P9150174

Creative Commons-Licentie Batch Box Rocket door Peter van den Berg

is beschikbaar onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationaal licentie

Materialen

Wat materialen betreft is er van alles mogelijk. Chamotte steen, vuurvast beton, klei - al of niet gecombineerd.
(lees meer

Metaal

Bij een houtkachel denkt menigeen aan een metalen kachel. Maar dat gaat voor de Batchrocket niet op, tenminste: niet wat betreft de kern. De temperaturen daarin worden zo hoog, dat metalen onderdelen het niet lang uithouden.
(lees meer)

Maatvoering en schaalbaarheid

De geteste versie uit 2012 is er één met een riser-diameter van 150 mm. Maar ook andere groottes zijn heel goed mogelijk.
(lees meer)

Zelf bouwen: metselen

Je hoeft geen specialist te zijn om een Batchrocket te kunnen bouwen. Met wat technisch inzicht, en met materialen die overal verkrijgbaar zijn is een goed resultaat heel goed mogelijk.
(lees meer)

Zelf bouwen: gieten

Dat kan met vuurvast beton, een materiaal dat bestaat uit aluminium cement en onder andere gemalen chamotte als toeslagstof. Er moeten mallen voor gemaakt worden, het beton moet met zo weinig mogelijk water aangemaakt worden en er is een triltafel voor nodig om het materiaal te verdichten.
(lees meer)

Bell theorie

In het hoofdstuk "Toepassingen" zal vaak het woord "bell" voorkomen. In dit artikel wordt uitgelegd wat het is, hoe het werkt en waar het voor wordt gebruikt.
(lees meer)

Bell formaat

Een bell kan niet limietloos groter gemaakt worden, dit artikel legt uit hoe de omvang mee te schalen met de batch rocket.
(lees meer)

Materialen

Er zijn allerlei combinaties mogelijk om deze verbrandingskamer te bouwen. Bijvoorbeeld van chamotte stenen al dan niet met een echte vuurvaste mortel gemetseld of juist een mengsel van klei en zand. Dunne chamotte stenen of platen die door een metalen frame op hun plaats worden gehouden is ook een mogelijkheid. In een mal gieten van vuurvast beton biedt weer andere voordelen (en helaas ook andere problemen).

Er zijn ook al mensen geweest die een mengsel van klei en perliet hebben gebruikt met een beetje portland cement er doorheen om al een stevig geheel te hebben voordat er gestookt wordt. Tegen de tijd dat de cement het begeeft vanwege de temperatuur zou de klei al redelijk stevig moeten zijn. Er zijn ook al een paar gebouwd van alleen maar leem met korte plantaardige vezels er doorheen voor de sterkte. En als laatste: isolerende vuurvaste stenen, dat is helemaal ideaal vanuit de verbranding gezien. Heel weinig massa om op te warmen en sterk isolerend maar als nadeel gevoelig voor beschadigingen.

Voor zover de constructie zelf niet isolerend is dient in elk geval rond de riser isolatie aangebracht te worden. Die isolatie kan overal uit bestaan zolang als het maar hittebestendig is. Perliet en vermiculiet zijn prima, vooral de wat grovere soorten gemengd met wat klei en een beetje water om uitzakken te voorkomen. Maar ook keramische deken zoals Superwool kan prima dienen voor dit doel. Wat minder bekend maar toch zeker afdoende zijn de gebakken kleikorrels waar hydrocultuur op groeit zoals Leca.

Al deze bouwsels kunnen stuk voor stuk leiden tot een ding dat ook echt uitstekend werkt en spectaculaire resultaten geeft. Uiteraard zijn er allerlei combinaties mogelijk dus is er een flinke keus.

Metaal

Wat metaal voor de constructieve delen betreft: dat leidt onherroepelijk tot teleurstelling. Het maakt niet uit of het staal is of roestvast staal, in een omgeving met temperaturen hoger dan 760 ºC en een flinke zuurstof overmaat gaat elke normaal verkrijgbare metaalsoort met een sneltreinvaart corroderen. Na elke stook komen er schilfers en plakken af en binnen afzienbare tijd valt er een gat in.

Een van de manieren om dat te ontlopen is de temperatuur laag houden door bijvoorbeeld geen isolatie rond de heetste delen toe te passen maar daarmee komt de complete verbranding in het gedrang. Een andere manier is te zorgen dat er geen zuurstof, m.a.w. lucht, bij het metaal kan komen. Dat vraagt weer om dure coatings of een zo kleine lucht toevoer dat er vrijwel geen zuurstof meer is om met het metaal te reageren. Ook deze mogelijkheid is tamelijk lastig te bereiken omdat door gebrek aan zuurstof de kwaliteit van de verbranding kan teruglopen met opnieuw onvolledige verbranding als gevolg. Voor sommige onderdelen ligt staal wel binnen de mogelijkheden, daar kom ik op terug als dat aan de orde is.

Maatvoering en schaalbaarheid

Het leeuwendeel van de ontwikkeling is gedaan in 2012. Het experimentele model was er een met een 150 mm diameter riser of equivalent. Ook toen al waren er mensen die vroegen naar de schaalbaarheid van het ding. Jim uit Blacksburg, Virginia wilde een kleinere bouwen, niet meer dan 10 cm riser diameter. Omdat er wel maten van de 150 mm versie voorhanden waren heeft hij met behulp daarvan een schalings methode uitgewerkt. Hij heeft daarbij een gemeenschappelijke factor gevonden die als een soort basismaat fungeert, alle andere belangrijke maten zijn een veelvoud of een deel van die basismaat. Tot nog toe is het kleinste werkende model dat van Jim, de grootsten zijn onder anderen gebouwd door Radek Stastny uit Tsjechië en Alex Harpin uit Canada, 22 cm exemplaren. De grotere zijn wat consistenter in prestaties dan de kleinere maar de resultaten zijn goed over de hele rij. De basismaat die Jim gevonden heeft is 72,34% van de riser diameter.

Ook als die riser een andere vorm heeft dan rond nemen we daarvoor een cirkel die binnen de vorm past en noemen dat de riser diameter of ook wel de systeem maat. De verklaring voor deze keuze is eenvoudig: een vierkant bijvoorbeeld is veel minder gunstig van vorm dan een cirkel omdat de snel stromende kern in het hart ervan min of meer rond blijft. De hoeken maken de doorsnede wel groter maar de wand oppervlakte ook wat voornamelijk weerstand oplevert. De beste vorm is rond, achthoekig is een goede benadering van rond en vierkant werkt ook maar is echt tweede keus. Rechthoekig is het slechtste van allemaal want er is geen gelijke ruimte alle kanten op om de dubbele vortex rond te laten draaien.

Er zijn zowel in Nederland door Ritsaert Snijder als in de V.S. door Doug Ptacek spreadsheets gemaakt waardoor alleen de riser diameter bekend hoeft te zijn en de rest van de maten rolt er dan uit. De spreadsheet kunt u hier downloaden. Tabellen zijn er ook, dan is er niet eens een computer nodig en is een print op een A4'tje voldoende. Hieronder de tabel van Doug, in inches zowel als in millimeters.

Tabel voor opschalen van de batchrocket

De batchrocket vermating kan ook met de hand gecalculeerd worden, de formule is heel simpel.

Er is een gemeenschappelijke basis maat aan de hand waarvan alle andere maten berekend kunnen worden. Die basis maat is verkregen uit de diameter (fictief of niet) van de riser zoals hierboven uitgelegd.

Basis maat is 72.34% van de riser diameter.
Breedte van de vuurkamer is 2 maal basis.
Hoogte van de vuurkamer is 3 maal basis.
Diepte van de vuurkamer is 4 tot 5.5 maal basis.
Hoogte van de poort is 2.2 maal basis.
Breedte van de poort is 0.5 maal basis.
Hoogte van de riser is 8 tot 10 maal basis, gemeten vanaf de vuurkamer vloer. De vuurkamer vloer bestaat uit een smal vlak oppervlak de breedte van de poort. Links en rechts zijn 45 graden hellingen met als doel de gloeiende houtskool in het midden te concentreren. Die 45 graden afschuining maakt deel van de vermating van de vuurkamer. Er is ook net zo'n schuin vlak in de achter- onderkant van de riser.

De totale lucht inlaat is 25% van de riser dwars doorsnede.
De p-channel is 5% van de riser dwars doorsnede.
Primaire lucht inlaat is 20%, een eventuele window wash incluis. Primaire inlaat kan groter zijn bij een koude start, en is gesitueerd gelijk met de vloer van de vuurkamer.
P-channel zou net zo breed als de poort moeten zijn of wat meer, voor de berekening van de 5% inlaat moet de breedte van de poort genomen worden, niet de werkelijke breedte van de buis. De buis hangt over de bovenkant van de poort, dezelfde afstand als de diepte van de buis.
De achterkant van de p-channel buis die rust tegen de achterwand van de vuurkamer is uitgezaagd over dezelfde hoogte als de overhang.

Yasin Gach, de vertaler van de Franse versie heeft een spreadsheet beschikbaar gesteld om de system size van een batchrocket voor een gegeven ruimte te calculeren. De uitkomsten zijn indicatief, niet absoluut, maar het geeft een goede indruk over met welk formaat rekening gehouden zou moeten worden. Deze spreadsheet is hier beschikbaar.

Metselen van de kern

De opzet met chamotte stenen lijkt voor de hand te liggen omdat bij de meeste bouwmateriaal handelaren dit product wel voorhanden is. Nadeel is weer dat de stenen bewerkt moeten worden met een watergekoelde diamantzaag of een geschikte doorslijpschijf. Om duidelijk te maken hoe zoiets er uit ziet eerst een afbeelding.

Batchrocket kern gebouwd van chamotte stenen

Dit is een complete kern met als systeem formaat 150 mm, gebouwd van waalformaat vuurvaste stenen. Er zijn een paar manieren om de bovenkant van de vuurkamer dicht te maken. Op de tekening is dat een chamotte plaat, er zijn diverse leveranciers die dit kunnen leveren. Een vuurbetonnen plaat kan ook, als een gietmal eenvoudig gemaakt kan worden en er al een triltafel voorhanden is. Als dat allemaal niet voorhanden is dan kunnen de stenen gelegd worden in een cantilever constructie, ze zijn immers te kort om in een keer de opening te overspannen.

Om het ding eens buitenshuis te proberen kan gebruik gemaakt worden van gewone bakstenen en een trottoir tegel. Verwacht niet dat het lang heel blijft maar het geeft een indicatie van wat er feitelijk gebeurt. Zorg voor een niet al te kleine spiegel die hoog boven de riser onder 45 graden gehouden kan worden zodat anderen er in kunnen kijken en zien wat er in de riser feitelijk plaatsvindt.

De stenen los opstapelen werkt niet, er wordt in dat geval te veel lucht aangetrokken door alle kieren en gaten en daardoor blijft de complete verbranding achterwege. Voor dit doel is fijne klei en zand of zelfs modder een prima materiaal. Maar het kan ook met tegellijm van de bouwmarkt vooropgesteld dat het spaarzaam wordt aangebracht.

Alle versies met p-channel (de zwarte stalen buis die over de vuurkamer loopt en direct boven de poort uitkomt) kunnen het beste aangestoken worden door middel van een klein aanmaakvuur direct voor, maar beslist niet in, de poort. Als dat goed brandt dan kan de rest van de stook hoeveelheid geladen worden. Laad de stukken hout zoveel mogelijk in de lengte van de vuurkamer, van voor naar achter met weinig openingen tussen de stukken. Laat wel tenminste 5 cm vrij tussen de brandstof en het plafond van de vuurkamer. En zorg er voor dat er beslist geen hout, hoe klein ook, in de poort steekt. Dat is namelijk een gegarandeerd recept voor een rokende kachel.

Gieten van de kern

Dat kan met vuurvast beton, een materiaal dat bestaat uit aluminium cement en onder andere gemalen chamotte als toeslagstof. Er moeten mallen voor gemaakt worden, het beton moet met zo weinig mogelijk water aangemaakt worden en er is een triltafel voor nodig om het materiaal te verdichten.

De mallen kunnen gemaakt worden van plaatmateriaal zoals betontriplex en in elkaar geschroefd. De vormgeving van de uitsparingen kan tot stand gebracht worden met behulp van stukken geëxtrudeerd polystyreenschuim. Verwerken van dit materiaal gaat vrij goed met een goede tafel cirkelzaag machine. Details zijn met grof schuurpapier aan te brengen. Die stukken kunnen in de mal en/of op elkaar geplakt worden met dubbelzijdige tape, de soort die gebruikt wordt om vloerbedekking aan de vloer te plakken. Als het gegoten stuk uit de mal gelost moet worden betekent het meestal dat hakken de enige manier is om het schuim er uit te krijgen.

Hier is een voorbeeld van een mal die op die manier is gemaakt. De mal in kwestie was nog niet klaar, dit is slechts om te tonen hoe het er uit kan zien.

Vuurbeton gietmal voor een batchrocket vuurkamer

Het nadeel van zo'n mal is dat het éénmalig is, meedere keren gebruiken is er niet bij of de vorm moet heel eenvoudig zijn. Voor serie productie is het zaak om een houten moedermal te maken van het product zelf en daarvan een negatieve mal af te gieten van polyurethaan rubber. Het is mogelijk, maar het is een proces dat geschikt is voor commerciële doeleinden omdat het vrij duur is.

Het is nodig om de mal voor het storten in te smeren met een losmiddel, vuurvast beton hecht namelijk heel sterk aan bijna alle oppervlakken. Dat losmiddel kan van alles zijn, bijenwas gaat goed, ik gebruik vaak gewoon een minerale olie. Ook een spuitbusje WD40 gaat prima mits spaarzaam aangebracht. Niet vergeten om met een poetslap de mal wat minder vet te maken, een dunne film is al voldoende.

Gebruik zo weinig mogelijk water om door het beton te mengen, voor de verharding is veel minder nodig dan voor het verwerkbaar maken. Een betonmolen is eigenlijk niet geschikt omdat er meer water voor nodig is dan vereist voor de verharding. Te weinig water in een betonmolen veroorzaakt balvorming, elke bal bevat dan mortel die niet is bevochtigd. In kleine hoeveelheden is het nog wel mogelijk om het mengen met de hand te doen, persoonlijk heb ik het nooit anders dan in een mortelkuip met een troffel gedaan. De beste oplossing is een dwangmenger maar voor eenmalig gebruik is aanschaffen van zo'n apparaat uiteraard een dure manier.

 Teneinde het materiaal goed te verdichten kan een reeks van technieken worden gebruikt. Schudden, porren, een mini-trilnaald, een klopboormachine met een bout in de kop, noem het maar op. Om een goede kwaliteit van het eindproduct te bereiken is een triltafel eigenlijk onontbeerlijk. In tegenstelling tot een dwangmenger is zo'n tafel een vrij simpel apparaat. Zelf heb ik ettelijke jaren geleden een tafel in elkaar geknutseld van afvalhout uit glaskisten, een dikke inductiemotor met een excentriek onder het blad en een paar doorgeslepen achterveren van een bromfiets tussen het blad en het onderstel.

Maar het kan veel eenvoudiger, met een autoband, een plaatje multiplex en een oude boormachine kan het ook. Hier is een video die laat zien hoe het geheel in elkaar zit.

In deze video wordt een echte trilmotor gebruikt maar een boormachine met een eenvoudig excentriek doet het ook. En nog mooier: een kleine handschuurmachine onder het blad gemonteerd werkt perfect. Indien mogelijk, gebruik een machine waarvan het toerental geregeld kan worden. Als er een olieachtige vloeistof op het oppervlak van de beton komt stop dan met trillen anders bestaat de kans dat de componenten waar het materiaal uit bestaat gaan scheiden. Met als resultaat dat de kwaliteit van het materiaal sterk achteruit gaat.

Als alles goed verdicht is, plaats de mal op een vlakke en horizontale ondergrond. Staat het scheef, dan wordt het gietstuk aan een kant dikker. Tijdens de verharding wordt het materiaal heet, het meeste water aan de oppervlakte kan daardoor verdampen waardoor de gietkant poederig kan worden. Dek het verse gietstuk voor de verharding af met plastic om het water binnen te houden. De meeste vuurbetons kunnen na acht uur bij kamertemperatuur gelost worden. Dan is 90% van de sterkte al bereikt, de rest volgt in ongeveer een week. In de praktijk blijven de stukken een nacht over staan. Uiteraard kan het helemaal geen kwaad om het gietstuk wat langer in de mal te laten zitten.

Het is niet mogelijk om een kern van vuurbeton te gieten als een monoliet en heel te houden als het ding heet wordt. Dat wordt veroorzaakt door het feit dat de beton uitzet bij verhitting. Tijdens het stoken is de temperatuur niet overal gelijk waardoor er scheuren ontstaan. Waar de barsten verschijnen is niet het heetste deel, maar het koudste. De hete delen zetten uit en de koelere blijven achter en scheuren van elkaar af. De oplossing is uiteraard te vinden in opdelen van het geheel op een zodanige manier dat de delen met een verschillende temperatuur van elkaar gescheiden zijn. De naden kunnen dicht gemaakt worden met aluminium silicaat vilt en de delen bij elkaar gehouden met ijzerdraad, een stalen bandje of een stalen ondersteunings frame.

Exploded view van een gegoten batchrocket kern

Het is verstandig om de wanddikte klein te houden en waar mogelijk en zinvol vulstukken in de mal te plakken of te klemmen. De massa wordt op deze manier zo laag mogelijk, hoe minder er opgewarmd wordt hoe sneller het ding op bedrijfs temperatuur is.

Bell werking, hoe en waarom

De werking van een bell berust op een natuurkundig principe, namelijk dat warmere gassen stijgen ten opzichte van koudere. Dit gedrag en de effecten ervan zijn voor het eerst beschreven in 1910 door V. E. Grum-Grzhimailo, indertijd professor in de metallurgie aan de universiteit van Sint Petersburg. Het effect is het eenvoudigste te beschrijven aan de hand van een grote klok die op de vloer staat. Op vloerniveau zijn er twee openingen, recht tegenover elkaar. Door een van de openingen stroomt hete lucht naar binnen die in de grote ruimte van de klok een groot deel van de voorwaartse snelheid verliest. Omdat die hete lucht lichter is dan de koude lucht die al in de klok aanwezig was stijgt de hete lucht onder invloed van de zwaartekracht naar boven.

Doordat er steeds meer lucht wordt aangevoerd wordt de koudere verdrongen naar de enige uitgang die beschikbaar is, het tweede gat. Daar stroomt dus koude lucht uit want de hete wordt als het ware opgesloten in de hoogte van de klok. Uiteraard is dit een dynamisch systeem dat voortdurend verandert. De klok neemt zelf warmte op, raakt op een gegeven moment verzadigd en de temperatuur van de uitstromende lucht stijgt, maar niet tot het niveau van de ingang. Want de klok zelf straalt ook warmte uit, dit effect kan in een berekening dus in mindering gebracht worden wat verklaart waarom de in- en uitgang in de praktijk nooit gelijk van temperatuur worden.

Een bell kachel is dus een holle ruimte die een lage afvoer heeft, vaak lager dan de aanvoer. In het geval van de batch rocket wordt de hete stroom niet op het laagste niveau aangevoerd, hoewel dat wel het geval kan zijn bij een tweede separate bell die gekoppeld is aan de eerste. Twee bells zijn trouwens efficiënter dan een enkele maar daar staat tegenover dat de constructie gecompliceerder wordt. Het wand oppervlak van de bell aan de binnenzijde is maatgevend voor wat een gegeven hout verbrander kan verwarmen zonder dat de schoorsteen temperatuur te laag wordt.

De grote voordelen van een bell systeem zijn de simpele constructie en buitengewoon lage frictie in het geheel voor de stromende gassen. Een systeem met kanalen, zoals de Duits/Oostenrijkse bouw wijze geeft veel meer weerstand omdat de kanalen bij elkaar veel meer wandoppervlak hebben. En hebben dus ook een sterk trekkende schoorsteen nodig om alle weerstand te overwinnen. Bovendien volgt letterlijk elke gas molecuul de hele weg door het labyrint, koud en warm door elkaar want er vindt geen scheiding plaats.

Het bell systeem is heel effectief maar er is een nadeel: ze zijn vrij groot omdat de massa zich alleen maar in de wand bevindt. Toch is er wel iets dat aan de omvang van een bell kachel gedaan kan worden. De vuurkamer hoger in de bell plaatsen heeft als effect dat er meer warmte wordt opgeslagen doordat de gassen lager moeten zakken dan de vuurkamer waar ze vandaan komen. Voorts is het ook mogelijk om stenen kolommen in een bell te bouwen die volledig vrij staan van de wanden.

Daarmee neemt de binnen oppervlakte vrij veel toe en tevens ook de massa waardoor er meer warmte opgeslagen kan worden. Uiteraard alleen toepasbaar voor forse systemen die in een gematigd klimaat als dat van Nederland niet vaak gebouwd zullen worden. De hierna beschreven kachels werken, voor zover het massa kachels zijn, allemaal als een soort van bell systeem.

Bell formaat

Het formaat van een bell is nog een punt waar toelichting op zijn plaats is, ook dit aspect is onderzocht door middel van experimenten. Over het algemeen wordt verondersteld dat de warmte opname capaciteit van een bell met het volume samenhangt, maar dat blijkt niet zo te zijn. Niet het volume is bepalend maar het wand en plafond oppervlak van de bell neemt de warmte op en dat is dus waar we naar kijken. De vorm van een bell doet er maar heel weinig toe, zolang als de rookgassen maar voldoende vertraagd worden. Als de bell een factor 5 ruimer is dan de riser of de pijp waardoor de gassen de bell in stromen dan is dat in de meeste gevallen voldoende. Meer is beter in dit geval, hoe meer de gassen vertraagd worden hoe beter de zwaartekracht er vat op heeft. Het wachten was op iemand die het uit wilde proberen.

Klemen Urbanija uit Radomlje, Slovenië kwam na veel proberen tot de slotsom dat een 15 cm systeem met een single bell, uitgezonderd de vloer, een binnen oppervlak kon hebben van 6 m². De temperatuur van de rookgassen was dan niet meer dan 60 graden. Hij had zijn experiment buiten opgebouwd en diverse malen gewijzigd en toen dat goede resultaten gaf afgebroken en naar binnen verhuisd. Daar gaf een dergelijke omvang toch weer problemen omdat de schoorsteen van bakstenen was gebouwd. Die zelf ook warmte opnam en niet zo goed trok, dus was hij gedwongen de omvang toch weer aan te passen om daarmee de schoorsteen temperatuur omhoog te brengen. Uiteindelijk bleef het geheel steken op een omvang van 5,3 m², zonder rekening te houden met de buitenkant van de vuurkamer en de vloer van de bell.

De term die voor de aanduiding van het binnen oppervlak wordt gebruikt is ISA, voor Internal Surface Area. Het verschil tussen een stalen bell die onmiddelijk zijn warmte aan de ruimte af geeft en een die de warmte in steenachtige massa opslaat blijkt marginaal wat ISA betreft. Mijn werkplaats kachel (zie paragraaf hieronder) is gebouwd van drie olie vaten die samen even groot zijn als Klemen's gemetselde bell plus bank. Toch hebben beide systemen een vergelijkbare afgas temperatuur.

Opschalen van deze gegevens bleek nog een probleem dat pas in 2015 definitief is opgelost. In dat jaar is de bell met twee cul-de-sac banken gebouwd tijdens de MHA meeting (zie het artikel na de werkplaats kachel). De maximale ISA van een 20 cm systeem en een bakstenen bell zonder bypass kwam toen uit op 9,4 m². Aangezien het hele schalings systeem van de batch rocket is gestoeld op de omvang van de gebruikte riser is dat nu ook weer gedaan. De doorsnede van een 20 cm riser is 314 cm², van een 15 cm riser 177 cm². De 20 cm riser is een factor 1.77 groter dan de 15 cm riser. Dit heeft als consequentie dat een 22 cm systeem een bell aan moet kunnen drijven met een ISA van 11,4 m². Een 12,5 cm systeem moet dus overweg kunnen met een bell met een ISA van 3,7 m².

Flag Counter