Tutti i nuclei delle stufe sono progettati da Peter van den Berg, salvo diversamente indicato.

1: Nucleo in mattoni

Una camera di combustione e un riser in muratura sono i più semplici da costruire, anche se i mattoni refrattari devono essere tagliati. Con una progettazione ottimizzata i tagli potrebbero essere ridotti al minimo.
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Canale P

Nel progetto originale questo condotto fornisce l’aria secondaria. Di semplice costruzione, esso funziona solamente grazie alla legge della fisica nota come il principio di Bernoulli.
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2: Nucleo diritto in mattoni, riser ottagonale

Il problema del riser squadrato, nel nucleo in mattoni visto sopra, è risolto in questo secondo progetto, il riser adesso è ottagonale che rappresenta una buona approssimazione del rotondo. Le file di mattoni sono applicate alternativamente per coltello e in piano in modo che leghino.
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3: Nucleo stampato

Questo è il modulo della camera di combustione con il terzo inferiore dell’heat riser in due parti separate. Viene costruito piuttosto spesso e funziona bene ma è vulnerabile alla screpolatura.
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4: Nucleo stampato

Questo è un progetto recente (2015) con la camera di combustione divisa in tre parti. Invece di un canale P è presente un canale sul pavimento.
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Canale a pavimento

Si tratta sempre di un’entrata dell’aria secondaria ma questa indirizza l’aria a metà dell’altezza della porta. Questo condotto giace sul pavimento della camera di combustione e riceve l’aria dalla presa d’aria principale.
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5: Nucleo laterale stampato (NdT: in Inglese “Sidewinder”)

Un progetto dove il riser non è situato dietro la camera di combustione ma invece di lato, permettendo una minore profondità.
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6: Nucleo laterale in mattoni

Un modo più semplice per realizzare un nucleo laterale una-tantum rispetto alla fabbricazione di stampi è costruire con i mattoni refrattari. Sfortunatamente il numero di mattoni che devono essere tagliati è piuttosto significante.
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7: Un design di base più semplice

Una combinazione di un montante quadrato e un canale a pavimento. Più semplice da costruire, meno tagli di mattoni e comunque ottimi risultati.
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1: Nucleo diritto in mattoni

Utilizzando una buon schema e una miscela di argilla/sabbia adatta, questa versione in muratura è una semplice soluzione per sperimentare questi principi da te. Questo può essere fatto all’aperto, in un fienile o in un capannone, ovunque sia conveniente. Un piccolo avvertimento, il riser probabilmente sputerà fuori le fiamme dalla sommità, quindi usa una canna fumaria per scaricare quando si sperimenta negli spazi chiusi. Non è soltanto un comodo banco di prova, è più che adatto per un uso permanente come nucleo per una stufa (la miscela di argilla e sabbia permette un facile smontaggio dopo i test). Come verrà descritto più avanti, le stufe sfruttano la combustione ultra pulita fornita da queste unità e sono capaci di catturare e immagazzinare il calore prodotto.

Naturalmente è importante costruire su una base stabile, preferibilmente coibentando o usando uno strato isolante intermedio. Il disegno su SketchUp 8 di questo progetto è disponibile per il download tramite questo link. La forma interna del riser è quadrata, non va così bene come quella rotonda, funzionerà ma non è la forma ottimale. Questa versione è adatta per essere costruita con solidi mattoni refrattari. La disposizione di questi mattoni può avere bisogno di aggiustamenti, questo progetto è basato sulla grandezza dei mattoni diffusi in Olanda. Ovviamente, almeno il riser dovrebbe essere circondato da materiale isolante resistente al calore. Non è questo il caso se il nucleo è fatto usando mattoni refrattari isolanti leggeri. D'altra parte, questi sono probabilmente un pò troppo vulnerabili all'abrasione per essere usati nella camera di combustione.

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Canale P (NdT: in Inglese “P-channel”)

Il condotto rettangolare di acciaio in cima alla camera di combustione fornisce l'aria secondaria. Questa parte è comunemente chiamata il canale P, diminutivo di "canale di Peter" dal suo ideatore. L'acciaio dolce comune o acciaio inossidabile sono materiali adatti per fabbricare questa parte. In questo sistema di 150 mm è stato usato un condotto rettangolare di 60x20x2 mm.

L'estremità sospesa verso il basso finisce un pò più sotto della cima della porta, offrendo una piccola sporgenza. Per semplificare le cose, la sporgenza è grande quanto la profondità del condotto. Sul retro, di fronte al riser, è stato ritagliato un piccolo pezzo per favorire l'aspirazione dell'aria. Lo stesso principio che fa funzionare il canale P, il principio di Bernoulli, implica che la pressione all'interno del sistema sia più bassa di quella esterna. Pertanto non uscirà fumo dal canale P, come da ogni altra piccola crepa o dalla presa d'aria principale stessa. Contrariamente, se il fumo esce dal canale P o dalla presa d'aria principale, allora significa che c'è qualcosa che non va nel sistema.

Questa aria secondaria deve essere aggiunta al flusso prima della forte turbolenza nella porta e dietro di essa. Inviare aria nel riser stesso sembra ovvio ma non funzionerà, in questo modo la miscelazione non è abbastanza efficace.

Il condotto è raffreddato dall'aria in arrivo quindi la speranza di vita dell'acciaio comune è sorprendentemente lunga. Il danno da corrosione in una stufa che è stata usata per due stagioni è appena visibile. Quindi, sarebbe saggio non chiudere mai il canale P durante il funzionamento. Si suppone che uno spessore maggiore del condotto potrebbe favorire una corrosione più veloce perché il metallo non riuscirebbe a dissipare calore così velocemente come il materiale più fino.

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2: Nucleo diritto in mattoni, riser ottagonale

Il problema del riser quadrato è risolto in questo prossimo progetto, il riser adesso è ottagonale che rappresenta una buona approssimazione del rotondo. Le file di mattoni sono applicate alternativamente per coltello e in piano in modo che leghino. Più il riser è liscio all'interno e meglio è, quindi vale la pena stare molto attenti mentre si costruisce questa parte.

L'ottagono è una forma favorevole perché in questo modo il doppio vortice inizierà anticipatamente nella combustione. L'aspetto negativo di questa forma è la maggiore massa. Questo svantaggio non entrerà in gioco quando vengono usati i mattoni refrattari isolanti per questo progetto. Anche il materiale isolante intorno al riser non è più necessario, i mattoni sono abbastanza isolanti da soli.

I piccoli triangoli gialli sono in realtà lo stesso materiale, il colore diverso è lì solo per una facile visualizzazione. La costruzione di questo nucleo è differente dal primo progetto a mattoni, la connessione fra la camera di combustione ed il riser è diversa. Anche questo disegno è disponibile per il download, usa questo link.

Sotto ci sono altri due esempi di come fare il riser ottagonale con mattoni standard. Entrambi usano mattoni che sono stati tagliati con un angolo di 45 gradi per creare "mezzi" di eguale misura per formare una forma ottagonale. Il più basso è semplice ma permette soltanto una dimensione del riser mentre gli altri consentono di regolare i mattoni per un riser leggermente più grande. Un riser più ampio comporterebbe che pure la camera di combustione e la porta dovrebbero essere più grandi, il metodo del ridimensionamento è sempre valido.

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3: Nucleo diritto stampato, 4 parti

Questo è un progetto provato e collaudato con un bel pò di esempi validi in tutto il mondo. Un evidente anche se non fatale punto debole è il fatto che questa versione è soggetta a screpolature a destra e manca nella camera di combustione. La camera di combustione rimarrà integra, dopo che le crepe sono comparse non accadrà niente altro in seguito. Probabilmente le crepe stesse agiscono come dei giunti di espansione, la tensione è liberata e le crepe non cresceranno più. Gli spessori delle pareti sono sottili 30 mm e dove applicabile sono usati pezzetti di riempimento per risparmiare sul materiale. Questo non è stato fatto per risparmiare denaro ma per ridurre la massa del nucleo. Meno materiale c'è e prima tutto quanto raggiunge la temperatura di lavoro.

La parte del riser sopra la camera di combustione è anch'essa separata in due parti identiche, così esse potrebbero essere gettate nello stesso stampo.

La croce sui lati indica quale faccia è in alto durante la colata. Quel lato rimarrà relativamente grezzo ma non ha nessuna importanza. Non solo l'ottagono è una forma preferibile (una buona approssimazione della rotonda), viene anche formata facilmente quando si costruisce uno stampo. Una sega da tavolo impostata a 45 gradi taglierà tutti i pezzi necessari. Un'attento uso di una sega elettrica portatile con una barriera/guida sarà comunque soddisfacente se una sega da tavolo non è disponibile.

Anche questo disegno si può usare, scaricabile tramite questo link.

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4: Nucleo diritto stampato, 5 parti

Questo progetto è abbastanza recente (2015) ed è stato usato quotidianamente per un inverno senza visibili crepe. Nella mia realizzazione la base poggia su una struttura di supporto e la parte superiore è tenuta insieme da spine e dalle corrispondenti cavità in alto. L'immagine sottostante mostra un disegno leggermente adattato ma è essenzialmente lo stesso di quello della mia stufa.

Chiaramente, anche il riser di quest'altro ha bisogno di essere isolato dalla testa ai piedi. La costruzione è piuttosto semplice, mostrata dall'immagine sottostante.

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Canale a pavimento (NdT: in Inglese “floor channel”)

Questo condotto di alimentazione dell'aria secondaria è un'alternativa al canale P, da non usare nella stessa stufa. La costruzione e il posizionamento sono piuttosto differenti, esso sta sul pavimento della camera di combustione all'interno di un canale ed è alimentato attraverso la stessa entrata della presa d'aria principale. E' chiamato canale a pavimento e come tale è una variante del condotto di Matt Walker ma la parte verticale è più corta, quadrata e meno larga. Di conseguenza, il condotto non rappresenta un'ostruzione all'interno della camera di combustione.

Oltretutto l'aria viene fornita a metà strada della porta che a sua volta mantiene basso il doppio vortice nel riser. Questa versione è un po più facile da produrre di quella di Matt's, gli unici strumenti usati per fabbricare questa cosa sono una piccola smerigliatrice dotata di un disco da taglio e un saldatore. Questo canale a pavimento è molto facile da sostituire, un vantaggio se confrontato con il canale P che non può essere tirato fuori a meno che la stufa sia smontata.

Il canale è fatto di ordinari tubi rettangolari spessi 2mm e presenta pochissima corrosione o deterioramento dopo un anno di uso quotidiano in un inverno temperato marittimo. La spiegazione della mancanza di corrosione è che l'interno del condotto è raffreddato dall'aria entrante. E il condotto stesso si trova in un angolo della camera di combustione povero di ossigeno durante il funzionamento, l'acciaio non si corroderà in assenza di ossigeno.

Quindi, questa è una delle poche parti in acciaio all'interno della camera di combustione che non viene distrutta in 10 accensioni, la durata è accettabile. Il mio prossimo canale verrà fatto con acciaio inossidabile 304, la speranza di vita dovrebbe essere ancora migliore.

Le accensioni durante l'inverno del 2015/2016 sono state interamente dedicate per fare come si deve questa alimentazione dell'aria, sono state testate circa 12 varianti. Il disegno mostra un condotto orizzontale da 60x30x2 mm, il pezzo verticale misura 35x35x2 mm. L'area della sezione trasversale interna del condotto più grande è di circa 1,5 volte maggiore dell'area di quello piccolo. Questo non è un caso, sono state testate 3 misure del tubo orizzontale in differenti combinazioni con 3 misure verticali. Il condotto da 60x30x2 è altrettanto efficace di quello da 60x40x2, a condizione che l'entrata del canale sia più grande dello scarico. Usando i canali di acciaio come progettato, la parte verticale è il 5,4 % del CSA (NdT: cross section area = area della sezione trasversale) del riser e la parte orizzontale è l'8,25%. Tenendo d'occhio queste percentuali è possibile calcolare le dimensioni per una batchrocket più grande o più piccola secondo un più ampio o meno ampio CSA del riser.

01/05/2019 A somewhat simpler construction together with a larger feed part and a higher stub, according to the latest findings. The air flow is optimized in such a way that the top half of the port recieves the majority of the secondary air stream.

The feed is close to twice as large as the stub, csa-wise. It's also produced using a grinder with a thin cutting blade and a welder. A drawing of a size which is suitable for a 150 mm (6") system can be obtained here.

Diversamente dal progetto usuale questa variante dovrebbe essere accesa in cima alla pila di combustibile, detto "fuoco al contrario". Questo metodo porterà i migliori risultati.

Questo grafico rappresenta una prova di combustione dove vengono usati grandi pezzi di betulla completamente asciutti, accesi in cima. La temperatura iniziale della stufa stessa è capitato che fosse leggermente calda, quella della canna fumaria 30 ºC. Il CO è calato a 18 minuti dalla combustione sotto i 500 ppm ed è rimasto così basso per 58 minuti. I valori medi di questa combustione: O2 13%, eff. 95.2%, CO 282 ppm, Tr 66.4 ºC. Il livello finale del CO è insolitamente basso.

Per concludere: il disegno di questo nucleo è disponibile tramite questo link.

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5: Nucleo laterale stampato, 7 parti

Questa è una variante di una batch box rocket dove il riser è posizionato a sinistra o a destra della camera di combustione. Il progetto è stato sviluppato da Adiel Shnior e Shilo Kinarty, due ragazzi che costruiscono rocket mass heaters in Israele. Max Edleson, un costruttore di stufe negli Stati Uniti lo ha chiamato "sidewinder". Questo è il nome di un serpente del deserto che si muove serpeggiando lateralmente sulla sabbia.

Dato che il riser non è più direttamente in linea con la camera di combustione, ovviamente essa non è più simmetrica. Di conseguenza, abbiamo bisogno di un ulteriore stampo per gettare la camera di combustione, vedi sotto.

Questo progetto è simile al precedente con una parte superiore separata, la forma più complicata è la parete posteriore che incorpora la metà della parte inferiore del riser. E' possibile spuntarla senza fare apposta un secondo stampo per gettare i lati della camera di combustione se si riesce a posizionare e fissare un "pezzo di riempimento" nello stampo nel punto in cui dovrebbe essere la porta, prima di gettare. In questo modo un'unica forma può servire a stampare entrambi i lati, uno con l'uscita alla porta dovuta al pezzo di riempimento posto in essere prima di gettare, l'altro senza alcun uscita. La parte superiore della camera di combustione è identica a quella del progetto rettilineo e l'altra metà inferiore del riser è una forma abbastanza facile. Per una migliore comprensione della struttura c'è un disegno esploso qui sotto.

Sembra molto complicato, ma con un attento esame e riflessione si capisce che rientra pienamente fra le competenze del tuttofare di casa. Sebbene in apparenza più complicati, questi stampi sono assemblati allo stesso modo di come è spiegato nella sezione "Costruzione". Una scatola di compensato rivestita con pezzi di polistirene estruso (o altro) creati adeguatamente per costituire la forma finale.

Per molti questo potrebbe essere il primo tentativo di pensare con "spazi negativi" e su come smontare lo stampo. Io penso che rientra nelle capacità di un buon "aggiustatutto da cortile" quindi non temere. Potrebbe essere un'idea molto buona provare i tuoi stampi con dei materiali molto più economici, come il gesso di Parigi, o anche una debole miscela di cemento e sabbia, prima di sprecare (potenzialmente) i costosissimi materiali refrattari su uno stampo che potrebbe avere bisogno di modifiche prima che il corretto risultato finale sia raggiunto.

Come menzionato nell'introduzione, questo è un progetto open source perciò è disponibile per scopi commerciali (per favore leggi ogni condizione allegata nella sezione introduzione). Se è stato deciso di farne più di qualcuna di queste unità è importante prima creare gli "stampi master" positivi (che sono proprio la figura stessa, il "positivo")
e da essi produrre gli stampi in gomma (cioè questi sono adesso i "negativi") per essere usati nell'effettiva linea di produzione.

Questi stampi secondari avranno bisogno di essere sostituiti periodicamente rifondendoli dallo stampo master. Mi sembra una valida opportunità imprenditoriale creare e vendere questi pezzi stampati insieme a delle belle istruzioni per l'assemblaggio e anche i "passi fai da te" richiesti per raggiungere il prodotto finale. Il numero totale di stampi incluso l'heat riser è cinque, da cui è possibile stampare 7 parti. Il disegno di questo progetto è disponibile attraverso questo link.

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6: Nucleo laterale in mattoni

Questo progetto non è difficile da realizzare usando mattoni refrattari ed una sega ad acqua. Non più difficile del progetto della batch rocket diritta. Per rendere le cose un pò più semplici la misura del progetto è stata ingrandita un pochino, da 150 mm a 160 mm. Facendo questo, la camera di combustione diventa anch'essa leggermente più ampia quindi potrebbe essere caricato del combustibile piuttosto più grande.

Sarebbe opportuno mantenere la stessa profondità come nella versione diritta del nucleo a mattoni. Complessivamente, con il riser che non sta più sul retro, dovrebbe risultare in una profondità di installazione di 486 mm usando mattoni di questa grandezza. Questo sarebbe un risparmio di 216 mm confrontato con i 702 mm del nucleo diritto. Le differenze sul comportamento della combustione sono abbastanza piccole quindi questa sarà una buona alternativa. Queste misure sono tutte nominali, non è stato preso in considerazione lo spessore della malta fra i mattoni.

La parte verticale del canale a pavimento è leggermente allungata per ospitare il volume più ampio del riser e della porta. Del resto, questo canale è costruito più semplicemente se confrontato a quello nella versione con il nucleo laterale stampato, non ci sono curvature a 90 gradi in esso e la parte verticale è posizionata asimmetrica sulla parte orizzontale in modo da produrre una distanza sufficiente dalla porta. Su entrambi i lati della parte verticale ci dovrebbe essere tanto spazio quanto la metà della larghezza della porta, misurata perpendicolarmente ai lati del canale verticale, fra questo e gli angoli della porta.

Naturalmente è possibile e anche preferibile usare il riser ottagonale del progetto 2:nucleo in mattoni che produrrà risultati di combustione migliori. Usa questo link per scaricare il disegno SketchUp.

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7: Un altro layout di base

Tra l'autunno del 2017 e l'estate del 2018 è stata acquisita una discreta esperienza con un layout diverso, avente canale aria secondaria ( P tube) a pavimento, e un riser a sezione quadrata in luogo della più usuale sezione rotonda o ottagonale. Le sue prestazioni sono risultate buone, almeno quanto una batchrocket con canale aria secondaria (P tube) a soffitto e riser a sezione rotonda, con il vantaggio di una costruzione molto più semplice: con minore necessità di taglio dei mattoni e un layout più semplice la costruzione dovrebbe essere più agevole. Nel corso del test di questo layout è stato omesso il back sweep, ovvero la curvatura posta alla base del riser (semplificando ulteriormente la costruzione), con risultati altrettanto eccellenti e incoraggianti. (vedi sotto il video)

Gli unici angoli smussati a 45° in questo layout sono quelli alla base posteriore del riser, di fronte alla porta (visibili nel disegno sotto): il risultato è un mezzo ottagono che favorisce la formazione del tipico doppio vortice a corna di ariete.

Le tabelle delle dimensioni già pubblicate rimangono valide anche con questo design: vale a dire che anche utilizzando un riser a sezione quadrata tutte le altre dimensioni della batchrocket verranno calcolate come se il riser avesse sezione rotonda (aerodinamicamente equivalente alla sezione quadrata).
Si prega di leggere le conseguenze di un riser a sezione quadrata rispetto a un riser a sezione rotonda nel capitolo "Costruzione".

Questo progetto è nato piuttosto per caso, durante un seminario sull'isola spagnola di Maiorca nel novembre del 2017. La sega per mattoni che era stata noleggiata non era in grado di eseguire i tagli a 45 gradi con la precisione richiesta, costringendomi a provare questo metodo di costruzione. Non fu un salto nel buio al contrario di quanto si potrebbe immaginare, perche la mia esperienza nel corso degli anni mi aveva portato a sospettare che questo metodo fosse del tutto praticabile, e alcuni esperimenti dedicati avevano fortemente sostenuto quel sospetto. Forse una fortunata serie di circostanze, ha funzionato perfettamente fin da subito. Ecco un video time lapse dell'intera realizzazione. Il disegno può essere scaricato tramite questo link.

Gran parte dell'ulteriore verifica pratica del concetto è stata eseguita dal francese Yasin Gach durante altri seminari e costruzioni commerciali. Il layout consigliato con questa combinazione aria secondaria a pavimento / riser a sezione quadrata è visibile nel’immagine sotto. Il disegno può essere scaricato qui.

 

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Materiali

Per quanto riguarda i materiali, esiste una buona scelta. Mattoni refrattari, refrattario prefabbricato, argilla - combinati tra loro o con materiali secondari.
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Metallo

Quando si pensa a una stufa a legna, le persone tendono a immaginarla come la classica stufa in ferro di qualsiasi forma. Ma il metallo non è un buon materiale per una Batchrocket, almeno non per il nucleo di combustione. L’ambiente dentro di essa è abbastanza aggressivo da causare un rapido degrado.
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Dimensioni e scalabilità

La versione più frequentemente testata è quella con un diametro del riser di 150 mm. Ma una gamma di altre dimensioni sono perfettamente possibili.
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Dimensionare una batchrocket

Come determinare la misura del sistema richiesto per uno dato spazio.
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Costruire un nucleo di mattoni

Non è necessario essere uno specialista per costruire questo nucleo. Con una certa conoscenza tecnica e materiali che sono relativamente facili da trovare in molti posti, un buon risultato è definitivamente possibile.
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Stampare un nucleo

È possibile utilizzando refrattario per stampi, un materiale che consiste di cemento con alluminio e tra gli altri polvere di mattone refrattario come aggregato. Gli stampi devono essere costruiti e il materiale impastato usando meno acqua possibile. Inoltre, una tavola vibrante è necessaria per compattarlo in modo da far uscire l’aria.
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Teoria della campana

Il termine “campana” sarà menzionato nel capitolo “Applicazioni” molto spesso. Questo articolo spiega cos’è, come funziona e per cosa viene utilizzata.
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Dimensionamento della campana

Quanto può essere grande una campana in relazione al nucleo di combustione è piuttosto importante, come lo è ingrandirla o ridimensionarla.
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Materiali

Per costruire questa unità di combustione sono possibili molte combinazioni. Ad esempio, usando mattoni refrattari, murati con cemento refrattario o un impasto di argilla e sabbia. Un’altra possibilità sono i mattoni refrattari sottili tenuti insieme da una struttura di acciaio. Lo stampaggio di materiale refrattario (cemento refrattario) offre altri benefici (e anche altri problemi, sfortunatamente).

Alcune persone usano un impasto di argilla e sabbia con un pò di cemento portland, aggiunto per ottenere un nucleo solido prima dell’accensione. Quando alla fine il cemento desiste a causa della temperatura, l’argilla dovrebbe essere sufficientemente forte da allora. Un paio di questi nuclei sono costruiti interamente di argilla mescolata con fibre naturali corte per la robustezza. Per ultimo ma non meno importante: mattoni refrattari isolanti, questi sono ideali dal punto di vista della combustione. Massa molto piccola da riscaldare e molto isolanti ma hanno lo svantaggio della vulnerabilità all’abrasione.

Realizzazioni non coibentate (ricorda, la massa non isola!) dovrebbero essere isolate dall’esterno. Questa coibentazione potrebbe essere ogni cosa fintanto che sia resistente al calore. Perlite espansa e vermiculite espansa vanno bene, soprattutto il tipo piuttosto grossolano mescolato con un pò di argilla e un pò d’acqua per prevenire lo scivolamento. Ma anche i pannelli di ceramica tipo Superwool sono ottimi per questo scopo. Un pò meno conosciuti ma sicuramente adatti a questo scopo sono i granuli di argilla espansa normalmente usati per l’idrocoltura come la Leca.

Tutte queste strutture potrebbero portare pezzo dopo pezzo a un dispositivo che funziona veramente bene e che produce risultati spettacolari. Naturalmente una miriade di opzioni e combinazioni sono possibili quindi c’è molto da scegliere.

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Metallo

Per quanto riguarda il metallo nelle parti costruttive: questo porterà inevitabilmente alla delusione, non importa se sia acciaio oppure acciaio inossidabile. In un ambiente con temperature superiori ai 760 °C insieme ad un sostanziale eccesso di ossigeno e frugalità di carbonio ogni normale tipo di acciaio disponibile si corroderà molto velocemente. Dopo ogni combustione cadranno pezzi di metallo detti “fiocchi” e in breve tempo nel punto più caldo emergerà un buco. Questo processo è conosciuto come scheggiatura, i fiocchi sono grigio opaco e quasi non magnetici.

Uno dei modi per evitare questo è mantenere la temperatura bassa togliendo la coibentazione intorno ai punti più caldi ma questo comprometterebbe la combustione completa. Un’altro modo per lasciare che l’acciaio sopravviva è quello di proteggerlo dall’aria, niente ossigeno niente corrosione. Ma questo significa costosi rivestimenti resistenti al fuoco o una fornitura di aria molto ridotta in modo che non rimanga abbastanza ossigeno per reagire con il metallo. Quest’ultima possibilità è difficile da ottenere perché privando il fuoco di ossigeno la qualità della combustione viene compromessa provocando ancora una volta una combustione incompleta. Comunque, per alcune parti l’uso del metallo potrebbe essere fattibile, ritornerò su questo quando opportuno.

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Dimensioni e scalabilità

La maggior parte dello sviluppo è stata fatta nel 2012. Il modello sperimentale aveva un diametro del riser di 150 mm o equivalente. Anche allora le persone mi hanno chiesto di modelli più piccoli o più grandi di questo dispositivo. Jim da Blacksburg, Virginia voleva costruirne una più piccola, non più di 100 mm di diametro del riser. Le misure del sistema di 150 mm erano disponibili e con queste in mano Jim ha elaborato un metodo di ridimensionamento. Ha scoperto il fattore comune che serve come un numero di base, tutte le altre misure sono multiple o parte di questo numero di base.

Fino alla metà del 2016 il più piccolo modello funzionante è quello di Jim, il più grande è stato costruito da Radek Stastny dalla Repubblica Ceca e Alex Harpin dal Canada, esemplari di 220 mm. A partire dall’Ottobre del 2016, il più grande impianto di cui sono a conoscenza è di 250 mm, costruito da Pablo Kulbaba (Pablo Oresku) e Ramiro Walti durante un seminario in Las Amalias San Pedro in Argentina. Quelli più grandi sono più consistenti nelle prestazioni paragonati ai fratelli più piccoli ma i risultati sono buoni su tutta la linea. Il numero base trovato da Jim è il 72.34% del diametro del riser.

Il riser può avere una forma che non è la sezione trasversale "rotonda o ottagonale perfetta", contrariamente a quanto si crede da tempo. Ad esempio, può essere quadrato, provato e testato solo in combinazione con un canale a pavimento. Avere una forma quadrata è molto più economico e più facile da costruire, quindi questa scoperta è di grande beneficio e interesse per tutti i costruttori di Rocket Heater. L'azione naturale dei gas di scarico (in particolare con la forma semiottagonale del riser dove il gas entra attraverso la luce dando il vortice iniziale) è quella di assumere una forma di colonna circolare man mano che sale. Quando si utilizza un montante quadrato, deve essere più grande di un montante tondo in termini di area della sezione trasversale e deve essere abbastanza grande da consentire alla colonna di scarico circolare di adattarsi all'interno del quadrato senza ostruzioni. In sostanza, gli angoli della piazza diventano "spazi morti" che non contribuiscono o sminuiscono la formazione o la perpetuazione del vortice circolare dei gas di scarico. Quindi quando si dimensiona il quadrato significa che quello che era il diametro del cerchio diventa la dimensione interna del quadrato. Un rettangolo non è ancora considerato una buona forma. Poiché non aggiunge alcun vantaggio in termini di costo o facilità di costruzione su un quadrato, dovrebbe essere ignorato.

Sia nei Paesi Bassi da Ritsaert Snijder che negli USA da Doug Ptacek, i fogli di calcolo sono fatti per cui è necessario sapere solo il diametro del sistema e il resto delle dimensioni viene fuori da solo. Il foglio di calcolo è disponibile qui. Sono anche disponibili le tabelle, non c’è bisogno di un computer nel sito di costruzione fangoso, è sufficiente una stampa su un pezzo di carta. Sotto c’è la tabella di Doug, sia in pollici che in millimetri.

Le dimensioni della batchrocket possono essere anche calcolate a mano, perché la formula è molto semplice.

C’è un numero di base comune al quale tutte le altre dimensioni sono collegate. Quel numero di base è derivato del diametro (immaginario o no) del riser come spiegato sopra.

La dimensione di base è 72.34% del diametro del riser.
La larghezza della camera di combustione è 2 volte base.
L’altezza della camera di combustione è 3 volte base.
La profondità della camera di combustione è da 4 a 5.5 volte base.
L’altezza della porta è 2.2 volte base.
La larghezza della porta è 0.5 volte base.
L’altezza del riser è da 8 a 10 volte base, misurata dal pavimento della camera di combustione. Il pavimento della camera di combustione consiste in una superficie piatta larga come la porta. A sinistra e destra ci sono delle pendenze a 45 gradi in modo da concentrare le braci incandescenti al centro. Quelle smussature a 45 gradi sono parte delle dimensioni della camera di combustione. Inoltre, c’è anche un pezzo dalla forma simile in fondo alla parte posteriore del riser.

L’entrata dell’aria totale è il 25% della sezione trasversale del riser.
Il P-channel è il 5% del csa (area della sezione trasversale) del riser.
L’entrata principale dell’aria con uno sportello opzionale è il 20%. L’entrata principale potrebbe essere più grande quando si avvia a freddo ed è situata al livello del pavimento della camera di combustione.
Il P-channel dovrebbe essere largo quanto la porta o leggermente di più, per il calcolo del 5% dovresti prendere la larghezza della porta, non l’attuale larghezza del condotto. Questo condotto è appeso sopra la parte superiore della porta alla stessa distanza della profondità del condotto.
La parte posteriore del p-channel che si appoggia contro il muro posteriore della camera di combustione è stata tagliata oltre l’altezza della sporgenza.

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Come dimensionare una batchrocket

Yasin Gach, il traduttore della versione Francese, ha fornito un foglio elettronico per calcolare la misura di sistema di una batchrocket per un dato spazio. E’ indicativo, non assoluto, ma darà una buona idea della misura necessaria. Il seguente è l’articolo di Yasin, il foglio di calcolo è disponibile qui.

Il primo passo è calcolare la potenza di ogni batchrocket, come funzione del suo diametro interno (es. diametro dell’heat riser). Per default, la potenza di una stufa è definita come la potenza media che fornisce in un periodo di 24 ore con due fuochi al giorno. Questa potenza è calcolata considerando un ’efficienza complessiva dell’ 80%. Con questa efficienza, la combustione di un chilogrammo di legno asciugato all’aria fornirà 3.7 kWh di energia.

Maggiore sarà il diametro interno, più pesante sarà il carico di legna per ogni fuoco:
diametro interno (mm) —- carico di legna (kg) — potenza media considerando 2 fuochi al giorno (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

Il secondo passo è calcolare le perdite di calore della casa (o della stanza) che deve essere scaldata, che dipendono da tre fattori: il volume della casa, la coibentazione, e la differenza di temperatura richiesta tra l’esterno e l’interno.

Quindi la formula è Q = G*V*DT dove Q sono le perdite di calore (W), G è il fattore di coibentazione, V il volume della casa (m3), e DT la differenza richiesta di temperatura fra l’esterno e l’interno (°C). G è stimato in confronto a una serie di valori classici:

- 1.8 per una casa vecchia, piena di spifferi, in pietra e argilla (classica casa di campagna francese)

- 1.6 per una casa in mattoni, pietre o blocchi di cemento senza coibentazione

- 1.4 per una casa coibentata con 4 cm di polistirene

- 1.2 per una casa coibentata con 10 cm di polistirene

- 0.8 per una casa recente con mattoni isolanti di argilla spessi 37 cm per esempio

- 0.5 per una casa con balle di paglia per esempio

Il terzo passo è il calcolo effettivo. L’idea è di calcolare le perdite di calore della casa e poi scegliere una misura della batchrocket la cui potenza è superiore alle perdite del calore. Il seguente è un esempio di calcolo per una data circostanza. Questo è solo per mostrare come funziona il foglio di calcolo, in pratica scarica il foglio elettronico e riempi i campi gialli a seconda della tua situazione, il foglio di calcolo fà il resto usando il metodo che segue.

Per esempio, prendiamo una casa di pietra e malta di argilla con un soffitto alto 2.5 m. Il volume della casa è quindi 150 m3. C’è 20 cm di coibentazione con lana di roccia sotto il tetto. Le giunzioni sono state fatte recentemente e gli infissi sono abbastanza ermetici. Possiamo allora adottare un coefficiente G = 1.6. Durante l’inverno la temperatura fluttua intorno agli 0°C e può occasionalmente scendere a -5°C per un pò di giorni. Le perdite di calore che bisogna superare in modo da mantenere una temperatura di 20°C dentro la casa durante questi periodi freddi sono Q = 1.6*60*2.5*25 = 6 kW. La misura della batchrocket scelta è quindi un sistema di 230 mm che è capace di generare una potenza di 6.7 kW.

Naturalmente è un’approssimazione molto semplice dei requisiti di riscaldamento di una casa, ma il vantaggio delle stufe a massa è che sovradimensionarle non è un problema. Con le stufe in ghisa, diventa molto più di un problema perché se sovradimensioni la tua stufa, dovrai poi fare dei fuochi lenti e sporchi in modo da non surriscaldare la tua casa. Con le stufe a massa il fuoco resta sempre caldo e pulito, avrai soltanto bisogno di accenderlo meno spesso.

Ho ottenuto risultati consistenti realizzabili usando questo metodo in 5 stufe batchrocket che ho costruito l’anno scorso (2016), che sono tuttora in funzionamento giornaliero. Il punto molto importante è sempre sovradimensionare la stufa. Naturalmente, è possibile accendere una stufa che non è abbastanza potente tre o quattro volte al giorno, ma questo abbasserà l’efficienza complessiva perché la massa ha bisogno di tempo per fornire il calore accumulato.

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Costruire un nucleo di mattoni

La configurazione con i mattoni refrattari sembra ovvia perché nel mercato dei materiali da costruzione questo prodotto è facilmente disponibile. C’è uno svantaggio, i mattoni devono essere lavorati con una sega ad acqua o una smerigliatrice adatta con disco da taglio. Per illustrare come appare un nucleo di mattoni ecco una foto qui sotto.

Questo è un nucleo completo, misura del sistema (diametro del riser) 150 mm costruito con mattoni refrattari. Ci sono un paio di modi per chiudere la sommità della camera di combustione. Il disegno mostra una piastra di mattone refrattario, ci sono commercianti nella maggior parte dei paesi che le vendono. Una piastra superiore fatta di refrattario stampato è pure una possibilità, quando uno stampo è semplice da fare e un tavolo vibrante è già a portata di mano. Un’altro modo per farlo è posare i mattoni in una disposizione a sbalzo, dato che essi sono troppo corti per coprire la distanza in una sola volta.

Per provare questa costruzione fuori all’aria aperta possono essere usati normali mattoni rossi e una lastra di cemento del marciapiede come piastra superiore. Non aspettarti che duri a lungo ma fornisce una indicazione di cosa succede effettivamente dentro. Uno specchio piuttosto grande tenuto a un angolo di 45 gradi sopra il riser permetterà agli spettatori di guardare giù e vedere cosa sta succedendo dentro. Stai attento comunque, a pieno regime questo nucleo è in grado di sputare fuori una temperatura di 700 °C piuttosto facilmente.

La disposizione a secco dei mattoni non funzionerà, verrà aspirata troppa aria all’interno attraverso tutti i piccoli buchi e fessure. A causa di questo la combustione completa non si verificherà. Per sigillarlo potrebbero essere usati argilla e sabbia o anche del fango liquido tra i mattoni sarebbe sufficiente. Anche la colla per le mattonelle o qualcosa di simile funzionerebbe. Un’altro materiale adatto per fare dei test è il calcestruzzo cellulare, venduto sotto una miriade di nomi in tutto il mondo. Esso è leggero, isolante ed economico, facile da tagliare con una normale sega a mano e mostra una limitata resistenza al calore.

Tutte le versioni del p-channel (il tubo nero di acciaio che corre sopra la camera di combustione e finisce direttamente sulla porta) si accendono meglio per mezzo di un fuoco di piccoli rametti direttamente davanti alla porta, ma decisamente non dentro di essa. Quando il fuoco sta bruciando bene si può caricare il resto della legna. Carica il combustibile solo nel senso della lunghezza, da davanti a dietro con pochi spazi tra i pezzi. Lascia almeno 50 mm (2”) liberi tra il combustibile e il tetto della camera di combustione. Fai attenzione che non ci sia combustibile, per quanto piccolo, appoggiato sulla porta stessa.

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Stampare un nucleo

Questo può essere fatto usando cemento refrattario, anche refrattario per stampi, costituito di cemento di alluminio e fra gli altri polvere di mattone refrattario come aggregato. Gli stampi devono essere fatti in modo da mescolarlo con meno acqua possibile e un tavolo vibrante è la soluzione migliore per veicolare fuori l’aria. Può essere fatto senza il tavolo me la qualità finale non sarà così buona.

Gli stampi possono essere fatti di pannelli (come compensato per esempio) avvitati assieme. Le forme interne e le cavità possono essere create usando schiuma di polistirene estruso o qualsiasi materiale adatto che può essere modellato da te, MDF (NdT: traducibile come pannello di fibra a media densità), stucco per legno, legno. Si possono lavorare questi materiali con una buona sega da tavolo. I dettagli possono essere realizzati facilmente con la carta vetrata grossa, specialmente quando si usa la schiuma. I pezzi possono essere incollati dentro lo stampo usando il nastro biadesivo, del tipo usato per incollare la moquette al pavimento. La maggior parte delle volte liberare il pezzo dallo stampo implica che esso (lo stampo) debba essere tagliato/cesellato.

Di seguito è riportato un esempio di uno stampo realizzato in questo modo. Lo stampo illustrato non era ancora pronto, serve solo per mostrare come appare.

Lo svantaggio di uno stampo come questo è che si può usare una sola volta. Usarlo un paio di volte o più non può essere fatto facilmente a meno che la forma sia molto semplice con grandi angoli di rilascio. Per fare un ciclo di produzione sarebbe meglio realizzare un positivo, chiamato “stampo madre” o “modello” fatto di materiale legnoso e uno stampo negativo di gomma di poliuretano. Si tratta di una opportunità professionale e appropriata per iniziative imprenditoriali, dato che il processo e i materiali sono piuttosto costosi.

Per aiutare il rilascio è necessario applicare un agente di rilascio nello stampo prima della fusione, perché il cemento refrattario aderisce molto fortemente a quasi tutte le superfici, anche sul metallo. Molti materiali potrebbero servire come agente, la cera d’api va bene. Normalmente io uso un olio minerale come quello per il motore a due tempi o per il cambio. Non dimenticare di pulire l’olio in eccesso con uno straccio, è sufficiente una pellicola molto sottile. Un’altro mezzo a tal fine potrebbe essere una bomboletta di WD40 a condizione che sia applicato con parsimonia.

Per mescolare con il cemento usa meno acqua possibile, per l’indurimento è necessaria molta meno acqua rispetto a quella richiesta da un materiale lavorabile con una sufficiente plasticità. Un miscelatore di cemento non è adatto perché per funzionare a tuffo c’è bisogno di molta più acqua. Troppo poca acqua in un miscelatore di cemento porta a un appallottamento, dentro ogni palla ci sarà materiale che non è umidificato. Quando la quantità di cemento non è troppo grande la miscelazione può essere fatta a mano, personalmente ho fatto questo con una spatola e secchio. La soluzione migliore è un miscelatore a pale ma è una soluzione molto costosa per usarla una sola volta.

Per compattare sufficientemente il cemento tirando fuori l’aria, sono disponibili una serie di tecniche. Scuotere, pungolare, un ago vibrante per cemento, un trapano a percussione con un bullone, quello che preferisci. Per stampare un prodotto refrattario di buona qualità, un tavolo vibrante è veramente indispensabile. Un tavolo di questo tipo è un utensile semplice al contrario di un miscelatore a pale. Personalmente, molti anni fa ho usato una cassa di legno buttata via per costruirne uno, un grande motore a induzione equipaggiato con un bullone e una fascia eccentrica sull’asse fissata sotto il piatto superiore e due molle posteriori di un ciclomotore tagliate a metà fra il telaio e la piastra superiore.

Ma… può essere fatto molto più semplicemente. Con una gomma di un’auto, una lastra di compensato e un vecchio trapano. Ecco un video che mostra come viene assemblato.

In questo video è stato usato un vero motovibratore ma un trapano fissato sotto la piastra, dotato di un semplice eccentrico, funzionerebbe pure. Meglio ancora: una piccola levigatrice a mano montata sotto la piastra superiore funziona perfettamente. Quando possibile, usa una macchina che è in grado di variare la velocità. Quando un fluido simile all’olio appare sulla superficie del refrattario, ferma la vibrazione. Questo è un indizio sicuro della separazione dei componenti che risulterà un una pessima qualità del prodotto quando si inizia la vibrazione.

Non appena tutto è ben compattato posiziona lo stampo su una superficie piatta e piana. Il prodotto diventerà inevitabilmente più spesso su un lato quando lo stampo non è in piano. Durante l’indurimento il refrattario diventerà caldo, la maggior parte dell’acqua sulla superficie evaporerà per cui il lato scoperto della forma diventerà polveroso. Sarebbe meglio coprire la forma fresca con fogli di plastica per mantenere l’acqua dentro. La maggior parte degli stampi di refrattario possono essere liberati dopo 8 ore a temperatura ambiente. Il novanta percento della robustezza massima è ottenuta durante quel lasso di tempo, il resto seguirà in una settimana circa, qualche volta due. Di solito, la forma è tenuta nello stampo per una notte. Naturalmente non c’è obiezione a una permanenza più lunga nello stampo.

Stampare un nucleo che non si spacca quando si scalda è virtualmente impossibile. Questo è causato dall’espansione del materiale quando è riscaldato. Durante la combustione la temperatura che non è distribuita equamente causa le crepe. Le crepe non appaiono nei punti più caldi ma invece in quelli più freddi. Le parti più calde iniziano a espandersi e le parti più fredde che stanno dietro si spezzano. La soluzione va trovata dividendo l’intera cosa in modo tale che le parti più calde e quelle più fredde siano separate. I bordi possono essere sigillati con carta di silicato di alluminio e le parti tenute insieme per mezzo del fil di ferro, una grande fascetta o un telaio di acciaio.

È molto importante mantenere un piccolo spessore delle pareti e ove possibile inserire spessori di riempimento nello stampo. La massa sarà più piccola possibile in questo modo, minore massa da riscaldare significa che la cosa arriverà più velocemente alla temperatura di lavoro.

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La campana, come funziona e perché

Un importante termine che deve essere capito è la “campana”. E’ diventato parte del linguaggio di costruzione di questo tipo di stufe e come tale il suo uso e significato devono essere compresi. Contrariamente a quello che ci si aspetterebbe, non ha niente a che vedere con una campana della chiesa o ogni altra campana di quella natura. Non è niente di più che un grande spazio chiuso, cioè “quattro pareti, una parte superiore e una inferiore”. Può essere di ogni forma che si adatta meglio alla situazione, può essere costruita con ogni materiale che soddisfa al meglio lo scopo, incluso acciaio/metallo, mattone, refrattario, pietra, argilla scavata dal cortile di casa mescolata con paglia.

La puoi costruire pensando alla rapidità, la puoi costruire pensando all’aspetto,

      

la puoi costruire pensando alla convenienza e ogni scopo ha una gamma di materiali che lo soddisfa.

Quando mettiamo insieme questi due elementi, l’unità di combustione descritta precedentemente accoppiata con una campana, ci siamo fatti un riscaldatore a campana. Come vedrai da alcuni disegni sketchup, uniamo questi due elementi affinché lo scarico molto caldo e molto pulito, proveniente dall’unità di combustione, entri nella campana e “consenta che la magia accada”. L’unità di combustione può essere esterna o interna alla campana.

Quindi, avendo descritto cosa è una campana, è semplice vedere come e perché funziona così bene. I gas di scarico caldi dalla unità di combustione entrano nella campana, e come tutti noi sappiamo, l’aria calda sale. Dato che la campana è *molto più grande* del tubo che la alimenta con lo scarico caldo, esso non corre attraverso di essa come si potrebbe ipotizzare. Come entra nello spazio molto più grande della campana esso rallenta immensamente permettendo ulteriormente che il principio dell’aria calda che sale si verifichi. La parte più calda dei gas sale fino alla parte superiore della campana, e fornisce il calore che contiene alla superficie interna della campana e nel processo si raffredda, quindi scende all’interno della campana.

Poiché lo scarico caldo entra continuamente nella campana, deve essere fornita una uscita (in altre parole, la “normale canna fumaria”). Questa uscita viene posizionata di solito il più basso possibile. Il contrario di “aria calda sale” è naturalmente, “aria fredda scende”. È chiaro poi che i gas che lasciano la campana e escono dalla canna fumaria sono quelli più freddi. In questa maniera possiamo facilmente e con successo “raccogliere il calore”. I vantaggi di questo non sono difficili da immaginare, tutto quello che ognuno ha bisogno di fare è ripensare a ogni normale stufa a legna e ricordare quanto diventa calda la canna fumaria. Infatti, potrebbe non essere sbagliato dire che in un riscaldatore a legna convenzionale sono i gas più caldi che escono, chiaramente una soluzione non così buona come quella che viene presentata qui.

Un’immagine vale più di mille parole, cos’è una campana e come funziona può essere chiaramente visto di seguito.

L’entrata dello scarico caldo, proveniente dal fusto metallico dell’olio (a sinistra), come puoi vedere, entra nella campana monoparete all’incirca a metà dell’altezza. Guardando attentamente in fondo a destra, possiamo vedere dove la sonda per la misurazione della temperatura entra nella campana e nella canna fumaria. L’interno della campana non è altro che “spazio”. Essa permette allo scarico caldo di entrare, rallentare estremamente, salire alla cima della campana e offrirgli il suo calore, raffreddarsi e poi scendere quasi fino al pavimento prima di lasciare la campana attraverso la canna fumaria. (l’uso dei fusti metallici dell’olio verrà spiegato in una prossima sezione, per adesso afferra semplicemente il concetto della campana e di come funziona.)

Il comportamento e le conseguenze della risalita dei gas caldi è stato descritto per la prima volta nel 1910 da V. E. Grum-Grzhimailo, professore di metallurgia all’università di San Pietroburgo.

Naturalmente la semplice descrizione fornita sopra su come una campana raccoglie il calore non rispecchia l’esatta e più complessa realtà di quello che avviene. La semplice descrizione sopra rappresentava piuttosto un’immagine statica, infatti la realtà è che si tratta un sistema molto dinamico che cambia continuamente. Le pareti interne della campana non “solo” intrappolano il calore, i muri esterni della campana irradiano calore. Talvolta le pareti interne della campana potrebbero diventare abbastanza calde da non poter accumulare altro calore e l’assorbimento del calore aumenterà / verrà forzato più in basso lungo le pareti. Quando la massima capacità di trasporto del calore nella campana è raggiunta, la temperatura dei gas che fuoriescono aumenterà (poiché essi non possono più fornire calore alle pareti). Quindi si verificano una serie di forze / azioni che cambiano continuamente, ma anche così il gas di scarico non raggiungerà quasi mai la stessa temperatura del gas entrante.

Se la temperatura del gas di scarico è abbastanza alta e il calore perso al mondo esterno è voluto, allora possiamo estendere questa idea della campana accettando che lo scarico di una campana può essere considerato come l’entrata calda di un’altra campana. Questa seconda campana funziona esattamente allo stesso modo descritto sopra, il risultato finale è che la sua temperatura di scarico sarà più bassa di quella dei gas entranti. Questo concetto della seconda campana è naturalmente più efficiente (di solito, alla fine dipende da qual’è la temperatura della canna fumaria… se è abbastanza bassa con una campana singola allora la seconda non è necessaria poiché una campana ha già fatto il lavoro). Aggiungendo una seconda campana potrebbe aumentare l’efficienza dell’immagazzinamento del calore, ma essa introduce anche una maggiore complessità.

A venire di seguito ci sono le regole del pollice che ci permettono di sapere la misura della campana rapportata alla misura dell’unità di combustione. Ci deve essere sempre una certa temperatura nel tubo di uscita (approssimativamente 80 - 100 °C) in modo che ci sia sufficiente tiraggio. In altre parole, non possiamo avere una temperatura della canna fumaria più fredda dell’aria ambiente.

Un reale vantaggio aggiuntivo del sistema campana è che non crea quasi nessun attrito (oppure in modo trascurabile) o resistenza al flusso di gas che la attraversa. Questo è ottenuto insieme alla facilità di costruzione come bonus aggiuntivo. A confronto, la tecnica Tedesca/Austriaca per costruire un riscaldatore a massa/muratura si avvale di un sistema di canali per fornire il calore alla massa. La superficie di questi “lunghi” canali, associata con il (relativamente) piccolo diametro dei canali stessi impone un attrito/resistenza molto più grande al flusso dei gas. Questo allora richiede imprescindibilmente che ci sia un sistema di tiraggio molto forte in modo da superare l’attrito. In più, possiamo dedurre che TUTTI i gas scorrono insieme attraverso l’intero sistema, i più caldi con i più freddi, poiché la separazione di caldo e freddo (come nella campana) non avviene.

Il sistema campana “semplice”, come illustrato sopra, è molto efficace ma ha uno svantaggio singolare, tutta la massa è posizionata all’interno del singolo strato di mattoni. Questo lo rende “enorme”. Sono disponibili delle tecniche per evitarlo. Mettendo l’unità di combustione più alta all’interno della struttura, invece che al livello del pavimento, il calore si conserverà ad una temperatura più alta perché i gas hanno bisogno di scendere più in basso di dove l’unità di combustione è posizionata. Inoltre, strutture interne (es. colonne) possono essere costruite dentro il rivestimento di semplici mattoni che possono assorbire e rilasciare poi, calore. Con queste disposizioni è possibile ridurre la grandezza della campana calcolata usando il semplice metodo del “monoparete”.

Quasi tutti questi riscaldatori che verranno descritti in seguito sono sistemi a campana funzionanti in un modo o nell’altro.
Un ultimo commento sul sistema illustrato sopra. E’ un esempio di quello che potrebbe essere chiamato un ibrido, a metà strada fra un sistema a campana e uno a barile metallico. Esso mostra le combinazioni disponibili per le esigenze richieste. Nell’esempio sopra la campana metallica fornisce calore radiante mentre l’altra campana si carica. Questa campana di mattoni ha un ritardo di quattro ore; questo significa che la superficie esterna della campana raggiunge la sua temperatura più calda quattro ore dopo che il fuoco ha raggiunto la sua temperatura massima. Il calore deve essere assorbito e deve spostarsi dalla superficie interna dei mattoni alla superficie esterna prima che possa irradiare alla stanza. Calore istantaneo dal fusto metallico dell’olio, calore immagazzinato che è rilasciato lentamente durante la notte (o effettivamente fino alla prossima accensione) dalla campana annessa. Tanto per sapere, la temperatura di uscita dei gas della canna fumaria (misurata nel centro del flusso di gas) rimane all’interno di un intervallo fra 50 - 80 ºCelsius. Nessun dubbio che alcune tazze di caffè siano più calde.

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Dimensionamento della campana

La grandezza di una campana e il suo metodo di calcolo esige alcuni chiarimenti. Molte persone supporrebbero che la capacità di estrazione della campana è regolata dal volume, ma non è questo il caso. In linea di massima il fattore che la regola è la superficie, cioè le pareti e il soffitto della campana, quindi è questa che viene usata nel nostro dimensionamento della campana. La forma della campana è quasi irrilevante, bisogna solo fare attenzione che i gas rallentino abbastanza e che non si crei attrito eccessivo. In pratica, il CSA della campana dovrebbe essere almeno 5 volte il CSA del tubo di entrata. Lo spazio fra la cima del riser e la cima della campana dovrebbe misurare almeno 30 cm. Nella grande maggioranza dei casi sarà sufficiente, sebbene di più è meglio poiché maggiormente i gas vengono rallentati, migliore sarà la separazione di quelli caldi con quelli freddi.

Il corretto dimensionamento della campana è stato conquistato duramente con la sperimentazione, e come tutti i progetti open source i contributi vengono da molte persone differenti. Klemen Urbanija da Radomlje, Slovenia ha scoperto, dopo un sacco di modifiche, che un sistema da 15 cm con una campana singola e una superficie interna di 6 m², escludendo il pavimento, forniva una temperatura di scarico di 60 ºCelsius. Ha costruito il suo esperimento fuori casa e lo ha cambiato molte volte fino a che i risultati non erano soddisfacenti, poi lo ha smontato e spostato dentro casa. E’ emersa una nuova serie di problemi dovuti alla canna fumaria fatta di mattoni, la quale estraeva calore dallo scarico in modo tale da compromettere il tiraggio. Questo ha richiesto altre modifiche e la ricostruzione della campana in modo da alzare la temperatura di scarico e ripristinare il tiraggio. Il risultato finale è stato un numero di 5.3 m² di “superficie di assorbimento del calore”. Questo è importante da afferrare e una volta compreso si può intuire che la superficie del pavimento della campana non giocherà un ruolo nel calcolare quest’area poiché il calore non viene assorbito lì.

Il termine che usiamo per indicare la superficie totale disponibile per l’assorbimento del calore all’interno della campana è ISA, abbreviazione di area della superficie interna. Come noto, questa non include l’area del pavimento poiché quel pavimento non assorbe (direttamente) calore. La differenza fra una campana d’acciaio che disperde il suo calore immediatamente e una che accumula calore in una massa di pietra o mattoni è marginale in termini di ISA. La stufa del mio laboratorio (vedi articolo batch rocket a tre barili) è costruita con tre barili dell’olio che messi insieme sono molto vicini allo stesso ISA della campana in muratura con la panca di Klemen. Entrambi i sistemi hanno un’analoga temperatura di scarico.

Il ridimensionamento di questi numeri pose un problema di lunga data che fu finalmente risolto nel 2015. Uscì fuori che le stesse dimensioni critiche usate per ingrandire o rimpicciolire la misura della camera di combustione, l’area della sezione trasversale dell’heat riser, possono essere usate anche per ingrandire o rimpicciolire l’ISA della campana partendo dal risultato base determinato da Klemen. 2015 è stato l’anno durante il quale è stata costruita la campana con le due panche a vicolo cieco durante l’incontro MHA (vedi l’articolo campana con panche senza uscita). Il massimo ISA di quel sistema da 20 cm con una campana in muratura, senza il bypass della canna fumaria, risultò essere di 9.4 m². La proporzione del CSA dell’heat riser di Klemen con quello del MHA era 1 : 1.77 e la stessa proporzione di 1 : 1.77 apparse in entrambi gli ISA. L’avevamo trovato!

Come risultato possiamo usare la seguente “tabella” e semplicemente estrapolare o interpolare come richiesto. Per quanto ne sappiamo, questo metodo funziona con ragionevoli limiti in entrambe le direzioni.

Diametro riser / Area della superficie interna

• 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

Quando la campana è dotata di un bypass della canna fumaria potrebbe essere più grande delle cifre menzionate ma esso renderà la costruzione più complicata, per non dire vulnerabile al malfunzionamento.

Benen Huntley da Adelaide, South Australia ha trovato una semplice regola pratica per calcolare l'ISA massimo della campana per una data dimensione del sistema. Calcola l'area interna del riser in metri quadrati, considerandolo a sezione circolare, e moltiplicala per 300: il risultato è la massima superficie interna (ISA) consigliata per la campana.
Ad esempio: un sistema con raiser circolare da 150 mm darà 0,0176715 mq. Moltiplicato per 300 risulterà in 5,3014376 mq, che arrotondato a 5,3 mq è esattamente il valore massimo consigliato per un tale sistema.

Ovviamente l’esempio è riferito ad un riser circolare, perché un riser a sezione quadrata della medesima dimensione è aerodinamicamente equivalente: gli angoli della sezione quadrata generano attrito nel flusso di gas, e quindi la sezione utile di un raiser a sezione quadrata equivale alla sezione rotonda inscritta.

Un altro esempio: un sistema con riser a sezione rotonda da 200 mm fornirà un'area di 0,031415927 m². Anche in questo caso moltiplicato per 300 si ottiene 9.424778 m², che arrotondato a 9.4 m² corrisponde esattamente al valore consigliato.

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Prefazione

In questo capitolo verranno illustate stufe batch rocket realizzate utilizzando le unità di combustione mostrate precedentemente. I concetti saranno spiegati strada facendo, ma non tutti saranno necessariamente accompagnati da fotografie, per via di alcune limitazioni di copyright in essere.
Disegni e schizzi potrebbero essere convertiti in disegni 3D in formato SketchUp, dal costruttore della stufa o da me a tempo debito. In questo modo saranno disponibili sufficienti informazioni per le persone che vorranno realizzare uno o più progetti per i propri scopi.

La vera magia di questa tecnologia si realizza una volta che associamo la tecnica di combustione pulita delle unità affrontate precedentemente, con metodi efficaci per raccogliere quel calore molto pulito prodotto senza fumo. Questo può essere fatto in vari modi per le differenti applicazioni e necessità. Possiamo costruire una stufa per impieghi che prevedono "calore su richiesta", per esempio un laboratorio che è occupato soltanto durante le ore lavorative. Questa tipologia ha una massa termica molto piccola e una superficie radiante molto alta. Per gli altri casi (per esempio in una casa) dove è richiesto "riscaldamento costante" a lungo termine usiamo molta più massa termica in grado di accumulare molta riserva di calore. Le diverse filosofie costruttive verranno affrontate in questa sezione.

Tutte le varianti descritte sono state progettate e/o costruite da Peter van den Berg, salvo diversamente specificato. In questo sito verranno descritti solo progetti open source, per uso privato o uso commerciale.
La Creative Commons License Attribution e ShareAlike sono consentite , anche la licenza pubblica GPLv3 è una possibile alternativa, compatibile a senso unico con la licenza CC qui menzionata.

Stufa per laboratorio

Costituita da tre barili per olio e un’ unità di combustione ottenuta per formatura in stampo. Il nucleo da solo pesa 60 kg, ma considerato che i tre barili dell'olio hanno una massa molto piccola c'è un ritardo minimo nel trasferimento di calore dal nucleo ai barili stessi, praticamente calore istantaneo.
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Campana con due panche

Questa è stata costruita durante un seminario, e quindi non come costruzione permanente, da un intera squadra in poco più di 3 giorni. Una realizzazione molto interessante, che ha mostrato prestazioni eccezionali.
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Stufa a campana, costruzione in stampo

Una stufa progettata e realizzata nel 2015 che è stata interamente assemblata impilando a secco parti formate in stampo.
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Caldaia per riscaldamento centralizzato

Ancora un progetto del 2015, realizzato con un bel pò di acciaio inossidabile, piastrelle e mattoni refrattari. Brucia in modo pulito generando molto calore, riscalda un accumulo non pressurizzato che alimenta il sistema di riscaldamento a pavimento.
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Forno per pizza / riscaldatore piscina

Un terzo progetto del 2015, una batch rocket che alimenta un forno per pizza, riscalda la terrazza e la piscina. Non è per i principianti, ma è una realizzazione molto gratificante da Tom De Smedt.
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Sistemi batch rocket aperti

Questi sistemi sono costruiti e funzionano senza sportello di chiusura nè presa d'aria secondaria.
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Batch rocket con tre barili

Durante l'inverno del 2013/2014 questa stufa ha funzionato per il riscaldamento del mio vecchio laboratorio. E' stata costruita con un riser di diametro 150 mm, e una canna fumaria della stessa dimensione. L' estrattore di calore consiste in 3 barili uno sopra all'altro, a formare un unico cilindro. Il coperchio superiore e inferiore del barile in mezzo sono stati entrambi rimossi. Il barile inferiore è aperto in cima e quello superiore è aperto alla base. È necessario lasciare circa 25 mm intorno al perimetro quando si tagliano i coperchi, per dare maggiore solidità e mantenere i barili circolari. La camera di combustione della batch rocket è un elemento formato che sporge fuori dal bordo del barile. Guarda il disegno sottostante.

La colonna in muratura nel barile inferiore poggia direttamente sul pavimento, non sulla base del barile, attraverso un’apertura quadrata tagliata a misura della colonna. Il bordo del taglio è piegato e battuto per lasciare uno spazio, tra mattone e acciaio, che viene riempito e sigillato con lana di ceramica.In questo modo sia la colonna che il barile poggiano indipendentemente sul pavimento.
Un'altra apertura viene ritagliata e battuta, cosi da permettere alla camera di combustione di sporgere dal fianco del barile.

Il nucleo non poggia direttamente sul bordo inferiore del barile, la colonna interna e il supporto esterno in muratura (vedere l'immagine qui sopra) sono dimensionati in modo rimanga sollevato di circa 8mm sopra il bordo. Una striscia di lana di ceramica viene incollata (con sigillante per stufe resistente al calore) ai bordi tutto attorno cosi da sigillare. Il riser non è posizionato esattamente al centro del barile per evitare che la camera di combustione  sporga eccessivamente verso l’esterno.

Anche gli spazi tra i lati della camera di combustione e i bordi dell’apertura sono sigillati con lana di ceramica, come è chiaramente visibile. C'è un altro taglio nel secondo barile più uno piccolo per fare spazio al canale aria secondaria (P tube). I bordi sono piegati / battuti tutte intorno e gli spazi riempiti con lo stesso sigillante.

Il prossimo passo è l'inserimento del riser, e sfortunatamente non ho alcuna foto per questo passaggio. Per questa stufa il riser è stato realizzato con un tubo in lana di ceramica realizzata sottovuoto, del tipo impiegato in industria siderurgica per trasferire il metallo fuso negli stampi.
Google "riser sleeve" o usa questo link.

Il passo finale è preparare e posizionare il terzo barile. Tutta la circonferenza è sigillata con nastro di alluminio, che non durerà per sempre ma che si trova in bella vista, così sarà evidente l’usura e sarà facile da sostituire. Il flusso di gas internamente non tocca le giunte del barile, perchè i 25 mm intorno al bordo che sono stati lasciati quando il coperchio e/o la base dei barili sono stati rimossi, fanno girare i gas caldi intorno ad essi, e così le giunte, dove è stato usato il nastro di alluminio per sigillare i barili, rimarranno sempre di parecchi gradi più freddi rispetto al resto del barile.

I gas caldi vengono sparati in alto nel cilindro e devono scendere giù per raggiungere l'unica apertura di scarico vicino al pavimento. Lo scarico è situato addirittura più in basso della camera di combustione, che si trova intorno ai 500 mm di altezza. In tal modo, questa torre di barili si comporta come uno scambiatore di calore a campana come spiegato nell'articolo "teoria della campana". Inoltre, comportandosi come una campana più ampia a causa dell'altezza della camera di combustione, rende molto facile e meno faticoso alimentare il fuoco, evitando di doversi piegare in ginocchio per caricare la legna.

Per evitare restrizioni al flusso di gas verso l’apertura di scarico (uno sbaglio comune e uno dei primi aspetti da controllare in una stufa malfunzionante) il tubo è fissato a circa 100 mm dal pavimento. Un altro modo per evitare restrizioni al gas è fare un foro di uscita più grande, per esempio di 200 mm: con una riduzione da 200mm a 150mm è possibile collegarlo alla canna fumaria.

Al massimo della combustione la temperatura del barile più alto può facilmente raggiungere i 200 ºC. Quindi sarebbe saggio tenere i materiali infiammabili lontano dalla stufa. Anzi, quando viene costruita in questo modo, trattala come una "normale stufa a combustione" e applica tutti i codici pertinenti all'installazione di tali apparecchiature.

Non ho voluto fare uno sportello di chiusura per questa versione, e ho invece usato una lastra di vetro Robax resistente al calore più un paio di mattoni refrattari per formare la presa dell'aria. Naturalmente se lo si desidera è possibile realizzare uno sportello. La canna fumaria è dritta, in muratura senza coibentazione e alta 8.5 m misurata dal punto dove il tubo è inserito attraverso i mattoni. Ecco un video di bassa qualità che mostra ad intervalli l'andamento della combustione.

E per ultimo ma non meno importante: il resoconto sul forum delle rocket stoves a partire da ottobre 2013 riguardante l'argomento.
Nessun disegno 3D disponibile, spiacente.

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Campana con panche senza uscita

Questa stufa in muratura è stata costruita durante l'incontro annuale del 2015 con i membri ed i soggetti interessati dell'associazione delle stufe in muratura del nord America. Questa associazione di creatori di stufe compie molti sforzi per far capire ai partiti del governo che le loro stufe sono fra le più pulite negli Stati Uniti e Canada. Altre attività consistono nell'istruire i membri ed offrire progetti standard, cosi da incentivare l'ideale di open source condiviso in questo sito.

La campana principale è disegnata a doppia parete, ma durante il (sesto!) seminario, e parecchi mini-laboratori e progetti dimostrativi, è emerso che i mattoni refrattari scarseggiavano. Per risolvere il problema la struttura è stata modificata in una realizzazione a singola parete, e solamente la metà superiore della campana è stata costruita con mattoni refrattari per resistere alle alte temperature. In nord America, normalmente le stufe in muratura sono costruite a doppia parete, la parete interna è fatta interamente di mattoni refrattari. Abbiamo saltato questo schema durante il seminario, perché l'obiettivo era dare prova del principio di funzionamento ai membri del MHA (NdT: "Masonry Heater Association" tradotto "associazione delle stufe in muratura"), abbinando una campana come estrattore di calore al nucleo di una batch box rocket. Si è rivelato un successo, la stufa ha bruciato davvero in modo pulito e le panche si sono scaldate senza nessun intoppo, "pronta all'uso" per cosi dire.

Un cilindro in lana di ceramica creta sottovuoto del diametro di 200 mm è stato usato come riser, la panche laterali sono ideate a singola parete e la campana principale a doppia parete. Alcuni membri del MHA hanno trovato strano che le panche fossero costruite senza uscita in direzioni opposte. Il timore era che in questo modo sarebbe stato impossibile per i gas di scarico fluire attraverso una, tanto meno attraverso entrambe. La prossima immagine mostra la stufa durante la fase di asciugatura, il vapore sta uscendo in forma di nuvole pigre. La parte superiore della panca fotografata già mostra qualche punto più chiaro. La fine della panca è ancora bagnata essendo stata completata per ultima, meno di un'ora prima di accendere il primo fuoco.

Ci sono alcuni trucchi in questa realizzazione per fare entrare i gas caldi nelle panche, scorrere lungo la parte superiore di esse e raffreddarsi, e ritornare alla campana principale fino all'uscita collocata in basso. Questo meccanismo si basa su un principio della fisica, il fatto che i gas caldi sono più leggeri perché si sono espansi. Questo principio chiamato galleggiamento dei gas (NdT: principio di Archimede) è determinato dalla gravità, ed è esattamente ciò che fa funzionare un sistema a campana. I gas caldi tendono a salire e quelli più freddi a scendere fino all'uscita. Vedere anche la teoria della campana.

Da questa sezione si può vedere che l'apertura tra la campana principale e le panche non presenta ostruzioni, l'interno della panca è prolungato direttamente dentro la campana stessa. Effettivamente questo significa che le panche sono in realtà semplicemente una continuazione della campana principale, e assieme formano una singola e più grande campana, con una distribuzione di calore creata per soddisfare una nuova serie di esigenze. Un'altra dimostrazione della versatilità del concetto di campana. Come contemplato nella sezione della teoria della campana, possiamo vedere che quando i gas provenienti dalla campana entrano nelle panche essi incontrano un *volume molto più grande* e quindi rallentano notevolmente, salgono in cima, diffondono calore e si dirigono all'uscita.

In questo modo hanno molto più tempo per cedere il loro calore. Naturalmente la campana principale è la prima a ricevere i gas, proprio i gas più caldi, e quindi è la prima a riscaldarsi. Successivamente si raffreddano e si dirigono alle panche. Ci si aspetta che le panche si riscaldino dopo la campana, e in questa realizzazione il ritardo era limitato a soli 20 minuti. Se la campana fosse stata fatta con un doppio strato di mattoni, secondo il disegno, allora la panche sarebbero state le prime a scaldarsi.

Il posizionamento dell'apertura di scarico nella canna fumaria è molto importante in questo design, come lo è sempre nel progetto di una campana. Dato che questo progetto ha le panche attaccate (assenti nei precedenti esempi mostrati) bisogna riflettere su come fare entrare i gas nelle panche, ed evitare che vengano anticipatamente cortociruitati nella canna fumaria. Il disegno sottostante mostra come è stato ottenuto. Un pannello deflettore ignifugo (in questo caso silicato di calcio) è posizionato sulla parete posteriore della campana principale e chiuso in cima, guarda il disegno 3D per vedere come è stato fatto. Non visibile nella figura sotto è l’uscita alla canna fumaria, "nascosta" dietro il pannello deflettore. La superficie di questo pannello deflettore moltiplicata per la distanza tra essa e il muro posteriore della campana dovrebbe essere molto più grande dell'area della canna fumaria. Questo per assicurare di non porre restrizioni al flusso di gas nella canna fumaria. Le aperture ritagliate nel deflettore (come visto sotto) hanno anch'esse un’ area maggiore di quella della canna fumaria. Ripeto, non vogliamo limitazioni al flusso di gas. Non c'è nessuna "apertura" in cima al pannello deflettore, non vogliamo che i gas accedano alla canna fumaria prima di essersi diffusi nelle panche. Nota che i ritagli nel deflettore sono ben al di sotto del livello delle panche.

Questo deflettore ci ha aiutato ad ottenere tutto quello che vogliamo da una campana. Considerato che i gas possono raggiungere il tubo di uscita SOLTANTO entrando nella parte inferiore del deflettore, è evidente che soltanto quelli più freddi possono uscire. Per raggiungere quell'apertura i gas devono essere entrati nelle panche ed essersi raffreddati. Ora possiamo anche constatare come le "panche senza uscita" che inizialmente hanno perplesso alcuni dei partecipanti sono così efficaci. Dovrebbe essere pure chiaro che un pannello deflettore non è l’unica soluzione possibile, in questo caso è stato il modo più semplice e veloce per farlo in una una settimana "in affanno di tempo". Tutto quello che serviva era che i gas raggiungessero e riscaldassero la panche prima di uscire alla canna fumaria, e questo poteva essere fatto con un'apertura larga e superficiale nella parte inferiore della parete posteriore della campana, che conduce alla canna fumaria per mezzo di un condotto in mattoni sagomato ad imbuto.

Le grandi stufe in muratura del Nord America di solito usano una "valvola bypass" incorporata. Si tratta di una piastra di acciaio o ghisa che è montata in una posizione tale per cui quando viene aperta, girandola o facendola scorrere fuori, i gas caldi di scarico possono entrare direttamente nella canna fumaria per mezzo di una scorciatoia. In questo modo la canna fumaria viene preriscaldata prima della massa termica in muratura, agevolando il tiraggio del camino. Il suo svantaggio principale è che complica la costruzione e introduce una parte debole nella stufa, che secondo me non dovrebbe esserci.

Comunque, può essere molto utile averla quando bisogna accendere una stufa fredda in pieno inverno, in una casa gelata. Se si ritiene utile avere un simile bypass, tale valvola potrebbe essere montata nella zona del pannello deflettore. Preferibilmente non in cima alla campana che è la zona più calda dove una valvola bypass di acciaio potrebbe deformarsi o distruggersi col tempo. La valvola bypass non dovrebbe essere confusa con una valvola di tiraggio per canne fumarie che chiude al 100%, che potrebbe essere molto pericolosa quando ci sono ancora braci accese sotto la cenere. Il monossido di carbonio non può essere visto e non ha odore, e ucciderebbe le persone nel sonno una volta disperso nella casa. Uno sportello che chiude al 100% la camera di combustione è un'alternativa molto migliore, e in aggiunta un rilevatore di CO è una misura di sicurezza indispensabile.

L'incontro MHA è stato un evento memorabile, con un paio di nomi illustri facenti parte nella squadra dei Rocket Heater. Lass Holmes, il creatore dell'idea della batch rocket, Leslie Jackson, coautore del libro "Rocket Mass Heaters" e Kirk "Donkey" Mobert, creatore del primo forum dedicato alle Rocket Mass Heaters. La foto sottostante mostra Lasse e Leslie che danzano di fronte alla stufa (o intorno al fuoco?).
Solo per inciso, la stufa batch box lì produce meno fumo di quello che può essere visto nell'immagine.

Le due foto sono copyright del MHA, per altre immagini commentate da Norbert Senf del MHA e da me guarda il report delle foto del MHA di questo seminario. Il disegno 3D della stufa completa è disponibile attraverso questo link.

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Stufa a campana fatta interamente di parti formate stampo

Questa è una variante di batch rocket progettata e costruita nel 2015, costituita interamente di parti in refrattario formate in stampo. Per qusto progetto l'investimento finanziario negli stampi è stato molto alto. Sono state fatte molte valutazioni su come per utilizzare più parti possibile uguali tra loro, in modo da ridurre al minimo il numero degli stampi. Come si può vedere ci sono pochi pezzi che si ripetono, e gli stessi stampi sono stati riutilizzati molte volte. Le dimensioni esterne della stufa finita sono 98 x 98 x 210 cm, e il tutto pesa poco più di 2000 kg.

La finitura esterna è realizzata in refrattario appositamente ordinato, di un colore terracotta, e consiste di 28 pezzi identici che si incastrano l'uno sull'altro (per chi li sta contando sulla foto, buon modo di afferrarlo concettualmente, gli ultimi sette pezzi formano la parete dietro, in altre parole quattro pareti da sette pezzi ognuna). Le code di rondine ad incastro si vedono negli angoli, mostrando come l'uso della stessa forma posizionata "su e giù" alternativamente riesca ad incastrarsi l'una sull'altra.

Un valore aggiunto delle sagome ad incastro come queste è che rendono la costruzione più facile, dato che ogni pezzo è una parte facilmente maneggiabile ed assemblabile. Uno sguardo ravvicinato alle code di rondine nell'immagine mostra il minimo, ma importante, angolo con cui sono formate. Ciò assicura che si serrino saldamente, forzando effettivamente le code di rondine a chiudersi. Non visibili sono i perni di posizionamento che fissano ogni strato sull'altro.

Sapendo ciò e riferendosi all'immagine è chiaro che ogni livello è bloccato all’altro dall'azione a cuneo delle code di rondine, e ogni distinto livello è bloccato al successivo dai perni di fissaggio. Tutto questo permette di tenere tutto insieme per gravità, nessuna parte è incollata, cementata o fissata in alcun modo. Per i dettagli completi vedere il disegno SketchUp di questo progetto, c'è un link segnalato alla fine di questo articolo.

Lo sportello è fatto di profili a T in acciaio e le cerniere posizionate in un telaio fatto di profili a U con la parte aperta rivolta verso il bordo esterno. Questo permette ai pezzi di refrattario dello strato più esterno di entrare nelle U e di supportare e bloccare il telaio dello sportello in posizione. (questo può essere visto più chiaramente in un'altra foto sotto.) Una semplice valvola basculante senza cerniere è montata sullo sportello, e fornisce l'alimentazione dell'aria primaria nonché dell'aria secondaria.

La camera di combustione è identica alla descrizione del "4: nucleo formato " nel capitolo "Progetti" e consiste di 3 parti separate e differenti. Le parti inferiore sinistra e destra insieme formano la porta e la base del riser e la terza parte posizionata sopra completa la camera di combustione. Guarda l'immagine della realizzazione assemblata in seguito. La parte superiore si blocca nelle alette di posizionamento viste sotto.

Il nucleo poggia su un telaio di acciaio saldato che incorpora bulloni regolabili in tre direzioni, per ottenere un posizionamento corretto e sicuro all'interno della campana. Questo telaio tiene insieme anche le metà sinistra e destra per mezzo della forza di gravità (di nuovo). Entrambe le metà sono supportate dalle sporgenze esterne sinistra e destra del telaio ma non al centro. Come conseguenza entrambe le parti tendono a cadere l'una verso l'altra, mantenendo chiusa la giuntura verticale in ogni momento. Nota che il telaio di acciaio non supporta tutto il nucleo fino alla parte anteriore, una piccola sezione del nucleo non è supportata da questo telaio. Questo verrà spiegato dopo.

La parte superiore del riser consiste in un tubo circolare in lana di ceramica formata sottovuoto che poggia liberamente sulla base del nucleo mantenuto in posizione solamente da una coppia di corti perni di centraggio. La realizzazione è molto semplice: un paio di piccoli fori praticati nelle basi dei tubi e un paio di chiodi accorciati.

La parete interna della campana è fatta di due differenti blocchi, ripetuti 24 volte ognuno (naturalmente una leggera modifica si è resa necessaria dove ci sono il tubo di uscita e la camera di combustione; a parte questo, come per lo strato esterno, sono una semplice ripetizione di parti). Nota la sporgenza e la scalanatura che si vedono nella foto, un attento esame mostrerà che sono presenti anche alla fine dei pezzi.

Una fila consiste di 4 parti ed è alta 150 mm e spessa 120 mm. Ogni fila è sfasata di un quarto orizzontalmente rispetto alla precedente, legando in questo modo l'una all'altra. Le file sono sigillate con nastro adesivo trecciato di vetro largo 10 mm e spesso 4 mm bloccato sul lato della sporgenza. Il peso delle parti comprimerà il nastro fino a metà dello spessore originale. Lo stesso succede per le estremità verticali; nastro sulle sporgenze e pressione applicata per comprimere il nastro e abbassare il pezzo in posizione come mostra la fotografia. Nota che la scalanatura è più profonda di 2 mm rispetto alla sporgenza; ogni blocco poggia sui lati, non sulla sporgenza.

Il foro di uscita alla canna fumaria in questa realizzazione è situato in basso sul lato posteriore sinistro. Nel concettod di struttura a campana non importa dove viene messo lo scarico lungo il perimetro. Per evitare una restrizione dovuta al posizionamento vicino al pavimento e all'angolo interno, il foro ha la forma di un imbuto. L'apertura interna è di 250 mm, che si riduce a 150 mm nello spessore del mattone. In questo modo i gas di scarico hanno molto spazio per fluire nella canna fumaria.

La grandezza dell'apertura per la camera di combustione nello strato interno è determinata dalle dimensioni interne della camera di combustione stessa. La parte anteriore delle pareti della camera di combustione entra comodamente in una scanalatura dello strato interno. In questo modo, la parte anteriore della camera di combustione è supportata dal muro interno, la parte posteriore del nucleo di combustione è supportata dal telaio in metallo regolabile illustrato prima. Il perimetro dell'apertura della camera di combustione è sigillato con lana di ceramica nella scanalatura/incavo dello strato interno.

I lati sinistro e destro dell'apertura dello strato interno sono smussati a 45 gradi in modo da guadagnare spazio per uno sportello più largo e per una migliore visione del fuoco. Il dettaglio su come fissare lo strato esterno nell'acciaio a forma di U è chiaramente visibile nel disegno sopra e nell'immagine sotto. La prossima foto mostra come lo strato esterno è assemblato. C'è anche una guarnizione di lana di ceramica fra il telaio dello sportello e lo strato interno, che è visibile nella fotografia come una linea bianca.

La configurazione dell'alimentazione aria secondaria che ha generato i migliori risultati è stata trovata attraverso molti esperimenti. Sono state testate dodici differenti combinazioni, variabili per dimensioni del tubo orizziontale e verticale, cosi come per forma e lunghezza del tubo di uscita dell’aria. La prossima fotografia mostra cinque di queste combinazioni. Tutte sono intaccate da corrosione, alcune più di altre. Il modello usato in questa particolare stufa è il secondo da destra, la versione finale ha un tubo verticale leggermente più corto. La parte verticale del tubo al centro è un tubo rotondo e come tale simile al tubo sulla porta di Matt Walker.

L'alimentazione dell'aria secondaria (il canale a pavimento) è montata in una cavità nella base della camera di combustione, e il fuoco gli sta sopra. Guarda la foto del nucleo completato se non sei sicuro di dove è situato il canale a pavimento. L'ingresso dell'aria primaria (attraverso la valvola sullo sportello) alimenta il fuoco principale e fornisce aria anche nel canale dell'aria secondaria situato direttamente dietro la valvola. Questa presa d'aria primaria è situata in basso nello sportello (vedere la foto). Essendo la temperatura dell'aria entrante molto più bassa della temperatura nella camera di combustione, l’aria rimarrà ovviamente nella parte bassa della camera (l'aria fredda scende, in questo caso "l'aria fredda rimane in basso") e pertanto il tubo dell'aria secondaria viene sempre alimentato in ogni circostanza.

Più è caldo l'ambiente, più aria scorre all'interno del canale a pavimento. Il condotto stesso è riscaldato dal fuoco che a sua volta preriscalda l'aria entrante. L'apertura a forma di triangolo in cima alla parte verticale inietta l'aria a metà altezza della porta.

Sul lato anteriore della camera di combustione è montata una piastra di acciaio che devia il resto dell'aria verso l'alto. Per via di questa disposizione il fuoco brucia un pò più pacatamente e la possibilità di ottenere un notevoli picchi di CO è ridotta. Per questa dettaglio guarda il disegno nel capitolo "Progetti".

Per un clima temperato marittimo questa è una grande stufa equipaggiata con una unità di combustione sorprendentemente piccola. Con questo progetto non è necessario usare "trucchetti" come caricare i tronchi di legna incrociati o "stile fuoco da campeggio" (per ridurre il fumo e aiutare la combustione incorporando molta aria come per le stufe normali). Tali metodi non solo non sono più necessari, ma riducono anche la capacità di carico. Basta caricare la camera con i legni in file allineate, e ci sarà abbastanza aria in maniera naturale, per via delle irregolarità dei legni stessi.

Un pieno carico carico di legna in questa stufa, con dimensioni del riser 150 mm, dovrebbe pesare intorno i 6 kg, considerando legna di betulla di misura media completamente essiccata. I migliori risultati con questo stile di caricamento e con il canale aria secondaria a pavimento si ottengono con una combustione dall'alto verso il basso. Una volta accesa la parte superiore, piu indietro possibile nella camera, il fuoco scenderà da solo consumando l’intero carico.

 

A seconda della dimensione dei pezzi di legno e del tiraggio della canna fumaria la combustione durerà fra i 55 e i 90 minuti. La temperatura della canna fumaria , misurata al centro del tubo non supererà gli 80 ºC quando la stufa viene accesa da fredda. Quando la stufa viene accesa per un paio di giorni di seguito la temperatura più alta nella canna fumaria sarà intorno ai 120 ºC. In questo ultimo caso si raccomanda di usare un combustibile di diametro più grande perché il tiraggio della canna fumaria sarà molto più forte.

Tutti gli stampi e le fusioni, escluse quelle del nucleo sono fatti su ordinazione da Bergkachel v.o.f. nel The Hague, Olanda. I disegni 3D nel formato SketchUp 2016 del progetto completo sono scaricabili attraverso questo link.
Disegno aggiornato in data 10/05/2016.

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Riscaldamento centralizzato con caldaia Batchrocket

Questo progetto è stato realizzato e costruito da Rémy Bakker, che vive nel nord di Limburg, Olanda. Lui vive nelle vicinanze di Reichswald in Germania, il suo soprannome è "Holtere", che è una vecchia espressione per "superficie boschiva". L'intera storia della sua stufa è descritta in una conversazione sul Ecologieforum intitolata "Update bouw houtkachel". E' solo in Danese ma ci sono un sacco di immagini.
Nota: quanto segue ha solo scopo illustrativo, un sistema molto complesso come questo dovrebbe essere preso in esame solo da chi ha specifiche competenze per realizzarlo.

"La nostra stufa non è situata in mezzo alla casa, e abbiamo bisogno di molto calore per il riscaldamento a pavimento del resto della casa al di fuori del soggiorno. Infatti, il soggiorno è accuratamente coibentato ed è una costruzione annessa recentemente alla casa del 1920 circa. Era possibile aggiungere un dispositivo per scaldare l’acqua, e cosi è stata presa la decisione di installare un sistema di riscaldamento centralizzato, connesso con un paio di grandi pannelli solari scalda acqua e un accumulo di 1000 litri. La pompa inizia a funzionare quando la temperatura dell'acqua negli scambiatori è oltre i 75 ºC."

Qualche cifra:
Stufa a legna batch rocket per sistema non pressurizzato.
Dimensioni della stufa: larchezza x lunghezza x altezza = 48 x 75 x 157 cm.
Area del riser 150 cm2 con diametro 138 mm, raccordo con la canna fumaria 150 mm di diametro.
Dimensione interna della camera di combustione: larghezza x altezza x lunghezza = 20 x 30 x 50 cm.
Massimo carico 6 kg di faggio per ogni ciclo di 45 minuti.
Rilascio di calore direttamente nella stanza stimato da 2 a 4 kWh massimo.

 

Le pareti esterne raggiungono fra i 60 e i 75 ºCelsius, la stessa temperatura dell'acqua, la parete posteriore è un po più calda. La parte anteriore, insieme con lo sportello diventano più calde, specialmente la metà superiore (massimo 180 ºC). latemperatura potrebbe essere ridotta coibentando la parte interna.

La stufa è in grado di riscaldare l'accumulo d'acqua di 1000 litri fino a 75 ºC. Quando la temperatura di ritorno sale oltre i 75 gradi, il fuoco dovrebbe essere ridotto per prevenire rumori di ebollizione e per ragioni di sicurezza. Un modo per contrastare questo fenomeno è aumentare la dimensione degli scambiatori,  con un maggiore volume ci vorrà più tempo per portare l'acqua al punto di ebollizione.

Questo potrebbe essere fatto usando meno tubi lato fiamma e/o facendo i pannelli scambiatori più larghi. Per esempio con 11 tubi lato fiamma invece di 12 come in questa realizzazione. I lati degli scambiatori dentro la stufa potrebbero essere coibentati. Nell’assetto attuale l'acqua è riscaldata da due lati, dall'interno della stufa sopra la camera di combustione e da dentro i tubi.

I sistemi non pressurizzati sono più soggetti a rumori di ebollizione se paragonati a quelli pressurizzati, nei quali la temperatura di ebollizione può arrivare a 125 ºC. I grandi pannelli laterali di questa stufa non sono progettati per lavorare in pressione, così questo sistema opera alla normale pressione atmosferica.

La parte sottostante della stufa è fatta di acciaio inossidabile per via della presenza di condensato, che è acido e potrebbe causare corrosione. Non c'è un tubo di spurgo per il condensato ma potrebbe essere aggiunto in seguito.

I gas di scarico scendono giù attraverso gli scambiatori su entrambi i lati del cassetto della cenere, e scorrono sul retro dove inizia il tubo della canna fumaria. Il cassetto della cenere è appeso a un paio di binari e la sua lunghezza è inferiore alla profondità della stufa. In questo modo c'è sempre abbastanza spazio per far scorrere i gas fino al foro di uscita. In questa realizzazione non è necessario rendere il cassetto della cenere ermetico perché c'è un secondo canale aria secondaria nella fessura sul pavimento della camera di combustione.

La dimensione degli scambiatori di calore è 99 x 75 x 7.5 cm. Ognuno di essi contiene 12 tubi lato fiamma che misurano 48mm di diametro x 2 mm di spessore. Nella parte inferiore i tubi sporgono leggermente, per agevolare il gocciolamento del condensato. I gas di scarico a 900 ºC provenienti dal nucleo della rocket scorrono giù attraverso i tubi lato fiamma. L'acqua, contenuta nel pannello intorno ai tubi scorre dal basso verso l'alto. Internamente, ci sono delle piastre deflettrici che forzano l'acqua a compiere un percorso più tortuoso mentre sale attraverso il pannello.

La parte superiore della stufa è a doppia parete con uno spazio di 20 mm ai lati e 30 mm in alto fra le pareti. Questo spazio è completamente riempito con lana di ceramica, per isolare la parte superiore molto calda della stufa dall'interno.

Pezzi di pannelli di vermiculite sono montati direttamente sopra il riser per proteggere l'acciaio dal surriscaldamento. La temperatura esterna della parte superiore della stufa è compresa tra i 50 °C e gli 80 ºC, più o meno la stessa ai lati degli scambiatori di calore.

Il riser è costruito con mattoni refrattari di 30 mm di spessore, tagliati con angolo di 67.5 gradi su entrambi i lati più lunghi, e insieme formano un riser ottagonale.

Le parti del riser sono incollate con sigillante per stufe e assicurate con filo da saldatura. Per aiutare a mantenere la resistenza le giunture sono sfasate, così da ottenere un ulteriore legame.

Il riser nell'insieme è assicurato e coibentato con un mix di vermiculite e argilla.

La camera di combustione è fatta di pannelli refrattari di 30 x 30 x 4 cm.

I lati della camera di combustione sono coibentati anche con uno strato di lana di ceramica, per evitare che il focolare ceda troppo calore agli scambiatori. Come sempre nelle stufe rocket è necessario perdere meno calore possibile dalla combustione, perché il calore è una parte essenziale del loro funzionamento efficiente.

L'immagine sopra mostra chiaramente la posizione del secondo canale aria secondaria. In una fase successiva viene rivestito con un pannello di vermiculite, che fa anche da coperchio sul cassetto della cenere.

La temperatura dei gas di scarico senza i turbolatori si mantiene fra 80°C e 120 ºC, in dipendenenza dalla temperatura dell'acqua. Come si vede chiaramente, dopo la fase di rodaggio il riser è completamente bianco all'interno e la cenere volante sugli scambiatori è appena vagamente brunastra.

Con i turbolatori (catene con anelli da 6 mm) la temperatura dei gas di scarico è lo stessa della temperatura dell'acqua, al massimo tra 75°C e 80 ºC misurato al centro della canna fumaria.
Un disegno degli scambiatori di calore è disponibile mediante questo link.

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Combinazione forno per pizza / scalda terrazzo / riscaldatore piscina

Il progetto qui descritto è stato fatto e realizzato nel 2015 da Tom De Smedt, residente a Genk, Limburgo Belga. Questo articolo è molto simile alla sua discussione sul forum delle rocket stoves di Donkey32 ed è stato incluso qui con il suo permesso.
Nota: un sistema molto complesso come questo dovrebbe essere preso in esame solo da chi ha specifiche competenze per realizzarlo.

"Dopo aver installato una piscina nel giardino e scoprire che non è divertente avere una piscina fredda in cui nessuno nuota, ho iniziato a valutare l'idea di costruire una stufa a legna per riscaldarla. Molti e molti esempi in internet, versioni di YouTube fai da te come anche quelle commerciali, sembravano degli aggeggi piuttosto fumosi, per non parlare di quelli pericolosi, e spesso semplicemente brutti. Poi mi sono imbattuto nella tecnologia delle rocket stove, e ho passato un pò di tempo a leggere, ed a pensare come impiegarla in un modo esteticamente piacevole.

Ho deciso di costruire un riscaldatore per la piscina alimentato da una rocket, ma dato il fatto che sarebbe stato un progetto dispendioso in termini di tempo e piuttosto ingombrante, per non dire costoso, volevo avere un’ ancora di salvezza nel caso il riscaldatore della piscina non funzionasse come desiderato. Questo mi ha fatto venire l'idea di integrare un forno per la pizza nel riscaldatore della piscina. Nel caso in cui le prestazioni della piscina fossero state ridicole, potevo sempre continuare a godermi la parte del forno per la pizza.

Alla fine questo ha portato alla realizzazione che vorrei mostrare a tutti voi in questa discussione. Il risultato è che è in grado di riscaldare la mia piscina da 16000 litri da 20°C a 30 °C in 24 ore di combustione della legna. Ho fatto i conti, e questo significa che in media la stufa sta dando 10 KW alla piscina, il che mi ha fatto molto piacere. Nel corso delle costruzione ha già servito molte pizze e anche qualche pollo arrosto.

Considerato il fatto che mia moglie l'ha accettata deduco che sia anche abbastanza piacevole alla vista, ma lascerò a voi il giudizio. Se qualcuno volesse tentare la stessa cosa spero che prenda ispirazione dalle immagini seguenti."

Fase uno, fondazioni. Nota la pompa della piscina sullo sfondo, essenziale per il funzionamento della caldaia.

Fase due, coibentare la base con un mix di cemento portland e vermiculite.

Fase tre, comprare un boiler di seconda mano in acciaio inossidabile e tagliare i mattoni refrattari a misura per il riser e la camera di combustione. Nota che la disposizione finale è leggermente differente, in quanto il boiler è dietro il riser.

Fase quattro, assemblare il nucleo della rocket usando malta refrattaria, e dopo l'indurimento accenderla. => primo successo!

Fase cinque, muratura e divisione in due compartimenti con una piastra di acciaio inossidabile.

Fase sei, coibentare la stufa rocket con vermiculite, e creare una base per il forno con delle barre a t e lastre di cemento spesse 4 cm. Alle barre a t è stato dato spazio per la dilatazione. Tutto sommato, forse non è stata la migliore scelta tecnica, ma volevo mantenere l’ingombro più contenuto possibile. La fuliggine nera sulla piastra posteriore viene dalle precedenti accensioni.

Fase sette, coibentare le lastre di cemento con mix di vermiculite e cemento portland e posare le piastrelle refrattarie. Non c’è molto spazio fra i muri e l'inizio della cupola, lo so. (ingombro contenuto ricorda). L'ho "coibentato" con 5 strati di foglio di alluminio, che alla fine si è dimostrato abbastanza soddisfacente. Il muro si scalda al punto che non puoi tenerci le mani per più di qualche secondo, ma la buona cosa è che sedere accanto al muro la sera è piuttosto accogliente e confortevole.

Fase otto, creare una forma per la cupola e costruirla.

Fase nove, rimuovere la forma, tagliare e installare le pareti in refrattario anteriori e posteriori.

Fase dieci, murare una seconda forma, ricominciare più e più volte. Fino a che alla fine ho ottenuto un arco sul davanti e un'apertura richiudibile sul retro che ha la stessa sezione della canna fumaria diametro 150 mm. La cima dell'apertura posteriore è a filo con il soffitto del forno, per minimizzare l'ostruzione dei gas di scarico.

Fase undici, chiusura dell'apertura con un mattone e collaudo del forno (pollo cotto sulla lattina di birra)
Il forno è stato in questo stato per un bel po' di tempo, finché non sono riuscito a capire come coibentare le pareti dello scomparto del boiler a un costo ragionevole e con buona efficenza.

Fase dodici, acquistato un rotolo di lana di ceramica e creato uno scheletro dove attaccare la coibentazione intorno al boiler. Ho anche creato una bacinella per raccogliere il condensato usando il fondo dell'involucro esterno del boiler, che ho tagliato. L'involucro esterno non era in acciaio inossidabile, cosi mi sono chiesto se utilizzarlo per questo scopo, ma il fabbro che ha saldato i tubi al fondo mi ha assicurato che non sarebbe arrugginito cosi in fretta. (naturalmente l'acciaio inossidabile sarebbe stata la migliore scelta, ad ogni modo... sarà il tempo a dirlo)

Fase tredici, installazione del boiler su una specie di piedistallo, in modo da svuotare le ceneri raccolte nel cassetto.

Fase quattordici, riempire gli angoli dello scomparto, per evitare di abbreviare il percorso dei gas caldi del tubo allo scarico. Ho usato ritagli dell'involucro esterno del boiler, e tappato in cima con lana di ceramica. (Nota dell'editore: non proprio necessario, per via della corrente discendente dei gas)

Fase quindici, chiusura della parte superiore del boiler, lasciando un po' di spazio vuoto e coibentandolo. Il pezzo del tubo più lungo in cima al boiler è il tubo dell'acqua fredda che all'interno raggiunge quasi il fondo, il più corto è per estrarre l'acqua calda vicino alla cima. Fra di essi c'è una sonda a termocoppia per il monitoraggio della temperatura dell'acqua. Guarda questa piccola png per vedere come è fatta.

Fase sedici, chiusura del retro e connessione delle tubature di acciaio inossidabile e dei tubi in PVC della piscina, circondando la cima con qualche foglio di alluminio extra per sicurezza.

Fase diciassette, ho coperto sia la parte superiore della cupola che lo scomparto del boiler con il mix di cemento portland e vermiculite, per coibentarli e renderli a tenuta di gas. Poi ho comprato e installato una canna fumaria di acciaio inossidabile di seconda mano, e piegato qualche foglio metallico e usato qualche avanzo di coibentazione per produrre due coperture frontali per il forno e la batch box. Le maniglie di acciaio inossidabile sono state comprate da IKEA.

Ecco dove sono arrivato. Devo ancora coprire la costruzione con un coperchio di acciaio inossidabile, o una lastra di basalto, sono ancora indeciso. Devo anche fare qualche stuccatura.

Onde evitare obiezioni circa i pericoli legati allo scaldare l'acqua con il fuoco, e i possibili aumenti di pressione e via dicendo, dirò che considero questo progetto sicuro, dal momento che il boiler è connesso alla piscina e alla pompa senza alcuna valvola o impedimento. La mia pompa filtro della piscina è programmata per pompare acqua filtrata attraverso il boiler per 15 minuti, a intervalli di 15 minuti. In caso di mancanza di elettricità posso sempre aprire lo sportello del forno della pizza e chiudere la finestra sul retro, per smettere di scaldare l'acqua ed evitare di squagliare i miei tubi con acqua bollente. Nel caso di guasto almeno il boiler sta fuori e non in una posizione pericolosa come sarebbe in un scantinato.

Riguardo alla temperatura del forno non ho mezzi per misurarla (non ancora), ma la domenica sera del 25 Giugno 2015 la cupola e il pavimento del forno erano assolutamente puliti, non un granello o fuliggine, o formaggio versato rimasto ovunque. Credo che questo succeda quando le pareti sono tra 370 e 400 ºC.

Quando ho iniziato a cucinare con il boiler installato, ho notato che il calore iniziale diminuiva più velocemente che nelle accensioni precedenti con la finestra posteriore chiusa. Suppongo che non sia troppo sorprendente, e poi è non è molto importante visto che l’ottava pizza era comunque pronta in meno di 4 minuti :).

Dovrei citare il fatto che, per via del calore, si è formata una crepa nella muratura esterna durante una delle prime accensioni. La crepa è leggermente più larga quando il forno è caldo, e si restringe di nuovo quando il forno è freddo. Non sembra peggiorare, quindi suppongo significhi soltanto che ha creato il suo stesso giunto di dilatazione. Una migliore progettazione da parte mia avrebbe potuto evitarlo. Se lo volessi rifare, non appoggerei le barre a T sul muro esterno, ma su un muro interno, senza toccare lo strato esterno.

Fase diciotto, la muratura è stata stuccata intorno alla metà di Luglio 2015 e ho fabbricato una copertura per il forno in legno duro, inclinata e verniciata nello stile della casa.

Intorno alla batch rocket la coibentazione è di vermiculite sciolta, col senno di poi sarebbe stato meglio stabilizzarla con un po' di cemento portland o argilla.

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Sistemi aperti, senza sportello, canalina o aria secondaria a pavimento

Tra luglio 2017 e giugno 2018 ho progettato una serie di sistemi aperti senza sportello di chiusura (e quindi senza predisposizione per l'aria secondaria). Non ci si può aspettare che questi sistemi siano paragonabili ai sistemi chiusi dal punto di vista dell'efficienza, l’ eccesso d'aria è troppo grande. In ogni caso è dimostrato che questi riscaldatori bruciano in modo pulito quanto i loro fratelli ad alta efficienza.

Si tenga presente che una stufa senza porta non è consigliata all'interno di una casa. A causa del fatto che in sostanza si tratta di un caminetto aperto, potrebbe fuoriuscire del fumo all'interno del soggiorno. Inoltre, nessuna porta significa che la stufa non può essere chiusa, il che potrebbe essere pericoloso mentre le persone dormono. Nel caso in cui il fuoco non sia completamente spento, il mortale monossido di carbonio potrebbe fuoriuscire dalla stufa, ad esempio a causa di un cambiamento delle condizioni metereologiche.

1: Münster, luglio 2017

Il primo sistema aperto è stato montato all'interno di una scultura d'arte progettata da Oscar Tuazon che è stata costruita contemporaneamente durante il decennale Sculpture Projecte Münster del 2017. Il termine "aperto" è rimasto associato alla descrizione di questo sistema. La scultura in cemento è stata costruita in un area esterna accanto a un canale, intesa come uno spazio in cui le persone possono rilassarsi. Con la possibilità di accendere un fuoco nel focolare per riscaldare la colonna in cemento, alla quale può essere molto confortevole appoggiarsi durante le serate fredde.

La camera di combustione era un’ unità da 250 mm formata in stampo a forma di cilindro, fatta per infilarsi nella colonna di cemento e messa orizzontalemente dietro l’apertura nella colonna, mentre il riser è stato formato con sezione ottagonale. L'apertura frontale della camera di combustione circolare aveva esattamente la stessa area dell'apertura frontale rettangolare di un sistema da 250 mm, in accordo alle proporzioni consigliate. Il riser nella foto sembra essere molto corto, ma sopra di esso è stato posizionato un altro pezzo di uguale dimensione.

Essendo il cilindro di cemento cavo con la parte superiore chiusa fungeva da campana del peso di 6 tonnellate. La canna fumaria è stata montata all'interno, partendo da 40 cm sopra il livello del pavimento e sporgendo di soli 30 cm dalla sommità della campana (non visibile in foto). Il riser aveva la normale rampa di raccordo alla base (la rampa nella parte inferiore posteriore del riser).

 

picture © Henning Rogge

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2: Libera Università, Bruxelles

Il secondo sistema aperto è stato costruito nel cortile della Libera Università di Bruxelles (ULB) nell'aprile 2018, svolto come laboratorio per e dagli studenti. Era un’unità da 200 mm inserita all'interno di una grande campana di mattoni. Di nuovo all’esterno, in un cortile interno sopra un garage. Ciò che rende interessante questa costruzione è che il muro posteriore della campana era in realtà un muro esistente di un edificio vicino.

Per evitare un'eccessiva dispersione di calore nella grande parete, la parete posteriore della campana è isolata con 25 mm di lana di vetro. Realizzare la struttura secondo i valori consigliati significa fare una campana molto voluminosa, anche molto più voluminosa del previsto. Il layout del riser è stato fatto come il Mallorca build, a sezione quadrata con mattoni refrattari spaccati, nessuna rampa di raccordo alla base del riser, e solo gli angoli smussati sul retro del riser di altezza pari a quella della porta. Si prega di leggere le conseguenze di un riser quadrato rispetto a uno rotondo nel capitolo "Costruzione".

I risultati, sebbene non testati con un analizzatore di gas, sono stati molto incoraggianti. Ha funzionato senza problemi appena un'ora dopo aver completato la costruzione. In effetti, due signore ci stavano ancora lavorando mentre si stava facendo buio e la stufa è stata accesa. Dalla corta canna fumaria è uscito molto vapore acqueo, che dopo un'ora è scomparso completamente. Il disegno in formato Sketchup 8 può essere ottenuto qui:

La mattina successiva è stato girato un video, purtroppo senza l'impressionante suono basso che dà a queste stufe il nome di Rocket Heaters.

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3: Maureen Paley, Londra

Un altro sistema è stato realizzato nella galleria d'arte di Maureen Paley a Londra nel giugno 2018. Consisteva in due barili di acciaio inossidabile uno sopra l'altro e un unità di combustione costruita con pannelli refrattari isolanti.

Questa stufa è un sistema con dimensione 120 mm, quindi il riser è un quadrato con lati di 120 mm (con i restanti valori presi dalle tabelle per una dimensione di 120 mm). È stato costruito all'interno di un cortile parzialmente aperto, come aggiunta all'inaugurazione della mostra d'arte chiamata Fire! di Oscar Tuazon.

La canna fumaria è semplicemente un tubo diritto all'interno dei barili, che inizia a circa 20 cm dal livello del pavimento. Ha funzionato molto bene anche se all'epoca poteva essere alimentato solo con piccoli pezzi di legno. Nessun ulteriore test è stato fatto su questo sistema.

Tutti e tre i progetti di cui sopra sono stati avviati da Antoine Rocca, docente di architettura presso la Libera Università di Bruxelles (ULB).

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Cos’è un fuoco di legna?

Durante la combustione del legno le molecole organiche si decompongono in pezzi più piccoli. Alla fine questi diventano gas e sono la fonte delle fiamme in quanto bruciano. I risultati della completa combustione sono: calore, biossido di carbonio(CO2) e acqua.
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Miscelazione

Il gas della legna è estremamente combustibile e anche esplosivo, quando è abbastanza caldo e completamente mescolato con aria fresca. La miscelazione non avviene spontaneamente, è ottenuta grazie alle condizioni estremamente turbolenti all’interno della porta e del riser.
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Miscelazione e turbolenza nella Batch Box

Nel mondo dei costruttori delle Rocket Stove quel breve camino interno coibentato si chiama “heat riser”. L’apertura in basso alta e stretta si chiama “porta”. L’insieme del riser e della camera di combustione si chiama “nucleo”. Il modo in cui la turbolenza è invocata è differente da una normale stufa a legna.
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Calore

Un’altro fattore ambientale è altrettanto importante: l’alta temperatura. Questo non è da prendere alla leggera, durante lo sviluppo sono state misurate nel riser
temperature che hanno raggiunto i 1200° Celsius (2190 ºFahrenheit).
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Precauzioni

Le rispettive misure della camera di combustione, la porta, il riser e le prese dell’aria sono piuttosto precise. Un cambiamento relativamente piccolo potrebbe essere abbastanza per sconvolgere il corretto funzionamento della stufa. Inoltre una canna fumaria appropriata è molto importante.
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Il Testo 330-2

Le misurazioni che con il tempo hanno portato alla Batch Box Rocket finale sono state fatte con un analizzatore di gas digitale, il Testo 330-2. Questo dispositivo misura durante ogni prova le temperature dei gas di scarico, il livello di ossigeno (O2) e il contenuto di monossido di carbonio (CO).
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Flussi d'aria nel porto

Dal 2012 si sa molto di più su come sia l'aria che scorre nel porto e quale sia la loro rispettiva funzione.
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Fuoco di legna

Il triangolo del fuoco mostra i 3 elementi necessari per accendere un fuoco e mantenerlo.

La combustione completa del legno (che è fatto di idrocarburi) determina le seguenti: gli atomi di idrogeno si combinano con l’ossigeno per creare vapore acqueo (H2O), gli atomi di carbonio si combinano con l’ossigeno per creare biossido di carbonio (CO2) e la massima quantità di energia è rilasciata.

Questi stessi prodotti finali si trovano nei bruciatori a gas.

Riducendo o eliminando uno dei lati del triangolo, non si verifica una combustione completa ma invece una combustione incompleta. Vapore acqueo e biossido di carbonio vengono ancora prodotti, ma anche altri due prodotti vengono generati: monossido di carbonio (CO), un gas tossico incolore, e particelle di carbonio che appaiono come fuliggine e fumo. Inoltre, la massima quantità di calore non viene generata.

A prima vista, bruciare legno non sembrerebbe troppo difficile, qualche piccolo ramo secco, aggiungi un fiammifero e il fuoco è acceso. Una volta che abbiamo il fuoco, per farlo bruciare in modo pulito serve un pò di ragionamento e sforzo in più. Abbiamo bisogno di temperature più alte che i pochi centinaia di gradi di un piccolo fuoco e abbiamo bisogno di “tenerlo sotto controllo”, di non lasciarlo crescere eccessivamente. Isolando il fuoco stesso, manteniamo il calore proveniente dal fuoco “all’interno del fuoco” favorendo la combustione completa e conservando la maggior parte del calore proveniente dal fuoco all’interno della camera di combustione.

Il risultato di queste “nuove condizioni” (calore molto alto, aria non troppa né poca, esattamente il giusto - “La storia di Riccioli d'oro e i tre orsi” NdT: Goldilocks in Inglese) sarà un fuoco senza fumo. Per capire per quale motivo non vi è fumo, bisogna rendersi conto che esso è semplicemente carburante incombusto, niente di più, niente di meno. Infatti, fino al 60% dell’energia disponibile del legno si trova in questi gas combustibili. Quindi il fumo non è “soltanto una scocciatura” che interessa una grande area nell’ambiente esterno, è di fatto “soldi che se ne vanno dalla canna fumaria” nel vero senso della parola.

Possiamo dire quasi letteralmente che, oltre a circa un percento di cenere, l’intero contenuto del legno può essere convertito in calore**, e come tale il fumo è solo un indicatore di incompleta conversione del combustibile in calore. Queste stufe, come descritte in precedenza, hanno temperature di combustione molto alte, quindi il fumo è molto caldo. Combinando aria preriscaldata con quel fumo si provoca la sua combustione spontanea. Anche il giustamente temuto monossido di carbonio - un veleno mortale - è di fatto semplicemente carburante incombusto (ricorda quanto sopra dove nella combustione completa, CO non è un prodotto del legno che brucia). CO per se stesso non ha odore, così quando il gas della rete di distribuzione, che conteneva fino a 8% di CO era usato per riscaldamento in buona parte del ventesimo secolo, il mercaptano (una sostanza maleodorante) era sempre aggiunta al gas, semplicemente per avvertire le persone di eventuali perdite o bruciatori spenti. Il punto rimane comunque che CO è un carburante (e usato come tale nella rete di distribuzione del gas) e tutta l’energia del legno può essere estratta se bruciato correttamente.

** Anche se questo è assolutamente vero, alcuni punti devono essere capiti per inserire questo in un contesto del mondo reale. Queste stufe non saranno usate in un laboratorio con ossigeno puro ma esse verranno usate a casa. Anche le condizioni del tempo varieranno e influenzeranno la combustione. La cosa più importante, tutto il legno essiccato all’aria conterrà un po di umidità. Questa ha bisogno di essere tirata fuori prima che la combustione del legno possa aver luogo. Per bollire l’acqua c’è bisogno di una tremenda quantità di energia.

Il grafico mostra come la temperatura dell’acqua aumenta aggiungendo energia. (inizia da sotto il punto di congelamento che ignoreremo. A meno che il legno che usi è lui stesso sotto il punto di congelamento!) Come viene aggiunta energia (asse orizzontale), la temperatura aumenta lungo la linea dritta C, per ogni “pezzetto” di energia aggiunta c’è un corrispondente aumento della temperatura ed è per questo che è una linea dritta.

Quando l’acqua raggiunge il punto di ebollizione (100° C) non si riscalda più (come si vede dalla linea D, rimane orizzontale anche quando l’energia viene ancora aggiunta al sistema) Durante questa fase, l’energia che viene assorbita dall’acqua non la fa diventare più calda, ma invece la fa cambiare da “liquido a gas” e questo succede senza variazioni nella temperatura. La linea E inizierà una volta che l’acqua è diventata vapore.

A meno che non abbiamo una caldaia a condensazione, l’energia richiesta per trasformare l’aqua in vapore è persa nel sistema e nell’atmosfera. Quindi, nella pratica del mondo reale, ci sono alcune perdite che si verificano e si verificheranno. Il *punto*molto*importante che va dedotto da questo è MAI bruciare altro che legna secca. Ora sai perché.

Il prossimo video è un bell’esempio dell’infiammabilità del fumo.

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Miscelazione e turbolenza

Abbastanza stranamente, il legno non brucia da solo. E’ simile alla benzina, essa non brucia da sola. Se sei abbastanza veloce puoi spegnere un fiammifero nella benzina. Non è raccomandabile che tu ci prova, dato che molto probabilmente il fiammifero incendierà il miscuglio dei vapori della benzina e ossigeno appena sopra di essa. Una volta capito questo, è chiaro allora che sono i “vapori” del legno mescolati con l’ossigeno le sostanze che bruciano. Il calore fa rompere i componenti chimici del legno in piccoli componenti infiammabili che, combinati poi con l’ossigeno (con la presenza di calore), rilasciano a loro volta più calore facendo continuare il ciclo. La fiamma del gas di legno puro dovrebbe essere blu, difficile da vedere alla luce del sole. Dato che anche la polvere delle braci viene trasportata con la fiamma il colore è rosso, arancione o giallo, più è alta la temperatura più è chiaro il colore.
Quando c’è molto gas nella fiamma insieme a una piccola parte di carbonio essa potrebbe apparire giallo-violacea.

Una volta capito che sono le sostanze rilasciate dal legno, a causa del calore, che si combinano con l’ossigeno, possiamo vedere che la miscelazione completa e profonda di queste sostanze con l’ossigeno è necessaria per la combustione completa. In pratica questo è l’obiettivo più importante da raggiungere e il più difficile. Una colonna di fumo che si alza da un incendio brucerà molto probabilmente sulla sua “superficie esterna”, l’interfaccia fra il fumo (carburante) e l’aria ricca di ossigeno. Dentro la colonna di fumo c’è molto poco ossigeno quindi nessuna combustione. Infine se ne va come fumo (carburante incombusto) perché, anche se alla fine incontra abbastanza ossigeno, esso si è raffreddato abbastanza che la combustione non si verifica. Ricorda che ci sono tre condizioni necessarie per la combustione: carburante, ossigeno e calore.

Il metodo comune usato nelle stufe a combustione per indurre la miscelazione dell’ossigeno e del carburante è iniettare aria fresca (di solito non preriscaldata) nel fuoco da più posizioni. Questo sistema richiede molta aria, questo è un grave svantaggio perché abbasserà la temperatura del fuoco, una delle tre condizioni necessarie per la combustione completa. Nelle stufe metalliche questo raffreddamento del fuoco non è visto come uno svantaggio ma invece come un vantaggio, in quanto le temperature che possono essere raggiunte da un fuoco di legna sono abbastanza elevate che l’acciaio e anche l’acciaio inossidabile, sarà distrutto in un sorprendentemente breve lasso di tempo.

Le stufe descritte qui sono progettate per mantenere le più elevate temperature di combustione possibili -di molto superiori a quelle che le stufe metalliche possono sopportare- e assicurare la corretta miscelazione del gas combustibile con l’ossigeno tramite i metodi descritti nella prossima sezione.

Miscelazione e turbolenza nella batch box

La miscelazione del gas di legna con l’ossigeno nella stufa batch box è ottenuta grazie alla geometria accuratamente progettata del nucleo di combustione e al corretto posizionamento di entrambe le prese d’aria primaria e secondaria. Queste dimensioni critiche verranno descritte in seguito. La disposizione di questi componenti costruttivi è abbastanza semplice, la camera di combustione che è più lunga che larga scarica sul retro, dove è posizionato un “camino” verticale coibentato. Questo è l’heat riser di cui sopra. La funzione della camera di combustione è ovviamente di bruciare la legna, la funzione dell’heat riser coibentato è di permettere la finale (e completa) combustione di ogni gas di legna prodotto dal fuoco. Dalle sezioni precedenti adesso capiamo cosa è necessario per ottenere quella combustione completa: carburante (il gas di legna), calore (dal fuoco e dalla combustione del gas di legna stesso; nota ancora che essa è fortemente isolata, assicurando che venga perso il minore calore possibile da ogni processo di combustione) e ossigeno.

Nota in particolare la connessione tra questi due elementi, la camera di combustione e l’heat riser, una apertura alta e stretta fra i due. Questa è nota come la “porta”. In realtà l’area della sua sezione trasversale è il 70% di quella dell’heat riser (l’area della sezione trasversale dell’heat riser è una delle “dimensioni standard” in queste stufe, cioè una dimensione dalla quale tutte le altre possono essere calcolate). Questo restringimento improvviso nel percorso del flusso dei gas ha una funzione molto importante, in quanto la *stessa* quantità di gas fluisce attraverso il sistema in ogni momento, quindi quando si trova di fronte (o passa attraverso) un’apertura più stretta deve aumentare di velocità in quel punto (ricorda, la stessa quantità di gas fluisce in ogni momento e in ogni posto). Il risultato di questa accelerazione in quel punto esatto è che la pressione in quel punto si abbassa.

Facendo ora riferimento allo schema, un tubo cavo (illustrato in nero in cima alla camera di combustione) collega l’aria esterna direttamente al punto di minima pressione dell’aria nel sistema, l’apertura della porta. Questo poi provoca l’introduzione dell’aria (o più propriamente ossigeno) nel flusso di gas appena questo entra nella porta. Come si può immaginare, adesso abbiamo le tre condizioni necessarie per la combustione: carburante, calore e ossigeno. Il gas di legna è già estremamente caldo, c’è una terribile quantità di calore in quel posto, tutto quello di cui abbiamo bisogno ora è la completa miscelazione finale dell’ossigeno con il gas di legna. Un ultimo punto da notare ora, dato che l’aria secondaria che viene introdotta nella porta deve passare attraverso il tubo di acciaio situato sopra al fuoco, è che essa viene preriscaldata durante il suo percorso verso la porta.

La piena e completa miscelazione del gas di legna con l’ossigeno avviene quando la miscela passa attraverso la stretta porta e dentro l’heat riser dietro di essa. Quando il flusso dei gas accelera attraverso la strettoia della porta e poi rallenta bruscamente, quando raggiunge lo spazio *più grande* dietro di essa, si verifica un massiccio cumulo del flusso di gas in quanto le molecole che si muovono velocemente passando attraverso la porta sbattono sulle molecole rallentate improvvisamente di fronte a loro. Questo crea una notevole turbolenza e continua fintanto che la velocità dei gas è maggiore nella porta che nel riser, cioè la stragrande maggioranza del tempo di combustione. Queste condizioni fanno mescolare i gas infiammabili in un turbinoso doppio vortice prima su un piano orizzontale e poi su un un doppio cavatappi ascendente che sale all’interno dell’heat riser per poi uscire dal sistema.

Il doppio cavatappi ascensionale spinge i gas a prendere un percorso molto più lungo (a quindi a impiegare più tempo) che se dovessero salire diritti. Questo tragitto più lungo avviene all’interno di un ambiente ben isolato ed estremamente caldo che permette al carburante e l’ossigeno miscelati di bruciare immediatamente.

L’accelerazione dei gas quando passano attraverso una restrizione è conosciuta come “effetto venturi”, una legge della fisica descritta da Daniel Bernoulli nel diciottesimo secolo. Le condizioni estremamente caotiche create da questa disposizione possono essere viste in questo breve video filmato guardando giù nell’heat riser e direttamente all’uscita della porta, dove avviene il massiccio cumulo di gas e dove si forma il doppio vortice / cavatappi ascensionale.

Il modo piuttosto unico in cui queste stufe creano le condizioni di turbolenza necessarie per la completa miscelazione dell’ossigeno e del carburante ha altre conseguenze favorevoli per l’efficienza di combustione. L’approccio di “forza bruta” delle stufe metalliche consiste nell’introduzione di una grande quantità di aria. Questo estende la vita di queste stufe ma come noto ne riduce l’efficienza. L’aria secondaria preriscaldata nella stufa batch box è introdotta nel punto esatto affinché avvenga la completa miscelazione; non abbiamo certo bisogno della stessa quantità di aria che viene introdotta nelle stufe metalliche. Quindi l’area della sezione trasversale dell’insieme delle prese d’aria è più piccola di quella prevista in una stufa normale. Questi ingressi dell’aria più piccoli del previsto forse risultano anche più sorprendenti vedendo quanto viene consumato velocemente il combustibile in queste stufe.

Un’ultima spiegazione del motivo per cui “l’eccesso di aria fresca” è contrario alla buona efficienza. Il componente essenziale presente nell’aria per la combustione è l’ossigeno. Ogni altro componente dell’aria è solo un passeggero, non contribuisce alla combustione ma serve solo per raffreddare il fuoco (essi sono noti come gas zavorra. Proprio come su una nave, la zavorra è solo peso in eccesso e non carico). Come puoi vedere queste stufe, con l’attento uso della geometria e sfruttando le leggi naturali, introducono la giusta quantità di ossigeno nel punto esatto richiesto per la completa miscelazione e combustione.

Forse possiamo estendere il concetto dei “Riccioli d'oro e i tre orsi” per l’aria. Non è soltanto aria nella giusta quantità (non troppa, né poca) ma è anche esattamente nel posto giusto.

Queste stufe generano un tipico rumore, un suono come un basso brontolio (ma stranamente confortante). In realtà, è questo suono caratteristico che si trova in tutte queste varianti di stufe che ha fornito il nome di “Rocket Stoves” (NdT:”stufe razzo” in Italiano). Il breve video che segue fornisce una dimostrazione di questo caratteristico suono; questo esempio particolare si trova in un involucro di ferro così emette un suono con un timbro più metallico, altre realizzazioni che impiegano involucri in muratura o mattoni hanno un timbro meno metallico, un basso ronzio che non è affatto fastidioso.

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Un sacco di calore

La camera di combustione e l’heat riser sono entrambi fortemente coibentati, con enfasi particolare nell’isolamento dell’heat riser (dove le temperature possono essere le più elevate). Ciò consente all’insieme di raggiungere la temperatura ottimale di esercizio più rapidamente e migliora la combustione della miscela gas di legna / ossigeno che è naturalmente alla base dell’efficienza della stufa.

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Punto importante

È importante rendersi conto che le forme e le dimensioni dell’unità di combustione sono piuttosto critiche, variazioni da esse non sono effettivamente testate (la tua variazione potrebbe risultare vincente, ma senza le prove nessuno lo saprà mai). La rigidità di queste dimensioni e proporzioni è abbastanza logica, esse sono responsabili per quello che avviene.

Per raggiungere gli obbiettivi di questa stufa (combustione ad alta efficienza senza fumo che può essere replicata e costruita da altri) è importante che le dimensioni sviluppate e testate siano seguite in modo piuttosto preciso.

È necessaria una canna fumaria adeguata, essa è il “motore” di ogni stufa a legna ed è la forza motrice che crea tiraggio sufficiente per una combustione pulita. Come detto prima, le entrate dell’aria sono più piccole del “previsto” e in quanto tali sono forse più facilmente influenzate da variazioni del progetto fornito qui. Le proporzioni del progetto si trovano nella sezione “Costruzione”. Quando le temperature della canna fumaria aumentano (e quindi il tiraggio), l’entrata dell’aria può essere ridotta o si possono usare pezzi di legno più grandi. Pezzi di legno più grossi hanno meno superficie a parità di peso rispetto al legno “spezzato fino”.

Queste stufe bruciano il carico di combustibile in assenza di restrizioni nella fornitura di aria o in assenza di qualsiasi altra misura usata in modo da “rallentare la combustione per aumentarne la durata”. Dovrebbe essere chiaro da adesso che per la massima efficienza e pulizia della combustione questi tipi di provvedimenti danneggiano solamente l’obiettivo. Quindi per sfruttare o utilizzare con profitto il calore creato, abbiamo bisogno di una grande superficie radiante o di una massa sufficientemente grande per assorbire e rilasciare lentamente il calore immagazzinato. Questi approcci differenti verranno trattati in seguito.

Un fenomeno curioso di queste stufe, è il tempo impiegato per bruciare un carico. Si scopre (piuttosto contro-intuitivamente), che un carico pieno di legna brucia circa nello stesso tempo di un mezzo carico di legna (o altre proporzioni), dall’accensione alla fase delle braci. Così si può vedere che un pieno carico di legna fornisce una quantità sorprendentemente grande di energia in un dato tempo. Perciò abbiamo bisogno di metodi per raccogliere questo calore che verranno discussi nelle pagine seguenti.

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Risultati

Negli ultimi quattro anni (2012 - 2016) ho eseguito centinaia di test sul nucleo qui presentato e sono soddisfatto della progettazione di una stufa dalla combustione affidabile. Il Testo 330-2 è un analizzatore di gas che misura l’uscita della canna fumaria e da questi dati calcola l’efficienza della combustione. Esso può essere collegato a un computer come ho fatto io per generare il proprio grafico e i fogli di calcolo.

Il test mostrato nel grafico sopra è stato eseguito in una stufa calda, come si può dedurre dalla temperatura di partenza (misurata all’uscita della canna fumaria, in gradi Celsius, rappresentata della linea blu). Come menzionato prima, un tubo di scarico “caldo” (già alla temperatura di esercizio) avrà un corrispondente forte tiraggio e quindi in questo test il fuoco si è sviluppato rapidamente. Durante l’esecuzione, il livello di ossigeno (linea verde) è sceso sotto quello che io considero come il confine fra ottimale e non ottimale (6% O2). Sotto questa cifra c’è la possibilità di una più alta (linea viola) fuoriuscita di CO (dato che non è presente sufficiente ossigeno). Questo come può essere visto non è successo in questo caso, quindi mentre questo rischio è presente, è chiaro che si possono tuttavia ottenere combustioni eccellenti. Da tutte le discussioni precedenti date sulla combustione può essere visto/capito che i livelli di ossigeno e la temperatura della canna fumaria sono direttamente collegati con l’efficienza della combustione. L’efficienza è mostrata dalla linea rossa.

Quando il contenuto di ossigeno non scende sotto il 10% con una corrispondente bassa temperatura della canna fumaria di 80 °C l’efficienza sarà maggiore di quella mostrata nel grafico precedente. Comunque, temperature di scarico più basse significano meno tiraggio e possono avere ripercussioni sulla combustione a causa di una più bassa velocità del flusso che attraversa il sistema.

Questi grafici che mostrano la interrelazione fra i vari parametri della combustione sono un modo visuale per capire il “Punto Importante” fatto sopra, dove è incerto che una deviazione dalle descrizioni fornite qui porterà a una stufa più ottimale. Certamente è possibile, ma molto improbabile. Le interazioni con la stufa sono molto complesse e ogni cambiamento deve essere valutato con una effettiva misurazione testando in modo simile a quello mostrato qui.

Il grafico precedente è naturalmente molto bello e per questa ragione non è molto rappresentativo. Un diagramma che appare un pò più normale, che è stato generato durante lo sviluppo nel 2012, potrebbe essere questo:

Confrontando i grafici, possiamo imparare alcune cose (come il motivo per cui il Testo è assolutamente essenziale per sapere esattamente cosa succede durante una combustione) e vedere come questa combustione è più rappresentativa di quell’esempio stellare sopra “scelto apposta”. Come puoi vedere, i livelli di CO estremamente bassi (linea rosa), che indicano una combustione completa, non si verificano così presto come prima, né durano così a lungo. Inoltre osserva che il livello di ossigeno (linea verde) non si abbassa molto, ma rimane a un livello molto buono. La misurazione dell’ossigeno è nota come “eccesso di O2”.

La precedente è la rappresentazione grafica di una combustione molto feroce, ruggente, instabile e irregolare e di tanto in tanto anche fumosa. Sviluppi recenti sono giunti a una conclusione con risultati di gran lunga migliori; questo verrà affrontato nel capitolo “progetti del nucleo”.

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Funzionamento del flusso di aria

Agosto, 2020
Dagli inizi dello sviluppo nel 2012 il funzionamento delle batch rocket è oggi molto più chiaro. Il fatto che le BBR abbiamo buona scalabilità (aumenti e diminuzioni delle dimensioni) suggerisce la presenza di alcuni principi fondamentali di funzionamento sotto descritti.

Dopo otto anni possiamo trarre qualche conclusione, supportata per certi aspetti da persone che comprendono l'aerodinamica meglio dei comuni mortali. Tali conclusioni si basano su osservazioni fatte da più costruttori e sperimentatori nei diversi continenti. In nessun caso le seguenti conclusioni sono scientificamente provate, e sono tutte frutto di deduzioni plausibili.

1# L'attuale spiegazione del perché si possa ottenere un fuoco così caldo e violento è attribuita alla differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore della camera di combustione. La porta funge da venturi, principio spiegato in precedenza in questo capitolo. Nel venturi la velocità dell'aria è maggiore e la pressione corrispondentemente inferiore rispetto al lato di ingresso aria. Quella pressione differenziale è sempre maggiore del tiraggio del camino, e la porta funge da amplificatore. Maggiore è la differenza e più luminoso è il fuoco, simile probabilmente a un fuoco sovralimentato da un ventilatore. Questo è anche il motivo per cui il tempo che trascorre dal momento dell'accensione alla fine delle braci, è praticamente lo stesso con mezzo lotto e con un lotto intero di legno. Un lotto intero produce un fuoco di maggiore intensità, una pressione negativa più forte a cavallo della porta e quindi anche una combustione più intensa. Con un quarto di lotto le cose cambiano, a quanto pare c'è un limite. Un fuoco molto caldo e limpido produce la combustione più completa.

2# Osservando il riser dall'alto appare chiaramente che il flusso di fiamma attraverso la porta sembra essere più stretto della porta stessa. La velocità di quel flusso è ben maggiore di quanto ci si possa aspettare osservando il focolare. Questo è legato ai bordi quadrati della porta. Questo punto è stato ampiamente discusso con il Dr. Larry Winiarski * durante un seminario a Varsavia, luglio 2015. Alcuni costruttori avevano già smussato o arrotondato più volte i bordi della porta, nel tentativo di rendere il design più attraente. Uno smusso abbastanza grande, circa un terzo o più della profondità della porta, era già sufficiente a danneggiare la completa combustione in quasi tutti i casi. Il risultato finale è fumo nero dal camino, proprio per via della raggiatura fin troppo morbida.

Possibile spiegazione di questo fenomeno: i bordi taglienti ad angolo retto causano molte piccole turbolenze lungo le pareti della porta. Quella turbolenza contro la parete rallenta anche il flusso ai lati. Al centro della porta la velocità rimane alta, il che fa sembrare la corrente più stretta alla vista. A causa della minor velocità a sinistra e a destra, il flusso si divide facilmente, e i due flussi si arricciano creando il doppio vortice. Il tempo di permanenza nel riser viene in questo modo prolungato, consentendo la combustione di una maggiore quantità dei gas della legna.

Quindi la porta dovrebbe sempre avere angoli retti e dovrebbe essere posizionata al centro del riser.

Ad esempio, ipotiziamo di costruire un sidewinder in modo tale che la parete posteriore della camera di combustione fosse a filo con la parete della porta. Questa situazione non soddisferebbe le condizioni sopra descritte, e di conseguenza le prestazioni della BBR potrebbero essere peggiori. Se la porta non è costruita al centro del riser ma su un lato, viene creato un unico vortice. Il tempo di permanenza nell'ambiente caldo del riser diventa quindi più breve, il che a sua volta influisce sulla qualità della combustione.

3# Un batchrocket ben funzionante mostra una fiamma orizzontale, specialmente all'inizio della combustione quando parte la postcombustione. E quel flusso di fiamma appare nella metà inferiore della porta mentre la metà superiore è completamente vuota alla vista.

Soprattutto nelle prime fasi dello sviluppo, sono state costruite alcune batchrockets con la porta alta quanto la parete posteriore della camera di combustione. Anche riducendo la larghezza della porta per compensare la superfice, i risultati sono sempre stati peggiori rispetto all'utilizzo della parte di muro attualmente utilizzata sopra la porta.

Inoltre con sistemi aperti (vedi Applicazioni), senza portella di chiusura e senza alimentazione di aria secondaria, l’efficienza della combustione è comunque molto buona. La resa è inferiore ma non eccede il 4% o al 5%. Anche in questa variante la fiamma tende ad accendersi molto in basso nel riser.

La spiegazione di tutti e tre i fenomeni di cui sopra risiede probabilmente nel flusso d'aria che passa sopra il fuoco attraverso la porta. Poiché l'aria sopra il fuoco diventa molto calda, scorre senza ostacoli lungo il soffitto. Sulla parete di fondo della camera di combustione, la corrente viene piegata e accelerata dall'azione del venturi non appena entra nella porta. Maggiore è la velocità dell'aria in quel momento, meno facilmente il flusso cambia direzione. Gli interstizi tra i pezzi di legno guidano il flusso di aria verso il fondo della camera di combustione. Le fiamme del focolare vengono soffiate verso il fondo, e il flusso d'aria che scende dal soffitto le spinge verso il basso. In un sistema chiuso con portella , un canale P o un canale a pavimento forniscono aria aggiuntiva esattamente in quella posizione.

Un sistema aperto sfrutta questo effetto, consentendo a una quantità sufficiente di aria fresca e calda di entrare nella porta e nel riser in un ambiente aggressivamente turbolento. Quindi è chiaro che una porta a tutta altezza del focolare non funziona correttamente, perché l'aria calda dal soffitto della camera di combustione entrerebbe direttamente nel riser senza creare alcuna turbolenza forzata verso il basso. Infine, questo potrebbe anche spiegare perché un oggetto come un pezzo di legno conficcato nella porta può distruggere la completa combustione desiderata. Le correnti vengono interrotte e l'aerodinamica di tutto cambia completamente. Togliendo quel pezzo di legno, l'intero sistema tornerà di nuovo a funzionare correttamente entro un minuto.

Si tenga presente che una stufa senza porta non è consigliata all'interno di una casa. A causa del fatto che in sostanza si tratta di un caminetto aperto, potrebbe fuoriuscire del fumo all'interno del soggiorno. Inoltre, nessuna portella significa che la stufa non può essere chiusa, il che potrebbe essere pericoloso mentre le persone dormono. Nel caso in cui il fuoco non sia completamente spento, il monossido di carbonio mortale potrebbe fuoriuscire dal riscaldatore, ad esempio a causa dei cambiamenti delle condizioni meteorologiche.

* Larry Winiarski è ampiamente considerato come il creatore della stufa a razzo originale. Ideata come un'alternativa più efficiente ai tradizionali fuochi all'aperto in molti paesi in via di sviluppo e campi profughi dove si cucina sul fuoco di legna.

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