Начнем без предисловий и с главного – выхода топлива из форсунки, и посмотрим, что дальше происходит. Понятно, что оно загорается, но стоит глянуть на пламя чуть ближе.
Итак, топливо выходит из форсунки и воспламеняется в камере сгорания. Смешивание с воздухом, по определению необходимым для горения, происходит при ударе паров топлива о рассекатель.
То есть рассекатель в горелке нужен не только и отнюдь не столько для создания формы пламени (диаметра пламени), сколько для формирования оптимальной топливо-воздушной смеси. Оптимальное в нашем случае – это то, что обеспечит нам наибольшую температуру сгорания смеси. Хотя совсем необязательно при этом обеспечит наибольшую полноту сгорания – пересекается это все близко, но не в одной точке.
Воздух, необходимый для горения, попадает в камеру сгорания в силу конвекции. Тепло (жар) захватывает вверх, к котелку, продукты горения. Возникает разность давлений, и в камеру сгорания попадает свежий воздух – с кислородом, нужным для горения. В горелках с насосом (либо в безнасосных вариантах, но с разогретым бачком) при максимальном открытии регулятора подачи топлива воздух дополнительно увлекается потоком паров топлива из форсунки.
Эффективность сгорания топлива в горелке зависит от того, насколько хорошо смешивается топливо и воздух. Соответственно насос в горелке служит для увеличения скорости паров топлива. Чем с бОльшей скоростью топливо ударит в рассекатель, тем более качественно оно сможет смешаться с воздухом – лишь бы воздуха хватило.
Соответственно горелки без насоса хорошо работают только тогда, когда у них разогревается бачок. Если бачок перегревается, то топливо начинает кипеть. Давление в бачке резко возрастает, так как форсунка не успевает выпускать перегретый пар. Для этого существует клапан сброса давления. Однако перегретые пары, исходящие через форсунку, не успевают сжигаться в камере сгорания по причине нехватки воздуха – и оно пытается догореть частично за пределами камеры сгорания. Но даже если воздуха им хватает, то мы получаем «объемное» пламя – разогревающее бачок еще больше. После этого мы получаем вместо примуса гибрид огнемета и плохонького реактивного двигателя. Ну, то есть Змея Горыныча, которому узбеки сделали острую шаурму.
Шланговые горелки изначально вовсе не были шланговыми, от них просто вынесли топливный бачок при помощи трубки подальше. Это однозначно потребовало вернуть в конструкцию насос, но зато решило проблему нагрева (для работы) и перегрева (чтобы не взорваться), а так же проблему безопасного сброса давления, ибо стравливать перегретые бензиновые пары рядом с пламенем не всегда получается без файер-шоу. Заодно стало безопасно и при стравливании давления через насос, если таковой вдруг стал неисправен.
Улучшить смесеобразование (смешивание топлива с воздухом) попытались в MSR на модели Whisperlite. У нее другая чашка рассекателя, и она лучше смешивает топливо с воздухом при меньшей подаче топлива, чем в XGK. В теории это позволяет горелке быть экономичнее, однако на практике, если сходить в поход, выйдет одинаково.
Тем удивительнее, что к этому решению пришли в Kovea и создали горелку Hydra. Главная идея в ней тоже заключается в наилучшем смешении топлива с воздухом. Все бы хорошо, но преподнесли это как верный путь к экономичности. Дескать, мы ограничим количество подаваемого в единицу времени топлива, но обеспечим его лучшее смешивание и дальнейшее горение.
Почему это не работает при обычных котлах с прилавка?
На кипячение одного литра воды абстрактной температуры котелок должен взять от горелки определенное количество тепла и передать его этому литру воды. В одних и тех же погодных условиях, он не может взять на кипячение меньше тепла. Он должен взять его ровно определенное количество. Если он его возьмет меньше, то не закипятит воду.
Kovea Booster подает в камеру сгорания n топлива, а Hydra 0,9n топлива. Booster обеспечивает наилучшее сгорание за счет разгона и удара паров топлива о рассекатель, а Hydra своей хитрой системой (то есть обе обеспечивают одну и ту же температуру горения). В единицу времени Booster производит N кДж тепла, а Hydra 0,9N тепла. Если котелку необходимо 3N кДж тепла, то результат будет один – Hydra закипятит его медленнее, а сожжет ровно столько же.
Это справедливо для температур до некоторого порога отрицательных. С падением температуры у нас возрастают потери тепла в стороны.
Общие тепловые потери кухонной системы у нас зависят от площади стенок котелка, от разницы температур воды в котле и воздуха снаружи, а так же от времени, в течение которого мы пытаемся закипятить. При большой разнице температур и в большом котле потери тепла от системы становятся настолько высоки, что горелка с меньшим расходом топлива сожжет топлива сильно больше, чем горелка, в которой топлива через форсунку проходит больше.
Отсюда мы приходим и другому логичному выводу – перекачка давления бачка в грамотной горелке приводит к увеличению расхода топлива, если котелок не в состоянии забрать получившийся излишек тепла (топлива ведь у нас стало сгорать больше). Уменьшение же давления в бачке приводит, в конце концов, к уменьшению эффективности смешивания топлива с воздухом и к уменьшению температуры топливовоздушной смеси.
Аналогично и засорение топливопровода приводит к уменьшению количества топлива, которое поступает в камеру сгорания, и в какой-то момент эффективность сгорания топлива падает. Топливо хуже смешивается с воздухом под рассекателем (струя слишком тонкая и она обеспечивает при столкновении с рассекателем меньшую турбулентность), плюс свежий воздух менее равномерно и менее интенсивно поступает в камеру сгорания. Точно так же происходит и при целенаправленном снижении уровня подачи топлива.
Схожая ситуация наблюдается, когда горелке не хватает воздуха. Например, мы готовим в снежной яме, либо когда в палатке недостаточная вентиляция, либо мы в принципе ограничиваем поступление воздуха экраном.
(Что-то среднее происходит если у нас кривожопая конструкция от китайцев, где надо накачать воздух насосом во флягу так, чтобы аж прокладки выворачивало – но зато поток воспламеняющихся паров под увеличенным давлением захватывает и достаточное же количество воздуха, потому что иначе туда воздух нормально не попадает).
В случае отсутствия трубки предподогрева и одновременно при морозе задачей ставится поддержка превращения топлива из жидкости в пары. Предварительный прогрев горелки в принципе необходим именно для этого. Если в рассекатель ударяет струя жидкого топлива, то оно очень плохо смешивается с воздухом, и горит высоким пламенем (пытаясь смешаться с воздухом получше) с наименьшей температурой горения (но достаточной, чтобы спалить палатку). Чем лучше топливо испарилось (для этого необходима максимально возможная температура камеры сгорания и максимально возможная же скорость выхода топлива из форсунки), тем меньше объем капель его пара и тем лучше оно смешается с воздухом. Именно поэтому в маломощные системы, типа Svea 123, ставится насос для работы на сильном холоде. Общая же концепция работы горелок при морозах – открывать подачу топлива на полную. Модели с трубкой предподогрева позволяют более уверенно испарять топливо; а также испарять бОльшее количество топлива, чем модели горелок без трубки предподогрева – хотя сжигать много топлива далеко не всегда нужно, ибо есть проблема эффективности отбора тепла котлом.
Мощность горелки зависит от количества сжигаемого в единицу времени топлива. Если увеличить количество топлива, подаваемое в камеру сгорания, то ему может не хватить воздуха. Если обеспечить это количество воздуха, например принудительной его подачей, то возникает вопрос, как направить полученное тепло на нагрев воды. То есть после какого-то предела полученное тепло начинает расходоваться впустую.
Получается, что котелок – это инструмент для отбора тепла от горелки и дальнейшей его передачи жидкости. Не существует КПД горелки – есть общее КПД горелка+котел. На этом и строятся газовые системы приготовления пищи типа MSR Reactor – сколько кДж тепла выделилось от горения газа в единицу времени и сколько процентов из этих кДж удалось направить в воду или снег внутри котла.
Почему решения в газовых системах не тождественны бензиновым? Газу необходимо меньше воздуха, смешивается он с ним лучше, как следствие смешивание гораздо меньше зависит от уровня подачи топлива (мощности горелки), при этом теплота сгорания у бензина излишне выше. То есть мы упираемся в невозможность за адекватные деньги и адекватную надежность палить меньше бензина и при этом забирать у него тепло с тем же КПД.
