Puukiukaan lämmityksen perusteet – polttamisen fysiikka

Aiemmissa saunapuukori-postauksissa esittelin miten saunaan polttopuut valitaan ja varastoidaan sekä miten niitä voi ostaa verkosta. Nyt lähestytään puiden käyttöä eli kiukaan tulipesän (ei saunan) sytyttämistä ja tulisijan tehokasta käyttöä.

Aloitetaan tässä tarinassa tiivistelmällä siitä, mitä puun polttamisessa tapahtuu. Lopuksi kerron puulämmitteisen kiukaan rakenteesta tähän liittyen.

Palamisen edellytykset

Peruskoulun kemian tunneilla hereillä olleet saattavat yhä muistaa, että palaminen on kemiallinen reaktio, joka edellyttää palavan aineen, lämmön ja hapen kohtaamista. Reaktiossa vapautuu ilmaan lämpöä ja valoa.

Englanninkielisen muistisäännön mukaan tarvitaan kolme T:tä: time, turbulence and temperature. Aika (time) tarkoittaa sitä, että palamisreaktio vaatii aina aikansa (kuten koko polttoprosessi). Turbulenssi tarkoittaa palavan, kaasumaisen aineen ja ilman (eli hapen) riittävää sekoittumista, joka mahdollistaa ”täydellisen” palamisen. Kiukaassa puu palaa ensisijaisesti kaasuuntumalla, eli muuttaa ensin olomuotoaan ja syttyy sitten ilmassa.

Lyhyt video palamisesta demonstroi tulitikun kaasuuntumista

Puun palaminen

Puun palaminen on kemiallisesti monimutkainen tapahtuma. Puun polttamisen näkökulmasta tärkein asia on ymmärtää, ettei puu (toisinkuin hiili) suoraan pala, vaan se kaasuuntuu ja kaasu yhtyy happeen eli palaa.

Palaminen vaatii myös lämpöä (temperature), eri polttoaineet eri määrän. Oletetaan nyt, että saunassa palava aine on aina puuta, sillä eri aineilla tarvittava lämpötila syttymiseen ja palon jatkumiseen vaihtelee. Puuta polteaessa lämpö saa aikaan puun kaasuuntumisen, happi kaasuntuneen puun syttymisen.

Polttopuut kaasuuntuvat ja voi syttyä noin kahdessa sadassa asteessa, puuhiilet yli 800 asteessa. Eri puulajien syttymislämpötilat vaihtelevat hieman, mutta näistä on vaikea löytää luotettavaa tietoa. Esimerkiksi koivun syttymislämpötila on hieman korkeampi kuin kuusen tai männyn. Polttopuut sisältävät myös pieniä määriä palavia aineita, joiden kaasuuntumislämpötilat ovat matalampia kuin "itse puun".

Tapahtuma Lämpötila
Puun pitkäaikaisen käytön yläraja +105°C
Lyhytaikaisen käytön yläraja +150°C
Polttopuun kaasuuntuminen alkaa +230°C
Puun syttymispiste +200-250°C

Lähteet, käyttörajat ja syttyminen: Siikanen: Rakennusfysiikka; kts. myös http://tieku.fi/teknologia/puuhiilen-valmistus-vaatii-ilmatonta-tilaa-1

Tulitikku kaasuuntuu ja hiillostuu
Tulitikun palaminen tapahtuu nopeasti massaan nähden suuren pinta-alan ansiosta. Toinen pää hiiltyy ja jäähtyy nopeasti,  jolloin hiilen punaisena hehkuna näkyvä palaminen keskeytyy. Tikkuun jää vielä vähän kaasuntamatonta puuta ja palamatonta hiiltä.

Tärkein havainto, on että puu varmasti syttyy  +230°C jälkeen eikä puulajien välillä ole kotikäyttöä ajatellen täsäs merkittäviä eroja. Pitkäaikaisen käytön yläraja on valittu niin, ettei kaikki kosteus vielä haihdu puusta eikä siitä ala irtoamaan lainkaan palavia kaasuja.

Puun palamisen luonne

Puu palaa parhaimmillaan rauhallisesti. Se ei tavallisessa olomuodossaan räjähdä, vaan palaa näkyvällä liekillä kunnes jäljellä on pelkkää hiiltä, joka lopulta voi palaa ilman liekkiä.

Palamisen profiilis
Puun lämmitessä se kaasuuntuu ja hiiltyy. Kaasuuntunut puu (pyrolysis gas) reagoi hapen kanssa näkyvästi (luminous burning). Palamisesta syntyy mm. nokihiukkasia ja muita palotuotteita (combustion products), joista oranssi liekin kärki muodostuu. Puu palaa kerroksittain ja vaiheittain, kunnes kaikki hiili on yhtynyt happeen.

Palamista tapahtuu monin eri tavoin. Näkyvä liekki liittyy kaasujen palamiseen. Happi voi yhtyä myös hiileen suoraan ilman näkyvää liekkiä, kuten hiillosvaiheessa. Molemmat reaktiot ovat ns. nopeaa palamista, josta syntyy huomattava määrä sivutuotteita, valoa ja erityisesti lämpöä.

Kaasuuntuminen ei ole lämpötilaan nähden yksiselitteisesti jossakin tietyssä lämpötilassa tapahtuvaa ilmiö, vaan kaasuuntuminen lisääntyy asteittain.

Kaasuuntuminen lämpötilan funktiona
Norjalaistutkijoiden havaintoja puun kaasuuntumisen asteesta eri lämpötiloissa (Kelviniä). Lähde Grnli et al.: Thermogravimetric Analysis and Devolatilization Kinetics of Wood.
Ind. Eng. Chem. Res., 2002, 41 (17), 4201-4208 • DOI: 10.1021/ie0201157

Palamisen tuotteet riippuvat polttoaineesta ja olosuhteista. Tulta syntyy myös ilman savua, parhaimmillaan hiilestä muodostuu palaessaan ainoastaan hiilidioksidia ja vettä. Polttopuut sisältävä pari prosenttia tuhka-aineita, jotka eivät pala, vaan poistuvat palokaasujen mukana piipusta tai kerääntyvät tuhka-astiaan.

Puun polttaminen kiukaassa

Kiukaan tyyppisissä tulisijoissa puu yleensä kaasutetaan arinan läpi tulevalla primaari-ilmalla ja kaasuuntumisen vapauttama kaasumainen hiili syttyy kohdatessaan sekundaarin, toisiopaloilman. Toisiopaloilmaa tehostaa palamista ja vähentää päästöjä. Kiukaissa toisiopaloilmaa ei systemaattisesti hyödynnetty ennen CE-hyväksynnän vuonna 2013 alkanutta aikakautta. Tätä uudemmissa kiukaissa on yleensä jonkinlainen toisiopaloilman syöttö.

 

Testissä menestyneen Sydän-kiukaan paloprosessi hyödyntää toisioilmaa kuvan mukaan yläpalotilassa, jonne sitä johdetaan ylä- ja alapuolelta. Kuva: Warmheart oy, käytetty oikeuden omistajan luvalla.

Kaikkea ilmaa tarvitaan palamiseen sopivasti. Primaari-ilman suhde polttoainemäärään määrittää palamisen tehon. Kiukaiden nimellistehot, kuten 16 ja 24 kW on määritetty ISO standardin testimenetelmällä, joka mittaa löylyhuoneen lämpiämiseen saatavaa tehoa. Tämä ”standarditeho” perustuu tulipesässä palavaan puuhun, jonka laskennallinen teho on aina suurempi kuin kiukaan nimellisteho.

toisioilmanohjauslevyt
Monissa Narvin puukiukaissa oli vuonna 2016 vinosti pystysuoraan arinan (reikäinen metallilevy) päälle asennettavat toisioilmanohjauslevyt. Ilma imeytyy palotilaan yläosan rei'istö ja yhtyy kaasuuntuneen puun kanssa.

Kiukaissa primaari-ilman saantia ja sitä kautta kaasutusta säädellään yleensä lähinnä arinan alla olevan tuhkalaatikon avaamisella. Säätöjen puuttuessa tulisijassa pitäisi teoriassa olla koko ajan yhtä paljon puuta. Koska näin ei ole, teho ja ilman tarve vaihtelee jatkuvasti. Toisioilman säätöjä on varaavien takkojen tyyppisissä tulisijoissa jopa useita. Kiukaissa sen sijaan ei yleensä ole lainkaan toisioilman säätöjä. Joissakin kiukaissa toisioilmaa voi lisätä raottamalla hieman luukkua.

Kiitos Itä-Suomen yliopiston dosentti Jarkko Tissarille artikkelin komentoinnista.

Tässä puun polttamisen perusteet. Seuraava artikkeli opastaa saunan uunin sytyttämiseen ja tehokkaaseen polttamiseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Kuka Lassi A Liikkanen?

Saunologi ja saunan suunnittelun tutkimusmatkalainen. Johtava nykyaikainen suomalaisen saunan asiantuntija. Työkseni suunnittelen parempia digitaalisia palveluita sekä tutkin ja opetan Aalto-yliopiston dosenttina.