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 als het heet genoeg is en vermengd met verse lucht. Dat mengen gebeurt niet spontaan, er moet flink geklutst worden om dat voor elkaar te krijgen.
(lees meer)

Turbulentie in de Batch Box

In de wereld van Rocketstovebouwers heet het geïsoleerde schoorsteentje een "riser". Het gat onderin de riser heet de "poort". Het geheel van de riser en de verbrandingskamer wordt de "kern" genoemd. De manier waarop in een Batch Box 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 komen 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

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.

Om het geheel goed aan de gang te houden wordt wat moeilijker maar niet heel veel. Hogere temperaturen bereiken dan de paar honderd graden van een klein vuur zonder dat uit te laten dijen vergt weer wat meer, dan moet er iets omheen gebouwd worden wat het afschermt van de omgeving. Dan ontstaat er al iets als een omhulling die een deel van de hitte binnenhoudt.

De volgende stap zou een rookloos vuur moeten worden ware het niet dat zoiets vreselijk veel meer moeite kost om voor elkaar te krijgen. Rook is gewoon brandstof die niet heeft gereageerd met zuurstof en in de lucht verdwijnt. Verdwijnen voor het zicht, want een slecht brandende kachel is op een flinke afstand te ruiken als prikkelende stank.

Letterlijk alles van het hout kan omgezet worden, rook dus ook. Vooropgesteld dat die rook voldoende hoog van temperatuur is en adequaat gemengd met verse, liefst voorverwarmde lucht. Zodra de rook afkoelt is er van makkelijk ontbranden geen sprake meer. Er stijgt een rookpluim op, als het signaal van verkwiste brandstof. Zelfs de koolmonoxide wat door elk vuur wordt geproduceerd en terecht wordt gevreesd als zeer gevaarlijk, is brandstof. Het lichtgas dat tot ver in de vorige eeuw in Nederland werd gemaakt bestond voor 8% uit CO. Om het gevaar van vergiftiging te verminderen was er een smerig luchtje aan toegevoegd want CO is van zichzelf reukloos.

Mengen en turbulentie

Eigenlijk brandt hout niet rechtstreeks maar wordt het door het verhitten ervan gekookt. De gasvormige bestanddelen die vrijkomen zijn uiterst brandbaar en worden als vlammen zichtbaar. Een pure houtgas vlam zou blauw moeten zijn, slecht zichtbaar in zonlicht. Omdat in die vlammen ook gloeiende koolstof wordt meegevoerd zijn ze rood, oranje of geel, hoe hoger de temperatuur hoe lichter de kleur. Als er veel gas en weinig koolstof in de vlam zit dan kan het ook een geel-paarse kleur krijgen.

Dan is er nog het probleem van het mengen, dat gebeurt niet zomaar. Wat er boven een open vuur opstijgt is een wolk van onverbrande gassen waarin de lucht niet zomaar doorheen wordt geklutst. Het is meer een kolom van rook die onder de juiste omstandigheden hooguit aan de buitenkant brandt maar er in niet of heel slecht. Mengen is in dat opzicht het belangrijkste en tegelijkertijd het moeilijkste om tot stand te brengen.

Het meest gebruikte systeem om 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. Voor de meeste metalen kacheltjes is dat niet erg, een echt houtvuur kan zulke hoge temperaturen bereiken dat staal, ook roestvast, daar niet lang tegen bestand is. In combinatie met een zuurstofrijke en koolstofarme omgeving gaat het staal onder die omstandigheden sterk corroderen met als gevolg dat er tijdens elke stook op de zwaarst belaste plaatsen wel een paar dikke schilfers afvallen.

Turbulentie in de batch box

Het batch box ontwerp maakt gebruik van een andere manier om turbulentie op te wekken. Met name door de vorm van de kern en de plaatsing van de lucht inlaten. Achter de vuurkamer die dieper is dan breed bevindt zich de riser. Dit is een ronde of achtkantige buis, verticaal opgesteld en aan het boven einde open. De doorsnede van die buis is gelijk aan of kleiner dan de schoorsteen diameter.

Tussen de vuurkamer en die buis is een smalle en hoge opening die de poort wordt genoemd. De doorsnede van de poort is 70% van de doorsnede van de riser. De luchtinlaten bevinden zich allebei aan de voorzijde van de vuurkamer. De primaire inlaat in de deur dichtbij de bodem van de vuurkamer. De secundaire inlaat is een smalle rechthoekige buis die over de vuurkamer heen met een scherpe bocht van 90 graden uitkomt direct boven de bovenkant van de poort.

core177b2 nl2

Omdat turbulentie niet primair door binnenstromende lucht wordt opgewekt is de totale doorsnede van de lucht inlaten kleiner dan normaal verwacht wordt van een gewone hout kachel. Zeker gezien het tempo waarin de brandstof wordt geconsumeerd.

Mengen in de batch box

De luchtstroom door de vuurkamer gaat horizontaal naar achter, door de poort in de riser en vandaar met een bocht van 90 graden omhoog, de riser uit. Met name bij het passeren van de poort is de gas snelheid hoger en de druk overeenkomstig lager dan in de vuurkamer of de riser. Het fenomeen staat bekend als "het venturi effect" en is een natuurkundige wetmatigheid beschreven door Daniel Bernoulli in de 18e eeuw. Doordat de secundaire inlaat direct boven de ingang van de poort uitkomt is de druk daar al zoveel lager dat automatisch lucht wordt aangezogen vooropgesteld dat de gas snelheid hoog genoeg is.

Er is nog een ander fenomeen dat veel minder bekend is maar niettemin hier een grote rol in speelt: de turbulentie na de vernauwing. Die kan aanzienlijk zijn, veroorzaakt doordat de gas moleculen achter de poort abrupt snelheid verliezen en daardoor met de achterop komende moleculen in botsing komen. In feite een massale kettingbotsing die continue doorgaat zolang de snelheid in de poort maar hoger is dan in de riser. Het beeld wat dan ontstaat is een dubbele vortex in het horizontaal vlak die twee spiralen vormt die omhoog draaien in de riser.

Het effect als geheel is een tamelijk gewelddadige turbulentie en een verlengd verblijf in de riser. Aangezien de riser rondom van isolatie is voorzien is de kans dat de temperatuur tijdens de menging op niveau blijft heel groot waardoor de reactie met zuurstof relatief gemakkelijk plaats kan vinden. Ter illustratie hoe het fenomeen er uit ziet zie deze video.

Het ding maakt ook een heel typisch geluid wat luider klinkt als de unit in een hol metalen vat is geplaatst, zie de volgende video hoe dat klinkt. In de vaker gebruikte stenen behuizing is het geluid hoorbaar als een soort gegorgel en gerommel maar het is niet storend.

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 geheel is tamelijk kritisch wat vorm en bemating betreft. Dat is ook wel logisch, de vorm maakt voor het grootste deel uit wat er gebeurt. Er is een goede schoorsteen nodig omdat de schone verbranding alleen plaats vindt bij een voldoende hoge gas snelheid. De luchtinlaten zijn bij elkaar tamelijk beperkt zodat een kleine vermindering of vergroting van de luchttoevoer grote effecten kan hebben. Als de schoorsteen temperatuur en daarmee de trek oploopt dan is het aan te raden om de doorsnede van de primaire inlaat te verkleinen.

Het oorspronkelijke ontwerp brandt altijd voluit zodat een metalen omhulsel dat de warmte overdraagt aan de lucht er omheen flink van formaat moet zijn. Een stenen omhulsel die de warmte op kan slaan is dan meer voor de hand liggend maar die wordt ook groot vanwege de noodzaak van veel kilogrammen.

Maar als het ding het doet dan gaat het ook heel goed. Bij gelijke brandstof soort en vochtigheid in een en dezelfde opstelling is er erg weinig speling in de verstreken tijd vanaf aansteken tot aan de gloeifase. Bij een volle lading wordt als gevolg van dit fenomeen in ongeveer dezelfde tijd enorm veel meer vermogen geleverd ten opzichte van bijvoorbeeld een halve lading.

Resultaten

In de loop der jaren 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 kan aan een computer worden aangesloten en de software kan zelf grafieken en spreadsheets van de resultaten genereren.

Een grafiek van het verbrandings verloop

Dit was een stook in een warme kachel, te zien aan de hoge aanvangs temperatuur. De trek was dus sterk en het vuur ontwikkelde zich snel. Het zuurstof niveau (de groene lijn) gaat ruim lager dan wat ik als de kritische grens van 6% beschouw. Onder die grens kan het nog wel goed gaan maar de kans op een steile piek in de koolmonoxide (de paarse lijn) is dan veel groter. Zowel het niveau van de zuurstof als de temperatuur van de rookgassen (de blauwe lijn) hebben invloed op het rendement. Als de zuurstof niet lager komt dan 10% maar de temperatuur niet hoger dan 80 ºC dan is het rendement hoger dan volgens deze grafiek. Lagere temperatuur van de rookgassen betekent ook een minder sterke trek en dat heeft weer invloed op de verbranding vanwege de lagere gas snelheid.

Het mag duidelijk zijn dat alle voorwaarden en instellingen met elkaar samenhangen, het is niet mogelijk om een enkel aspect te wijzigen en alle anderen intact te laten. Er ontstaat dan een nieuwe situatie die wel of niet gelijk reageert als de hier beschreven experimentele verbrandings kamer. Een nieuwe situatie betekent opnieuw beginnen met bouwen en testen om de beste opties te vinden.

De bovenstaande grafiek is natuurlijk een hele mooie en om die reden niet representatief. Een wat meer normaal ogende grafiek gemaakt gedurende de ontwikkeling in 2012 zou deze kunnen zijn:

Tweede grafiek van batchrocket verbranding

De paarse lijn heeft hier een veel kleiner "erg goed" deel en een steil oplopend eind. Plus dat het zuurstof gehalte niet zo laag uitkomt maar nog steeds wel behoorlijk. Maar alles is natuurlijk wel eens langs geweest, ook hele slechte. Veroorzaakt door steeds maar opnieuw wijzigingen proberen en dan gaat het vaker fout dan goed.

Derde grafiek van batchrocket resultaten

Dit was een hele woeste stook, brullend, hortend en stotend en af en toe ook rokend. De recente ontwikkelingen leveren heel wat beter ogend materiaal op, dat komt ter sprake in een ander hoofdstuk.

Flag Counter