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 voivat 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" (eli siitä irtautuvan hiilen.
| 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
Tärkein havainto, on että puu varmasti syttyy +230°C jälkeen eikä puulajien välillä ole kotikäyttöä ajatellen tässä 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.
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 epälineaarisesti.
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 palamisen aikana 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.
Puukiukaissa toisiopaloilmaa ei systemaattisesti hyödynnetty ennen CE-hyväksynnän vuonna 2013 alkanutta aikakautta. Tätä uudemmissa kiukaissa on yleensä jonkinlainen toisiopaloilman syöttö, koska se auttaa parantamaan testituloksia.
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.
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. Seuraavat artikkelit opastavat saunan uunin sytyttämiseen ja tehokkaaseen polttamiseen:
