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)

Batchrocket dimensioneren

Een artikel over een simpele manier van verschalen van de batchrocket voor een gegeven ruimte.
(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 (onthou dat massa niet isoleert!) 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. Dit proces is bekend onder de naam spalling (afsplinteren), de schilfers zijn dof grijs, licht van gewicht en vrijwel niet-magnetisch.

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. In oktober 2016 is het grootste systeem waar ik van weet gebouwd door Pablo Kulbaba (Pablo Oresku) en Ramiro Walti gedurende een workshop in Las Amalias San Pedro in Argentinië. 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 is bijvoorbeeld 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 uit 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 inbegrepen. 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.

Batchrocket schalen voor gegeven ruimte

Yasin Gach, de vertaler van de Franse versie heeft een spreadsheet beschikbaar gesteld om het systeem formaat 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. Het volgende artikel is van Yasin, de spreadsheet is hier beschikbaar.

De eerste stap is de berekening van het vermogen van elke batchrocket, als functie van zijn interne diameter (i.e. heat riser diameter). Standaard is het vermogen van een kachel te definiëren als het vermogen dat geleverd wordt in een 24-uurs periode met twee stoken per dag. Dit vermogen wordt berekend door uit te gaan van 80% gemiddeld rendement. Met dit rendement, de verbranding van een kilogram van een kilo lucht gedroogd hout 3,7 kWu oplevert.

Hoe groter de interne diameter, hoe groter de lading is voor elke stook:
Interne diameter (mm) -- Lading hout (kg) -- Gemiddeld vermogen (kW)

  • 125 mm -- 3,5 kg -- 1,1 kW
  • 140 mm -- 4,9 kg -- 1,5 kW
  • 150 mm -- 6,0 kg -- 1,9 kW
  • 175 mm -- 9,5 kg -- 2,9 kW
  • 200 mm -- 14,2 kg -- 4,4 kW
  • 230 mm -- 21,6 kg -- 6,7 kW
  • 250 mm -- 27,8 kg -- 8,6 kW

De tweede stap is het berekenen van de warmte verliezen van het huis (of de kamer) dat verwarmd moet worden. Dit is afhankelijk van drie factoren: het volume van het huis, de mate van isolatie, en het gevraagde temperatuur verschil tussen binnen en buiten.

De formule is Q = G*V*DT met Q als het warmte verlies (W) G als de isolatie factor, V het volume van het huis. G wordt geschat door met een paar klassieke gevallen te vergelijken:

1,8 voor een oud, lekkend, steen en kleimortel huis (klassieke Franse boerderij)

1,6 voor een huis van baksteen, stenen of holle betonblokken zonder isolatie

1,4 voor een huis geïsoleerd met 4 cm polystyreen

1,2 voor een huis geïsoleerd met 10 cm polystyreen

0,8 voor een recent huis gebouwd van 37 cm dikke isolerende ongebakken klei stenen bijvoorbeeld

0,5 voor een stobalen huis bijvoorbeeld

De derde stap is de eigenlijke berekening. Het idee is om de warmte verliezen te berekenen en dan een formaat batchrocket te kiezen die meer vermogen levert dan de verliezen groot zijn. Het volgende is een voorbeeld van de berekening voor een gegeven situatie. Dit is alleen maar bedoeld om te laten zien hoe de spreadsheet werkt, in de praktijk: download de spreadsheet en vul de gele vakken in die van toepassing zijn voor jouw situatie, de spreadsheet doet de rest via de volgende methode.

Bijvoorbeeld, neem een 60 m² steen en kleimortel huis met een plafond hoogte van 2,5 meter. Het volume van het huis is dan 150 m³. Er is 20 cm steenwol in het dak aangebracht. De aansluitingen zijn recent gedaan en het houtwerk is redelijk kierdicht. We nemen hiervoor een coefficiënt G = 1,6. Gedurende de winter draait de buiten temperatuur rond 0 ºC en kan gedurende een paar dagen zakken naar -5 ºC. De warmte verliezen die aangevuld moeten worden om binnenshuis een temperatuur van 20 ºC te kunnen handhaven gedurende die koude periodes is Q = 1,6*60*2,5*25 = 6 kW. De keuze voor een batchrocket formaat is dan een 230 mm systeem dat in staat is om een vermogen van 6,7 kW te leveren.

Uiteraard is dit een erg simpele benadering van de warmte behoefte van een huis, maar het voordeel van massa kachels is dat het geen probleem is om ze te groter te maken dan strikt nodig is. Met gietijzeren kachels wordt het veel meer een probleem om ze te groot te maken. Dan ben je gedwongen om een groot deel van de winter langzaam brandende en vervuilende vuurtjes te stoken om te zorgen dat je huis niet oververhit raakt. Met massakachels heb je dat probleem niet, het vuur blijft altijd heet en schoon, je moet ze alleen minder vaak stoken.

Ik heb consistente en werkbare resultaten gehad met deze methode met 5 batchrocket heaters die in 2016 gebouwd en nog steeds (2018) in dagelijks gebruik zijn. Bouw altijd een te grote kachel is het belangrijkste punt. Uiteraard is het mogelijk om een massakachel die niet genoeg vermogen opbrengt drie of meer keer per dag te stoken, maar dat verlaagt het gemiddeld rendement aanzienlijk omdat de massa tijd nodig heeft om de opgeslagen warmte af te leveren.

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. Wees overigens wel voorzichtig, op de top van de stook kan de riser gemakkelijk temperaturen van 700ºC uitspuwen.

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. Om dit tijdelijk dicht te krijgen is fijne klei en zand of zelfs modder tussen de stenen een prima materiaal voor dit doel. Maar het kan ook met tegellijm van de bouwmarkt vooropgesteld dat het spaarzaam wordt aangebracht. Een ander geschikt materiaal voor experimenten is cellenbeton, dat verkocht wordt onder een enorme veelheid van namen over de hele wereld. Het is licht, isolerend, gemakkelijk te zagen met handgereedschap en is beperkt hitte bestendig.

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 (ook wel plug genoemd) 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, 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 van 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

Een belangrijke term die goed begrepen moet worden is de term "Bell". Het is inmiddels een deel van het jargon geworden voor de mensen die deze kachels bouwen. Net tegengesteld als wat verondersteld kan worden, het heeft niets te maken met een kerkklok of welke vergelijkbare bel dan ook. Het is niets meer dan een grote gesloten ruimte, met name vier wanden, een deksel en een bodem. Het kan elke vorm hebben die het beste in de situatie past, het kan gebouwd worden van elk materiaal dat het doel het beste dient, staal/metaal, baksteen, vuurvaste materialen, steen, klei uit de achtertuin gegraven gemengd met stro incluis.

Je kunt het bouwen voor snelheid, je kunt het bouwen voor esthetiek,

IMG 0069      P3040160a

je kunt het bouwen voor een lage prijs en voor elk doel is een hoeveelheid materialen voorhanden die geschikt zijn.

Als we deze twee elementen samenbrengen, de eerder beschreven verbrandings kern met een bell, dan hebben we een bell kachel gebouwd. Zoals je kun zien in de SketchUp tekeningen combineren we deze twee elementen zodat de erg hete en relatief schone gassen uit de verbrandings kern in de bell komen en de "magie laten gebeuren". De kern kan intern of extern van de bell zijn.

bell71a

Dus, aan de hand van de beschrijving wat een bell is, is het simpel te zien hoe en waarom het zo goed werkt als het doet. Hete gassen uit de kern stromen in de bell, en zoals vrijwel iedereen weet, hete lucht stijgt ten opzichte van koude lucht. Doordat de bell *veel groter* is dan de pijp die de hete gassen aanvoert gaan die gassen niet direct de korste weg naar de uitgang zoals aanvankelijk verondersteld. Als het de veel grotere ruimte van de bell instroomt dan gaat de voorwaartse snelheid sterk achteruit wat het principe van "hete lucht stijgt" mogelijk maakt. De heetste gassen stijgen naar de bovenkant van de bell en staan hun warmte af aan de wanden en plafond van de bell, afkoelend onderwijl, en kunnen dus naar beneden zakken in de bell.

Omdat er steeds hete gassen de bell binnenkomen, moet er ook voor een uitgang gezorgd worden, met andere woorden, een gewone kachelpijp. Het is gebruikelijk om deze uitgang zo laag mogelijk in de bell te plaatsen als praktisch haalbaar is. Het tegengestelde van 'hete lucht stijgt' is 'koude lucht zakt'. Het mag verondersteld worden duidelijk te zijn dat de gassen die de bell verlaten en uit de schoorsteen komen de koudste gassen zijn. Op deze manier kunnen we gemakkelijk, en met succes, de 'hitte oogsten'. Het voordeel is niet moeilijk voor te stellen, alles wat je moet doen is je een normale ijzeren kachel voor de geest halen en herinneren hoe heet de schoorsteenpijp wordt. In feite is het makkelijk om te zeggen dat de heetste gassen de pijp uitgaan, en dus duidelijk een minder goede oplossing dan wat hier gepresenteerd wordt.

Een plaatje is beter dan duizend woorden, wat een bell is en hoe het werkt is hieronder duidelijk te zien.

IMG 0068

De hete afvoer van het olievat (links) komt ongeveer halverwege de enkelwandige bell binnen. Goed kijkend op vloerniveau aan de rechterkant is de pen thermometer zichtbaar die in de kachelpijp uitgang steekt. De binnenkant van de bell is niets anders dan 'ruimte'. Het maakt het mogelijk voor de hete afvoer om de bell binnen te komen, sterk te vertragen, te stijgen naar de bovenkant van de bell, af te koelen en naar beneden te zakken tot vloer niveau voordat het de bell verlaat naar de afvoerpijp en in de schoorsteen. (Het gebruik van metalen olie vaten zal in een ander artikel worden uitgelegd, voor nu is het voldoende om het bell concept te begrijpen en hoe het werkt.)

De werking van een bell berust op een natuurkundig principe, namelijk dat warmere gassen stijgen ten opzichte van koudere omdat de warmere zijn uigezet en dus lichter zijn. Dit gedrag en de consequenties ervan zijn voor het eerst beschreven in 1910 door V. E. Grum-Grzhimailo, indertijd professor in de metallurgie aan de universiteit van Sint Petersburg.

De simpele uitleg hierboven hoe een bell warmte onttrekt aan gassen geeft natuurlijk niet de werkelijke, complexe processen weer van wat er gebeurt. De simpele uitleg is een tamelijk statisch plaatje, in werkelijkheid is het een constant veranderende en heel dynamisch systeem. Niet alleen wordt de hitte door de interne wanden van de bell 'gevangen' de interne wanden van de bell stralen ook warmte uit. Uiteindelijk worden de wanden van de bell zo warm dat ze niet meer warmte kunnen opnemen, dus verplaatst de hitte absorptie naar lager in de wand waar het wat koeler is. Als en zodra de warmte opname capaciteit van de bell is bereikt zal de temperatuur van de afvoer gassen gaan stijgen omdat ze niet langer voldoende warmte aan de wanden kunnen afstaan. Dus bestaat er een steeds wijzigende reeks van krachten en interactie, toch zullen de afvoer gassen vrijwel nooit dezelfde temperatuur bereiken als de inkomende.

Als de temperatuur van de afvoer gassen hoog genoeg is en de warmte die verdwijnt naar de buitenlucht is niet wat we willen, dan kunnen we dit idee van een bell uitbreiden door ons te realiseren dat de afvoer van de ene bell beschouwd kan worden als de aanvoer van een andere. Deze tweede bell werkt op exact dezelfde manier als de eerste, het eindresultaat is dan weer dat de afvoer van deze tweede opnieuw koeler is dan de aanvoer. Dit tweede bell concept is natuurlijk efficiënter, doorgaans hangt het er vanaf wat de schoorsteen temperatuur is... als die laag genoeg is met een enkele bell dan is de tweede niet nodig omdat de eerste het werk al gedaan heeft. Toevoegen van een tweede bell kan het rendement van het hitte opnemen vergroten, maar het introduceert ook grotere complexiteit.

Er bestaan vuistregels die het mogelijk maken om het formaat van de bell te bepalen, wat weer gerelateerd is aan het formaat van de verbrandings kern. Er moet altijd een zekere temperatuur in de schoorsteen aanwezig zijn (grofweg 80 - 100 ºC op de top van de stook) om verzekerd te zijn van voldoende trek. Met andere woorden, we kunnen geen lagere temperatuur dan de omgeving hebben als schoorsteen temp.

Een bijkomend voordeel van het bell systeem is dat het vrijwel geen, of verwaarloosbare frictie of weerstand oplevert voor de gassen die er door stromen. Dat dit bereikt kan worden met een zo simpele constructie is echt een toegevoegde waarde. 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 zoals in een bell.

Het 'simpele' bell systeem, zoals hierboven beschreven, is erg effectief maar heeft één enkel echt nadeel, alle massa zit in de al of niet enkelwandige buitenkant. Dat maakt deze dingen 'groot'. Er zijn technieken beschikbaar dat dit effect tegengaat. Het plaatsen van de vuurkamer hoger in de constructie inplaats van op vloer niveau resulteert in de opslag van warmte op een hogere temperatuur omdat gassen lager moeten zakken dan waar de kern zich bevindt. Bovendien, interne structuren (bijv. kolommen) kunnen binnen in de bell gebouwd worden die zelf ook weer warmte opnemen want de massa en het binnen oppervlak nemen toe. Met zulke maatregelen is het mogelijk meer massa in dezelfde omvang op te nemen ten opzichte van de 'lege' bell.

Vrijwel alle kachels die in een ander hoofdstuk worden beschreven zijn werkende bell systemen in een of andere vorm.
Een laatste commentaar op de foto hierboven. Het is een voorbeeld van wat we een hybride zouden noemen, halverwege tussen een bell en een metalen drum systeem. Het laat de materiaal combinaties zien die beschikbaar zijn voor specifieke eisen. In het voorbeeld hierboven geeft het vat snelle stralings warmte terwijl de bell wordt opgeladen als de rookgassen het huis verlaten. De bakstenen bell heeft een vertraging van 4 uur, wat betekent dat er vier uur ligt tussen het moment dat het vuur op zijn heetst is en de buitenkant van de bell op zijn warmst. Het moet opgenomen worden door de interne oppervlakte en dan door conductie getransporteerd door het materiaal voordat het uit kan stralen in de kamer. Ogenblikkelijke warmte door de metalen drum, en opgeslagen warmte langzaam afgegeven gedurende nacht (of tot de volgende stook) van de gekoppelde bell. Belangrijk om te weten: de uitgangs temperatuur (gemeten in het hart van de kachelpijp) blijft steken op 50 - 80 ºC. Zonder twijfel zijn sommige kopjes koffie heter dan dat.

Bell formaat

Het formaat van een bell is nog een punt waar toelichting op zijn plaats is. De meeste mensen veronderstellen dat de warmte extractie van de bell wordt gedicteerd door het volume, maar dat is niet het geval. Grof gesteld: de overheersende factor is oppervlakte, namelijk de wanden en plafond van de bell, dus dat is wat wordt gebruikt voor de dimensionering van de bell. De vorm van de bell is nagenoeg irrelevant, dat de gassen voldoende voorwaartse snelheid verliezen en dat onbedoelde weerstand niet wordt ingebouwd is belangrijk om in gedachten te houden. In de praktijk zou de horizontale doorsnede van de bell tenminste 5x groter moeten zijn dan een van de ingang en uitgang openingen. De afstand tussen het eind van de riser en de bovenkant van de bell zou liefst twee keer de diameter van de riser moeten bedragen. In het overgrote deel van de gevallen zal dat genoeg zijn, hoewel meer beter is omdat hoe meer de gassen vertraagd worden des te beter de scheiding van de hete en koude gassen.

De juiste dimensionering van de bell is op de moeilijke manier uitgevonden door experimenteren, en zoals alle open source projecten hebben veel verschillende mensen bijdragen geleverd. Klemen Urbanija uit Radomlje, Slovenië kwam na veel proberen tot de slotsom dat een 15 cm systeem met een single bell en een binnen oppervlakte van 6 m², uitgezonderd de vloer, een afgas temperatuur gaf van 60 ºCelsius. Hij had zijn experiment in de buitenlucht gebouwd en veranderde het een aantal maal totdat de resultaten bevredigend genoemd konden worden, om vervolgens het geheel af te breken en binnenshuis opnieuw op te bouwen. Een tweede ronde aan problemen diende zich aan veroorzaakt door de gemetselde schoorsteen die genoeg warmte aan de rookgassen onttrok om de trek om zeep te helpen. Dit vergde meer geknutsel en herverbouwen met het doel de afgas temperatuur omhoog te brengen en daarmee de trek te herstellen. Het uiteindelijke resultaat was een getal van 5,3 m² aan 'warmte opnemend oppervlak'. Het is belangrijk om te begrijpen waarom de vloer geen deel uitmaakt van dat oppervlak, simpel omdat de afvoer boven de vloer is geplaatst. Evenzeer, als de vuurkamer in de bell gebouwd is speelt het oppervlak daarvan geen rol in de berekening van deze oppervlakte.

De term die gehanteerd wordt voor de hele oppervlakte die warmte opneemt in een bell is ISA, acroniem van Internal Surface Area (interne wand oppervlakte). Zoals genoteerd doet de vloer oppervlakte niet mee omdat de vloer niet (direct) warmte opneemt. Het verschil met een stalen bell die zijn warmte meteen kwijt raakt en een die warmte opslaat in een massa van steen of baksteen is marginaal in termen van ISA. Mijn werkplaats kachel (zie artikel Drie vaten batch rocket) is gebouwd van drie olievaten die samen erg dicht bij de oppervlakte liggen als die van Klemen's bakstenen bell en bank. Beide systemen hebben een vergelijkbare afgas temperatuur.

Opschalen van deze cijfers bleek een lastig probleem dat uiteindelijk in 2015 werd opgelost. Uiteindelijk werd uitgevonden dat dezelfde kritische maten die gebruikt worden voor de op- of neerschaling van de vuurkamer/riser (in dit geval de doorsnede van de riser) ook gebruikt kunnen worden voor een schaling systeem op basis van resultaat behaald door Klemen. 2015 was het jaar dat de bell met twee cul-de-sac bankjes werd gebouwd gedurende de Masonry Heater Association meeting (zie artikel Bell met twee bankjes). De maximum ISA van dat 20 cm systeem met een gemetselde bell zonder bypass bleek 9,4 m² te zijn. De doorsnede verhouding van Klemen's heat riser ten opzichte van de MHA riser was 1 : 1,77, dezelfde verhouding bleek ook tussen beide ISA's te bestaan.

Als consequentie kunnen we de volgende 'tabel' gebruiken, en eenvoudig extrapoleren of interpoleren waar nodig. Voor zover we weten, werkt deze methode binnen redelijke grenzen in beide richtingen.

Riser diameter  /  Internal Surface Area

  • 12,5 cm   ISA 3,7 m²
  • 15,0 cm   ISA 5,3 m²
  • 17,5 cm   ISA 7,2 m²
  • 20.0 cm   ISA 9,4 m²
  • 22,5 cm   ISA 11,4 m²
  • 25,0 cm   ISA 14,7 m²

Wanneer de bell is uitgevoerd met een schoorsteen bypass kan hij groter zijn dan de getallen aangeven maar het maakt de constructie gecompliceerder, om maar te zwijgen over de toegenomen kwetsbaarheid voor storingen.

Benen Huntley uit Adelaide, Zuid Australië heeft een simpele manier gevonden om de maximum ISA te berekenen, voor om het even welke systeem grootte. Bereken de doorsnede van de riser in vierkante meters en vermenigvuldig dat getal met 300. Dit geeft je de maximum aanbevolen grootte van de ISA voor een enkele bell. Het maakt niet uit of die bell dubbelwandig of enkelwandig is, alleen de binnenkant telt in dit geval. Uiteraard moeten ook eventuele kolommen binnen in de bell als oppervlak meegeteld worden.

Bijvoorbeeld: een 150 mm systeem geeft je 0,0176715 m². Vermenigvuldigd met 300 resulteert in 5,3014376 m², wat afgerond tot 5,3 m² exact de maximum aanbevolen oppervlakte voor zo'n systeem is. Natuurlijk moet wel rekening gehouden worden met het feit dat een 150 mm ronde riser aerodynamisch gesproken net zo goed is als een vierkante riser met zijden van 150 mm. De ronde riser is glad en zonder hoeken. De vierkante is groter in doorsnede maar heeft hoeken en een grotere omtrek, beide levert weerstand op voor de gassen. Dus in geval van een vierkante riser wordt die gelijkgesteld aan een ronde als de diameter van die laatste even groot is als een zijde van het vierkant.

Nog een voorbeeld: een 200 mm systeem geeft je een oppervlakte van 0,031415927 m². Nogmaals vermenigvuldigd met 300 komt dat neer op 9,424778 m², afgerond tot 9,4 m² is weer precies gelijk aan de aanbevolen waarden.

Flag Counter