Estufa BatchRocket

Funcionamiento, cómo y por qué

¿Qué es un fuego de leña?

Durante la combustión de la madera las moléculas orgánicas se descomponen en piezas más pequeñas. Eventualmente se convierten en gases y son la fuente de las llamas a medida que se queman. Los resultados de la combustión completa son: calor, dióxido de carbono (CO2) y agua.

Mezcla

El gas de madera es extremadamente inflamable, inclusive explosivo cuando está lo suficientemente caliente y se lo mezcla bien con aire fresco. Este mezclado no se produce de forma espontánea, es logrado debido a las condiciones de alta turbulencia en el portal y la chimenea interna (“riser” en inglés).

Mezclado y turbulencia en la Batch Box

En el mundo de los constructores de Estufas Rocket el nombre en inglés de esa corta y aislada chimenea interna es "heat riser"[NdT: En lo sucesivo la llamaremos “chimenea interna”]. La apertura alta y estrecha en la cara del fondo se llama "port" [NdT: En lo sucesivo lo llamaremos “portal”]. La combinación de la chimenea interna y la cámara de combustión se denomina "core"[NdT: En lo sucesivo lo llamaremos “núcleo”]. La manera en que se genera la turbulencia es diferente a la de una estufa a leña convencional.



Calor

Otro factor ambiental que es igual de importante: la alta temperatura. Esto no debe ser tomado a la ligera. Durante el desarrollo se midieron temperaturas en la chimenea interna que alcanzaron los 1200 ºCelsius.

Precauciones

Los respectivos tamaños de la cámara de combustión, el portal, la chimenea interna y los ingresos de aire son bastante precisos. Un cambio relativamente pequeño podría ser suficiente para perturbar el correcto funcionamiento del núcleo. También, una chimenea adecuada es muy importante.

El Testo 330-­2

Las mediciones que eventualmente condujeron a la BBR final se realizaron con un analizador digital de gases, el Testo 330-2. Este dispositivo mide durante cada "ciclo de ensayo" la temperatura de los gases de escape, el nivel de oxígeno (O2) y el contenido de monóxido de carbono (CO).

Combustión de madera

El triángulo del fuego muestra los tres elementos necesarios para iniciar un fuego y mantenerlo encendido.

La combustión completa de la madera (que se compone de hidrocarburos) da como resultado lo siguiente: los átomos de hidrógeno se combinan con el oxígeno para formar vapor de agua (H2O), los átomos de carbono se combinan con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2), y se libera la máxima cantidad de energía.

Estos mismos productos finales se encuentran en los quemadores de gas natural.

Al disminuir o eliminar alguno de los lados del triángulo, la combustión no será completa, sinó más bien incompleta. El vapor de agua y el dióxido de carbono se siguen produciendo, pero también se producen otros dos productos: monóxido de carbono (CO), un gas tóxico incoloro; y partículas de carbono, que aparecen como hollín y humo. Además, NO se produce la máxima cantidad de calor.

Superficialmente, la combustión de madera no parece muy difícil, algunas pequeñas ramas secas con papel, acercarle un fósforo encendido y el fuego se enciende. Una vez que tenemos el fuego, lograr que queme de manera limpia requiere un poco más de razonamiento y esfuerzo. Necesitamos temperaturas más altas que los pocos cientos de grados que se logran en un pequeño fuego y necesitamos 'mantenerlo bajo control', no dejarlo crecer en exceso. Al aislar el fuego en sí mantenemos el calor del fuego "dentro del fuego", lo que facilita la combustión completa y conserva la mayor parte del calor del fuego dentro de la cámara de combustión.

El resultado de estas "nuevas condiciones" (temperatura muy alta, "suministro de aire estilo Ricitos de oro (Goldilocks) no demasiado, no demasiado poco, justo lo apropiado) será un fuego sin humo. Pese a ser simples objetivos, se requirió mucho esfuerzo para encontrar los parámetros que se presentan aquí y que logran este fuego sin humo. Para entender por qué no hay humo, debe notarse que el humo es simplemente combustible sin quemar, ni más ni menos. De hecho, hasta un 60% de la energía disponible en la madera se encuentra en estos gases combustibles. Por lo que el humo no es "sólo una molestia", que afecta a un área extensa en el ambiente exterior, es de hecho "dinero que se va por la chimenea" en un sentido muy real.

Podemos decir casi literalmente que, a excepción del 1% de cenizas aproximadamente, todo el contenido de la madera se puede convertir en calor**, por lo tanto, el humo es sólo un indicador de la conversión incompleta de combustible en calor. Estos calentadores, como se ha descrito anteriormente, tienen temperaturas muy altas de combustión, por lo que el humo está muy caliente. Combinamos aire precalentado con ese humo, lo que resulta en la combustión espontánea del humo. Incluso el temido monóxido de carbono (CO, un veneno mortal) es de hecho combustible sin quemar (recordemos lo dicho anteriormente, que en una combustión completa el CO no es un producto resultante de la quema de madera) .

El CO no tiene olor, por lo que cuando se utilizaba, hasta bien entrado el siglo XX, el gas de carbón para calefaccionar en algunos países (como Holanda), el cual contenía un 8% de CO,; siempre se le agregó mercaptano (una sustancia de olor fétido), simplemente para alertar a las personas de cualquier fuga o quemadores no encendidos. Sin embargo, el punto sigue siendo que el CO es un combustible (y se utilizaba como tal en el gas de red) y todo el contenido energético de la madera puede ser extraído si se quema correctamente.

** Si bien esto es estrictamente cierto, algunos puntos deben ser entendidos para poner esto en contexto del mundo real. Estos calentadores no serán utilizados en un laboratorio con oxígeno puro, se van a utilizar en una vivienda. Incluso las condiciones climáticas pueden variar e influir en la combustión. Más importante aún, la madera secada al aire contendrá algo de humedad. Esta necesita ser eliminada antes de que la combustión de la madera ocurra. Hervir el agua consume una enorme cantidad de energía.

El gráfico muestra cómo la temperatura del agua aumenta a medida que se añade energía. (Empieza desde antes del punto de congelación, lo cual vamos a ignorar. A menos que la madera que se utiliza esté por debajo de cero!) A medida que se añade energía (el eje horizontal), la temperatura se eleva a lo largo de la línea recta C, por cada "porción" de energía añadida hay un aumento correspondiente de la temperatura, lo que justifica que esta sea una línea recta.

Cuando el agua llega al punto de ebullición (100 ºC) ya no aumenta su temperatura (se observa en la línea D, la cual es horizontal incluso aún cuando todavía se está agregando energía al sistema). Durante esta etapa, la energía absorbida por el agua no está aumentando la temperatura de la misma, sinó que está haciendo que el agua pase de "líquido a gas", y esto ocurre sin ningún cambio en la temperatura. La línea E SÓLO comenzará una vez que toda el agua se haya convertido en vapor .

A menos que tengamos una caldera de condensación, esa energía requerida para convertir el agua en vapor se fuga del sistema, y se perderá en la atmósfera. Por lo tanto, en la práctica del mundo real, éstas son algunas de las pérdidas que suceden y sucederán. Un *punto*muy*importante* a ser tenido en cuenta a partir de esto es que NUNCA debe quemarse algo que no sea madera seca. Ahora sabemos porqué .

El siguiente video es un buen ejemplo de la inflamabilidad de humo.



Mezcla y turbulencia

Por extraño que parezca, la madera en sí mismo no arde. Es similar a la gasolina, la gasolina no arde. Si usted es lo suficientemente rápido, puede apagar un fósforo en gasolina líquida. No se recomienda que lo intente, pues muy probablemente el fósforo encenderá la mezcla de vapores de gasolina y oxígeno justo por encima de la gasolina líquida. Una vez habiendo entendido eso, está claro entonces que son los "vapores" de la madera mezclados con el oxígeno las sustancias que se queman. El calor hace que los componentes químicos en la madera se descompongan en componentes inflamables más pequeños, que luego se combinan con el oxígeno (en presencia de calor), a su vez liberando más calor lo que hace que el ciclo continúe. Una llama de gas de madera pura debe ser azul, difícil de ver bajo la luz solar. Debido a que también hay polvo de carbón arrastrado con la llama y este brilla intensamente, el color es rojo, naranja o amarillo, cuanto mayor sea la temperatura más claro será el color. Cuando hay una gran cantidad de gas en la llama y una pequeña cantidad de carbono podría aparecer como amarillo-púrpura .

Una vez que se entiende que son las sustancias liberadas de la madera por el calor las que se combinan con el oxígeno, se puede ver que se necesita una mezcla completa y exhaustiva de estas sustancias con el oxígeno para la combustión completa. En la práctica, este es el objetivo más importante de lograr y el más difícil. Una columna de humo emergiendo desde un fuego arderá mayormente en su "superficie exterior", la interfaz entre el humo (combustible) y el aire rico en oxígeno. Dentro de la columna de humo que hay muy poco oxígeno, por tanto, no hay combustión. Finalmente escapa como humo (combustible sin quemar), porque a pesar de que finalmente eventualmente encuentre suficiente oxígeno, ya se ha enfriado lo suficiente como para que la combustión no se produzca. Recordemos que hay tres necesarias para la combustión:combustible, oxígeno y calor.

El método más comúnmente utilizado en los quemadores de combustión para inducir este mezclado de oxígeno y combustible es inyectar aire fresco (por lo general no precalentado) en el fuego desde múltiples ubicaciones. Se necesita una gran cantidad de aire para este sistema, que es una seria desventaja ya que bajará la temperatura del fuego, una de las tres condiciones necesarias para una combustión completa. En las estufas de metal este enfriamiento del fuego no es considerado como una desventaja, sino más bien una ventaja, ya que las temperaturas que se pueden alcanzar a partir de un fuego de leña son lo suficientemente altas para que el acero, incluso el acero inoxidable, sea destruido en un lapso de tiempo sorprendentemente corto. La combinación de un ambiente rico en oxígeno y pobre en carbono acoplado a las altas temperaturas corroerá el acero muy rápidamente. Como resultado, durante cada quema sucederá un astillamiento intenso en los puntos más calientes.

Los quemadores descriptos aquí están diseñados para mantener las temperaturas más altas de combustión posibles (mucho mayores de las que los quemadores de metal pueden soportar) y asegurar una mezcla adecuada del gas combustible y el oxígeno mediante los métodos descriptos en la siguiente sección.

Mezclado y turbulencia en una BBR

La mezcla de gas de madera y oxígeno en el quemador BBR se consigue por la geometría cuidadosamente diseñada del núcleo de combustión y el posicionamiento correcto de las entradas de aire primaria y secundaria. Estas dimensiones críticas se darán más adelante. La disposición de estos elementos de construcción es muy simple, la cámara de combustión que es más larga que ancha ventea en la parte trasera, donde se coloca una "chimenea" vertical aislada. Esta es la chimenea interna (heat riser) mencionada anteriormente. La función de la cámara de combustión es, naturalmente, la combustión de la madera; la función de la chimenea interna aislada es permitir la combustión final (y completa) de cualquier gas de madera producido por el fuego de leña. Gracias a los apartados anteriores ahora entendemos lo que se necesita para tener una combustión completa: combustible (gas de madera), oxígeno y calor (proviniente del fuego y de la combustión del mismo gas de madera, y nótese nuevamente que está muy aislado asegurando que se pierda el mínimo calor posible del proceso de combustión).

Nótese particularmente en la conexión entre estos dos elementos, la cámara de combustión y la chimenea interna, una abertura alta y estrecha entre ambos. Esto se conoce como el "portal". En realidad, su área transversal corresponde al 70% del área transversal de la chimenea interna (el área transversal de la chimenea interna es una de las "dimensiones estándar" en estos quemadores, a saber, una dimensión a partir de la que otras dimensiones se pueden escalar). Este repentino estrechamiento en la trayectoria de la corriente de gas tiene una función muy importante: dado que la *misma* cantidad de gas está fluyendo a través del sistema en todo momento, cuando cruza a través de (o pasa a través de) una abertura más estrecha, debe entonces aumentar su velocidad en ese punto (recuerda, circula la misma cantidad de gas todo el tiempo y por todos los lugares). El resultado de esa aceleración en ese punto exacto es que la presión disminuye en dicho punto.

Con referencia ahora a la figura, un tubo hueco (mostrado en negro en la parte superior de la cámara de combustión) conecta el aire exterior directamente en el punto de más baja presión de aire del sistema: la abertura del portal. Esto entonces hace que el aire (o mejor dicho, oxígeno) sea introducido en la corriente de gas mientras que ésta entra en el portal. Como se puede imaginar, ahora tenemos las tres condiciones necesarias para la combustión: combustible, calor y oxígeno. El gas de madera ya está muy caliente, hay una gran cantidad de calor en este lugar, todo lo que necesitamos ahora es la mezcla completa final del oxígeno y del gas de madera. Un último punto a destacar ahora, como el aire secundario que se introduce en el portal tiene que pasar a través de la tubería de acero situada por sobre el fuego, éste ha sido precalentado en su travesía hacia el portal.

El mezclado meticuloso y completo del gas de madera y el oxígeno se produce a medida que la mezcla pasa a través del estrecho portal y se introduce en la chimenea interna posterior. A medida que el flujo de gas se acelera a través de la restricción del portal y se ralentiza bruscamente cuando alcanza el espacio *más ancho* detrás del mismo, sucediendo un apilamiento masivo en el flujo de gas, ya que las moléculas todavía en movimiento rápido que pasan por el portal chocan con las moléculas detenidas repentinamente frente a ellas. Esto crea una turbulencia considerable y que es continua (siempre y cuando la velocidad de los gases sea mayor en el portal que en la chimenea interna) la gran mayoría del tiempo de combustión. Estas condiciones hacen que los gases inflamables se mezclen en un doble remolino en primer lugar en un plano horizontal y a continuación, en un doble sacacorchos ascendente mientras que suben por la chimenea interna y a medida que salen del sistema.

El doble tirabuzón ascendente obliga a los gases a tomar un camino mucho más largo (y por lo tanto tardan más tiempo) que si se moviesen rectamente hacia arriba. Que este recorrido más largo se produzca dentro de un entorno bien aislado y extremadamente caliente permite que la mezcla de combustible y oxígeno combustione rápidamente.

La aceleración de los gases a medida que pasan a través de una restricción se conoce como "efecto Venturi" , una ley de la física descripta por primera vez por Daniel Bernoulli en el siglo 18XVIII. Las condiciones altamente caóticas creadas mediante esta disposición se pueden ver en este breve video filmado mirando hacia abajo en la chimenea interna y directamente a la salida del portal, donde el enorme apilamiento se produce y se forma el doble vórtice/sacacorchos ascendente.


La manera bastante singular en que estos quemadores crean las condiciones turbulentas requeridas para el mezclado completo de oxígeno y combustible tiene otros resultados favorables para la eficiencia de la combustión. El enfoque de fuerza bruta de los quemadores de caja metálica (salamandras) consiste en introducir una gran cantidad de aire. Esto extiende la vida de estos quemadores, pero como se ha señalado reduce la eficiencia. Debido a que el aire secundario precalentado en el quemador BBR se introduce en el punto exacto para que suceda el mezclado completo, no necesitamos ni remotamente cerca la misma cantidad de aire introducido que en los quemadores de metal. De modo que el área total de la sección transversal de las entradas de aire combinadas es menor de lo que sería de esperar en una estufa de caja normal. Estas entradas de aire más pequeñas de lo esperado son quizá aún más sorprendentes cuando se ve la rapidez con que se consume el combustible en estos quemadores.

Una última explicación de por qué "el exceso de aire fresco" es contrario a la buena eficiencia. El componente esencial en el aire para la combustión es oxígeno. Cualquier otro componente en el aire es solamente un pasajero, que no contribuye en nada a la combustión y sólo sirve para enfriar el fuego (se conocen como gases de lastre. Del mismo modo que en un barco, el lastre es solamente exceso de peso y no carga). Como se puede observar estos quemadores, por el uso cuidadoso de la geometría y el aprovechamiento de las leyes naturales, introducen la cantidad adecuada de oxígeno en el punto exacto requerido para una mezcla y combustión completas.

Tal vez podemos extender esta idea de "aire Ricitos de Oro”. No sólo es el aire en la cantidad justa (ni mucho ni poco), sino que también está precisamente en el lugar correcto. .

Estos quemadores generan un ruido típico, un sonido ronroneante (pero extrañamente reconfortante). De hecho, es este sonido característico que se encuentra en todas estas variantes de quemadores que dieron el nombre de "estufas rocket" (NdT: "cohete" en castellano). El vídeo a continuación da una muestra de este sonido característico, este ejemplo en particular se encuentra en una carcasa de metal por lo que suena con un timbre más metálico. Otras construcciones que emplean campanas de ladrillos tienen un sonido menos metálico, un sonido ronroneante más bajo que no es molesto en absoluto.


Montones de calor

Tanto la cámara de combustión como la chimenea interna están aislados en gran medida, con especial énfasis en el aislamiento de la chimenea interna (donde las temperaturas pueden ser las más altas). Esto permite que el conjunto alcance más rápidamente la temperatura de funcionamiento óptima y mejora la combustión de la mezcla gas de madera/oxígeno que es, por supuesto, la base de la eficacia del quemador.

Un punto importante

Es importante darse cuenta de que las formas y dimensiones de la unidad de combustión son bastante críticas, las variaciones a partir de éstas están efectivamente no probadas (tu variación puede haber dado con un resultado ganador, pero sin ensayar nunca nadie lo sabrá). La relación estrecha entre estas dimensiones y proporciones es bastante lógica, son las responsables de lo que está pasando allí dentro.

Para lograr los objetivos de este quemador (combustión altamente eficiente libre de humo que puede ser seguida y construida por otros), es importante que las dimensiones desarrolladas y probadas sean seguidas al pie de la letra.

Se requiere de una chimenea adecuada, una chimenea es el "motor" de cualquier quemador de combustión de madera, y es la fuerza motriz que crea suficiente tiraje para la combustión limpia. Como se discutió anteriormente, las entradas de aire son más pequeñas de"lo esperado" y como tal son tal vez más fácilmente afectadas por las variaciones que parten del diseño dado aquí. Las proporciones de diseño se encuentran en la sección "Construcción". Cuando las temperaturas de chimenea aumentan (y por lo tanto el tiraje) la entrada de aire se puede disminuir o usar piezas de leña de mayores diámetros. Trozos más gruesos de leña tienen menos área de superficie para un mismo peso que la que tiene la madera finamente dividida.

Estos quemadores queman la carga de combustible en ausencia de restricciones en el suministro de aire o de cualquier otra medida utilizada para "enlentecer el quemado para estirarlo en el tiempo". A esta altura debe quedar claro que para lograr una máxima eficiencia y limpieza de la combustión ese tipo de medidas sólo perjudican llegar al objetivo. Y así, para aprovechar o utilizar de manera rentable el calor creado necesitamos una superficie radiante grande o una masa lo suficientemente grande como para absorber y liberar lentamente el calor almacenado. Estos diferentes enfoques se tratan más adelante.

Un fenómeno curioso de estos quemadores es el tiempo que tarda en quemar una carga. Resulta (más bien contra-intuitivamente) que una carga completa de madera se quema en aproximadamente el mismo tiempo que media carga de madera (u otra proporción), desde el encendido hasta la fase de brasas. Por lo tanto, puede verse que una carga completa de la madera proporciona una cantidad sorprendentemente grande de energía en un tiempo dado. Por lo tanto, necesitamos formas de “cosechar” este calor lo cual será discutido en las siguientes páginas.

Resultados

En los últimos cuatro años (2012 - 2016) he ejecutado cientos de ensayos en el núcleo que se presenta aquí, y estoy satisfecho de haber diseñado un quemador estable y confiable. El Testo 330-2 es un analizador de gases que mide la salida de la chimenea y a partir de esos datos calcula la eficiencia de la combustión, y puede ser conectado a una computadora como lo he hecho yo para generar sus propios gráficos de líneas y hojas de cálculo.

La prueba que se muestra en la figura de arriba se ha ejecutado en un quemador caliente, como se puede deducir por la temperatura de partida (medida en la salida de la chimenea, en grados Celsius, representada por la línea azul). Como se mencionó anteriormente, una chimenea "caliente" (ya en la temperatura esperada de trabajo) tendrá un tiraje correlacionadamente fuerte, y por lo tanto en este ensayo el fuego se desarrolló rápidamente. Durante el ensayo el nivel de oxígeno (línea verde) cayó por debajo de lo que considero como la frontera entre óptimo y no óptimo (6% de O2). Por debajo de esa cifra se corre el riesgo de salidas más elevadas de CO (línea púrpura), dada la presencia insuficiente de oxígeno. Esto no ocurrió en este caso como se puede ver, por lo que, aún mientras que ese riesgo está presente, está claro que todavía pueden obtenerse excelentes combustiones. De toda la discusión anteriormente dada sobre la combustión, se puede ver/entender que los niveles de oxígeno y la temperatura en la chimenea interna están directamente vinculadas a la eficiencia de la combustión. La eficiencia se muestra por la línea roja.

Cuando el contenido de oxígeno no cae por debajo del 10% con una temperatura de chimenea correspondientemente baja de 80 ºC la eficiencia será mayor que la mostrada en el gráfico anterior. Sin embargo temperaturas más bajas de gases de escape significa menor tiraje y pueden tener repercusiones en la combustión, debido a una menor velocidad de flujo a través del sistema.

Estos gráficos que muestran la interrelación entre los diferentes parámetros de la combustión son una forma gráfica de entender el "Punto Importante" enunciado anteriormente, que es dudoso que una desviación de las descripciones dadas aquí resulte en un calentador más óptima. Por supuesto, ES posible, pero muy improbable. Las interacciones dentro del calentador son muy complejas, y cualquier cambio tiene que ser evaluado por una medición real mediante ensayos similares a los mostrados aquí.

El gráfico anterior es, por supuesto, uno muy bonito y por esta razón no muy representativo. Un diagrama de aspecto algo más normal generado durante el desarrollo en el año 2012 podría ser éste:

Comparando las gráficas podemos aprender algunas cosas (como por qué el Testo es absolutamente esencial para saber exactamente lo que sucede durante una combustión) y ver cómo esta combustión es más representativa que el del ejemplo estelar seleccionado que se mostró anteriormente. Como se puede ver los niveles de CO extremadamente bajos (línea rosa) que indican la combustión completa no se producen tan pronto como antes, ni duran todo el tiempo. Observese también que el nivel de oxígeno (línea verde) no desciende tanto, pero se encuentra todavía en un muy buen nivel. La medición de oxígeno se conoce como "exceso de O2".

La de arriba es la representación gráfica de una combustión muy feroz, rugidora, imperfecta y en ocasiones también humeante. Los desarrollos recientes llegaron a su fin con mucho mejores resultados, esto se discutirá en el capítulo "Diseños de Núcleos".

Cómo construir y cómo usarlo

Materiales

Respecto de los materiales hay varias opciones. Ladrillos refractarios, material refractario premoldeado, arcilla combinada con alguno de los anteriores o con otros materiales secundarios.

Metal

Cuando uno piensa en una estufa de leña, la gente tiende a imaginar una salamandra, de la forma que sea. Pero el metal no es un buen material para una BBR, o al menos no lo es para el núcleo de combustión. El ambiente ahí dentro es lo suficientemente agresivo como para provocar la degradación acelerada.

Dimensiones y escalabilidad

La versión ensayada más frecuentemente tiene una chimenea interna de 150mm de diámetro. Pero es perfectamente posible un rango de varios tamaños.

Dimensionando una BBR

Cómo determinar el tamaño de sistema requerido para un determinado espacio.

Construyendo un núcleo de ladrillos

No se requiere ser un especialista para construir este núcleo. Con un poco de destreza técnica y materiales relativamente fáciles de conseguir se puede logra un buen resultado, posible.

Moldeando un núcleo

Es posible usando material refractario moldeable, un material que consiste en cemento con alúmina y, entre otras cosas, antiplástico de ladrillo refractario molido. Un requerimiento es construir los moldes, y el material tiene que ser mezclado usando la mínima cantidad posible de agua. También es necesaria una mesa vibratoria para densificar la mezcla y evacuar el aire.

Teoría de la campana

La palabra "campana" (Bell en inglés) se menciona en el capítulo "Aplicaciones" con bastante frecuencia.En este artículo se explica de qué se trata, cómo funciona y para qué se está utilizando para.

Dimensionamiento de campanas

Qué tan grande puede ser una campana con relación al núcleo de combustión es muy importante, tanto como escalarla en aumento o disminución

Materiales

Para construir esta unidad de combustión se pueden usar múltiples combinaciones. Por ejemplo, ladrillos refractarios, con mortero de pegamento refractario o con una mezcla de arcilla y arena. Otra posibilidad es usar tejuelas (NdT: ladrillos refractarios delgados, de 2 o 3cm de espesor) mantenidos juntos por un marco metálico. El moldeado de material refractario (concreto refractario) ofrece otros beneficios, así como otros problemas, desafortunadamente.

Algunas personas usan una mezcla de arcilla y arena con un poco de cemento portland para obtener un núcleo firme antes que el mismo sea expuesto al primer encendido. Cuando el cemento el cemento cede a causa de la alta temperatura, es de esperar que la arcilla haya endurecido lo suficiente. Un par de estos núcleos se construyeron enteramente de arcilla con algunas fibras naturales cortas mezcladas para aumentar la resistencia. Y por último, pero no menos importante: ladrillos refractarios aislantes, ideales desde el punto de vista de la combustión. Muy poca masa para calentar y muy aislantes, pero tienen la desventaja de la vulnerabilidad a la abrasión.

Las construcciones de materiales no aislantes (recuerda, la masa no aísla!) deberían ser aisladas desde el exterior. La aislación podría ser cualquier cosa mientras que sea resistente a la temperatura. La perlita expandida o vermiculita (NdT: el autor usa la expresión "vermiculita exfoliada") funcionan bien, especialmente los tipos gruesos mezclados con un poco de arcilla y agua para prevenir el hundimiento. También la manta cerámica tipo Superwool es excelente para este propósito. Un poco menos conocidos, pero completamente aptos para este uso son los gránulos de arcilla expandida cocida usados para hidroponia, como la Leca.

Todas estas estructuras pueden llevar a un dispositivo que funciona muy bien y rinde resultados espectaculares. Por supuesto es posible un universo de elecciones y combinaciones, por lo que hay muchas variantes.

Metal

Respecto del metal en partes constructivas: Este llevará inevitablemente a la decepción, no importa si es acero, o acero inoxidable. En un ambiente con temperaturas superiores a los 760 ºC combinada con algo de exceso de oxígeno y déficit de carbono cualquier tipo disponible de acero normal se corroerá a un paso acelerado. Luego de cada combustión se desprenderán copos y en un plazo corto de tiempo emergerá un agujero en el punto más caliente. Este proceso se conoce como "astillamiento" (NdT: en inglés "spalling"). Los copos son de color gris mate, livianos y casi no magnéticos.

Una de las maneras de evitar esto es mantener las temperaturas bajas obviando la aislación exterior en los puntos más calientes pero esto compromete la combustión completa. Otra manera de hacer sobrevivir al acero es blindarlo del aire. Sin oxígeno no hay corrosión. Pero eso significa costosos revestimientos resistentes al fuego, o un suministro de aire reducido, para que no haya oxígeno remanente con el cual reaccione el acero. Esta última posibilidad es difícil de conseguir pues retacearle el oxígeno al fuego la calidad de la combustión se compromete, lo que resultará en combustión incompleta una vez más. Sin embargo, para algunas partes el uso del acero puede resultar factible, volveré sobre esto cuando sea apropiado.

Dimensiones y Escalabilidad

La mayoría del desarrollo se realizó en el 2012. El modelo experimental tenía una chimenea interna de diámetro 150 mm o equivalente. Aún desde entonces las personas preguntaban por modelos más grandes o más pequeños. Jim de Blacksburg, Virginia quería construir una más pequeña, de diámetro de chimenea interna de no más de 100 mm. Las mediciones del sistema de 150 mm estuvieron disponibles y con esto en mano Jim trabajo en un método de escalar. Encontró el factor común que sirve de medida base, y todos los otros tamaños son un múltiplo o surgen de esta medida base.

Hasta hoy (06-2016) el sistema más pequeño funcionando es el de Jim, y el más grande fue construido por Radek Stastny de la República Checa y Alex Harpin de Canada, ejemplos de 220 mm. A partir de Octubre 2016, el sistema más grande del que esté al tanto es de 250 mm, construido por Pablo Kulbaba (Pablo OresKu) y Ramiro Walti en el transcurso de un taller en Las Amalias San Pedro en Argentina. Las más grandes son de alguna manera más consistentes en el desempeño comparadas con los hermanos menores, pero los resultados son buenos a lo largo de toda la línea. La medida base encontrada por Jim es el 72.34% del diámetro de la chimenea interna.

Aún cuando la chimenea interna tenga una sección transversal que no sea circular, el diámetro equivalente es el de un círculo que encaja dentro de esta figura. La explicación para esto es un tanto simple: Un cuadrado, por ejemplo, es mucho menos favorable comparado con un círculo dado el hecho que el núcleo de flujo de gases calientes en circulación es aproximadamente circular. Las esquinas aumentan el área transversal pero también la superficie de las paredes lo que resulta en más fricción. La mejor forma es un círculo, seguida por el octógono. Un cuadrado funciona pero es una opción secundaria. Una sección rectangular es peor pues no hay un espacio igual en todo el perímetro para permitir que el doble vórtice gire fácilmente.

Tanto en Holanda por Ritsaert Snijder como en USA por Doug Ptacek se hicieron hojas de cálculo donde sólo se necesita el diámetro del sistema y el resto de las dimensiones se despliegan. Esa planilla está disponible aquí. No hay necesidad de computadoras en lugares polvorientos y con barro. Con imprimir un pedazo de papel alcanza. Debajo está la tabla de Doug, tanto en milímetros como en pulgadas.

Las dimensiones del núcloe BatchRocket también pueden ser calculados a mano, dado qu ella fórmula es muy simple.

Hay un número base común al que se relacionan todas las otras dimensiones. Ese número base se deriva del diámetro (ficticio o no) de la chimenea interna, como se explicó arriba.

La medida Base es el 72.34% del diámetro de la chimenea interna.
El ancho de la caja de fuego es 2 x Base.
El alto de la caja de fuego es 3 x Base.
La profundidad de la caja de fuego es entre 4 y 5,5 x Base.
La altura del portal es 2,2 x Base.
El ancho del portal es 0,5 x Base.
La altura de la chimenea interna es entre 8 y 10 x Base, medido desde el piso de la caja de fuego.
El piso de la caja de fuego consiste en una superficie plana que tiene el ancho del portal. A los costados de esta superficie hay rampas a 45o para concentrar el carbón encendido en el medio. Esos chanfles a 45o son parte de las dimensiones de la caja de fuego. Además, hay una pieza similar en el fondo trasero de la chimenea interna.

La entrada total de aire es el 25% de la sección transversal de la chimenea interna.
El canal P tiene el 5% de la sección de la chimenea interna.
La entrada principal de aire + un lavado opcional de vidrio es el 20%. La entrada principal puede ser mayor en los arranques en frío, y está situada a nivel del piso.
El canal P debería ser del ancho del portal o un poco más. Para el cálculo del 5% deberías tomar el ancho del portal, no el ancho real del ducto. Este ducto está colgando sobre el tope del portal la misma distancia que la profundidad del ducto.
La parte trasera del canal P, que se apoya contra el fondo de la caja de fuego ha sido cortada por encima de la altura de la saliente.

Cómo dimensionar una BBR

Yasin Gach, el traductor de la versión francesa, proporcionó una hoja de cálculo para calcular el tamaño del sistema de un BBR para un espacio dado. Es indicativo, no absoluto, pero dará una buena idea del tamaño necesario. El siguiente artículo es de Yasin, la hoja de cálculo está disponible aquí.

El primer paso es calcular la potencia de cada BBR, en función del diámetro del sistema (es decir, el diámetro de la chimenea interna). Por defecto, la potencia de la estufa se define como la potencia media que entrega en un período de 24 horas con dos fuegos al día. Esta potencia se calcula considerando una eficiencia global del 80%. Con esta eficiencia, la combustión de un kilogramo de madera secada al aire proporcionará 3.180 Kcal (3,7 kWh) de energía.

Cuanto mayor sea el diámetro del sistema, más pesada será la carga de madera para cada fuego:
Diámetro del sistema (mm) - carga de madera (kg) - Potencia media considerando dos fuegos al día (kcal/h – kW)

125 mm — 3.5 kg — 946 kcal/h — 1.1 kW
140 mm — 4.9 kg — 1.290 kcal/h — 1.5 kW
150 mm — 6.0 kg — 1.634 kcal/h — 1.9 kW
175 mm — 9.5 kg — 2.494 kcal/h — 2.9 kW
200 mm — 14.2 kg — 3.783 kcal/h — 4.4 kW
230 mm — 21.6 kg — 5.761 kcal/h — 6.7 kW
250 mm — 27.8 kg — 7.395 kcal/h — 8.6 kW

El segundo paso es calcular las pérdidas de calor de la casa (o de la habitación) a calentar, que depende de tres factores: el volumen de la casa, la aislación y la diferencia de temperatura requerida entre el exterior y el interior.

Así, la fórmula es Q = G * V * DT
Donde:
Q las pérdidas de calor (W)
G el factor de aislamiento
V el volumen de la casa (m3)
DT la diferencia de temperatura requerida entre el exterior y el interior (oC)
G se estima en comparación con un conjunto de valores clásicos:

- 1,8 para una casa vieja, con fugas, con muros de piedra y mortero de arcilla (clásico francés casas rurales)

- 1.6 para una casa de ladrillos, piedras o bloques de hormigón sin aislación

- 1.4 para una casa aislada con 4 cm de poliestireno expandido

- 1.2 para una casa aislada con 10 cm de poliestireno expandido

- 0,8 para una casa reciente con ladrillos aislantes de arcilla de 37 cm de espesor, por ejemplo

- 0,5 para una casa de fardos de paja, por ejemplo

El tercer paso es el cálculo real. La idea es calcular las pérdidas de calor de la casa y luego elegir un tamaño de BBR cuya potencia es superior a las pérdidas de calor. El siguiente es un ejemplo del cálculo para una circunstancia dada. Esto es sólo para mostrar cómo funciona la hoja de cálculo, en la práctica descargar la hoja de cálculo y rellenar los campos amarillos según corresponda para tu propia circunstancia, la hoja de cálculo hace el resto utilizando el método que sigue. Por ejemplo, tomemos una casa de 60 m2 con muros de piedra y mortero arcilla, con una altura de techo de 2,5 m. El volumen de la casa es entonces 150 m3. Hay 20 cm de aislamiento de lana de roca bajo el techo. Las juntas se han hecho recientemente y la carpintería es bastante hermética.

Podemos entonces tomar un coeficiente G = 1,6. Durante el invierno la temperatura oscila alrededor de 0°C y ocasionalmente puede bajar a -5ºC durante unos días. Las pérdidas de calor que deben superarse para mantener una temperatura de 20°C dentro de la casa durante estos períodos de frío es Q = 1,6 x 60 x 2,5 x 25 = 6 kW. El tamaño de BBR elegido es entonces un sistema de 230 mm que es capaz de generar una potencia de 6,7 kW.

Por supuesto, es una aproximación muy simple de los requisitos de calefacción de una casa, pero la ventaja de las estufas de masa es que sobredimensionarlos no es un problema. Con las estufas de hierro fundido, se convierte en mucho más un problema porque si sobredimensionas tu estufa, entonces usted tendrás que hacer fuegos lentos y sucios para no recalentar tu casa. Con estufas de masas el fuego siempre permanece caliente y limpio, sólo tienes que encenderlo con menos frecuencia.

He tenido resultados operativos consistentemente utilizando este método en 5 estufas BBR que construí el año pasado (2016) que están en funcionamiento diario actualmente. Un punto muy importante es siempre sobredimensionar la estufa. Por supuesto, es posible encender una estufa de masa que no es lo suficientemente potente, tres o más veces al día, pero esto reducirá la eficiencia general porque la masa necesita tiempo para entregar el calor acumulado.

Construyendo un núcleo de ladrillos

El armado con ladrillos resulta obvio dado que en el comercio de materiales de construcción este elemento está disponible. Hay una desventaja, se necesita cortar los ladrillos con una sierra de disco húmero o una amoladora apropiada. Para ilustrar cómo luce un núcleo de ladrillos hay una imagen a continuación.

Este es un núcleo completo, tamaño de sistema de 150mm construido de ladrillos refractarios. Hay un par de maneras de techar la parte superior. El dibujo muestra una placa de material refractario, hay comerciantes en la mayoría de los países que las venden. Una placa superior de material refractario moldeado es una posibilidad, dado que es un molde sencillo de hacer y si hay una mesa vibratoria disponible. Otra manera de resolverlo es una hilada de ladrillos en voladizo, dado que éstos son demasiado cortos como para resolver esa luz con sólo un ladrillo.

Para ensayar esta construcción (NdT: en Argentina usamos la palabra "maquetear") en el exterior al aire libre se pueden usar ladrillos cocidos comunes y una baldosa de concreto común como placa superior. No esperes que sobreviva mucho tiempo pero da una buena idea de lo que está sucediendo dentro. Un espejo a 45º instalado sobre la chimenea interna permitirá a los espectadores mirar hacia adentro y ver lo que está sucediendo. Sé cuidadoso, a plena potencia y en régimen, los gases estarán saliendo fácilmente a 700 ºC.

El apilado en seco de los ladrillos no funcionará, ya que entra demasiado aire por entre las rendijas. La combustión completa no sucederá causa de esto. Para sellar usa arcilla y arena o un barro casi barbotina. También se puede usar un mortero fino (en inglés "thin set") para cerámicos de Home Depot o algo similar. Otro material apropiado para hacer pruebas es concreto con aire encapsulado (NdT: en Argentina son conocidos los bloques Retak). Este material es liviano, aislante y barato, fácil de cortar con un serrucho normal y presenta una resistencia térmica limitada.

Todas las versiones del canal P (el caño negro de acero apoyado sobre el techo de la cámara de fuego y termina directamente sobre el portal) se encienden mejor con un pequeño fuego de ramas finas enfrente del portal, pero definitivamente no en el portal. Cuando ese fuego está quemando bien se puede agregar el resto de la cantidad de leña del lote. Carga la leña sólo a lo largo de la cámara, con pocos espacios entre las piezas. Deja al menos 50 mm libres entre el combustible y el techo de la cámara de fuego. Cuida que no haya madera asomando en el portal mismo. En caso que suceda, esto derivará en un dispositivo humeante que quema mal, garantizado.

Moldeando un núcleo

Esto puede ser realizado usando concreto refractario, que consiste en un cemento con alúmina y entre otras cosas, ladrillo refractario molido como agregado. Requiere la construcción de moldes, un mezclado con tan poca agua como sea posible y una mesa vibratoria es la mejor manera de expulsar el aire de la mezcla. Puede realizarse sin esa mesa, pero la calidad final no será tan buena.

Los moldes pueden hacerse de chapa metálica, así como de multilaminado atornillado. Las formas interiores y las cavidades pueden ser formadas usando espuma de poliestireno o cualquier otro material que puedas trabajar. MDF, madera, etc. Se pueden trabajar estos material es con una buena sierra de banco. Se pueden realizar detalles con una lija gruesa, especialmente sobre la espuma. Se pueden pegar las piezas dentro del molde y entre ellas usando cinta bifaz, del tipo usado para pegar alfombras al piso. La mayoría de las veces el desmolde implica que el material del molde sea destruido.

Debajo hay un ejemplo de un molde que está hecho de esa manera. El molde mostrado no estaba todavía listo. Sólo está ahí para mostrar cómo luce.

La desventaja de un molde como este es su uso único. No es posible usar varias veces este mismo molde, a menos que la forma sea simple, con grandes ángulos de desmolde. A fin de hacer lotes de producción sería mejor construir un positivo, llamado "molde maestro" o "modelo" de madera o similar, y moldear un un negativo de elastómero de poliuretano. Es una oportunidad profesional y apropiada para emprendimientos comerciales, dado que los materiales y procesos son costosos.

Para mejorar la liberación es necesario aplicar un agente desmoldante al molde, dado que el concreto refractario se adhiere fuertemente a casi cualquier superficie, incluso el acero. Una variedad de materiales sirven para este propósito, la cera de abejas funciona bien. Normalmente uso aceite mineral de motor dos tiempos, o aceite de caja de cambios. No olvides eliminar excedentes de aceite con un trapo, ya que con un film pequeño es suficiente. Otro medio para lograr este objetivo puede ser WD40, si se aplica de manera pareja.

Usa tan poca agua como puedas para mezclar el concreto, se necesita mucha menos agua para el fraguado de la que se necesita para la plasticidad para lograr un material plástico. Una mezcladora/hormigonera/trompo no es apropiada dado que para que funcione la caída libre se requiere mucha más agua. Muy poca agua y la mezcladora lleva a la formación de grumos, y dentro de cada grumo hay material que no se humedeció. Cuando la cantidad de concreto no es demasiado grande se puede mezclar a mano, personalmente he hecho esto con una cuchara de albañil y un balde. La mejor solución es una mezcladora de paletas, pero es una solución costosa para usarla sólo una vez.

Para condensar el concreto suficientemente mediante la expulsión de aire hay una variedad de técnicas. Agitación, golpear (NdT: en inglés "prodding"), un mini vibrador de penetración para concreto, un atornillador de impacto con un tornillo, lo que te parezca. Es indispensable una mesa vibratoria para lograr un producto refractario de buena calidad. Ese tipo de mesa es un utensilio sin sofisticación, comparado con una mezcladora de paleta. Personalmente, hace un par de años usé madera de descarte para ensamblar una, un motor a inducción de buena potencia con un tornillo y una planchuela excéntrica fijada al eje, atornillado a la placa de madera, y dos resortes entre un bastidor y la placa.

Pero... puede hacerse de manera mucho más simple. Con una cubierta de auto, una placa de multilaminado y un viejo taladro. Aquí hay un video que muestra cómo puede ser ensamblado:


En este video se usa un verdadero motor vibrador, pero un taladro eléctrico con una excéntrica montada en el mandril y fijado debajo de la placa funcionaría también. Incluso mejor: una pequeña lijadora manual montada bajo la placa superior funciona a la perfección. Cuando sea posible, usa una máquina que con control de velocidad variable. Cuando aparece un fluido similar al aceite en la superficie del refractario, detén la vibración. Este es un signo seguro de la separación de los componentes, lo que dará lugar a un producto de mala calidad cuando se inicia la vibración.

En cuanto todo esté bien condensado ubica el molde sobre una superficie plana y nivelada. El producto se tornará inevitablemente más grueso en un lado cuando el molde está fuera de nivel. Durante el curado del material refractario se calentará, la mayor parte del agua en la superficie se evapora quedando el lado abierto con material en forma de polvo. Lo mejor sería cubrir el material fresco plástico para retener el agua. La mayoría de los concretos refractarios pueden ser desmoldados después de 8 horas a temperatura ambiente. El noventa por ciento de la resistencia máxima se alcanza en ese momento, el resto se conseguirá a la semana, a veces dos. En la práctica, el moldeado se conserva en el molde durante una noche. Por supuesto que no hay objeción a una estadía más larga en el molde.

Moldear un núcleo monolítico que no presente fisuras cuando se caliente es prácticamente imposible. Esto es causado por la expansión del material cuando se calienta. Durante una quema la temperatura no se distribuye por igual, lo que causa grietas. Donde aparecen las grietas no son los puntos más calientes, sinó los más fríos. Las partes más calientes comienzan a expandirse y las partes más frías se quedan atrás y se produce el desgarro. La solución se encuentra en la división de todo el conjunto de manera tal que las partes más calientes y más frías están separadas. Las uniones pueden ser selladas con papel de silicato de aluminio y las partes se mantienen juntas por medio de alambre de acero, una abrazadera o un bastidor de soporte de acero.

Es muy sensato mantener pequeño el espesor de pared y donde sea posible, insertar piezas de relleno en el molde. De esta manera, la masa será tan baja como sea posible, menos masa para calentar significará que el núcleo alcanzará la temperatura de trabajo más rápidamente.

La campana, cómo funciona y por qué

Un término importante que hay que entender es "campana". Se ha convertido en parte del lenguaje de la construcción de este tipo de estufas y como tal, su uso y significado debe ser entendido. Contrariamente a lo que podría esperarse, no tiene nada que ver con una campana de iglesia o cualquier otra campana de esa naturaleza. Una campana no es nada más que un gran espacio cerrado, lo que significa "cuatro paredes, un techo y un piso". Puede ser de cualquier forma que mejor se adapte a la situación, se puede construir de cualquier material que se ajuste al propósito, incluyendo acero/metal, ladrillo refractario, piedra, arcilla excavada del patio trasero mezclada con paja.

Puedes construir pensando en velocidad, puedes construir pensando en el aspecto.

Puedes construirla pensando en bajo costo, y cada propósito tiene un rango de materiales que resultan apropiados para ese propósito.

Cuando ponemos estos dos elementos juntos, las unidades de combustión descriptas anteriormente acopladas a una campana, nos hemos construida una estufa campana. Como se verá a partir de algunos de los dibujos de SketchUp combinamos estos dos elementos para que los gases de escape muy calientes y limpios de la unidad de combustión ingresen en la campana y "permitan que la magia suceda". La unidad de combustión puede ser interna o externa a la campana.

Así, habiendo descripto lo que es una campana, es fácil de ver cómo y por qué funciona tan bien como lo hace. El gas de escape caliente de la unidad de combustión entra en la campana, y como todos sabemos, el aire caliente sube. Dado que la campana es "mucho más grande" que el tubo que la alimenta con los gases calientes de escape, estos gases no se precipitan a través de la campana como podría ser asumido en primera instancia. A medida que entran en el espacio mucho más grande de la campana disminuyen su velocidad enormemente permitiendo además que prime el principio de que "el aire caliente sube". La parte más caliente de los gases sube a la parte superior de la campana, y entrega el calor contenido a la superficie interior de la campana y en el proceso se enfría, cayendo así dentro de la campana.

Dado que continuamente entran gases calientes en la campana, se debe proporcionar una salida (en otras palabras, el "caño normal de chimenea"). Esta salida se ubica a una altura tan baja como sea prácticamente posible. Lo contrario de el "aire caliente sube" es, naturalmente, "el aire frío cae". Es claro entonces que los gases que salen de la campana y la chimenea son los gases más fríos. De esta manera podemos fácilmente, y con éxito, "cosechar el calor". Las ventajas de esto no son difíciles de imaginar, basta con recordar cualquier salamandra común y la temperatura del caño de chimenea. De hecho, puede que no sea erróneo decir que en una estufa de leña convencional los gases más calientes escapan, claramente no se trata de una solución tan buena como la que se presenta aquí.

Una imagen vale más que mil palabras, lo que es una campana y cómo funciona se puede ver claramente a continuación.

La entrada de los gases de calientes provenientes del tambor metálico de aceite (a la izquierda) se produce a mitad de altura en la campana de piel única. Mirando de cerca en la parte inferior derecha, podemos ver que la sonda de medición de la temperatura entrando en la campana y en la salida de humos de escape. El interior de la campana no es otra cosa que "espacio hueco". Permite que los gases calientes ingresen, disminuyan su velocidad en gran medida, se eleven hasta el techo de la campana entregando su calor a la campana y luego caigan hasta casi la altura del piso, antes de salir de la campana a través del caño de chimenea. (Se explicará el uso de tambores metálicos de aceite en una sección posterior, por ahora simplemente capta el concepto de campana y cómo funciona.)

El comportamiento y las consecuencias de los gases calientes ascendentes fue descrita por primera vez en 1910 por V. E. Grum-Grzhimailo, profesor de la metalurgia en la Universidad de San Petersburgo.

Por supuesto, la simple descripción anterior de cómo una campana cosecha el calor no refleja la realidad de lo que ocurre, que es más compleja. La descripción simplificada anterior mostraba una imagen estática, la realidad es que es un sistema muy dinámico que cambia constantemente. Las paredes internas de la campana no "sólo" atrapan el calor, las paredes exteriores de la campana irradian calor. A veces las paredes internas de la campana pueden calentarse tanto que no pueden absorber más calor, y la absorción de calor aumentará/será forzada aguas abajo en las paredes. A medida que se alcanza la capacidad de carga de calor de la campana, la temperatura de los gases de escape subirá (ya que ya no pueden entregar calor a las paredes). Por lo tanto, dado que suceden un conjunto siempre cambiante de fuerzas/acciones, los gases de escape casi nunca saldrán a la misma temperatura que el gas entrante.

Si la temperatura del gas de escape de la campana es lo suficientemente alta, y no se desea la pérdida de calor hacia el mundo exterior, entonces podemos extender esta idea de la campana mediante el reconocimiento de que la salida de una campana se puede considerar como la entrada de calor a la otra campana. Esta segunda campana funciona exactamente de la misma manera como se describió anteriormente, siendo el resultado final que la temperatura de sus gases de escape inferior a la temperatura de los gases que entrado en ella. Este concepto de segunda campana es naturalmente más eficiente (por lo general, en última instancia, depende de la temperatura de escape... si es lo suficientemente baja con una sola campana entonces la segunda no es necesaria ya que una sola campana ha hecho el trabajo). Agregar una segunda campana podría aumentar la eficiencia de recolección de calor, pero también introduce una mayor complejidad.

Más adelante mostraremos reglas de oro que nos permiten saber el tamaño de la campana que se relaciona con el tamaño de la unidad de combustión. En todo momento debe haber una cierta temperatura en el gas de escape (aproximadamente 80 - 100 ºC con el fin de que se produzca el tiraje necesario. En otras palabras, no podemos tener temperaturas de escape más bajas que el aire ambiente.

Una ventaja real adicional del sistema de campana es que no genera fricción (resistencia al flujo de gases), o es insignificante, a través de ella. Que esto se consiga con una construcción tan simple es una ventaja adicional. En comparación, la manera alemana/austríaca de construir una estufa de masa/albañilería utiliza un sistema de canales para entregar el calor a la masa. El área de superficie de estos canales "largos'', junto con el (relativamente) pequeño diámetro de los canales en sí mismos impone mucha mayor fricción/resistencia al flujo de gases. Esto requiere entonces como una necesidad que se trate de un sistema con un tiraje muy fuerte con el fin de superar esta fricción. Además de todo esto, podemos ver que TODOS los gases fluyen a través de todo el sistema en conjunto, los más calientes, junto con los más fríos dado que no hay separación entre calientes y fríos (como en la campana).

El sistema de campana "simple", como se ilustra arriba, es muy eficaz, pero tiene una desventaja singular, toda la masa se encuentra dentro de la piel única de ladrillos. Esto las hace "grandes". Existen técnicas disponibles que pueden contrarrestar eso. La colocación de la unidad de combustión más alto dentro de la estructura en contraposición al nivel del suelo resulta en el almacenamiento de calor a una temperatura más alta ya que los gases tienen que hundirse por debajo de donde se encuentra la unidad de combustión. Además, se pueden construir estructuras internas (por ejemplo, columnas) dentro de la piel simple de ladrillo que pueden absorber, y liberar más tarde, el calor. Con estas medidas es posible reducir el tamaño de la campana necesaria utilizando el sencillo método de "piel simple".

Casi todas las estufas que se describirán más adelante emplean sistemas de campana en una forma u otra.
Una última observación sobre el sistema de la foto de arriba. Es un ejemplo de lo que podría llamarse un híbrido, a medio camino entre una campana y un sistema de tambor de metal. Muestra las combinaciones disponibles para las exigencias requeridas. En esa foto, la campana de metal emite calor radiante mientras se carga la campana a medida que sale de la casa. Esta campana de ladrillos tiene un retraso de cuatro horas, por lo que se entiende la superficie exterior de la campana alcanza su temperatura más alta cuatro horas después de que el fuego ha alcanzado su temperatura más alta. Tuvo que ser absorbido y viajar desde la superficie interna de los ladrillos a la superficie exterior antes de que pueda irradiar a la habitación. Calor inmediato del tambor metálico de aceite, y calor almacenado que se libera lentamente durante la noche (o de hecho hasta la próxima carga de leña) de la campana adjunta. Como un asunto de interés, la temperatura de salida de los gases de combustión (medida en el centro de la corriente de gases) permanece dentro de un rango entre 50 - 80 ºC. Sin duda, algunas tazas de café están más calientes que eso.

Dimensionamiento de la campana

El tamaño de una campana y su método de cálculo requieren de algo de clarificación. La mayoría de las personas supondrían que la capacidad de extracción de calor de la campana se rige por volumen, pero esto no es el caso. En términos generales el factor determinante es el área superficial, es decir, las paredes y el techo de la campana, así que esto es lo que se utiliza en nuestro dimensionamiento de la campana. La silueta de la campana es casi insignificante, sólo debe ponerse atención a que los gases se detengan lo suficiente y que no se cree fricción indebida. En la práctica, el CSA (NdT: Siglas en inglés para Cross Section Area. Superficie de Sección Transversal) de la campana debe ser de al menos 5 veces la CSA de la chimenea de entrada (NdT: la chimenea interna). La luz o espacio entre la parte superior de la chimenea interna y el techo de la campana debe medir por lo menos 30 cm. En la gran mayoría de los casos esto será suficiente, aunque más es mejor, ya que cuanto más se disminuya la velocidad de los gases mejor será la separación de los gases calientes y fríos (NdT: En español llamamos a este fenómeno "estratificación").

El saber dimensionar correctamente la campana fue algo ganado con esfuerzo a través de la experimentación, y como todos los proyectos de código abierto, las contribuciones vinieron de muchas personas diferentes. Klemen Urbanija de Radomlje, Eslovenia descubrió después de una gran cantidad de pequeños ajustes que un sistema de 15 cm con una sola campana con una superficie interna de 6 m², excluyendo el suelo, daba como resultado gases de escape a una temperatura de 60 °C. Él construyó su experimento fuera de la casa y lo cambió varias veces hasta que los resultados fueran satisfactorios, entonces lo desmanteló y construyó dentro de la casa. Una nueva ronda de problemas surgió debido a que la chimenea estaba hecha de ladrillos, que extraían calor a los gases de escape, lo que aniquilaba el tiraje. Esto necesitaba más retoques y la reconstrucción de la campana con el fin de elevar la temperatura de escape y restaurar el tiraje. El resultado final fue una cifra de 5,3 m² de "área de absorción de calor". Esto es importante de entender, y una vez entendido se puede observar que la superficie de la campana no será parte del "área de absorción de calor", dado que los gases salen ligeramente por encima del nivel del piso. De la misma manera, si la cámara de combustión está construida dentro de la campana entonces la superficie de la cámara de combustión dentro de la campana no va a jugar un papel en el cálculo de esta zona ya que no se absorbe calor allí.

El término que usamos para el área total disponible para la absorción de calor dentro de la campana es ISA, abreviatura de Área de Superficie Interna. Como se ha señalado, esto no incluye la superficie de suelo como el piso no absorbe (directamente) el calor. La diferencia entre una campana de acero que está entregando su calor instantáneamente y una que está almacenando calor en masa de piedra o ladrillo es marginal en términos de ISA. Mi estufa de taller (vé el artículo “BBR de tres tambores”) está construida con tres tambores de petróleo que en conjunto están muy cerca de la ISA de la campana de mampostería y el banco de Klemen. Ambos sistemas tienen una temperatura de escape comparable.

El escalado de estos números planteaba un problema de larga data que finalmente fue resuelto en 2015. Resultó que la misma dimensión crítica usada para dimensionar el tamaño de las cámara de combustión hacia arriba o hacia abajo, el área de la sección transversal de la chimenea interna, también se puede utilizar para escalar la ISA de la campana partiendo del resultado base determinado por Klemen. 2015 fue el año en que se construyó una campana con dos bancos cul-de-sac durante la reunión MHA (véase el artículo "campana con dos bancos ciegos"). La ISA máxima de ese sistema de 20 cm con una campana de mampostería sin bypass chimenea resultó ser de 9,4 m². La relación de la CSA de la chimenea interna de Klemen a la CSA de la chimenea interna MHA fue de 1:1,77, y esa misma proporción de 1:1,77 apareció en ambas ISAs. Lo había encontrado!

Como consecuencia podemos utilizar la siguiente "tabla", y simplemente extrapolar o interpolar según sea necesario. Por lo que sabemos, este método funciona dentro de límites razonables en ambas direcciones.

Diámetro de la chimenea interna / ISA

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

Cuando la campana está equipado con un bypass de chimenea podría ser más grande que los números mencionadas aquí pero hará que la construcción sea más complicada, por no mencionar vulnerables a fallos de funcionamiento.


Diseños de núcleos

Todos los núcleos están diseñados por Peter van den Berg, a menos que se indique lo contrario.

1: Núcleo de ladrillos

Una cámara de combustión y chimenea interna ambos de mampostería es lo más fácil de hacer, aunque es necesario cortar ladrillos refractarios. El uso de un diseño optimizado permite minimizar la cantidad de cortes.

Canal P

Este conducto suministra el aire secundario en el diseño original. Construido simplemente, funciona exclusivamente debido a la ley de la física conocida como el principio de Bernoulli.

2: Núcleo del ladrillos

El problema de la chimenea interna no redonda del núcleo de ladrillos anterior se resuelve en este segundo diseño, usando ahora una silueta octogonal que es una mejor aproximación al círculo. Se aplican alternativamente hiladas de canto y acostadas para mantener una traba razonable.

3: Núcleo moldeado

Se trata de un conjunto de caja de fuego junto con el tercio inferior de la chimenea interior en dos partes separadas. Éste se construye ya con bastante frecuencia y funciona bien, pero es vulnerable al agrietamiento.

4: Núcleo moldeado

Este es un diseño reciente (2015) con la cámara de combustión dividida en tres partes. En lugar de un canal p, hay presente un canal de suelo.

Canal de suelo

Es también un suministro de aire secundario, pero éste aplica el aire a mitad de altura del puerto. Este conducto yace en el piso de la caja de fuego y recibe su aire desde la entrada de aire principal.

5: Núcleo moldeado lateral (NdT: en inglés usan el término Sidewinder)

Un diseño en el que la chimenea interna no está situada detrás de la caja de fuego, sinó a un costado, lo que permite una menor profundidad.

6: BBR lateral de ladrillos

Una forma más sencilla de construir BBR laterales de a una unidad, diferente al moldeado, es hacerla de ladrillos. Por desgracia, el número de ladrillos a ser cortados es bastante importante.

1: Núcleo lineal de ladrillos

Usando un buen diseño y una mezcla arcilla / arena adecuada, esta versión de mampostería es una manera fácil de probar estos principios por ti mismo. Esto se puede hacer al aire libre, en un granero o cobertizo, en cualquier lugar que sea conveniente. Una palabra de advertencia, probablemente asomarán llamas asomando por el extremo superior de la chimenea interna, asique usa un caño para dirigir los gases de combustión para ventilar cuando se prueba en espacios cerrados. No "sólo" es un banco de pruebas conveniente, es más que conveniente para el uso permanente como núcleo para una estufa (la mezcla de arena de arcilla permite un fácil desmontaje después de la prueba). Como se describirá más tarde, las estufas aprovechan la combustión ultra limpia proporcionada por estas unidades de combustión y son capaces de capturar y almacenar el calor producido.

Por supuesto que es sensato construir sobre una base estable, preferentemente aislando o usando una capa aislante intermedia. El dibujo de este diseño está disponible para descargar a través de este enlace. La forma interna de la chimenea interna es cuadrada, lo que no es tan bueno como la redonda. Funcionará pero la forma no es óptima. Esta versión es adecuada para construir de ladrillos refractarios duros. La disposición de estos ladrillos puede necesitar un ajuste, este diseño se basa en un tamaño de ladrillo común en Holanda. Naturalmente, al menos la chimenea interna debe estar rodeada de material aislante resistente al calor. Este no es el caso cuando este núcleo se construye a partir de ladrillos refractarios aislantes livianos. Por otra parte, estos son probablemente sólo un poco demasiado vulnerables a la abrasión como para ser usados en la caja de fuego.

El canal P

El conducto rectangular de acero en la parte superior de la caja de fuego proporciona el suministro de aire secundario. Esta parte se denomina comúnmente canal p, abreviatura de canal Peter, el nombre de su diseñador. Es apropiado usar acero al carbono dulce (NdT: SAE 1020) o acero inoxidable para la fabricación de esta parte. En este sistema de 150 mm se usa un conducto rectangular de 60x20x2 mm.

El extremo que apunta hacia abajo termina un poco por debajo del techo del portal, proporcionando un pequeño voladizo. Para simplificar las cosas, este voladizo mide lo mismo que la profundidad del canal. En la parte posterior de este voladizo, que enfrenta la chimenea interna, se corta una pequeña pieza para promover la succión de aire. El mismo principio que hace que e canal p funcione, el principio de Bernoulli, significa que la presión dentro del sistema es inferior a la exterior. Por lo tanto no escapará humo por el canal p, así como tampoco por otras pequeñas grietas o la propia entrada de aire principal. Por el contrario, si sale humo por el canal p o por la entrada de aire principal, entonces significa que hay algo mal en el sistema.

Este aire secundario tiene que ser añadido a la corriente antes de la fuerte turbulencia en el puerto y por detrás. Inyectar el suministro de aire en la chimenea interna parece obvio, pero no funciona, dado que el mezclado no es lo suficientemente potente de esta manera.

El conducto está siendo enfriado por el aire que entra por lo que la esperanza de vida del acero común es sorprendentemente larga. El daño por corrosión en una estufa que ha sido utilizada por dos temporadas es apenas visible. Por lo tanto, sería conveniente no cerrar el canal p durante la operación. Se sospecha que un mayor espesor de pared del conducto podría promover una corrosión acelerada debido a que el acero grueso no puede disipar el calor tan rápido como el material más delgado.

2: Núcleo lineal de ladrillos, chimenea interna octogonal

El problema de la chimenea interna no redonda se resuelve con este diseño. El octágono es una mejore aproximación al círculo. Se construyen hiladas alternativamente de canto y a soga obteniendo una traba razonable. Cuanto más suave sea el interior de esta canalización mejor, por lo que vale la pena ser cuidadoso en la construcción de esta parte.

El octágono es una forma favorable porque de esta manera el doble vórtice iniciará más temprano en la combustión del lote. La desventaja de esta silueta es la mayor masa. tal desventaja no estará en juego cuando se utilizan ladrillos refractarios aislantes para esta construcción. Incluso el material aislante alrededor del tubo vertical ya no será necesario, los ladrillos son suficientemente aislantes por sí mismos.

Los pequeños triángulos amarillos son en realidad el mismo material, el color diferente es allí sólo para una fácil visualización. La construcción de este núcleo es diferente del primer diseño en ladrillos, la conexión entre la caja de fuego y la chimenea interna es diferente. Este dibujo también está disponible para su descarga, usa este enlace.

A continuación se presentan otros dos ejemplos de cómo hacer la chimenea interna octogonal a partir de ladrillos de tamaño normal. Ambos emplean ladrillos que se han cortado con un ángulo de 45 grados para crear "mitades" de igual tamaño para formar una forma de octógono. La inferior es simple pero permite sólo un tamaño de conducto, mientras que el otro permite que los ladrillos se ajusten a una medida un poco mayor. Una chimenea interna más ancha significaría que la caja de fuego y el portal deben ser más anchos también, pues el método de escalado todavía aplica.

3: Núcleo lineal moldeado, 4 piezas

Este es un diseño probado y ensayado con algunos ejemplos exitosos alrededor del mundo. Una falla famosa, aunque no fatal es el hecho que esta versión tiene tendencia a fisurarse a la izquierda y derecha en la caja de fuego. La caja de fuego se mantendrá entera luego de que hayan aparecido las fisuras y nada más sucederá de ahí en adelante. Probablemente las fisuras actúen como juntas de expansión, una vez que la tensión es liberada, las rajaduras no proliferarán. El espesor de las paredes es tan bajo como 30 mm y donde se pueda se utilizan piezas de relleno para economizar material. Esto no se hace para ahorrar dinero, sinó para reducir la masa del núcleo. Cuanto menos material haya allí, antes llegará el dispositivo a la temperatura de trabajo.

La parte de la chimenea interna sobre la caja de fuego también se divide en dos partes idénticas por lo tanto se podrían confeccionar con el mismo molde.

La cruz en los lados indica de qué lado está arriba durante la colada. Ese lado tendrá una terminación relativamente gruesa, pero eso es de ninguna consecuencia. No sólo es el octágono una forma preferida (una muy buena aproximación a lo redondo) también se forma fácilmente en la construcción de un molde. Una sierra de banco a 45 grados cortará todas las piezas requeridas. El uso cuidadoso de una sierra eléctrica con guía también servirá si una sierra de banco no está disponible.

Este dibujo también es de uso gratuito, descargable a través de este enlace.

4: Núcleo lineal moldeado, 5 partes

Este diseño es bastante reciente (2015) y ha estado en uso diario durante un invierno sin fisuras visibles. En mi aplicación la parte inferior se apoya en un bastidor de soporte y el lado superior se mantiene unido por botones y rebajes correspondientes en la parte superior. La siguiente imagen muestra un dibujo ligeramente adaptado, pero es esencialmente el mismo que el de mi propia estufa.

Naturalmente, la chimenea interna de éste debe ser aislada desde abajo hasta arriba, también. La construcción es bastante simple, que se muestra en la imagen a continuación.

Canal de piso

Este conducto de aire secundario es una alternativa al canal p, y no debe ser utilizada en el mismo núcleo. La construcción y la colocación es muy diferente, yace en el piso de la caja de fuego en una zanja y se alimenta a través de la misma entrada que el suministro principal de aire. Se llama canal de piso y, como tal, es una variante del tubo pre-portal de Matt Walker, pero la parte vertical es más corta, cuadrada y menos ancha. Como consecuencia, el tubo obstruye menos la caja de fuego.

Además de eso el aire se suministra a media altura del portal, lo que a su vez en promedio mantiene bajo el doble vórtice en la chimenea interna. Esta versión es algo más fácil de producir que la de Matt, las únicas herramientas que se utilizan para producir esta cosa es una amoladora pequeña con un disco de corte y una soldadora. Este canal de piso es muy fácil de reemplazar, una ventaja en comparación con el de canal p que no puede ser desmontado a menos que se abra la estufa.

El canal está hecho de caño rectangular de acero de 2 mm de espesor y tiene muy poca corrosión o deterioro después de un año de uso diario en un invierno templado marino. La explicación para la falta de la corrosión es que el interior del conducto es enfriado por el aire de entrada. Y el conducto está en una esquina de la caja de fuego con escasez de oxígeno mientras sucede la combustión, el acero no se corroe en ausencia de oxígeno.

Por lo tanto, esta es una de las pocas piezas de acero dentro de la caja de fuego que no se destruye en diez usos, la durabilidad es razonable. Mi siguiente canal estará hecho de acero inoxidable AISI304, y la esperanza de vida debería ser aún mejor.

Los encendidos durante el invierno de 2015/2016 se dedicaron por completo a dimensionar correctamente este suministro de aire, y se probaron cerca de 12 variantes. El dibujo muestra un conducto horizontal de 60x30x2 mm, la pieza vertical mide 35x35x2 mm. El área de la sección transversal interna del conducto más grande es aproximadamente 1,5 veces más grande que la más pequeña. Esto no es una coincidencia, se ensayaron tres tamaños de caño horizontal en varias combinaciones con tres tamaños verticales. El conducto de 60x30x2 es tan eficaz como uno de 60x40x2, siempre y cuando la entrada sea mayor que la salida del canal. Usando los conductos de acero como están en el dibujo, la parte vertical tiene el 5,4% de la sección de la chimenea interna y la parte horizontal el 8,25%. Manteniéndose cerca de estos porcentajes es posible calcular las dimensiones para una BBR más grande o más pequeña de acuerdo a la sección transversal de su chimenea interna.

En contraste con la ejecución normal, esta versión debe ser encendida en la parte superior de la pila de combustible en la parte posterior, conocido como "encendido de arriba hacia abajo". Este método dará los mejores resultados.



Este diagrama representa un pequeño ensayo utilizando trozos más grandes de abedul completamente seco, encendido en la parte superior. La temperatura inicial de la estufa también pasó a ser moderadamente alta, la temperatura inicial en la chimenea fue 30 ºC. El CO se redujo a 18 minutos del encendido por debajo de 500 ppm y se mantuvo allí durante 58 minutos. Los promedios de este ensayo: 13% de O2, Eficiencia 95,2%, CO 282 ppm, Tr 66,4 ºC. Nota el nivel final de CO inusualmente bajo.
Para concluir: el dibujo de este núcleo está disponible a través de este enlace.

5: Núcleo lateral moldeado, 7 piezas

Se trata de una variante de una BBR donde la chimenea interna se ubica ya sea hacia la izquierda o derecha de la caja de fuego. El diseño ha sido desarrollado por Adiel Shnior y Shilo Kinarty, dos muchachos que construyen estufas rocket de masa en Israel. Max Edleson, un constructor de estufas en USA lo nombró "Sidewinder". Este es el nombre de una serpiente desierto que se mueve mediante el enrollamiento de lado sobre la arena.

Dado que la chimenea interna ya no está alineada con la caja de fuego, naturalmente ya no es simétrica. Como consecuencia de ello, necesitamos un molde adicional para moldear la cámara de combustión, ver más abajo.

Este diseño es similar al anterior con una pieza superior separada, el molde más complicado es el de la pared posterior que tiene la mitad de la parte inferior de la chimenea interna incorporada. Es posible zafar sin hacer un segundo molde dedicado si se inserta una pieza de relleno y se la asegura al molde antes del colado en el lugar donde el portal debe estar. De esta manera, un sólo molde puede proveer ambos lados, uno con una salida para el portal debido a la pieza de relleno y la otra sin esta salida. La parte superior de la caja de fuego es la misma que en el diseño lineal y la otra mitad inferior de la chimenea interna es relativamente simple de moldear.

Para una mejor comprensión de esta disposición hay una vista en despiece a continuación.

Se ve muy complicado, pero con un poco de cuidadosa inspección y razonamiento está enteramente dentro de la capacidad de una persona con habilidades manuales. Aunque obviamente más complicados, estos moldes se ensamblan de igual manera que la descripta en la sección "Cómo construir". Una caja de madera multilaminada revestida, con piezas de poliestireno extrudado adecuadamente formados para formar la silueta final.

Para muchos este podría ser el primer intento de pensar en "espacios negativos" y cómo desmoldar la pieza moldeada. Creo que está dentro de las capacidades de una persona hábil, asique no temas. Puede ser una buena idea para poner a prueba tus moldes con materiales mucho más baratos, como el yeso de París, o incluso una mezcla de arena cemento débil, antes de (potencialmente) desperdiciar costosos hormigones refractarios en un molde que podría necesitar modificaciones antes de que se obtenga el resultado final apropiado.

Como se mencionó en la introducción, este es un proyecto de código abierto, por tanto, está disponible para fines comerciales (por favor, lee las condiciones en la sección de introducción). Si se tiene previsto realizar más que unos pocos de estos es sensato hacer primero "modelos maestros" positivos (es decir, la forma real en sí, el "positivo") y de ellos hacer moldes de caucho (es decir, éstos son ahora la 'negativos') que se utilizarán para el proceso de producción real.

Estos segundos moldes tendrá que ser sustituido periódicamente volviendo a moldear a partir del modelo maestro. Me parece una oportunidad de negocio viable fabricar y vender estas piezas moldeadas junto con buenas instrucciones sobre el montaje y también las acciones de bricolaje necesarias para alcanzar el producto final. El número total de moldes incluyendo la chimenea interna es 5, que permiten colar 7 partes.  El dibujo de este diseño está disponible a través de este enlace.


6: Núcleo lateral de ladrillos

Este diseño no es difícil de construir con ladrillos refractarios y una sierra húmeda. No más difícil que el diseño del núcleo BBR lineal. Con el fin de hacer las cosas un poco más simples el tamaño del diseño está un poco ampliado, de 150 mm a 160 mm. Al hacer esto, la caja de fuego se agranda también un poco más y se puede cargar leña más gruesa.

Sería razonable mantener la misma profundidad que en la versión de núcleo lineal de ladrillos. Esto sumado a que la chimenea interna ya no está en la parte trasera, resulta en una profundidad de montaje de 486 mm utilizando ladrillos de este tamaño. Esto sería un ahorro de 216 mm en comparación con los 702 mm del núcleo lineal. Las diferencias en el comportamiento en el encendido son bastante pequeñas, por lo que esta será una buena alternativa. Estos tamaños son todos nominales, no se toma en cuenta el espesor del mortero entre los ladrillos.

La parte vertical del canal de piso se alarga un poco acorde al tamaño más grande de la chimenea interna y el portal. Además, este canal se construye más simple en comparación con la de la versión lateral moldeada, no hay curva de 90 grados en él y la parte vertical se coloca asimétrica en la parte horizontal con el fin de crear una distancia suficiente al portal. A ambos lados de la parte vertical debe haber el mismo espacio, equivalente a la mitad del ancho del portal, medido perpendicularmente a los lados del canal vertical, entre este y las esquinas del portal.

Por supuesto, es posible y también mejor usar la chimenea interna octogonal del diseño 2: Núcleo de Ladrillos, que dará mejores resultados durante el encendido. Usa este enlace para descargar el dibujo de SketchUp.

Ver Aplicaciones:  http://batchrocket.eu/es/aplicaciones