P9150174

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

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

Wat is eigenlijk een houtvuur?

Bij het verbranden van hout vallen door de hitte de organische moleculen uiteen in kleinere brokstukken. Uiteindelijk worden het gassen, waarvan we de verbranding zien als vlammen. Bij een optimale verbranding is het resultaat: hitte, CO2 en water.
(lees meer)

Mengen

Houtgas is uiterst brandbaar, explosief zelfs, als het heet genoeg is en vermengd met verse lucht. Dat mengen gebeurt niet spontaan, het wordt bereikt door de sterk turbulente condities in de port en riser.
(lees meer)

Turbulentie in de Batch Box

In de wereld van Rocketstovebouwers heet het geïsoleerde interne schoorsteentje een "riser". De hoge en smalle opening onderin de riser heet de "poort". Het geheel van de riser en de verbrandingskamer wordt de "kern" genoemd. De manier waarop turbulentie wordt opgewekt is anders dan bij een gewone houtkachel.
(lees meer)

Hitte

Een andere omgevings factor is net zo belangrijk: hoge temperatuur. Dat kan nog behoorlijk oplopen, gedurende de ontwikkeling is meerdere keren in de riser een temperatuur gemeten van tegen de 1200 ºCelsius.
(lees meer)

Beperkingen

De afmetingen van de verbrandingskamer, de riser, de poort en de luchtinlaten luisteren erg nauw. Een kleine wijziging daarin kan de goede werking van de kachel verstoren. Ook een goede schoorsteen is van belang.
(lees meer)

De Testo 330-2

De metingen die tot de uiteindelijke Batch Box hebben geleid, zijn verricht met een digitale gas analyser, de Testo 330-2. Dit apparaat meet van elke "stook" de temperatuur van de rookgassen, het niveau van de zuurstof (CO2) en het niveau van de koolmonoxide (CO).
(lees meer)

Houtvuur

De vuur driehoek laat de drie voorwaarden zien die nodig zijn om een vuur te beginnen en aan de gang te houden.

triangle2

Hout kan onder specifieke omstandigheden reageren met zuurstof met als resultaat dat er hitte wordt geproduceerd plus CO2 en water. Gelijk aan wat aardgas doet als het tot ontbranding wordt gebracht in een goede brander. Op zichzelf lijkt hout verbranden niet moeilijk. Wat droge takjes en wat papier, een vlammetje er onder en het vuur is begonnen.

Bij verminderen of weglaten van een zijde van de driehoek is de verbranding niet meer compleet maar in plaats daarvan incompleet. Water en carbon dioxide (CO²) worden nog steeds geproduceerd maar ook andere producten: koolmonoxide (CO), een kleurloos en reukloos giftig gas plus kleine kooldeeltjes die verschijnen als roet en rook. Daarbovenop wordt de maximum mogelijke aan hitte NIET geproduceerd.

Om het geheel goed aan de gang te houden wordt wat moeilijker maar niet heel veel. Voor volledige verbranding hebben we hogere temperaturen nodig dan de paar honderd graden van een klein vuur en tegelijkertijd moeten we het "onder controle houden" zodat het proces niet uit de hand loopt. Door het vuur zelf te isoleren van de omgeving houden we de hitte van het vuur "in het vuur" wat volledige verbranding bevordert en houdt het grootste deel van de hitte van het vuur in de verbrandings kamer.

Het resultaat van deze "nieuwe condities" (hoge temperatuur, "Goudlokje lucht toevoer"-niet te veel, niet te weinig, precies genoeg) is een rookloos vuur. Hoewel het een simpel doel op zichzelf lijkt, het kostte grote moeite om de hier gepresenteerde voorwaarden te bereiken die tot dit rookloze vuur leidden. Om te begrijpen waarom er rook is, dient men zich te realiseren dat rook gewoon onverbrande brandstof is, niets meer en niets minder. In feite, tot 60% van de beschikbare energie in hout bevindt zich in deze brandbare gassen. Dus rook is niet "alleen maar hinderlijk" wat merkbaar is in een groot gebied buitenshuis, het is in werkelijkheid "geld uit de schoorsteen" in de ware zin van het woord.

Letterlijk alles, uitgezonderd ongeveer een procent als as, van het hout kan omgezet worden in hitte**, en als zodanig is rook alleen maar een indicator van onvolledige omzetting van brandstof in hitte. Deze kachels, zoals beschreven in het vorige hoofdstuk, hebben een heel hoge verbrandings temperatuur waardoor de rook heel erg heet is. We combineren voor-verhitte lucht met die hete rook wat resulteert in volledige verbranding van die rook. Zelfs de terecht gevreesde kool monoxide -een dodelijk gas- is in feite onverbrande brandstof (Herinner het bovenstaande dat in volledige verbranding CO is niet een product van hout verbranding. CO heeft geen geur van zichzelf, dus toen stadsgas wat ongeveer 8% CO bevatte werd gebruikt tot ver in de twintigste eeuw werd mercaptan (een smerig ruikend goedje) altijd aan het gas toegevoegd, simpel om mensen te alarmeren op lekken of openstaande gasbranders. Het punt blijft dat CO een brandstof is (als zodanig gebruikt in stadsgas) en alle energie in de brandstof kan gebruikt worden als de verbranding correct verloopt.

** Hoewel dit strikt genomen juist is, zijn er toch een paar punten die echt begrepen moeten worden om het geheel in de juiste context te kunnen plaatsen. Deze kachels worden niet gebruikt onder laboratorium omstandigheden met pure zuurstof, ze worden thuis gebruikt. Zelfs fluctuerende weers-omstandigheden kunnen en zullen het vuur beïnvloeden. Heel belangrijk: alle lucht gedroogd hout zal nog enig vocht bevatten. Dit moet uitgedampt worden voordat verbranding van het hout kan plaatsvinden. Het kost een enorme hoeveelheid energie om water uit te laten koken.

Heat42

De bovenstaande grafiek laat zien hoe de water temperatuur stijgt terwijl er energie toegevoerd wordt. (De grafiek begint ver onder nul maar dat kunnen we negeren. Tenzij het hout dat je gebruikt zelf onder nul is!) Terwijl energie toegevoerd wordt (de horizontale as), de temperatuur stijgt langs de rechte lijn C, voor elk beetje toegevoegde energie is er een corresponderende stijging in temperatuur, daarom is het een rechte lijn.

Wanneer het water het kookpunt bereikt (100 ºC) dan wordt het niet meer heter (dit is zichtbaar bij lijn D, die is horizontaal zelfs terwijl er meer energie wordt aangevoerd). Gedurende deze fase, de energie opgenomen door het water maakt het niet heter, maar inplaats daarvan verandert het water van "vloeistof naar gas", en dat vindt plaats zonder verandering van temperatuur. Lijn E begint pas als al het water is veranderd in stoom.

Tenzij we een condenserende ketel hebben, de energie die water in stoom veranderd is verloren voor het systeem, en verdwijnt in de atmosfeer. Dus in de echte praktijk, er zijn wat verliezen die onvermijdelijk plaats zullen vinden. Het *erg*belangrijke*punt* dat hier van te leren valt, verbrand NOOIT iets anders dan zo droog mogelijk hout.

De volgende video laat duidelijk de ontvlambaarheid van rook zien.

Mengen en turbulentie

Vreemd genoeg brandt hout zelf niet rechtstreeks. Het is op dat gebied soortgelijk aan benzine, dat ook zelf niet brandt. Als je snel genoeg bent is het mogelijk om een lucifer te doven in vloeibare benzine. Het is af te raden om dat zelf te proberen, er is een grote kans dat de lucifer het mengsel van benzinedamp en lucht net boven het vloeistof oppervlak zal ontsteken. Als dit eenmaal is begrepen is het logisch dat de hout "dampen" gemengd met zuurstof de substantie is die brandt. Hitte maakt dat de chemische samenstelling van het hout wordt opgesplitst in kleinere, ontvlambare componenten die combineren met zuurstof (in de aanwezigheid van hitte), op zijn beurt meer hitte genereert waardoor de cyclus door blijft gaan. Een pure houtgas vlam zou blauw moeten zijn, slecht te zien in zonlicht. Maar doordat er ook gloeiende koolstof deeltjes met de vlam meegevoerd worden is de kleur rood, oranje of geel, hoe hoger de temperatuur des te lichter de kleur. Wanneer er een heleboel gas in de vlam aanwezig is en een klein beetje koolstof dan kan de kleur overkomen als geel-paars.

Zodra is begrepen dat de gassen die vrijkomen uit het hout reageren met zuurstof, is het duidelijk dat compleet en grondig mixen van deze stoffen met zuurstof nodig is voor volledige verbranding. In de praktijk is dit de meest belangrijke doelstelling en tegelijkertijd het moeilijkste te behalen. Een kolom van rook rijst op van een vuur die hoogst waarschijnlijk alleen brandt op zijn buitenste "oppervlak", de interface tussen de rook (brandstof) en de zuurstofrijke lucht. Binnen in de kolom van rook is er erg weinig zuurstof en daardoor ook geen verbranding. Het verdwijnt uiteindelijk als rook (onverbrande brandstof) omdat zelfs als die rook genoeg zuurstof tegenkomt het teveel is afgekoeld en er dus geen verbranding optreedt. Hou in de gaten dat er drie voorwaarden zijn voor verbranding, brandstof, zuurstof en hitte.

Het meest gebruikte systeem om deze zuurstof toe te voegen en voldoende turbulentie op te wekken is injecteren van verse lucht op een aantal plaatsen tegelijk. Nadeel hiervan is dat er flink wat lucht nodig is wat de temperatuur van het vuur omlaag brengt, tegengesteld aan een van de drie voorwaarden voor complete verbranding. Dit koelen van het vuur  wordt in metalen kachels niet als een nadeel gezien maar juist als een voordeel, doordat de temperaturen die bereikt kunnen worden met een houtvuur hoog genoeg zijn om staal, en zelfs roestvrij staal, te vernietigen in een verrassend korte tijd. De combinatie van een zuurstof rijke en koolstof arme omgeving gekoppeld met hoge temperaturen zal het staal erg snel laten corroderen. Met als resultaat dat tijdens elke stook dikke schilfers corrosie worden gevormd op de heetste plaatsen die er na de stook gemakkelijk afvallen.

De kachels die hier beschreven worden zijn ontworpen om de hoogst mogelijke temperaturen te handhaven -veel hoger dan metalen kachels kunnen weerstaan- en zorgen voor de juiste menging van houtgas en zuurstof door middel van methoden die in het volgende artikel worden beschreven.

Mengen en turbulentie in de batch box

Het mengen van houtgas en zuurstof in de batch box rocket wordt bereikt door de zorgvuldig ontworpen geometrie van de verbranding kamer en de correcte positionering van zowel de primaire en secundaire lucht inlaten. Deze kritische dimensies komen later aan de orde. De rangschikking van de bouwcomponenten is verrassend simpel. De verbrandings kamer welke is langer dan breed voert af aan de achterkant, waar een korte verticale en geïsoleerde "schoorsteen" is geplaatst. Dat is de heat riser hierboven genoemd. De functie van de verbrandings kamer is natuurlijk om het hout te verbranden, de functie van de geïsoleerde heat riser is om de definitieve (en volledige) verbranding van alle houtgas geproduceerd door het houtvuur tot stand te brengen. Uit het voorgaande kunnen we opmaken wat er nodig is voor deze volledige verbranding. Brandstof (houtgas), hitte (van het vuur en van de verbranding van het houtgas zelf, en merk nogmaals op dat de riser goed is geïsoleerd, om zeker te maken dat er zo weinig mogelijk hitte verloren gaat van om het even welk verbrandings proces) en zuurstof.

Let in het bijzonder op de verbinding tussen de twee elementen vuurkamer en heat riser, een hoge en smalle opening tussen deze twee. Dit staat bekend als  de "poort". Het is in werkelijkheid 70% van de doorsnede van de heat riser (de doorsnede van de riser is een van de "standaard" dimensies in deze kachels, namelijk een waarvan andere dimensies geschaald zijn). Deze plotselinge vernauwing in het pad van de gasstroom heeft een erg belangrijke functie, doordat dezelfde hoeveelheid gas ten alle tijde door het systeem stroomt. Wanneer deze stroom door een vernauwing passeert dan moet de gas snelheid omhoog op die plek (onthou, eenzelfde hoeveelheid gas stoomt er doorheen overal en ten alle tijde). Het resultaat van die versnelling op die exacte plek is that de druk op die plek omlaag gaat.

core177b2 nl2

Verwijzend naar de tekening hierboven, een holle buis (zichtbaar in zwart op de bovenkant van de vuurkamer) verbindt de secundaire lucht aanvoer direct naar de plek van de laagste druk in het systeem, de opening van de poort. Dit introduceert verse lucht in de gasstroom die de poort ingaat. Het is voor te stellen dat we nu de drie voorwaarden hebben die nodig zijn voor verbranding, brandstof, hitte en zuurstof. Het houtgas is reeds extreem heet en er is een verschikkelijk hoeveelheid hitte op deze plek, alles wat we nog nodig hebben is de laatste menging van zuurstof met houtgas. Een laatste punt om te onthouden, doordat de secundaire lucht die in de poort wordt gezogen moet door de stalen buis die boven het vuur hangt, deze lucht is dus voor-verhit op zijn weg naar de poort.

De grondige en complete menging van het houtgas en zuurstof vindt plaats als het mengsel de poort passeert en in de heat riser er achter komt. Als de gasstroom versnelt door de restrictie van de poort en dan abrupt langzamer gaat als het de *grotere* ruimte achter de poort in gaat, vindt een massieve botsing plaats doordat de nog steeds snel bewegende moleculen die de poort passeren botsen op de plotseling vertraagde moleculen voor hen. Dit veroorzaakt flinke turbulentie en gaat continue door zolang de snelheid van de gassen in de poort hoger zijn dan in de riser, in de praktijk het overgrote deel van de stook tijd. Deze omstandigheden veroorzaken dat de brandbare gassen mengen in een wervelende dubbele vortex, aanvankelijk in een horizontaal vlak en dan opstijgen in de vorm van een dubbele kurketrekker terwijl het omhoog gaat in de heat riser en het systeem verlaat.

De opstijgende dubbele kurketrekker dwingt de gassen om een veel langere weg af te leggen (die daardoor langer onderweg zijn) dan als ze recht omhoog zouden gaan. Dat deze langere weg plaats vindt in een geïsoleerde, extreem hete omgeving staat de gemengde gas en zuurstof in staat om gemakkelijk te ontbranden.

Het versnellen van de gassen als ze door een restrictie stromen staat bekend als "het venturi effect", een natuurkundige wetmatigheid die als eerste is beschreven door Daniel Bernoulli in de 18e eeuw. De sterk chaotische omstandigheden veroorzaakt door dit arrangement kunnen bekeken worden in de volgende korte video, kijkend in de heat riser en direct aan de uitgang van de poort waar de massieve botsing plaatsvindt en de dubbele vortex / opstijgende kurketrekker wordt gevormd.

De tamelijk unieke manier waarop deze kachels de turbulente condities creëren nodig voor volledige menging van zuurstof en brandstof heeft andere voordelige resultaten voor de verbrandings efficiëntie. De botte bijl methode van de metalen kist-vormige kacheltjes betekent dat er veel lucht wordt aangevoerd. Dit verlengt het leven van deze kachels maar verlaagt tevens de efficiëntie. Doordat de voorverhitte secundaire lucht in de batch box rocket binnenkomt op de exacte plek waar de sterkste menging plaatsvindt, hebben we op geen stukken na de hoeveelheid lucht nodig als in ijzeren kachels. Dus de totale doorsnede van de lucht inlaten bij elkaar is kleiner dan verwacht kan worden in een normale kachel. Deze kleiner dan verwachte lucht inlaten zijn misschien nog meer verrassend als duidelijk wordt hoe snel de brandstof wordt geconsumeerd in deze massakachels.

Nog een laatste toelichting waarom "grote hoeveelheden koude lucht" tegengesteld is aan goede efficiëntie. De essentiële component voor verbranding is zuurstof. Elk ander bestanddeel in lucht is alleen maar een meeliftende passagier, het draagt niets bij aan het proces van verbranding maar koelt in plaats daarvan het vuur (bekend als ballast gassen, vergelijkbaar met een schip, ballast is alleen maar overmaat aan gewicht en geen lading). Zoals je kunt zien, door zorgvuldig gebruik te maken van geometrie en natuurkundige wetten voegen deze kachels de juiste hoeveelheid zuurstof op de juiste plaats toe om volledige menging en verbranding mogelijk te maken.

Misschien kunnen we dit idee van "Goudlokje lucht" uitbreiden. Het is niet teveel en niet te weinig, precies goed, maar is tevens precies op de juiste plaats.

Deze kachels maken ook een heel typisch geluid, een soort van laag gerommel (op een vreemde manier geruststellend). In feite, het is dit karakteristieke geluid wat al de varianten van deze kachels de naam "Rocket Stoves" heeft gegeven. De korte video hieronder geeft een indicatie van dit karakteristieke geluid, dit specifieke voorbeeld is in een metalen behuizing en heeft als gevolg daarvan meer "galm". Uitvoeringen die steenachtige behuizingen gebruiken verandert het timbre in een minder galmend, lager rommelend geluid dat op geen enkele manier aggressief is.

Veel hitte

Door afdoende isolatie aan te brengen rond de vuurkamer maar vooral rond de riser wordt de bedrijfs temperatuur eerder bereikt. Dat niet alleen, de brandbaarheid van de houtgassen gaat er met sprongen op vooruit. Dat heeft dan weer zijn effect op het rendement, meer gassen worden brandbaar en de complete verbranding komt eerder in het zicht tijdens een stook.

Beperkingen

Het is belangrijk om je te realiseren dat de vorm en vermating van de verbrandings unit vrij kritisch zijn, afwijkingen daarvan zijn in essentie ongetest (jouw speciale uitvoering zou een winnaar kunnen zijn, maar zonder uitvoerig testen zal niemand dat ooit weten). Het kritische van deze bemating en proporties is vrij logisch, zij zijn verantwoordelijk voor wat er binnen in gebeurt.

Om de doeleinde van deze verbrandings unit te bereiken (rookloze hoog efficiënte verbranding dat gevolgd en gebouwd door anderen) is het belangrijk dat de ontwikkelde en geteste dimensies zo goed mogelijk aangehouden worden.

Een goede schoorsteen is nodig, dat is de "motor" van elke houtkachel, en het is de aandrijving die voldoende trek voor de schone verbranding creëert. Zoals hierboven aangegeven, zijn de lucht inlaten kleiner dan 'verwacht' en als zodanig gemakkelijker beïnvloed door afwijkingen van het hier gegeven ontwerp. Proporties van het ontwerp zijn gegeven in het hoofdstuk "Bouwen". Wanneer de schoorsteen temperatuur stijgt (en als gevolg daarvan een sterkere trek) kan de lucht inlaat gereduceerd of grotere stukken hout gebruikt worden. Grote hompige stukken hout hebben minder buiten oppervlak dan een gelijk gewicht aan kleine stukjes.

Deze kachels verbranden de complete lading brandstof zonder restricties in de lucht toevoer of om het even welke andere maatregel om de verbranding te vertragen. Het zou nu duidelijk moeten zijn dat voor maximum efficiëntie en schone stook deze manier van regelen alleen het doel tegenwerken. En dus om de opgewekte hitte goed aan te wenden is er een grote stralende oppervlakte of een voldoende grote massa nodig om de warmte op te nemen en de opgeslagen warmte langzaam uit te stralen. Deze verschillende benaderingen zullen in een ander hoofdstuk behandeld worden.

Een merkwaardig fenomeen van deze kachels is de tijd dat een stook duurt. Het blijkt dat (tamelijk contra-intuïtief) een volle lading hout ongeveer even lang brandt als een halve lading (of een andere verhouding), vanaf aansteken tot aan de gloeifase. Dus is het duidelijk dat een volle lading hout een verbazend grote hoeveelheid energie genereert in een gegeven tijd. Daarom hebben we manieren nodig om deze hitte te oogsten wat besproken zal worden in het volgende hoofdstuk.

Resultaten

In de afgelopen jaren (2012 t/m 2016) heb ik met dit type vele honderden test sessies uitgevoerd en in de meeste omstandigheden zijn de resultaten ronduit uitstekend. De Testo 330-2, de gas analiser die ik gebruik om tijdens een test te meten meet de gasen die de schoorsteen in gaan en via die data wordt de efficiëntie berekend. De analiser kan aan een computer worden aangesloten en de software kan zelf grafieken en spreadsheets van de resultaten genereren.

Een grafiek van het verbrandings verloop

De grafiek hierboven is van een stook in een warme kachel, te zien aan de hoge aanvangs temperatuur (gemeten in de kachelpijp, in graden Celsius, vertegenwoordigd door de blauwe lijn). Zoals eerder vermeld, een warme (op bedrijfs temperatuur) schoorsteen zal een overeenkomstig sterke trek hebben en dus ontwikkelde het vuur zich snel. Gedurende de stook zakt het zuurstof niveau (de groene lijn)  onder wat ik beschouw als de grens tussen optimaal en niet optimaal (6%). Onder dat getal is er een grotere kans op een hoge CO output (paarse lijn) als er te weinig zuurstof aanwezig is. In dit geval is dat niet gebeurd zoals te zien is, dus hoewel een groter risico op de loer ligt is het duidelijk dat een uitstekende stook toch bereikt kan worden. Aan de hand van de eerdere uitleg op het vlak van verbranding is het zichtbaar/begrijpelijk dat het zuurstof niveau en de schoorsteen temperatuur directe invloed hebben op de efficiënte van de stook. De rode lijn vertegenwoordigt de efficiëntie.

Wanneer het zuurstof niveau niet zakt onder 10% met een corresponderend lage temperatuur van 80 ºC, dan zal het rendement hoger zijn dan in de bovenstaande grafiek. Hoewel een lagere uitgangs temperatuur minder sterke trek betekent wat weer gevolgen kan hebben voor de verbranding als gevolg van de lagere gas snelheid door het systeem.

Deze grafieken die de relatie tussen de verschillende parameters laten zien zijn een grafische manier om het "erg belangrijke punt" dat eerder in dit hoofdstuk is genoemd te begrijpen. Namelijk dat het onwaarschijnlijk is dat een afwijking van de beschrijvingen hier een optimale kachel op zal leveren. Natuurlijk IS het mogelijk, maar hoogst twijfelachtig. De interacties in de verbrandings unit zijn buitengewoon complex, en elke verandering zou dan ook geëvalueerd moeten worden met daadwerkelijke metingen door tests soortgelijk als hierboven weergegeven.

De bovenstaande grafiek is uiteraard een heel mooie en juist daarom niet erg representatief. Een enigszins normaler ogend diagram dat gegenereerd is gedurende de ontwikkeling in 2012 zou de volgende kunnen zijn.

Tweede grafiek van batchrocket verbranding

Vergelijking van de grafieken leert ons een paar dingen (bijvoorbeeld waarom de Testo absoluut essentiëel is om te weten te komen wat er gebeurt tijdens een stook) en om te zien waarom deze stook beter representatief is dan het eerste voorbeeld. Het is duidelijk zichtbaar dat het extreem lage CO niveau (paarse lijn) die volledige verbranding aangeeft later begint en minder lang duurt. Merk op dat ook het zuurstof niveau (groene lijn) niet zo heel erg laag komt maar toch op een heel acceptabele waarde. Deze zuurstof meting is bekend onder de term 'lucht overmaat' of 'zuurstof overmaat'.

Derde grafiek van batchrocket resultaten

Het bovenstaande diagram, gemaakt tijdens de eerste ontwikkeling, representeert een hele woeste stook, brullend, hortend en stotend en af en toe ook rokend. Recente ontwikkelingen zijn afgesloten met veel betere resultaten, dit komt ter sprake in het hoofdstuk "Ontwerpen".

Flag Counter