Содержание
Теоретическая часть
Здесь много букв. Поэтому, если что (например, если с буковками у вас все сложно) - переходите к следующему разделу ))
Итак, настоящая статья представляет собой дальнейшее развитие материала про физику работы бензиновой горелки.
Впрочем, зачем нужна вся эта муть, если существуют эмпирические формулы расчета топлива?
Вопрос неоднозначный. Сам я в первую очередь практик, и руководствуюсь как раз эмпирическими формулами. Для большинства случаев их вполне хватает, и большего не требуется. Сравнительные исследования мне нужны только для общего понимания, какой котелок лучше всего подойдет под одиночные зимние походы, и почему я трачу именно столько топлива, и не больше или меньше. И что нужно делать, чтобы расходовать меньше, но никак не больше. Мне хочется понять, почему мои эмпирические формулы именно такие, и есть ли варианты их пересмотреть. Да, они подтверждены многими походами, но чтобы ужаться по расходу топлива еще дальше, необходимо залезть глубоко в задницу теории. Ну а потом выбраться оттуда ))
Сама по себе теория без практики представляет собой обыкновенную чушь. Лучше заблуждаться и ходить в походы, чем разглагольствовать чужими словами, сидя на диване. Но на каком-то определенном этапе наше развитие, как специалистов, без теории становится невозможным. Главное, связать эту самую теорию с практикой и не уйти потом от походов к дивану.
Итак, ранее, в той самой статье про физику работы бензиновой горелки мы выяснили, что в определенный отрезок времени горелка сжигает определенное же количество топлива. Задача котелка с водой или снегом, или иной субстанцией, захватить как можно больше тепла от сгораемого топлива и за счет этого нагреться.
Таким образом, подбирая котелок, нам нужно изо всех сил помогать отбирать тепло и изо всех сил не мешать тепло отбирать )) То есть мы можем сделать как хуже, так и лучше.
Почему бензин? Потому что там, куда я хожу зимой, газ не работает. А если работает, то плохо. По весу и объему он мне тоже невыгоден. Однако сразу предупреждаю - газоводам весь материал ниже будет по большей части бесполезен. С появлением газовых систем приготовления пищи мир вообще упростился донельзя, и жить в нем стало не так интересно ))
При дальнейшей выкладке результатов тестов я буду ориентироваться исключительно на одиночную готовку, соответственно все мои эксперименты направлены только и только на посуду для одиночного перемещения по маршруту.
Начнем с условий.
В отличие от газовой, бензиновая горелка никогда не работает в постоянном режиме. В ней всегда что-то не так. Например, давление во фляге. Даже если налить один и тот же уровень топлива для каждой готовки, и сделать одно и то же количество качков насосом, давление во фляге будет разным. От этого мы можем получить разброс по времени готовки секунд тридцать.
Далее идет погрешность на температуру топлива во фляге, температуру воды или состояние кристаллов снега, температуру воздуха, ветер, крышку (при низких температурах или ветре), стоит или нет ветрозащита, насколько мы повернули до упора вентиль подачи топлива, а также степень загрязнения форсунки, топливопровода и количество сажи на рассекателе пламени.
Так как во многих горелках есть трубка предподогрева топлива, то можно заметить некоторое смещение пламени от центра горелки. Котелки с маленьким по диаметру дном, а также радиаторные котелки, могут быть очень чувствительны к точности постановки на горелку. И наоборот, часть котлов индифферентна к установке от слова полностью – лишь бы не падали.
Как мы увидим далее, даже в условно лабораторных условиях – в запертой изнутри комнате – невозможно добиться одинаковых результатов от одной готовки к другой. Поэтому я настоятельно рекомендую всегда скептически относится в разовым замерам времени на кипячение и расход топлива (в том числе к моим), и еще более скептически к цифрам от производителя. Даже практический расход топлива с расчетами за весь поход может сильно отличаться от маршрута к маршруту.
В своих тестах, результаты которых я буду приводить ниже, я всегда доливаю во флягу с топливом бензин до верхней отметки, и всегда, если это не оговорено отдельно, совершаю одно и то же количество качков насосом - этим самым я минимизирую влияние давления во фляге на скорость закипания.
Взвешивание фляги с топливом и воды в котелке производится кухонными весами. Количество воды в котелке от -1 до +10 мл (принимаем 1 мл=1 гр).
Точность измерения веса топлива в районе грамма – немало, но так как замеров в каждой серии тестов тоже несколько, то все нормально.
Температура воздуха в комнате измеряется на уровне 1 см от пола или стола, то есть от того уровня, на котором стоит горелка.
Температура воды перед кипячением измеряется каждый раз индивидуально. Изначально я хотел +5 градусов, но мой холодильник и вода в трубах живут собственными понятиями о температурах, поэтому ничего постоянного мне добиться не удалось. Всегда есть некоторый разбег по температурам воды на старте кипячения, но за счет нескольких испытаний в каждом тесте средние значения все нивелируют. Тем не менее, в протоколах указана температура воды в каждом испытании, и это может быть интересным.
Сложнее оказалось с температурой кипения. Какую температуру считать кипятком?
Один из вариантов – сделать по общей методике тестирования, то есть считать температуру кипения 97 градусов. Но так как я делаю сравнительное тестирование в первую очередь под себя, то на основе нескольких экспериментов выяснил, что безусловно, в визуальном режиме, у меня не остается никаких сомнений, что вода кипит, при 95 градусах.
Кажется смешным, но ведь в походе я сниму котелок с горелки в это время однозначно и без вариантов.
То есть, большую часть тестов я выполняю при нагреве воды до 95 градусов.
Тем не менее, эксперименты, опять же, показали, что в походе я часто снимаю котелок с горелки при температуре воды в диапазоне от 80…90 градусов. Причина лежит в постоянной экономии топлива на маршруте, так как я беру его в обрез.
Вместе с тем, для современных продуктов бывает достаточно температуры в 70 градусов – и этот аспект мы тоже обязательно рассмотрим.
Интересно также, что визуальная оценка степени кипения в разных котлах отличается, и ошибка оценки температуры легко может достигать 10…15 градусов, если мы говорим о температурах до 90 градусов.
Температура воды в котле разная в разных же точках его объема. Я измеряю температуру в центре зеркала воды в котле, на глубине примерно 1 см. Как правило, после выключения подачи топлива, температура по мере перемешивания воды при кипении повышается до 96...97 градусов.
Еще сложнее с объемом.
Традиционно в тестах кипятят литр воды. Однако для практических изысканий этот литр мне как-то слабо нужен, даже для отправной точки.
Я обратился к своим записям по зимнему Полярному Уралу предыдущего сезона, как к наиболее подробным в зимнем отношении.
За 20 дней маршрута я делал кипяток 35 раз.
Из этих 35 раз: 21 раз я делал 1,1 литра кипятка; 3 раза 1,2 литра; 3 раза 1,3 литра; 2 раза 1,35 литра; 2 раза 1,25 литра; 2 раза 0,85 литра; 1 раз 1 литр и 1 раз 0,65 литра.
Максимальное количество кипятка за раз составило 1,35 литра; среднее 1,12 литра; медианное (и самое важное) – 1,1 литра.
Если разделить количество кипятка на три группы, то получится маленькая группа с кипятком до литра (0,65; 0,85; 0,85; 1,0), большая группа 1,1 литра (21 прием пищи) и средняя группа от 1,2 до 1,35 литра (10 приемов пищи).
Маленькая группа из четырех приемов пищи является несущественной и представляет собой скорее шумовые значения.
По второй группе все ясно – это наиболее часто повторяющееся за весь поход значение 1,1 литра.
Третья группа самая интересная. Десять близких значений – это треть от общих количеств готовки (если четыре значения из первой группы принимать за шум, то по идее эти значения могли попасть с равной долей вероятности в любую из двух оставшихся значимых групп).
Медиана в третьей группе – 1,275 литра, округленно 1,3 литра.
Теперь подойдем с другой стороны.
Общее количество воды, которое я употребил на маршруте, является немного недостаточным для моего рациона в 450 гр/сутки и собственного веса в 68 кг. Соответственно, по окончании маршрута я имел легкое обезвоживание. Количество в 2,4…2,5 литра в сутки было бы более оптимальным. Вместе с тем, при повышении калорийности или переходе на рацион близкий к 500 граммам, количество воды в идеале должно подойти к 2,7 литра, либо к 2,4…2,5 литра при легком обезвоживании.
Если связать эти выводы с предыдущими, то имеет смысл для одиночки с моим режимом питания на маршруте рассматривать цифру в 1,3 литра как основную, которую и использовать при тестировании для сравнения разных систем.
С учетом топки снега и возможных крайних значений изготавливаемого за раз кипятка, котелок должен быть объемом (если смотреть «до краев») от 1,6 до 2,0 литра. Конечно, котелок в 1,6 литра занимает в рюкзаке меньше места, чем 2,0 литра, однако не факт, что он будет экономичнее по топливу при топке снега, плюс в маленьком котелке в принципе неудобно топить снег.
В общем, в основном я рассматриваю объем именно в 1,3 литра, если это не оговорено отдельно.
Дополнительный бонус – на 1,3 литра точнее считается расход топлива, чем на 1,0 литра ))
Кстати, да - расход топлива везде считается вместе с расходом на прогрев горелки.
Титановый Toaks 1.6 литра и китайская салатница. Наглядная демонстрация, какой результат обеспечивает разница в давлении внутри фляги с топливом.
Для начала проведем серию тестов титанового котелка Toaks объемом 1,6 литра. Это один из последних приобретенных мною котелков для зимы. Он имеет очень хорошее, как мне кажется, соотношение диаметра дна к высоте котелка, а потому потери тепла в стороны и вверх за счет испарения у него должны быть оптимальны. Вместе с тем, его вполне удобно переносить в рюкзаке по размерам. Что насчет емкости, то я считаю 1,6 литра нижним пределом объема котла для одиночки под зиму (еще раз напоминаю - имеются в виду длительные серьезные маршруты).
Прокомментирую титан, как материал: при подобной толщине котелка абсолютно до фонаря, титан это, алюминий или нержавейка. Единственное, что действительно хреново проводит тепло при такой толщине - пластмасса. Мне как-то довелось готовить пару раз суп в футляре фотоаппарата "Зенит", за неимением другой посуды. Вот это действительно было интересно, своеобразно и долго ))
Итак, проведем серию из 9 испытаний, при этом испытания № 1 и №9 будут при низком давлении во фляге, №2 и №8 при условно недостаточном.
Какие выводы мы отсюда можем сделать? Физику не обманешь, и при лабораторных условиях пониженное давление приводит только к увеличению временных затрат, но сохраняет расход топлива на том же уровне.
На практике мы столкнемся с другим эффектом (и еще раз отмечу - под практикой мы везде подразумеваем только и только зимние условия) - при пониженном давлении расход топлива будет выше, нежели при нормальном. В лабораторных условиях и положительных температурах у нас система находится в некоей точке равновесия - потери тепла от системы сравнительно невысоки, и не способны качественно влиять на расход. Температура в комнате у нас +23...+24 градуса, и по сути потерь тепла в стороны от котла с водой нет. Однако при -35, когда температура воздуха будет на 60 градусов ниже, потери тепла появятся, особенно через верх котла. Да, разница будет, на первый взгляд, небольшой, всего 3 или чуть более грамма топлива... за одну готовку. Умножьте на весь поход в двадцать дней и два приготовления пищи в день, получим 120 грамм в минус - только за счет какого-то несчастного давления.
Вы можете возразить - 120 грамм, это совсем немного. Да, это так - если мы заранее учли этот момент, и взяли на 120 грамм больше. Однако где взять эти граммы, если мы взяли топлива как положено, но просто расходуем больше из-за невнимательности, или неисправности горелки.
Отдельным пунктом здесь стоят рукожопные горелки, типа Fire-Maple. Дубеющие на морозе прокладки способны хоть как-то держать только низкое давление. Вкупе с крайне неудачными конструкциями (плохой подсос воздуха, неоптимальное удаление рассекателя пламени от дна котелка) и качеством изготовления (шлак от пайки и заусенцы в трубопроводе) это обеспечивает большой перерасход топлива. Особенно если еще использовать какой-нибудь небольшой радиаторный котелок.
То есть, мы всегда должны поддерживать оптимальное давление во фляге с топливом. С опытом это несложно. 20 качков на верхней отметке, 30 при трети заполненности фляги, и больше при почти пустой. При топке снега имеет смысл в середине процесса (перетопили нужный объем в воду и осталось закипятить) подкачать 5-10 качков, в зависимости от уровня.
Важно: низкое давление во фляге и прикрытый вентиль подачи топлива - абсолютно разные вещи. При низком давлении и полностью открытом клапане подачи топлива у нас топлива из форсунки выходит много, но с низкой скоростью. Из-за этого уменьшается подсос воздуха внутрь камеры сгорания (отсутствует или слабо выражен эффект Бернулли), плюс топливо хуже смешивается с воздухом, поступающим в камеру сгорания за счет разности давлений. При хорошем давлении, но малой подаче топлива, смешивание топлива с воздухом происходит очень хорошо (возможно, даже лучше чем при максимальной подаче топлива), но подсос воздуха в камеру сгорания тоже снижен - но все же лучше, нежели при низком давлении. В обоих случаях горелка работает не совсем стабильно, и потери тепла в стороны за пределами лаборатории высоки. НО - во втором случае мы расходуем меньше топлива, чем в первом (при примерно одинаковом времени), так как топливо сгорает лучше, а выходит через форсунку его меньше. Мы убедимся в этом в следующей части, где будем сравнивать радиаторный котелок с безрадиаторным.
Теперь протестируем самодельный котелок, из китайской салатницы, выполненной из нержавейки.
Это мой любимый котелок, которым я пользуюсь уже много лет. На само деле их у меня было два, но один из них в конце концов прогорел.
Этот котелок имеет конусовидное дно, и изначально предназначался больше под костер. Я долго считал его более экономичным под горелки, чем котлы с плоским дном.
Я выполнил всего четыре испытания. Все четыре легли с минимальным разбросом по времени (всего 24 секунды) и с полным отсутствием разброса по расходу топлива. Дальше я просто не стал продолжать.
Как мы видим, расход здесь слегка больше, чем на титановом Toaks. Когда я проводил в прошлом году полевые испытания, то Toaks оказался так же более экономичным. Я думаю, что в котелке из салатницы выше потери тепла через верх, на испарение, и в полевых условиях это было видно более отчетливо, хотя там у меня не было точного термометра для воды и оценивал я субъективно.
Что касается веса, то котелок из салатницы весит 227 грамм (без крышки и без чехла), а титановый Toaks 167 грамм без крышки и костровой дужки. Крышка весит еще 34 грамма. То есть, налицо выгода как по весу и занимаемому объему, так и слегка по расходу топлива.
Титановый кан Роза Ветров 1,8 литра
Существует мнение, что кан ест больше топлива, чем обыкновенная кастрюля с круглым дном. Особенно, если это титановый кан. Дескать, это связано как-то с физикой.
Давайте безотлагательно проверим.
Упс... Не так уж и плохо, верно? Получилось лишь на полграмма хуже, чем у котелка с конусовидным дном из нержавейки.
Почему так?
Во-первых, котелок маленький. Если это будет кан на 3 литра, разница возрастет. Во-вторых, этот маленький котелок я правильно поставил на горелку. Даже на фото видно как он смещен и слегка повернут. По опыту стольких кипячений я уже знаю, как именно смещено пламя на этой горелке.
На улице расход топлива на таком маленьком котле, умеючи, по сравнению с котелком с круглым дном, не возрастет, и разница останется пропорциональной. А вот на больших котлах по мере увеличения объема котла дельта расхода топлива начнет уходить в отрыв.
В нашем случае, то есть в случае с маленьким котлом, огонь от горелки неплохо прогревает и его стенки. На большом котле такого не произойдет - горелки станет маловато. Дно при этом не будет прогреваться полностью (слишком длинное), а широкие стенки в верхней своей части станут хорошо охлаждаться. Поэтому в старые добрые времена под большие каны ставили два примуса, сверху накрывали их стеклотканью, и все было просто прекрасно ))
Отсюда делаем следующие выводы:
- Маленький кан не дает прям большого перерасхода топлива для одиночки, и в районах, где на горелке мы готовим разово, а по большей части готовим на костре, кан очень выгоден. Но если мы готовим только на горелке, то лучше подобрать подходящий котелок с круглым дном. Как минимум в него значительно удобнее заталкивать снег.
- Большой кан кипятить на одной горелке идея так себе. Будет долго, может даже мучительно.
Удобство же небольшого кана в горно-таежной одиночке заключается в его оптимальном переносимом объеме. Весит Роза Ветров без крышки 235 грамм. А крышка ему особо-то и не нужна, если только не готовить в палатке.
В чем кан может быть сильно неудобен? У него сварные швы по дну, и если замораживать в нем с вечера на утро воду, то в конце-концов они не выдержат. У меня такое уже бывало. Стальные каны, кстати, в этом отношении живут сильно дольше, чем титановые - растяжимость материала разная.
Алюминиевая кастрюля из хозмага
Вчера утром титановый Toaks 1,6 литра стоил 7140 руб, в Спортмарафоне. При этом максимальная скидка у СМ была ограничена 10%.
В хозяйственном магазине вчера утром алюминиевый ковшик 1,6 литра с крышкой стоил 570 рублей. Это... это намного дешевле Toaks, раз в десять или даже больше )) При этом крышка у этого алюминиевого чуда гораздо, гораздо лучше, чем у Toaks. Вес сего девайса 242 грамма вместе с ручкой и еще 56 грамм крышка. Ручку можно спилить и сделать другую, крышку тоже как-нибудь доработать. Получится ненамного тяжелее, чем титановый Toaks, зато чрезвычайно бюджетно.
А что насчет расхода топлива? Ведь при равном объеме алюминиевый ковшичек ниже, и имеет дно бОльшего диаметра. Поможет ли это быть ему более выгодным? Я думаю, что да. Диаметр дна котла у Toaks 147 мм, а у алюминиевого ковшика 164 мм. По идее, КПД у ковша должно быть выше, так как у Toaks пламя слегка заходит на стенки.
Кстати, за счет бОльшего диаметра котелок из ковшика носить в рюкзаке будет не так удобно. Но, думаю, общий мой посыл понятен - за счет экономии топлива и мешка денег лично я готов его таскать. Toaks, правда, у меня уже есть, но если ковш поможет сэкономить топливо, то почему бы и нет?
В первом испытании время вышло шумовым значением. Почему я не считаю это отклонением, а считаю шумом? Думаю, если бы это было отклонением, то расход топлива бы тоже изменился. В данном случае у нас получилось либо слабое давление в котле, либо забилась горелка. После испытания я почистил горелку и осмотрел насос. Верхняя гайка насоса была ослаблена, и видимо это и обеспечило слабое давление.
Как видно из протокола испытаний, расход топлива и, по сути, время, полностью идентичны котлу Toaks. Таким образом, после какого-то диаметра его влияние на повышение эффективности отбора тепла перестает иметь значение. При дальнейшем повышении диаметра расход должен будет увеличиваться, в том числе за счет бОльшей поверхности испарения.
Насчет же экономии денег - спиливаем ручку от ковшика и либо делаем самодельную, либо покупаем на Али-Бабе дешевенький чапельник. Будет отличный котелок для бензиновой горелки, с весом грамм на 50-60 больше титанового - что для большинства походников несущественно.
Радиаторные котелки мы рассмотрим в следующей части исследований.
Котелок и бензиновая горелка: расход топлива и время. Часть 2.