Todos os núcleos de aquecedores a seguir foram projetados por Peter van den Berg, salvo indicação em contrário.
1: Núcleo de tijolos
Um núcleo com câmara de combustão e chaminé interna de alvenaria é o mais simples de se produzir, embora os tijolos refratários precisem ser cortados. Usando um desenho otimizado, esses cortes podem ser reduzidos.
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Canal P
Este duto fornece o ar secundário no desenho original. De construção simples, ele funciona por conta da lei da física conhecida como princípio de Bernoulli.
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2: Núcleo de tijolos
O problema da chaminé interna não arredondada do núcleo de tijolos anterior é resolvido neste segundo desenho. A chaminé interna agora é octogonal, o que é uma melhor aproximação ao formato redondo. As camadas são aplicadas com os tijolos em cutelo e deitados alternadamente, em um encaixe apropriado.
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3: Núcleo pré-moldado
Este é um conjunto de câmara de combustão combinada com o terço inferior da chaminé interna em duas partes separadas. Ele já é construído com bastante frequência e funciona bem, mas é vulnerável a rachaduras.
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4: Núcleo pré-moldado
Este é um design mais recente (2015) e tem a câmara de combustão dividida em três partes. Em vez de um canal P, conta com um canal de piso.
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Canal de piso
Este também é um duto de suprimento de ar secundário, mas lança o ar a meia altura do portal. Esse duto fica no piso da câmara de combustão e capta o ar da entrada de ar principal.
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5: Núcleo pré-moldado com chaminé lateral
Um desenho em que a chaminé interna não está situada atrás da câmara de combustão, mas na lateral, permitindo que a profundidade seja menor.
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6: Núcleo de tijolos com chaminé lateral
Quando não se trata de uma produção em série, uma maneira mais simples de construir uma chaminé lateral, em lugar de produzir peças pré-moldadas, é usar tijolos refratários. Infelizmente, o número de tijolos a serem cortados é bastante significativo.
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7: Um desenho de núcleo mais simples
Uma combinação de chaminé interna quadrada e canal de piso. Mais simples de construir, requer menos cortes de tijolos e, ainda assim, obtém resultados muito bons.
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1: Núcleo de tijolos linear
Usando um bom desenho e uma mistura adequada de argila e areia, esta versão de alvenaria é uma maneira fácil de você testar os princípios de funcionamento por si mesmo. Isso pode ser feito ao ar livre ou em um celeiro ou galpão – qualquer lugar que seja conveniente. Apenas uma advertência: a chaminé interna provavelmente terá chamas saindo pelo topo, então use tubo da chaminé para ventilar quando estiver testando em espaços fechados. Não 'apenas' se trata de um modelo de teste conveniente, mas é mais do que adequado para uso permanente como núcleo de uma estufa (a mistura de argila e areia permite fácil desmontagem após o teste). Como será descrito posteriormente, as estufas aproveitam a queima ultralimpa proporcionada por essas unidades de combustão e são capazes de capturar e armazenar o calor produzido.
Obviamente, é sensato construir em bases estáveis, de preferência isolando ou usando uma camada intermediária de isolamento. O desenho em formato SketchUp 8 deste projeto está disponível para download neste link. A forma interna da chaminé é quadrada, o que não é tão bom quanto redondo – mas mesmo que não seja a ideal, funcionará. Essa versão é adequada para construir com tijolos refratários resistentes. A disposição dos tijolos pode precisar de ajustes – este desenho é baseado em um tamanho de tijolo comum na Holanda. Naturalmente, ao menos a chaminé interna deve ser coberta por material isolante resistente ao calor. Caso esteja construindo com tijolos refratários leves, isso não será necessário. Por outro lado, estes são provavelmente vulneráveis demais à abrasão para serem usados na câmara de combustão.
Canal P
O duto retangular de aço no topo da câmara de combustão fornece o suprimento de ar secundário. Essa peça é comumente chamada de canal P, abreviação de canal Peter, em homenagem ao seu criador. Materiais adequados para fabricar essa peça são aço comum ou aço inoxidável. Neste sistema de 150 mm, está sendo usado um duto retangular de 60x20x2 mm.
A extremidade suspensa voltada para baixo fica posicionada um pouco abaixo do topo do portal, constituindo uma pequena saliência. Para simplificar, essa saliência tem a mesma medida que a largura do canal. Na parte traseira, que está voltada para a chaminé interna, há um pequeno recorte para promover a sucção do ar. O princípio de Bernoulli, que faz com que o canal P funcione, prevê que a pressão dentro do sistema é menor do que do lado de fora. Portanto, nenhuma fumaça escapará do canal P – ou mesmo de pequenas rachaduras ou da própria entrada de ar principal. Por outro lado, se sair fumaça do canal P ou da entrada de ar principal, isso significa que há algo errado no sistema.
Este ar secundário precisa ser acrescentado ao fluxo antes da forte turbulência que ocorre no portal e na chaminé interna. Fornecer ar na própria chaminé interna pareceria óbvio, mas não funcionaria, já que a mistura dos fluxos de ar não seria poderosa o suficiente dessa maneira.
Como o duto é resfriado pelo ar que entra, a expectativa de vida do aço comum é surpreendentemente longa. Em uma estufa de ambiente usada por duas temporadas os danos por corrosão são pouco visíveis. Portanto, é aconselhável nunca vedar a entrada de ar do canal P durante o uso. Suspeita-se que quanto maior a espessura da parede do duto mais rápida é a corrosão, porque o aço não conseguiria liberar calor tão rápido quanto em um duto com material mais fino.
2: Núcleo de tijolos linear com chaminé interna octogonal
O problema da chaminé interna em um formato que não o redondo é resolvido neste próximo desenho. Ela agora tem formato octogonal, o que configura uma melhor aproximação ao arredondado. As camadas são aplicadas com os tijolos em cutelo e deitados alternadamente, em um encaixe apropriado. Quanto mais suave for a superfície interna da chaminé, melhor é o desempenho. Por isso compensa dedicar maior atenção ao construir essa parte.
O formato octogonal favorece a formação do vórtice duplo mais cedo na queima. A desvantagem desse formato é a maior quantidade de massa. Essa desvantagem pode ser anulada se utilizamos tijolos refratários isolantes. Com isso não é necessário aplicar material isolante ao redor da chaminé interna: os tijolos são suficientes para garantir o isolamento.
Os pequenos triângulos amarelos são, na realidade, do mesmo material – eles estão numa cor diferente apenas para facilitar a visualização. A construção deste núcleo é diferente do primeiro desenho de tijolos, assim como a conexão entre a câmara de combustão e a chaminé interna. Este desenho também está disponível para download neste link.
Abaixo estão dois outros exemplos de como tornar a chaminé interna octogonal fora das dimensões comuns dos tijolos, necessitando realizar cortes. Ambos usam tijolos cortados em um ângulo de 45 graus para criar "peças" de tamanho igual a fim de se chegar a uma forma octogonal. O inferior é bem simples, mas permite apenas um tamanho de chaminé interna, enquanto o outro permite que os tijolos sejam ajustados para construir uma chaminé interna ligeiramente mais larga, o que significaria que a câmara de combustão e o portal também deveriam ser mais largos – o método de dimensionamento segue valendo.
3: Núcleo pré-moldado linear em 4 partes
Este é um desenho que já foi testado e aprovado com alguns exemplos bem sucedidos ao redor do mundo. Um problema digno de nota, ainda que não comprometa o funcionamento, é o fato de que esta versão é propensa a rachaduras à esquerda e à direita da câmara de combustão. Mesmo com o surgimento dessas rachaduras, a câmara de combustão se mantém íntegra, sem danos subsequentes. Provavelmente, as próprias rachaduras atuam como juntas de dilatação; assim, a tensão é liberada e as rachaduras não crescem mais. A espessura das paredes pode ser de 30 mm e, quando necessário, usa-se enchimento para economizar no material – o que é feito não com o propósito de economizar dinheiro, mas para reduzir a massa do núcleo. Quanto menos material, mais cedo chega-se à temperatura de trabalho.
O segmento da chaminé interna acima da câmara de combustão também é dividido em duas partes, que são idênticas – assim, podem ser construídas usando um mesmo molde.
A cruz nas laterais indica qual lado está por cima durante a moldagem. Esse lado terá um acabamento relativamente mais grosseiro, mas isso não tem nenhum consequência. Não só o octógono é uma forma adequada (uma boa aproximação ao redondo), mas também se chega facilmente a ele ao construir um molde. Uma serra de mesa ajustada a 45 graus consegue cortar todas as peças necessárias. O uso cuidadoso de uma serra circular com uma guia também funcionará, caso não tenha uma serra de mesa.
Este desenho também é de uso livre. Está disponível para download através deste link.
4: Núcleo pré-moldado linear em 5 partes
Este desenho é bastante recente (2015) e já passou por um inverno com uso diário sem rachaduras visíveis. Na unidade que construí, o fundo repousa sobre uma estrutura de suporte e o parte superior se encaixa por meio de reentrâncias correspondentes. A imagem abaixo mostra um desenho ligeiramente adaptado, mas em essência igual ao da minha própria estufa.
Naturalmente, a chaminé interna deste modelo precisa ser isolada de cima a baixo. A construção é bastante simples, como mostra a imagem abaixo.
Canal de piso
Este duto de fornecimento de ar secundário é uma alternativa ao canal P – ou seja, eles não devem ser usados em conjunto. A construção e a colocação são bem diferentes. Ele fica no piso da câmara de combustão em uma trincheira e é alimentado através da mesma entrada que supre o ar principal. É uma variante do tubo de pré-portal de Matt Walker, mas a seção vertical é mais curta e quadrada e menos larga. Como consequência, o duto não se configura como uma obstrução tão representativa dentro da câmara de combustão.
Além disso, o ar é fornecido a meia altura do portal, o que, por sua vez, mantém o vórtice duplo em um ponto baixo na chaminé interna, em geral. Esta versão é um pouco mais fácil de produzir do que a proposta por Matt. As únicas ferramentas usadas para produzi-la são um pequeno esmeril equipado com uma roda de corte e um soldador. Esse canal de piso é muito fácil de substituir, uma vantagem em comparação com o canal P, que não pode ser retirado a menos que o aquecedor seja aberto.
O canal é feito de duto retangular de aço comum de 2 mm e apresenta muito pouca corrosão ou deterioração após um ano de uso diário em um inverno marinho temperado. A explicação para o baixo nível de corrosão é o fato de que o interior do duto é resfriado pelo ar que ele conduz. Além disso, o duto se localiza em um trecho da câmara de combustão com presença reduzida de oxigênio enquanto a queima está acontecendo – e o aço não se corrói na ausência de oxigênio.
Esta é uma das poucas peças de aço dentro da câmara de combustão que não é destruída em dez queimas, então a durabilidade é razoável. Meu próximo canal será feito de aço inoxidável 304, o que deve elevar a expectativa de tempo de vida.
As queimas do inverno de 2015/2016 foram inteiramente dedicadas a ajustar o suprimento de ar secundário – cerca de 12 variantes foram testadas. O desenho mostra um duto horizontal de 60x30x2 mm e a peça vertical com 35x35x2 mm. A área da seção transversal interna do duto maior é cerca de uma vez e meia maior que os dutos menores. Esta não é uma coincidência: três tamanhos do tubo horizontal são testados em várias combinações com três tamanhos do vertical. O duto de 60x30x2 mm é tão eficaz quanto um com as dimensões 60x40x2 mm, desde que a entrada seja maior que a vazão do canal. Usando os dutos de aço como no desenho, a parte vertical representa 5,4% da área da seção transversal da chaminé interna e a parte horizontal, 8,25%. Mantendo-se próximo a essas porcentagens, é possível calcular as dimensões para um núcleo maior ou menor, conforme as dimensões maiores ou menores da área da seção transversal da sua chaminé interna.
01/05/2019 Uma construção um pouco mais simples, juntamente com uma alimentação maior e um ponto de vazão mais alto, em acordo com as descobertas mais recentes. O fluxo de ar é otimizado de tal forma que a metade superior do portal recebe a maior parte do fluxo de ar secundário.
A alimentação é quase o dobro do tamanho da vazão, no que se refere à área da seção transversal. Este modelo também é produzido usando um esmeril com uma lâmina de corte fina e um soldador. Um desenho com as dimensões adequadas para um sistema de 150 mm pode ser obtido aqui.
Em contraste com a implementação normal, este modelo de núcleo deve ser aceso a partir da parte superior traseira do lote de combustível, o que é conhecido como "queima de cabeça para baixo". Esse método fornecerá os melhores resultados.
Este diagrama representa um teste em que foram usados pedaços maiores de madeira de bétula completamente seca, acesos a partir do topo. A temperatura inicial do próprio aquecedor era moderadamente quente. Na chaminé marcava 30 ºC. O nível de monóxido de carbono (CO) caiu abaixo de 500 ppm após 18 minutos de queima e permaneceu assim por 58 minutos. As médias desta queime de teste: Oxigênio (O2) 13%, eficiência 95,2%, CO 282 ppm, temperatura de exaustão 66,4 ºC. Ressalta-se que o nível final de CO é excepcionalmente baixo.
O desenho deste núcleo está disponível através deste link.
5: Núcleo pré-moldado com chaminé lateral em 7 partes
Esta é uma variante de Dispositivo Rocket com alimentação por lotes na qual a chaminé interna é posicionada à esquerda ou à direita da câmara de combustão. O projeto foi desenvolvido por Adiel Shnior e Shilo Kinarty, dois caras que constroem estufas rocket em Israel. Max Edleson, um construtor de aquecedores nos EUA o chamou de "sidewinder" (em referência à chaminé lateral). Este é o nome de uma cobra do deserto que se move serpenteando de lado sobre a areia.
Como a chaminé interna não está mais diretamente alinhada com a câmara de combustão, esse dispositivo, naturalmente, não é mais simétrico. Como consequência, precisamos de um molde extra para construir a câmara de combustão, como se pode ver na imagem abaixo.
Este desenho é similar ao anterior, com uma peça superior separada. O molde mais complicado é o da parede traseira, que incorpora metade da parte inferior da chaminé interna. É possível dispensar a produção de um segundo molde específico para construir as laterais da câmara de combustão se uma "peça de preenchimento" puder ser colocada e presa no molde antes da produção no local onde o portal deve estar. Desta forma, um molde pode produzir ambos os lados, um com saída para o portal – devido à peça de preenchimento colocada no lugar antes da moldagem – e o outro sem saída. A parte superior da câmara de combustão é igual à do desenho linear e a outra metade inferior da chaminé interna é um molde relativamente simples. Para melhor compreensão do desenho, examine a imagem a seguir com as partes separadas.
Parece muito complicado, mas com algum cuidado e perícia, encontra-se inteiramente dentro do âmbito de capacidade de um faz-tudo competente. Embora aparentemente mais complicados, esses moldes são montados da mesma maneira já descrita na seção "Construção": uma caixa de compensado revestida com pedaços de poliestireno extrudido (ou similar) devidamente planejados para obter a forma final.
Para muitos, esta pode ser a primeira experiência com 'espaços negativos' e com a retirada de moldes. Eu acredito que está dentro das capacidades de um bom 'funileiro de quintal', então não tenha medo. Pode ser uma boa ideia testar seus moldes com materiais bem baratos, como gesso ou mesmo uma mistura simples de cimento e areia, evitando a possibilidade de desperdiçar o valioso concreto refratário em um molde que pode precisar de ajustes para se obter um resultado final adequado.
Conforme mencionado na introdução, este é um projeto de código aberto e está disponível para fins comerciais (por favor, leia as condições de uso na seção Introdução). Se a intenção for fazer mais do que alguns poucos exemplares de núcleos, é sensato primeiro fazer 'moldes mestres' positivos (isto é, a própria forma real, o 'positivo') e a partir deles fazer os moldes em borracha (ou seja, os 'negativos') a serem usados para a execução em série da produção.
Esses moldes negativos precisarão ser substituídos periodicamente construindo novas peças a partir do molde mestre. Parece-me uma oportunidade de negócio viável produzir e vender esses núcleos pré-moldados juntamente com boas instruções de montagem e os passos necessários para chegar ao produto final. O número total de moldes, incluindo a chaminé interna, pode ser de cinco ou sete peças. O projeto para este desenho está disponível por meio deste link.
6: Núcleo de tijolos com chaminé lateral
Este desenho não é difícil de construir usando tijolos refratários e uma serra circular. Tem o mesmo grau de dificuldade que o núcleo de tijolos linear. Para tornar as coisas um pouco mais simples, o tamanho é levemente aumentado, de 150 mm para 160 mm. Ao fazermos isso, a câmara de combustão se torna um pouco maior, de modo que se pode usar um lote de combustível um pouco maior e mais espesso.
A profundidade pode se manter a mesma da versão de núcleo de tijolos linear. Como a chaminé interna não se encontra mais na parte traseira, a profundidade resultante é de 486 mm. Isso representa uma redução de 216 mm em comparação com os 702 mm do núcleo linear. As diferenças no comportamento da queima são bastante pequenas. Portanto, este desenho se mostra como uma boa alternativa. As dimensões são todas nominais, não sendo considerada a espessura da argamassa entre os tijolos.
A parte vertical do canal de piso é um pouco alongada para se adequar ao tamanho maior da chaminé interna e do portal. Além disso, a construção deste canal é mais simples em comparação com o da versão do núcleo pré-moldado com chaminé lateral, não apresentando dobra de 90 graus e com a parte vertical sendo posicionada de forma assimétrica na parte horizontal para criar distância suficiente em relação ao portal. Entre as extremidades do portal e cada um dos lados da parte vertical do canal a distância deve ser igual à metade da largura do portal.
Naturalmente, é possível e até melhor usar o formato octogonal da chaminé interna, como apresentado na segunda versão do Núcleo de tijolos acima. Isso proporcionará melhores resultados na queima. Use este link para baixar o projeto feito no SketchUp.
7: Um desenho de núcleo mais simples
Entre o outono de 2017 e o verão de 2018, adquiriu-se bastante experiência com um desenho composto por um canal de piso e uma chaminé interna quadrada em vez da forma redonda ou octogonal mais usual. Seu desempenho é pelo menos tão bom quanto um modelo com canal p e chaminé interna redonda, mas tem a vantagem de ser muito mais fácil de construir – com menos cortes de tijolos e um desenho mais simples. Algumas vezes durante os testes, a rampa na parte inferior traseira da chaminé interna foi deixada de fora (o que garante mais simplicidade), obtendo-se resultados igualmente excelentes e encorajadores. (veja abaixo no diagrama)
Neste desenho, é apenas na parte de trás da chaminé interna, até a altura do portal, que temos cantos chanfrados (observe isso no vídeo), resultando em um meio octógono que permite que o vórtice duplo se desenvolva mais facilmente.
As tabelas de dimensões disponíveis na seção Construção devem ser seguidas para desenvolver este desenho. Ou seja, um modelo de 150 mm tem uma chaminé interna quadrada de 150mm por 150mm – todas as dimensões restantes vêm das planilhas e tabelas para uma chaminé interna redonda de 150 mm. Da mesma forma para todos os outros tamanhos de sistema. Então, um dispositivo de tamanho (X) tem todas as dimensões para esse tamanho de sistema (X) das tabelas juntamente com uma chaminé interna quadrada dessa dimensão (X*X). A chaminé interna de seção transversal redonda é simplesmente substituída por uma de seção quadrada com o lado da mesma dimensão que o diâmetro de uma redonda. Por favor, leia sobre as consequências de uma chaminé interna quadrada em oposição a uma redonda no capítulo Construção.
Este desenho surgiu por acaso durante uma oficina na ilha espanhola de Mallorca em novembro de 2017. A serra circular que havia sido contratada não era capaz de fazer os cortes de 45 graus com a precisão que precisávamos, obrigando-me a experimentar este método de construção, o que não chegou a ser um tiro no escuro, como se poderia pensar. Minha experiência ao longo dos anos me levou a suspeitar que esse método seria totalmente viável, e alguns experimentos avulsos apoiavam fortemente essa suspeita. Talvez um conjunto de circunstâncias favoráveis. E funcionou perfeitamente na primeira queima – mesmo com os tijolos ainda molhados. Aqui está um vídeo em time-lapse de toda a construção. O projeto pode ser baixado através deste link.
Grande parte dos testes e construções subsequentes deste modelo foi feita por Yasin Gach, da França, durante outras oficinas e construções comerciais. O desenho recomendado para esta combinação de canal de piso e chaminé interna agora é feito como na imagem abaixo. O desenho do núcleo pode ser baixado aqui.
