura media de la llama ($L$) dividido por el diámetro efectivo ($D$) de la fuente de combustible es proporcional a la tasa de liberación de calor ($Q$) a la potencia 0.4. La correlación funciona bien para incendios grandes, pero no funciona tan bien para incendios más pequeños o incendios masivos (cuando$L/D < 1$). Para combustibles típicos, en condiciones atmosféricas:$L = -1.02 D + 0.235 Q^{0.4}$($D$,$L$en$\rm m$; con$Q$en$\rm kW > 0.8\,kW$). Entonces, para un$1\,\rm kW$pila redonda de madera$10\,\rm cm$amplio,$L\simeq14\rm\, cm$. Alternativamente,$Q = [(L+1.02D)/0.235]^{2.5}$, Así que si$L$y$D$son conocidos,$Q$se puede estimar.