Natural draft for better biomass burning cookstoves
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Verhaart, P. (1988). Natural draft for better biomass burning cookstoves. In Advances in solar energy technology
: proceedings of the biennial congress of the International Solar Energy Society, Hamburg, FRG, 13-18
September 1987. Vol. 3 / Ed. W.H. Bloss, F. Pfisterer (pp. 2302-2306). (ISES solar world congress; Vol. 10).
Pergmaon Press.
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Published: 01/01/1988
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ii
. I i j r t
:ï'ii
2 3 0 2
S e s s i o n 5 . 2 .
NATURAL
DRAFT FOR BETTER
BIOMASS
BURNING
COOKSTOVES
P . V e r h a a r t F a c u l t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , E i n d h o v e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , P . 0 . B o x 5 1 3 , 5600 MB E i n d h o v e n , N e t h e r l a n d s ABSTRACT r n t h e l a b o r a t o r y o f t h e w o o d b u r n i n g S t o v e G r o u p a t t h e E i n d h o v e n u n i v e r s i t y o f r e c h n o l o g y , m u c h o f t h e r e s e a r c h e f f o r t j . s focussed on developing stoves in w h i c h t h e w o o d f u e l i s c o m p l e t e l y b u r n e d . T h e p r o d u c t s o f c o m p l e t e w o o d com-b u s t l o n , c a r b o n d i o x i d e a n d w a t e r v a p o u r , p o s e n e i t h e r p o l l u t i o n n o r h e a l t h p r o b l e m s t o e l t h e r u s e r o r s u r r o u h d i n g s . T o b r i n g a b o u t c l e a n c o m b u s t i o n , n o v e l w a y s o f c o n d u c t i n g t h e b u r n i n g p r o c e s s are being developed, s u c h t h a t t h e e v o l u t i o n o f v o l a t i l e s c a n b e k e p t u n d e r c o n t r o l and air can reach t h e p l a c e s w h e r e j . t i s n e e d e d . T h e s o l e m o t i v e f o r c e available f o r n o v i n g a i r o r c o m b u s t i o n g a s e s i s n a t u r a l d r a f t . r n t h i s p a p e r a n u m b e r of experimenial w o o d b u r n i n g c o o k s t o v e s í s d i s c u s s e d , in which use is made of natural d r a f t .
KEYl^/ORDS
B i o m a s s f u e 1 , n a t u r a l d r a f t , w o o d b u r n i n g c o o k s t o v e s , clean combustion.
INTRODUCTION
w o o d b u r n l n g c o o k s t o v e s , d e s i g n e d a t u n i v e r s i t i e s , t o b e u s e d i n d e v e l o p i n g c o u n t r j - e s s h o u l d i d e a l l y u s e l e s s w o o d t o a c c o m p l i s h a given cooking job t h a n t h e t r a d i t i o n a l s t o v e s t h e y p r e t e n d t o i m p r o v e upon. rn addition, t h e i n p r o v e d s t o v e s s h o u l d p r o d u c e l e s s e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n a n d b e u s e r f r i e n d l - y , t o u s e a m o d e r n c l i c h e . N e x t t o t h e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p È i o n , t h e p o l l u t i o n a s p e c t h a s r e c e i v e d a f a i r d e a l o f a t t e n t i o n i n t h e E i n d h o v e n b a s e d w o o d -b u r n i n g s t o v e G r o u p . T h e s o l u t i o n i s s o u g h t , n o t i n c h i m n e y s ( t h a t only bring t h e p o l l u t i o n o u t o f t h e h o u s e i n t o t h e e n v i r o n r n e n t ) , but in clean combustion. T h e r e i s n o r e a s o n w h y w o o d , p r e d o m i n a n t l y c o n s i s t i n g o f t h e n o n p o i s o n o u s c h e m i c a l e l e n e n t s C a r b o n , H y d r o g e n a n d O x y g e n , s h o u l d n o t b e c a p a b l e o f b u r n i n g u p c o m p l e t e l y ( e x c e p t f o r the ash), p r o d u c i n g s u c h n o n p o l l u t i n g s u b s t a n c e s a s c a r b o n d i o x i d e and water vapour. T h e q u e s t f o r c l - e a n c o m b u s t i o n 1 s a t e c h n o l o g i c a l c h a l l e n g e .
s i n c e g o o d c o m b u s t i o n is a matter of t.he right t e m p e r a t u r e , t r a n s p o r t o f a i r t o t h e c o m b u s t i o n z o n e , m i x i - n g o f f u e l a n d o x i d a n t and removal of combusÈion p r o d u c t s , p a r t o f t h e solutlon h a s t o d o w i t h i n d u c i n g f l o w in gases.
Extrane-S e s s i o n 5 . 2 . o u s m e a n s f o r m o v i n g a i r a n d c o m b u s t i o n g a s e s b e i n g a b s e n t ' a l l . g a s f l o w m u s t I " - i n a u . " a t h r o u g h n a t u r a l d r a f t . T h i s p á p e r d e s c r i b e s s o m e o f t h e a E t e m p t s b y t h e g r o u p t o r e a l i s e c l e a n c o m b u s t i o n o f w o o d '
]URNING
COOKSTOVES
lindhoven Unj.versity
i, 5600 MB
Lnds
u p a t t h e E i n d h o v e n University o c u s s e d o n d e v e l o p i n g stoves inp r o d u c t s of complete wood cour-e n cour-e i t h cour-e r p o l l u t i o n n o r h e a l t h b r i n g a b o u t c l e a n c o m b u s t i o n , r e b e i n g d e v e l o p e d , s u c h t h a t control and ai-r can reach the r c e a v a i l a b l e f o r m o v i n g a i r o r r a n u m b e r o f experimental wood s m a d e o f n a t u r a f d r a f t . r v e s , c l e a n c o m b u s t i o n . W o o d i s n a l d r y e x p e l l e d b e h i n d r o u g h l y WOOD AS A FUEL a d i f f i c u l t f u e l f o r t h e f o l l o w i n g r e a s o n . R o u g h l y 8 0 7 o f t h e o r i g i -m a s s o f w o o d , u p o n h e a t i n g t o á m o d e r a t e t e m p e r a t u r e o f 2 5 A - C i s i n t h e f o r m o f g à s e s , u a p ó u r s a n d f i n e l y d i v i d e d d r o p l e t s , l e a v i n g a s o l i d r e n a i n s à a l 1 e d c h a r c o a l . T h e s o c a 1 1 e d v o l a t i l e s r e p r e s e n t 6 0 7 " o f t h e o r i g i n a l c o m b u s t i o n v a l u e o f t h e w o o d ' AVAILABLE DRAFT c h i m n e y d r a f t i s t h e u n d e r p r e s s u r e r e s u l t i n g f r o m t h e d i f f e r e n c e i n w e i g h t o f á v e r t í c a l c o l u m n o f c o m b u s t j - o n g a s a n d a n e q u a l l y t a 1 1 c o l u m n . o f a m b i e n t a i r . ó l a s s i c a l l y c h i r n n e y d r a f t i s u = " á t o d r a w a Í r i n t o t h e c o m b u s t i o n s p a c e o f t h e s t o v e a n d , a f t e r p a r t o f t h e h e a t o f c o m b u s t i o n i s u s e d , t o e x p e l 1 t h e c o m -b u s t i o n g u á i n t o t h é e n v i r o r u n e n t , s o m e d i s t a n c e a w a y f r o m t h o s e e n j o y l n g t h e f i r e . I
S p e c . C h i m n e y d r o f t ( 8 7 0 8 2 6 )
9.5 2t x CO2' q. d.dt vs gEtEttP'È
t .E j'r'.
,taí/
t/,u
*
,t"/*
2'
7 @ m m t f f i O.s te,'ràture ' À C . - m O , t - sI
i*l ,
t - & t u t ' & L e s , t o b e u s e d i n d e v e l o p i n g ; 1 i s h a g i v e n cooking job t h a n r p o n . I n additlon, t h e i m p r o v e d - i o n a n d b e u s e r f r i e n d l y , t o : 1 c o n s u m p t l o n , t h e p o l l u t i o n i n t h e E i - n d h o v e n based Llood-r t i n c h i . Llood-r n n e y s ( t h a t only bLlood-ríng r e n t ) , b u t 1 n c l e a n c o m b u s t i o n . , s i s t i n g o f t h e n o n p o i s o n o u s , s h o u l d n o t be capable o f p r o d u c i n g such non polluting T h e q u e s t for clean combustion e m p e r a t u r e , t r a n s p o r t o f a i r d a n t a n d r e m o v a l of combustion d u c i n g f l o w in gases. Extrane-F i g . 1 . S p e c i f i c c h í m n e y d r a f t f o r g a s t e m p e r a t u r e s t o 1 4 5 0 C . T h e t o p p a i r o f c u r v e s i s f o r s e a l e v e 1 , t h e u p -p e r c u r v e o f e a à h -p a i r i s f o r a n a m b i e n t t e m -p e r a t u r e o f 2 0 b , t h " l o w e r f o r 3 0 C . T h e m i d d l e p a í r o f c u r v e s i s - f o r a n . i t i t u d " o f 2 0 0 0 , w h i l e t h e l o w e s t p a i r i s f o r a n a l L i t u d e o f 5 0 0 0 m . T h e p r i n c i p a l v a r i a b l e s i n d r a f t a r e t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e h e i g h t o f t h e c o l u m n . A s i m p l e e x p r e s s i o n w a s d e r i v e d , g i v i n g t h e s p e c i f i c d r a f t ( P a s c a l p e r m e t e r v e r t í c à 1 c h i m n e y l e n g t h ) a s a f u n c t i o n o f a m b i e n t t e m p e r a t u r e ' g a s t e m p e r a r u r e a n d a l g i t u d L . A s - t h e d r a f t a l s o d e p e n d s o n t h e c o m p o s i t i o n o f t h e g u ; , n u r n e r i c a L v a l u e s i n t h e f o r m u l a w e r e t a k e n f r o m s t o c h i o m e t r i c c o m b u s t i o n ! . " ' o f p u r e c a r b o n . T h i s g i v e s t h e w o r s t c a s e c o n d i t i o n ( d e n s e s t ' a s e . g . ï " u " t " p " à i f i c d r a f t ) f o r m o s t c o m b u s t i o n g a s e s o n e i s 1 i a b l e t o c o m e a c r o s s .2 3 0 4
S e s s i o n 5 . 2 .
q = 3 1 5 3 . i 4 ( L / T a - 1 . 0 8 7 5 / T g ) e x p ( - 0 . 0 3 4 0 0 3 2 / T a ) W h e r e : q s p e c i f i c d r a f t T a A m h i e n r t c m D e r a t u r e T g L e m p e r a t u r e o f h o t 8 a s z a l t i t u d e F i g . 2 T u b u l a r s t o v e ( i ) r a l m C e l s i u s C e l s i u s m T h e r e i s o n e o t h e r c a s e w e c a n c o m e a c r o s s , e s p e c i a l l y i n n e w e r S t o v e s v í z l h e s p e c i f i c d r a f t o f h o t a Í r . E q u a t i o n ( 1 ) i n t h i s c a s e s i m p l i f i e s t o : q = 3 1 5 3 . 1 4 ( I / T a - 1 / T g ) e x p ( - 0 . 0 3 4 0 o 3 2 1 T a ) ( 2 ) I n F i g . 1 s p e c i f i c c h i m n e y d r a f t 1 s p l o t t e d a g a i n s t g a s t e m p e r a t u r e f o r s e v e -r a 1 a l E i t u d e s a n d a m b i e n t t e m p e -r a t u -r e s EXPERIMENTAL STOVES D u r í n g t h e p a s t y e a r s s e v e r a l e x p e r i m e n t a l s t o v e s h a v e b e e n c o n s t r u c t e d l n w h i c h s o r n e h y p o t h e s i s f o r c l e a n b u r n i n g h r a s t e s t e d . T h e m o s t i m p o r t a n E f a c t t o e m e r g e w a s t h a t c l e a n c o m b u s t i o n o f b i o m a s s o n a s m a 1 1 s c a l e \ { a s p r o v e n a p o s s i b l e d r e a m . I n t h e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n o f t h e i r s a l i e n t f e a t u r e s w e f o 1 1 o w t h e c h r o n o l o g l c a l o r d e r i n w h i c h t h e y w e r e c o n c e i v e d a n d t e s t e d . T u b u l a r S t o v e I n l a t e 1 9 7 9 t h e f i r s t e x p e r i m e n t a l s t o v e h r a s b u i l t w i t h t h e e x p r e s s p u r p o s e o f l o o k i n g i n t o t h e l n f l u e n c e o f s e c u n d a r y a i r w h e n i t i s i n j e c t e d i n t o a s t r e a m o f v o l a t i l e s . T h i s b e c a m e t h e s o - c a l 1 e d T u b u l a r s t o v e . I t c o n s i s t s o f a s t e e l b u r n e r p o t w i t h a p e r f o r a t e d b o t t o m , a d e p t h o f 4 2 O m r n a n d a n i n s i d e d i a m e t e r o f 9 0 m m . A t a h e i g h t o f 2 5 O m f r o m t h e b o È t o m t h e w a 1 1 i s p e r f o r a t e d w i t h s i x r o w s o f h o l e s o f 4 . 4 t w d i a m e t e r . T h e b u r n e r p o t i s l e t i n t o a w i d e r p i p e , c l o s e d a t t h e b o È t o m a n d p r o -v i d e d w i t h t w o i n l e c s s u c h t h a t . t h e l o w e r Í n 1 e t c o n t r o l s t h e p r i m a r y a n d t h e o t h e r c o n t r o l s t h e s e c o n d a r y a i r s u p p l y ( s e e F i g . 2 ) . P r i m a r y a l - r e n t e r s t h r o u g h t h e p e r f o r a t e d b o t t o m t h r o u g h n a t u -r a l d r a f t o f t . h e h o t g a s e s i n t h e b u r n e r p o t . T h e s e c o n d a r y a i r f l o w s u n d e r i t s o w n b o u y a n c y o n b e i n g h e a l e d b y t h e o u t e r w a l l o f t h e b u r n e r p o L a s v e l l a s t h r o u g h t h e n a t u r a l d r a f t o f t h e c o l u r n n o f h o t c o m b u s t i o n g a s e s a b o v e t h e h o l e s i n s i d e t h e b u r n e r p o t . I n t h e e x p e r i m e n t s i t w a s d e m o n s t r a t e d t h a t s e c u n d a r y a í r c a n , u n d e r c Í r c u m s t a n c e s , b r i n g a b o u t c o m p l e t e c o m b u s t i o n o f t h e v o l a t i l e s l i b e r a t e d d u r i n g p y r o l y s í s o f w o o d i n t h e h i g h e r l a y e r s o f t h e f u e l b e d . I t a l s o b e c a m e c l e a r t h a L f a i r l y r a r e l y a 1 l c o n d i t i o n s f o r c o m p l e t e b u r n i n g c o u f d b e m e t . R o c k e t S t o v e E a r l y i n 1 9 8 4 , w o r k b e g a n o n t h e s o - c a 1 1 e d R o c k e t s t o v e , f i r s t b u i l t b y M r . L a r r y W i n i a r s k y a t t h e A p r o v e c h o I n s t i t u t e , ( E u g e n e O r e g o n , U S A ) i n 1 9 8 3 . I n t h i s t a l l s t o v e n a t u r a l d r a f t e n s u r e s v i g o r o u s b u r n i n g . T h e s t o v e c a n b u r nP a / n C e l - s i u s C e l s i u s m r e c i a l l y i n n e w e r s t o v e s ; c a s e s i m p l i f i e s t o : viz the
( 2 )
l a j n s t g a s t e m p e r a t u r e f o r s e v e -E o v e s h a v e b e e n c o n s t r u c t e d ; t e d . T h e m o s t i m p o r t a n t f a c t > n a s m a l 1 s c a l e w a s p r o v e n r o f t h e i r s a l i e n t f e a t u r e s : r e c o n c e i v e d a n d t e s t e d . Í n t o we b u i l t w i t h t h e e x p r e s s p u r p o s e r i r w h e n i t i s i n j e c t e d i n t o a 3 s . T h i s b e c a m e t h e s o - c a l 1 e d c o n s i s t s o f a s t e e l b u r n e r p o t - r ^ - ! L ^ E t . . n m m a n d a n J L L U x r , d u E P L r r ) 0 m m . A t a h e i g h t o f 2 5 O r n f r o m i s p e r f o r a t e d w i t h s i x r o u s o f i a m e t e r . T h e b u r n e r p o t j . s 1 e t c l o s e d a t t h e b o E . t o m a n d p r o -l e t s s u c h t h a t t h e l o w e r i n l e t : r y a n d t h e o t h e r c o n t r o l s t h e l y ( s e e F i g . 2 ) . P r i r n a r y a L r r e r f o r a E e d b o t t o m t h r o u g h n a t u -l L g a s e s i n t h e b u r n e r p o t . T h e u n d e r i t s o w n b o u y a n c y o n b e i n g w a 1 l o f t h e b u r n e r p o t a s w e l l . r r a 1 d r a f t o f t h e c o l u m n o f h o t b o v e t h e h o l e s i n s i d e t h e b u r n e r i m e n t s i t w a s d e m o n s t r a t e d t h a E l n d e r c i r c u m s t a n c e s , b r j , n g a b o u t - r of the volatiles l i , b e r a t e d o f t h e f u e l b e d . I t a l s o b e c a m e n p l e t e b u r n i n g c o u l d b e m e t . ^ ^ 1 , ^ t s - t s ^ , , ^ Í i - - È h . , i l r k , , M r l u g e n e O r e g o n , U S A ) i n 1 9 8 3 . I n s b u r n i n g . T h e s t o v e c a n b u r nS e s s i o n 5 . 2
-c l e a n b u r n i n g s t o v e t h a t -c a n b u r n s t i -c k s ' f a í t L y l o n g s t r a i g h È s t i c k s . P r e l i m i n a r y w o r k p r o v e d t h a t t h i s - s E o v e c a n D e c o n t r o l l e d b y v a r y i n g i h e n u t b u r o f s t i c t s b u r n i n g s i m u l t a n e o u s l y ' I t b u r n s r a t h e r c l e a n a n d r e a c t s q u i c k l y t o o p e r a t j - o n o f i i r e c o n t r o l s ' P e r f o r n a n c e ' i n c l u d i n g c o * b r r s t i o . , , - c o ' i 1 J u L i r n p r à v e d b y f u r t h e r r + o r k . o n ^ l o c a E i o n s f o r a d m i t t i n g s e c u n d a r y a i r a n d o n c o n t ; o l o f p i i t a r y a i r ' . F í g ' 3 s h o w s a n a d -v a n c e d m o d e l t h a t n u " - n o i y e t b e e n b u i 1 t , i n w h i c h t h e p r i m a r y a i r f l o w c a n b e s e t t o b u r n t h e c h a r a t à n a r b i t r a r y r a t e , p r o v i d i n g a n a m b i - e n c e o f h o t g a s i J r - . n . r . i n g t h e s t i c k s . A i r , w a r m e d i n t h e a n n u l a r s p a c e b e t w e e n t h e i n n e r a n d o u t e r p i p e i s a i r e c t e d i n t o t h e v o l a t i l e s g e n e r a t e à b y t h e s t i c k s ' T h i s s t o v e c e r t a i n l y m e r Í t s i u r t h e r i n v e s t i g a t i o n a s i t a p p e a r s t h e o n l y r e a s o n a b l y g . 3 R o c k e t s t o v e r t t s ' $ n f , s s È A l d e s t o v e ' . . I n t h e S u n m e r o f l g 8 4 t h e s o c a l l e d A l d e s t o v e w a s d e s i g n e d , i n w h i c h t h e c o n c e p t o f s t a g e d c o m b u s t i o n o f v o l a t i l e s i s u s e d , j u s t a s i E i s s u p p o s e d t o occur j-n the murtj-wic;-k;;;;.t. burners (Romp 1937). The primary air flows-up . t h r o u g h t h e g r a t e u n d e r i n f l u e n c e o f t h e n a t u r a l d r a f t i n t h e b u r n e r p o t . T h e s e c o n d a r y a i r r i s e s - à s á i . " " r t o f a b s o r b i n g h e a t f r o r n t h e o u t e r w a l 1 o f t h e b u r n e r p o t . T h e s e c o n á á r f a : - r i s s p l i t - i n t o i w o p a r t i a l f l o w s ' o n e r i s i n g i n t o t h e c e n t r a l u i . p r . p " l i á i " " u u f r à m t h e p e r f o r a i i o n s i n t h e c e n t r a l c y l i n d e r ' t h e o t h e r g o i n g a o i n " p e r f o r a t e d p a r t . o l t h e b u r n e r p o t w a l l ' E x p e r i m e n f , s ' b u r n i n g w o o d , s h o " e d E i r e s t o v e ' s à a p a b i l i t y o f c l e a n b u r n i n g ' H o w e v e r ' t h e s t o v e n e e d s v e r y c a r ; i u l t e n d i n g a n d t h e r a n g e o f c o n t r o l - a p p e a r s p o o r . D u r i n g c l e a n b u r n i n g a p a n c a n b e p l a c è d o n t h i s s t o v e w i t h o u t b l a c k e n i n g ' D o w n d r a f t S t o v e I n 1 9 8 5 a n i m p r o v i s e d s t o v e w a s b u j - 1 t a n d u s e d t o t e s t s o m e a s s u m p t Í o n s c o n c e r n i n g d o w n d r a f t c o m b u s t i o n o f w o o d o n a g r a t e ' E n c o u r a g e d b y t h e t e s t r e s u l t s , a n e x p e r i m e n t a l d o w n d r a f t s t o v e w a s b u i l t l n 1 9 8 6 , F i g . 5 s h o w i n g i t s m a i " n f e a t u r e s . w h e n t h e s t o v e i s i n o p e r a t i o n , t h e c h i n n e y - d r a f t l n d u c e s a Í r t o f l o w d o w n w a r d t h r o u g h t h e f u e l b e d S u p p o r t i n g c o Í [ b u s t i o n o f t h e f u e l o n t h egrate. The fire on ;he grate 1s of such intensity that the coÍnbustion zone F i g . 4 A l d e s t o v e
