Vuurbeton

[John Doh]

Op dit forum wordt vuurbeton regelmatig genoemd. Ik vroeg me af of je dit gewoon kunt kopen. Na enig zoeken kwam ik erachter dat vuurbeton wordt gemaakt van aluminiumcement, dat zelfs door ENCI wordt geleverd, het heet dan ISTRA 40 of 50. Het heeft als bijzondere eigenschap dat het tegen hoge temperaturen bestand is.

Eerder al had ik nagedacht over een geschikt materiaal om eventueel een warmtewisselaar / condensor achter een houtvergassingsketel te kunnen bouwen. De rookgastemperaturen uit zo'n ding zijn vaak nog vrij hoog, en dat is dan meteen ook het probleem, want de meeste materialen kunnen daar niet tegen. Vuurbeton lijkt daarvoor heel mooi spul: je kunt het gieten en het is ook nog eens chemisch resistent.

Nu wordt gewoon beton ook van (gewoon) cement gemaakt, waaraan dan nog toeslagmaterialen worden toegevoegd, zoals grind. Zijn er ook toeslagmaterialen waarmee je de eigenschappen van vuurbeton kunt be?nvloeden? Bijvoorbeeld meer of juist minder warmteweerstand.

Kun je ook wapening in vuurbeton aanbrengen? Als dat mogelijk is, kunnen er misschien ook wel buizen in worden aangebracht, zodat er een gekoelde wand mee kan worden gegoten. Of knapt de boel dan uit elkaar?

John

[Dirk Bauwens]

Men kan zowel vuurvast cement, als vuurvast beton kopen bij een aantal verdelers. Een bekende producent van vuurvast beton is de Nederlandse firma Gouda Vuurvast.

De materie rond vuurvaste producten is complex en wordt door relatief weinig mensen goed begrepen. Het is een domein waar voortdurend proefondervindelijk moet gewerkt worden. Samenstellingen van vuurvaste mortels en betonsoorten worden door de fabrikanten erg beschermd en geheim gehouden.

Vuurvast cement is, net zoals gewone cement, een met water uithardend bindmiddel. Na menging met water reageert het zeer snel, in enkele uren tijd. Vuurvast cement is bestand tegen veel hogere temperaturen dan gewoon cement. Gewoon cement valt uiteen vanaf 500 graden. Naar gelang de samenstelling van het vuurvast cement, is het bestand tegen temperaturen die gaan tot ergens in de buurt van 1800 of zelfs nog meer. Zelfs de laagste klasse van vuurvast cement kan temperaturen verdragen tot 1400 graden.

Vuurvast cement wordt gemengd met toeslagstoffen om er mortel of beton van te maken. Toeslagsstoffen dienen om de krimp te verminderen maar ook, inderdaad, om de eigenschappen van het beton te be?nvloeden, zoals bijvoorbeeld de warmtegeleidbaarheid. Poreuze toeslagstoffen zoals bijvoorbeeld puimsteen verhogen de warmteweerstand, andere stoffen zoals bijvoorbeeld siliciumcarbide verhogen de warmtegeleidbaarheid. Ook moeten vuurvaste betonsoorten tegen allerlei aggresieve omgevingen kunnen, en mogen ze niet te veel uitzetten om scheuren te vermijden. Daarom kan gewone stalen wapening niet gebruikt worden. De uitzettingsco?ffici?nten zijn te verschillend. Grote metalen onderdelen mogen alleen ingebracht worden met uitzettingsvoegen errond. Dat kan bijvoorbeeld een laagje paraffine zijn. Soms worden metaal- of kunstsstofvezels wel gebruikt als wapening.

Vuurvast beton is, in verhouding tot metalen, zeer slecht warmtegeleidend. Het is dus een minder goede keuze voor een warmtewisselaar. Tenzij men zeer dun zou kunnen werken: er bestaan keramische warmtewisselaars. Zelfs de meest hete rookgassen vormen geen enkel probleem voor metalen warmtewisselaars wanneer die gekoeld worden door bijvoorbeeld water.

Dirk

[John Doh]

Daarom kan gewone stalen wapening niet gebruikt worden. De uitzettingsco?ffici?nten zijn te verschillend. Grote metalen onderdelen mogen alleen ingebracht worden met uitzettingsvoegen errond. Dat kan bijvoorbeeld een laagje paraffine zijn. Soms worden metaal- of kunstsstofvezels wel gebruikt als wapening.

Vuurvast beton is, in verhouding tot metalen, zeer slecht warmtegeleidend. Het is dus een minder goede keuze voor een warmtewisselaar. Tenzij men zeer dun zou kunnen werken: er bestaan keramische warmtewisselaars. Zelfs de meest hete rookgassen vormen geen enkel probleem voor metalen warmtewisselaars wanneer die gekoeld worden door bijvoorbeeld water.

Inderdaad worden de stalen buizen van de rookgas-warmtewisselaars normaal gewoon in de rookgasstroom gehangen. Maar voor een doe-het-zelver is het lassen van pijp best lastig, al helemaal als het materiaal dun wordt. Ik zat te denken aan het koelen van de buitenwand van een finoven door het opbrengen van een watervoerende buis. Omdat koper vrij gemakkelijk gebogen en gesoldeerd kan worden, kwam ik op het idee om een zigzag van koper in het beton te gieten. Mogelijk kunnen de thermische spanningen van koper door het beton worden opgenomen, omdat het vrij slap is. Daar kan vast wel aan gerekend worden.

Op dezelfde wijze zou je het VO kunnen vergroten door enkele gekoelde platen achter elkaar te zetten. Die probeer je dan inderdaad zo dun mogelijk te maken. Ik geef toe, het is een beetje een omweg, maar wel ??n die misschien binnen mijn bereik ligt.

De site van Gouda Vuurvast is niet op particulieren gericht. Er wordt wel gesproken over datasheets, maar daarvoor moet je eerst registreren. Weet je toevallig wat waarden van vuurbeton (ongeveer), zoals warmtegeleiding en uitzettingsco?fficient? Dan kan ik eens rekenen of je gelijk hebt (ongetwijfeld) en of het inderdaad niet opschiet met de warmte-afvoer. Ik heb zo'n gevoel dat het nog wel eens kon meevallen, want we hebben de tijd, toch? De warmte die vrijkomt zou ik in een vat willen opslaan, dus het maakt mij niet zoveel uit als de warmte eerst in de finoven wordt opgeslagen. Ik heb maar een paar criteria: de rookgassen moeten helemaal worden uitgekoeld en ik zou toch wel 70 ? 80?C willen halen. Alhoewel: lager kan misschien ook nog wel, is alleen niet handig voor het buffervat.

John

[Dirk Bauwens]

Inderdaad worden de stalen buizen van de rookgas-warmtewisselaars normaal gewoon in de rookgasstroom gehangen. Maar voor een doe-het-zelver is het lassen van pijp best lastig, al helemaal als het materiaal dun wordt. Ik zat te denken aan het koelen van de buitenwand van een finoven door het opbrengen van een watervoerende buis. Omdat koper vrij gemakkelijk gebogen en gesoldeerd kan worden, kwam ik op het idee om een zigzag van koper in het beton te gieten.

John,

Je kunt toch ook een gesoldeerde koperen warmtewisselaar in het tegenstroomkanaal plaatsen? Hoe dieper een warmtewisselaar zich in de wanden bevindt, hoe kleiner zijn rendement wordt. Ik kan je redenering van: "we hebben de tijd" wel volgen, maar het is toch eenvoudiger en handiger om, bij wijze van spreken, met ??n rechte buis in het tegenstroomkanaal, hetzelfde resultaat te bekomen als met 10 keer meer buis, ingestort in de wanden ?

Dirk

[Dirk Bauwens]

Mogelijk kunnen de thermische spanningen van koper door het beton worden opgenomen, omdat het vrij slap is. Daar kan vast wel aan gerekend worden...

Ik heb even naar gemiddelde waarden van uitzettingsco?ffici?nten moeten zoeken. De uitzetting van gewoon vuurbeton is ongeveer de helft van die van gewoon beton en die van ijzer. Koper en rvs zet meer uit dan ijzer en gewoon beton, ongeveer 50 percent meer. Dus zet koper en rvs bijna 3 keer meer uit dan vuurbeton. Voor een zelfde temperatuursverhoging natuurlijk.

Een algemeen antwoord op jouw vraag is, zelfs zonder cijfers, nogal voor de hand liggend. De meeste opmerkingen over gemetselde of gestorte kachels hebben immers betrekking op barsten en scheurtjes (die ontstaan door de cycli van uitzetting en krimp). Steeds moet overvloedig in uitzettings/krimpvoegen worden voorzien. Een koperen buis in een vuurbetonnen wand ontsnapt, denk ik, niet aan die maatregel. Koperen buis is wel zacht, maar de uitzetting van koper is 3 maal groter dan de gemiddelde waarde van die van vuurbeton. Alleen dikke panelen zullen in staat zijn om de koperen buis naar binnen toe te vervormen en niet zelf te barsten. Maar vuurbeton wordt in zo klein en zo dun mogelijke panelen gestort om de spanningen die ontstaan tijdens het opwarmen en afkoelen te verminderen. Bovendien zal, eens een paneel de koperen buis vervormd heeft, toch ook een uitzettingsvoegje tussen het beton en de buis ontstaan?

Natuurlijk zou ik liefst al deze opmerkingen staven met proefondervindelijke testen. Dat kan ik helaas niet. Ik heb nog nooit koperen buis ingegoten. Maar het is, denk ik, altijd veiliger om, vooruitziend in een uitzettingsvoegje te voorzien door de kopereren buis bijvoorbeeld van een waslaagje te voorzien alvorens ze in te gieten.

Het is misschien ook interessant om in dit opzicht naar informatie te zoeken in de vloerverwarmingswereld. Er bestaan geloof ik, kunststof leidingen, die dezelfde uitzettingsco?fficient hebben als beton. Volgens mij zullen ook metaallegeringen bestaan met uitzettingsco?ffici?nten die overeenkomen met die van bepaalde betonsoorten. Maar waar vind je die en wat zullen die kosten?

Ook is, in het geval van een kachel, de warmtewisselaar meestal kouder dan het beton, terwijl bij vloerverwarming het beton kouder is dan de warmtewisselaar. Dat zal ook wel wat uitmaken.

Dirk

[Dirk Bauwens]

Weet je toevallig wat waarden van vuurbeton (ongeveer), zoals warmtegeleiding... ? Dan kan ik eens rekenen of je gelijk hebt (ongetwijfeld) en of het inderdaad niet opschiet met de warmte-afvoer. Ik heb zo'n gevoel dat het nog wel eens kon meevallen, want we hebben de tijd, toch?

Chamottestenen en gewoon vuurvast beton (dat trouwens voor een groot gedeelte uit gemalen chamottestenen bestaat), geleiden warmte ongeveer 100 maal minder goed dan staal en ongeveer 10 maal minder goed dan speksteen.

Een ander aspect dat men zich, bij warmte-stockage moet afvragen is: "Hoeveel warmte kan 1 kg van een bepaalde materiaalsoort opslaan?" Water is daarin de kampioen en water is ook transporteerbaar, maar water heeft minimaal tanks en/of leidingen nodig en water is in zekere zin beperkt door zijn kookpunt op 100 graden (toch voor de doorsnee amateur). Steenachtige materialen of ijzer zijn in de praktijk nauwelijks beperkt door hun smeltpunt, laat staan door hun kookpunt. Daardoor kunnen ze in de praktijk soms even geschikt zijn om warmte in op te slaan.

Dirk

[Dirk Bauwens]

Ik heb maar een paar criteria: de rookgassen moeten helemaal worden uitgekoeld en ik zou toch wel 70 ? 80?C willen halen. Alhoewel: lager kan misschien ook nog wel, is alleen niet handig voor het buffervat.

Bij 70 ? 80 graden Celcius, is er weinig condensatie van de waterdamp in de rookgassen.

Veel lagere watertemperaturen, zelfs 20 graden hebben ook nog veel praktische toepassingen. Bv. om ergens doorheen een vloer of een wand te leiden.

Dirk

[John Doh]

Je kunt toch ook een gesoldeerde koperen warmtewisselaar in het tegenstroomkanaal plaatsen? Hoe dieper een warmtewisselaar zich in de wanden bevindt, hoe kleiner zijn rendement wordt. Ik kan je redenering van: "we hebben de tijd" wel volgen, maar het is toch eenvoudiger en handiger om, bij wijze van spreken, met ??n rechte buis in het tegenstroomkanaal, hetzelfde resultaat te bekomen als met 10 keer meer buis, ingestort in de wanden ?

Daar zit wat in, alleen wordt dat koper dan niet aangevreten door de rookgassen? Er moet rekening worden gehouden met vrij hete rookgassen, terwijl ik ook condensatie nastreef. Het smeltpunt van koper ligt beneden de 1100?C, terwijl ik begrijp dat het bovenin een finoven toch vrij heet kan worden. Ik had in elk geval niet meteen aan onbeschermd koper gedacht. Het zou wel relatief makkelijk werken.

Daarnaast was ik uitgegaan van de gedachte dat de warmtewisselaar regelmatig moet worden schoongemaakt. Dan is een vlakke plaat wel handig, maar misschien is mijn veronderstelling voor een finoven wel onjuist en valt het wel mee met de vervuiling.

[John Doh]

Een algemeen antwoord op jouw vraag is, zelfs zonder cijfers, nogal voor de hand liggend. De meeste opmerkingen over gemetselde of gestorte kachels hebben immers betrekking op barsten en scheurtjes (die ontstaan door de cycli van uitzetting en krimp). Steeds moet overvloedig in uitzettings/krimpvoegen worden voorzien. Een koperen buis in een vuurbetonnen wand ontsnapt, denk ik, niet aan die maatregel. Koperen buis is wel zacht, maar de uitzetting van koper is 3 maal groter dan de gemiddelde waarde van die van vuurbeton. Alleen dikke panelen zullen in staat zijn om de koperen buis naar binnen toe te vervormen en niet zelf te barsten. Maar vuurbeton wordt in zo klein en zo dun mogelijke panelen gestort om de spanningen die ontstaan tijdens het opwarmen en afkoelen te verminderen. Bovendien zal, eens een paneel de koperen buis vervormd heeft, toch ook een uitzettingsvoegje tussen het beton en de buis ontstaan?

Je merkt het: praktische ervaring nul komma nul

Het is misschien ook interessant om in dit opzicht naar informatie te zoeken in de vloerverwarmingswereld. Er bestaan geloof ik, kunststof leidingen, die dezelfde uitzettingsco?fficient hebben als beton. Volgens mij zullen ook metaallegeringen bestaan met uitzettingsco?ffici?nten die overeenkomen met die van bepaalde betonsoorten. Maar waar vind je die en wat zullen die kosten?

De door jou beschreven kunststofleidingen met dezelfde uitzettingsco?ffici?nt als beton ken ik niet. Ik weet wel dat kunststofleiding gewoon in de vloer wordt ingestort, ofschoon de uitzettingsco?ffici?nt totaal afwijkend is (ontzettend veel groter). E?n en ander heeft te maken met de elasticiteitsmodulus van die materialen. Bij kunststoffen is die laag ten opzichte van metalen. Als de spanningen ten gevolge van de "wil" tot uitzetting kunnen worden opgenomen, dan blijft uitzetting achterwege. Zelfs bij staal werkt dat, in feite wordt het materiaal "ingedrukt" bij toenemende temperatuur. Denk bijvoorbeeld aan gelaste spoorrails.

Sommige materialen zijn echter veel beter op druk dan op trek te belasten, dit geldt bij uitstek voor (gewoon) beton of metselwerk. In dat geval kun je nog de truuk van voorspanning uithalen. Je zou dan de koperspiraal flink heet moeten maken v??r het instorten.

Echter na jouw verhaal betwijfel ik of dit praktisch werkbaar is. Het is kennelijk al moeilijk om het materiaal zelf scheurvrij te houden, het instorten van andere materialen gaat dan zeker niet helpen.

[Dirk Bauwens]

Daar zit wat in, alleen wordt dat koper dan niet aangevreten door de rookgassen? Er moet rekening worden gehouden met vrij hete rookgassen, terwijl ik ook condensatie nastreef. Het smeltpunt van koper ligt beneden de 1100?C, terwijl ik begrijp dat het bovenin een finoven toch vrij heet kan worden. Ik had in elk geval niet meteen aan onbeschermd koper gedacht. Het zou wel relatief makkelijk werken.

Wanneer water doorheen de wisselaar stroomt, wordt die nauwelijks heter dan 100 graden.

Aluminium heeft een lager smeltpunt dan koper. Nochtans smelt een aluminium kookpot ook niet op een gaspit waarvan de vlamtemperatuur zeker 1400 graden of meer bedraagt. Bovenaan een finoven heersen temperaturen van 1200 ? 1400 graden. Daar echter wordt bij voorkeur nog geen warmte afgenomen. Daar dienen de tegenstroomkanalen voor.

Dirk

[John Doh]

Een ander aspect dat men zich, bij warmte-stockage moet afvragen is: "Hoeveel warmte kan 1 kg van een bepaalde materiaalsoort opslaan?" Water is daarin de kampioen en water is ook transporteerbaar, maar water heeft minimaal tanks en/of leidingen nodig en water is in zekere zin beperkt door zijn kookpunt op 100 graden (toch voor de doorsnee amateur). Steenachtige materialen of ijzer zijn in de praktijk nauwelijks beperkt door hun smeltpunt, laat staan door hun kookpunt. Daardoor kunnen ze in de praktijk soms even geschikt zijn om warmte in op te slaan.

Daar heb je een punt te pakken. Water 4,2 kJ/kg.K, beton 0,92 kJ/kg.K. Alleen de dichtheid van beton is pakweg twee maal zo groot, dus voor hetzelfde volume is het verschil al terug tot een factor 2 ? 2,5. Maar de delta-T bij water is beperkt tot een graad of 80. In de kern van een finoven kan het oplopen tot wel 800?C. Niet overal in de oven natuurlijk, zou 400?C gemiddeld een goede schatting zijn? Dat is dan vijf maal zo goed als water! Per saldo zit je voor hetzelfde volume met beton toch een factor twee beter (wel gerekend met gewoon beton want gegevens van vuurbeton heb ik niet).

[John Doh]

Wanneer water doorheen de wisselaar stroomt, wordt die nauwelijks heter dan 100 graden.

Aluminium heeft een lager smeltpunt dan koper. Nochtans smelt een aluminium kookpot ook niet op een gaspit waarvan de vlamtemperatuur zeker 1400 graden of meer bedraagt. Bovenaan een finoven heersen temperaturen van 1200 ? 1400 graden. Daar echter wordt bij voorkeur nog geen warmte afgenomen. Daar dienen de tegenstroomkanalen voor.

Ook weer waar, natuurlijk. Dat betekent echter wel dat je altijd water door de warmtewisselaar moet laten stromen. De circulatie mag nooit uitvallen, want niet alleen krijg je dan gevaarlijke stoomvorming, ook dreigt het bovenste gedeelte van de warmtewisselaar te smelten.

Ik had al begrepen dat het niet de bedoeling is om de warmtewisselaar op het hoogste punt in de oven te monteren. Maar als daar geen of weinig warmte wordt afgevoerd, zullen de rookgassen na verloop van tijd toch vrij heet aan hun tocht naar beneden door het tegenstroomkanaal beginnen. Op zeker moment zal het vuurbeton "vol" zitten, anders was de temperatuur ook niet zo hoog opgelopen, lijkt mij.

John

[John Doh]

Bij 70 ? 80 graden Celcius, is er weinig condensatie van de waterdamp in de rookgassen.

Ik bedoel 70 of 80?C aanvoertemperatuur, dus uit de oven. De retourtemperatuur de oven in is lager. Vanwege de tegenstroom zal de temperatuur lager in de oven dichter bij de retourtemperatuur komen, mits de overgangsweerstand van de warmtewisselaar niet te hoog is uiteraard.

John

[Dirk Bauwens]

...zou 400?C gemiddeld een goede schatting zijn?...

Ik denk het niet. Ik denk dat het minder is. Het verbrandingsgedeelte van een finoven wordt bij voorkeur met meer isolerende materialen uitgevoerd, waardoor de densiteit lager wordt. Niets houdt echter iemand tegen om m??r massa te plaatsen in de tegenstroomkanalen.

Laten we echter niet uit het oog verliezen dat de allerbeste stockage van energie, per eenheid van volume, de brandstof zelf blijft! Bovendien aan geen verliezen onderhevig!

Dirk

[Dirk Bauwens]

...zou 400?C gemiddeld een goede schatting zijn?...

Ik denk het niet. Ik denk dat het minder is...

Ik heb ruw berekend wat ongeveer de theoretische temperatuursstijging zal zijn van een gemiddeld grote finoven na een stookbeurt met 25 kg hout.

Ik neem, voor het rekengemak, een finoven met een gewicht van 3750 kg. Dit is een realistische waarde. Ook voor het rekengemak, neem ik, voor de warmteopnamecapaciteit van het kachelmateriaal ongeveer 1 kJ/kg.?K. Dat is ook een realistische waarde.

De verbrandingswaarde van luchtdroog hout, zonder rekening te houden met condensatie, is ongeveer 15000 kJ/kg. Al het hout voor mijn stookbeurt bevat dan samen 375000 kJ aan energie. Wanneer we deze energie, zonder andere verliezen, in de massa van de kachel kunnen stoppen, veroorzaakt dit een gemiddelde temperatuursstijging van 375000 kJ gedeeld door 3750 kg gedeeld door 1 kJ/kg.?K = 100 ?K

In de praktijk zal de gemiddelde temperatuursstijging wat minder zijn dan de berekende 100 graden. Door de schoorsteen ontsnapt een bepaalde hoeveelheid warmte en via de warmteuitstraling van de stookdeur wordt een gedeelte van de warmte rechtstreeks overgedragen naar de kamer.

Dirk