Fűtés – a fa égésének folyamata

Tűzrakás fával

Tűzgyújtáshoz a következőkre van szükségünk:

  • lazán összegyűrt papírra, közte levegőterekkel;
  • vékonyra hasított gyújtósra vagy rőzsére;
  • normál méretű hasított fára.

Osztatlan belső terű kályhák és kandallók esetében nincsen jobb módszer, mint ahogyan tábortüzet gyújtjuk. A meggyújtandó fát sátorszerűen állítjuk fel. A leendő “sátor” közepébe kerül a leggyúlékonyabb anyag – napjainkban az összegyűrt újságpapír. A papírmag fölé gyújtóst (vékonyra hasított fát) vagy rőzsét helyezünk. Ha a vékony gyújtóssal túlságosan takarékoskodunk vagy túl vastag fát használunk, tüzünk nem gyullad meg, ami miatt a begyújtás műveletét mindaddig meg kell ismételnünk, míg a helytelen, “takarékosságról” le nem szokunk. A gyújtósból rakott sátor fölé hasított fadarabokból második sátrat építünk.


Ha ezt a begyújtáshoz szükséges sátrat jól építettük fel, elegendő egy gyufaszál. A gyufával lángra lobbantjuk a papírt, ennek égési hője gyújtja meg a gyújtóst, ez pedig a hasított fát.

Ha a kéménynek nincsen huzatja, azaz a füstcsövet, kéményt a benne rekedt hideg levegő dugó módjára elzárja, ezt a dugót úgy lőhetjük ki a kéményből, hogy vagy 10 újságlapot összegyűrünk, meggyújtunk és a füstkamrába nyújtjuk. Ha a papírtűz lángjai felcsapnak kihajtják onnan a hideg levegő dugóját.
Ha elég az oxigén, tüzünk kisebb hőmérsékleten is meggyullad. Égni nem akaró tüzünket tehát fújjuk meg, ezzel is élénkíthetjük. Helyes technika alkalmazásával ez a “mesterséges lélegeztetés” feleslegessé válik.

A fa meggyulladása

Minél nagyobb a fadarab térfogathoz viszonyított felülete, annál könnyebben gyullad meg.
Ezért a vékonyra hasított gyújtós vagy a rőzse különösen alkalmasak begyújtásra A vékony gyufaszál még könnyebben lobban lángra. Sőt a nagyon finom megoszlású fűrészpor oxigénben gazdag környezetben magától is, robbanásszerűen gyulladhat meg. Mivel a lucfenyő fája kis sűrűségű, és alig tartalmaz szervetlen ásványi anyagokat, különösen gyúlékony. A sűrűbb és több ásványi anyagot tartalmazó fa, – mint pl. a tölgy gesztfája – lassabban gyullad meg. Ennek oka valószínűleg az, hogy az ilyen fa hővezető képessége nagyobb, ezért a hő kevésbé halmozódik fel a gyújtólánggal érintkező felületen. Sűrű és ásványi anyagokban gazdag faanyag felülete ezért éri el lassabban a gyulladáshoz szükséges hőmérsékletet.
A légszáraz fa kis (0,5-0,7 Wh/kg) fajhőjének köszönhető, hogy már kevés hő közlése is elegendő a mintegy 2300C gyulladási hőmérséklet túllépésére. A fa gyulladási hőmérséklete csak fele akkora mint a tojásbriketté, ez ugyanis csak 5000C-on gyullad meg.
A fa különféle összetevőinek nemcsak a fűtőértéke eltérő, égési tulajdonságaik is különböznek. A lignin például nehezebben gyullad meg mint a cellulóz, a cellulóz pedig nehezebben mint a hemicellulóz.

A fa elégése

Bár a fa szilárd tüzelőanyag, meggyújtva mégis túlnyomórészt fagázként ég el. Éghető összetevőinek tömeg szerint kereken 83%-a ég el gázalakban. A fűtőanyagok közül a fa ezért a szalma mellett a gázokban leggazdagabb tüzelőanyagnak számít. Ez a gázalakban elégő 83% adja a fa fűtőértékének 70%-át. Ezzel ellentétben a koksz éghető anyagainak nem egészen 10%-a ég el gázalakban. Ebből következik, hogy a jó fakályhának más műszaki tulajdonságokkal kell rendelkeznie mint a szénkályhának. Fagáz nélkül a nyitott fatűznek nem lennének hosszú lángjai és meleget sugárzó színei.

Mivel a fa túlnyomórészt a fagáz nagy lángjaival ég el, jó elégéshez nagy égéstérre van szüksége. A gázláng köré felhevített, oxigénben gazdag friss többletlevegőt is kell juttatni. Erre az előmelegített, “másodlagos” (szekunder) levegőre azért van szükség, mert a képződött, energiában gazdag fagáz csak így ég el maradéktalanul.
A fa a természetben nőtt heterogén anyag. Ezért a fatűz fejlődési szakaszai nem írhatók le egész pontosan. A fadarabról fadarabra változó összetételű anyagok és égési tényezők a folyamatok áttekinthetetlen keverékére vezetnek. Ehhez járul még az is, hogy az égő fadarabban az egyes égési fokozatok Időnként közösen lépnek fel. A növekvő hőmérséklet és maguk az égési folyamatok is fokozatosan nyomulnak a fa felszínétől befelé.

A fa elégésének fokozatai

A maradék nedvesség kiszárítása.

A légszáraz fában visszamaradt nedvesség még mindig a tömeg 15-20%-a. Ez a nedvesség csak 1000C körüli hőmérsékleten távozik a fából.

A bomlás kezdete.

A fa összetevői nagyjából egyidőben kezdenek folyékonnyá válni; molekuláik hasadni és párologni kezdenek. 100-2000C-on a képződő gázok a fát még nagyon lassan hagyják el.

Fagáz keletkezik.

A legkorábban képződő fagázok a gyújtópapír lángjától gyulladnak meg, de ha a gyújtólángot elvennénk, maguktól már nem égnének tovább. Mintegy 2250C-ig kell a fával hőenergiát közölni, hogy az égési folyamat folytatódjék. Eddig a hőmérsékletig tehát endoterm reakció megy végbe.

Hőenergia szabadul fel.

2600C-tól a fatűzben végbemenő átalakulás (pirolízis) során hőtöbblet keletkezik, a reakció még exoterm. Mivel a gyorsan bomló fadarab közelében oxigénhiány van, a képződő fagázok gyakran jóval odébb lobbannak lángra, ott ahol már elegendő oxigéntartalmú levegővel keverednek. Mintegy 1000OC lánghőmérséklet kell ahhoz, hogy a fagáz reakcióképes összetevőire -szénre és hidrogénre – tökéletesen felbomoljon és oxidálódjék.

A fában lévő fűtőenergiát csak akkor hasznosíthatjuk maradéktalanul, ha a fagáz oxigénnel keveredve magas hőmérsékleten éghet el. Csak ekkor nem szállnak tökéletlenül hasadt szénhidrogén-(oxid-)vegyületek a kéményen át a légkörbe. A fagázok tökéletes elégésekor széndioxid (CO2) és víz (H2O) keletkezik, mindkettő természetes, a környezetet nem szennyező anyag.

A faszén elég.

Hő hatására a fa szénhidrogén-vegyületeinek hidrogéntartalmú összetevői lehasadnak és gáz formájában elégnek. A gyorsan távozó fagáz miatt nem jut elegendő oxigén a fadarab felületére, ezért ez egyre inkább faszénné alakul át. A gázok eltávozása után a faszén 500-800OC hőmérsékleten elizzik. A tiszta faszén ugyanis jóformán láng nélkül ég el, ezért a faszén kandallóba nem való.

A fa vékonyra hasítása többletmunka, de mivel a kisebb fadarabok egyenletesebben égnek el, együttes elégésük folyamata is jobb, a tűz könnyebben szabályozható.

A fatűznek kétszer kell levegő

Az égési levegő 80%-át első levegőként kell a fatűzhöz juttatni. Ez a “primer levegő nélkülözhetetlen a fa összelevőinek bomlásához és a fagáz képződéséhez, de a faszén sem ég el nélküle.
Az égési levegő 20%-át másodlevegőként kell a fagázlángok térségébe juttatni. A “szekunder levegő” a fagáz tökéletes elégéséhez kell. A másodlevegő ne hűtse le a fagázlángokat, mert akkor nem égnek ki tökéletesen. Ezért lehetőleg forrón kell a fagázlángokhoz juttatni. A szekunder levegő összekeverése a nagyon forró fagázokkal a kályha- és kandallóépítés egyik műszaki problémája. A forró gázok fizikai okokból nagyon rosszul keverednek. Jó tűzterekben örvényszakaszok vagy szűk fúvónyílások segítik elő a jobb keveredést annak érdekében, hogy a fagáz elegendő oxigénhez jutva, lehetőleg még a hőcserélők elérése előtt tökéletesen elégjen, ehhez legalább egy percnyi kiégési időre lenne szüksége.

A fagázok gyakorlatilag nem keverhetők tökéletesen oxigénben gazdag levegővel, ezért több oxigénben dús levegőt kell adagolnunk, mint amennyi számításaink szerint a tökéletes égéshez kellene. A tapasztalatok szerint a tényleges levegőszükséglet a számítottnak mintegy 170%-a.
Fontos tudni, hogyha a levegő adagolását megszakítjuk, ezzel lassítjuk ugyan a fa bomlásának ütemét, de maga a bomlás még nem szűnik meg, csak a hatásfok romlik jelentős mértékben. Tehát ne csökkentsük a hőteljesítményt azáltal, hogy kevesebb friss levegőt adagolunk, vagy hogy lefojtjuk a kémény huzatát; ilyenkor ugyanis a fagáz már nem éghet ki teljesen. Jobb ha ehelyett a hőteljesítményt takarékos tüzelőadagolással szabályozzuk, vagyis mérsékelten, de rendszeresen rakunk a tűzre.

Nem csak a túl kevés levegő hátrányos, de a túl sok is ugyan olyan kedvezőtlen. 10kg légszáraz fa elégéséhez 30-40m3 levegő szükséges. Ha túl sok levegőt adagolunk, a többletet is fel kell melegíteni. A feleslegesen felhevített levegővel energia távozik a kéményen át anélkül, hogy hasznot hozna. Ha a füstgáz hőmérséklete 200OC, akkor minden feleslegesen adagolt és melegített köbméter levegő kb 70Wh hőveszteséget jelent.

Ezek alapján már érthetjük, hogy a nyitott tűzterű kandallók idejében miért is voltak gyérebbek az erdők, s miért fáztak bundában is a kandalló mellett. Az energia egyserűen kirohant a kéményen.