Uma das vantagens de aquecer a casa com lenha é que um único fogão pode atender a todas as necessidades. Além de nos manter aquecidos, os fogões a lenha podem cozinhar, secar roupas e aquecer os pés gelados. Mas não seria fantástico se essa caixa preta também pudesse servir para um banho quente?
Na verdade, aquecedores domésticos de água a lenha não são novidade... há mais de um século, muitos fogões tinham tanques acoplados. No entanto, o advento dos queimadores de lenha "fechados" e dos sistemas de água pressurizada relegou a maioria das antigas técnicas de aquecimento por lotes a um segundo plano, e novos métodos baseados em ciclos fechados foram desenvolvidos.
A maioria dos acessórios para aquecimento de água utiliza trocadores de calor instalados na câmara de combustão ou na chaminé do equipamento. O melhor exemplo comercial dessa abordagem funciona muito bem. Se o aquecedor estiver funcionando a maior parte do dia, ele pode fornecer água quente para toda a casa. No entanto, por segurança, esses dispositivos geralmente são feitos de aço inoxidável (um material caro) e devem ser testados sob pressão para garantir que suportem as altíssimas temperaturas que podem ser encontradas dentro do sistema de aquecimento. Assim, um bom trocador de calor interno tem um preço bastante elevado. Trocadores internos caseiros, por outro lado, são notórios por causarem explosões de vapor escaldante.
Além disso, extrair calor da lareira ou da chaminé de um fogão a lenha pode ter um efeito colateral indesejável: extrair BTU diretamente do fogo (usando um trocador de calor na lareira) reduz a eficiência da combustão... se os produtos da combustão incompleta forem resfriados abaixo da temperatura em que se condensam (seja por meio de uma câmara de combustão ou de um trocador de calor na chaminé), pode ocorrer um grande acúmulo de creosoto. Não se engane, a combinação de um incêndio na chaminé e um trocador de calor cheio de água pode ser desastrosa.
Reconhecendo que não há almoço grátis, adotamos uma abordagem conservadora no projeto do nosso próprio aquecedor de água para fogão a lenha. Em vez de instalar um trocador de calor dentro do aquecedor ou da chaminé, fixamos um na parte externa da câmara de combustão. Com essa estratégia, evitamos grandes modificações no aquecedor, que mantém a certificação da Underwriters Laboratories. Mais importante ainda, vários dos critérios de segurança já mencionados são atendidos: a temperatura externa ao aquecedor não fará a água ferver (enquanto o líquido continuar circulando), e o calor usado para aquecer a água é irradiado pelo próprio aquecedor, portanto, não há perda de calor da câmara de combustão.
Nosso acessório para aquecimento de água consiste em apenas cerca de 15 metros de tubo de cobre de 6 mm enrolado em uma placa de gesso acartonado preenchida com gesso. O material à base de gesso ajuda a distribuir o calor uniformemente pelas serpentinas e permite que o trocador de calor fique em contato direto com o corpo do aquecedor sem superaquecer. (Gostaríamos de agradecer a Ed Walkinstik pela sugestão.) O conjunto é parafusado em um dos lados do aquecedor e conectado a um aquecedor de água reciclado de 159 litros (usamos um aquecedor de água com a resistência queimada, mas com uma caixa à prova de som). Exatamente como um pré-aquecedor solar.
Uma bomba de 10 galões por minuto, instalada no dreno do aquecedor, recircula a água através da serpentina e de volta para a conexão em “T” logo abaixo da válvula de alívio no topo do tanque (esta válvula é reservada como medida de segurança). A água fria entra no recipiente pela entrada normal, e a água aquecida a lenha entra no aquecedor elétrico convencional pela saída de calor padrão. Toda a fiação é bem isolada com espuma de alta densidade de 1 polegada de espessura.
É claro que, se a água estiver circulando constantemente, o calor pode se perder para o fogão quando não houver fogo aceso. Para evitar isso, o pesquisador Dennis Burkholder instalou controles automáticos de ligar/desligar em um termostato de ar-condicionado de tensão de linha conectado ao cabo de alimentação da bomba. (Você também pode usar o controle combinado de aquecimento/ar-condicionado mais comum, configurado para o modo de resfriamento.) O termostato é montado na parede a cerca de um metro do aquecedor, a aproximadamente 30 centímetros da parte superior. Quando a temperatura do ar atinge 27°C, o controlador de 120 volts liga a bomba e a água começa a aquecer. Quando a temperatura cai para 24°C, o interruptor diferencial integrado desliga o circulador novamente.
Os componentes do sistema de trocador de calor são mostrados nos desenhos anexos, mas, naturalmente, cada instalação requer algumas alterações nas dimensões básicas. Por exemplo, se o seu forno for maior que o nosso, você pode expandir o painel o suficiente para acomodar uma serpentina completa de 18 metros (60 pés) de tubo de cobre macio de 6,35 mm (1/4") dentro da estrutura maior do trocador. No entanto, quem tiver aquecedores menores precisará usar uma quantidade menor de fiação.
Em qualquer caso, é mais fácil usar o tubo enrolado para transporte. Basta colocar o fio crimpado na estrutura e dobrar o tubo suavemente para preencher o retângulo. O material flexível pode ser dobrado em um raio de cerca de 3,8 cm sem torcer, então não é difícil forçá-lo em quaisquer pontos potencialmente quentes. Trabalhamos da borda externa para o centro, prendendo as espirais à placa traseira à medida que avançamos. (Sem os fios para prender o anel externo do tubo, tudo tendia a se soltar da estrutura.)
Após distribuir uniformemente os tubos de cobre na estrutura, misture uma fina camada de gesso e despeje a mistura na estrutura. Nivele a superfície passando uma régua sobre o ferro em ângulo e deixe o material secar por alguns dias. O painel pode então ser fixado na lateral do forno e a mangueira de 1/4 de polegada pode ser conectada à mangueira de 1/2 polegada do tanque de pré-aquecimento.
Realizamos testes extensivos para determinar a configuração mais eficiente do interruptor e garantir que o equipamento funcionasse com segurança. Por exemplo, para verificar o que aconteceria se uma queda de energia desligasse nossa bomba, selamos o tubo que sai do tanque de pré-aquecimento e instalamos um manômetro na válvula de alívio. A pressão máxima que conseguimos atingir no sistema foi de 3 PSI… isso depois que nosso queimador catalítico da Atlanta Stove Works interrompeu o fluxo por 8 horas na taxa de queima mais alta possível!
Além disso, para determinar se a troca de calor por condução através das paredes da fornalha estava sendo estimulada a níveis prejudiciais à saúde, examinamos diariamente o interior da câmara de combustão do queimador de lenha em busca de acúmulo de creosoto. Não encontramos diferenças na aparência ou profundidade dos depósitos em nenhuma das quatro paredes, sugerindo que os trocadores de calor estavam recebendo principalmente energia radiante das paredes externas da fornalha. (A cerâmica pode ter desempenhado algum papel isolante, compensando o aumento da condutividade.)
Quanta água quente o trocador de calor produzirá? Bem, em um ciclo típico de 7 horas, carregaríamos de 25 a 27 kg de lenha no catalisador Atlanta, o que elevaria a temperatura do conteúdo do tanque de 159 litros para quase 60 °C. Essa taxa de queima de 3,6 kg por hora provavelmente é um pouco maior do que a maioria das pessoas usa, então você pode obter um pouco menos de água quente de um dispositivo semelhante. Claro, se você mantiver a queima intensa ao longo do dia, o total de 24 horas ainda deve ser suficiente para produzir mais de 378 litros de água quente por dia. Mesmo que você frequentemente desligue o fogão, este sistema reduzirá significativamente suas contas de energia.
Dependendo do tamanho da sua família e do consumo de água de cada um, este sistema pode eliminar suas contas de água quente no inverno. Portanto, se você conseguir lenha por um preço muito menor do que o equivalente em eletricidade ou gás, a energia que você usa para aquecer a água com seu fogão a lenha (desconsiderando o espaço ocupado, é claro, e o calor que o aparelho proporciona) valerá muito a pena o investimento. Além disso, você ficará feliz em saber que deu mais um passo para substituir fontes de energia não renováveis.
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