CCAT 火箭质量科布台式加热器

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2019 年春季学期，我们在加州理工洪堡分校的工程 305 适当技术课程被要求设计以下项目，作为适当技术的活生生的、不断发展的安装。该项目体现了一体化的团队合作、整个机构的密切沟通、创造性的问题解决以及超过 150 小时的体力劳动。

Rocket Power 团队被分配了火箭质量加热 (RMH) 科布长凳，该长凳位于加州理工大学洪堡分校校园适用技术中心 (CCAT) 的现有室外壁炉前。CCAT 是一个由学生经营的教学之家，展示促进可持续生活和设计的适当技术。水泥基础和抹灰砖烟囱将作为长凳的基础靠背，长凳的背面将直接靠在壁炉上。

场地潜力

该区域目前在 CCAT 中未得到充分利用，因为它有可能成为展示适当技术的公共研讨会空间和互动娱乐区。通过与火箭质量加热工作台互动，学生和社区成员可以了解适当的技术和设计如何叠加功能。

项目范围

Cobb Rocket Mass 加热长凳将提供加热休息空间、烹饪以及将社区成员聚集在一起的功能。科布是一种由所有天然成分组成的建筑材料：粘土、稻草、沙子和水。热质量供暖已在世界各地用于加热床、地板和土制房屋结构。

团队成员

Rocket Power 团队由 Ben Nguyen、Aidan Belleau 和 Michael Perez 组成。

Rocket Power 团队将在 2019 年春季学期设计、原型设计并实施上述技术。

已完成项目概览视频

CCAT 火箭炉大规模加热科布工作台 2019

问题陈述

Rocket Power 的目的是在 CCAT 设计一个本地采购、美观且功能齐全的火箭质量加热鹅卵石长凳。

我们希望这次适当技术的展示既能实现无障碍和舒适的座椅的使用目的，又能为未来几代的学生提供教育工具。

项目评估标准

确定 CCAT 社区的优先事项以及权衡适合我们团队的目标非常重要。以下标准是根据与 CCAT 联合主任、项目经理和项目团队的初步对话而选择的。等级（1-10）代表满足每个列出标准的约束的重要性级别（10表示最关键）。

CCAT 联合主任和项目经理强调学生和社区安全、学习可及性和项目功能是主要优先事项。我们的项目标准表明，这是最重要的目标。系统本身的操作对于维持火箭炉的效率至关重要，因此操作顺序必须清晰简洁。这将通过标牌和无障碍资源来实现。目前，长凳位于 CCAT 的中心位置，但原来的壁炉并未得到充分利用。该项目旨在邀请更多的人放松身心并参与太空活动，同时学习适当的技术。

文献综述

火箭质量加热器概述

火箭质量加热器或火箭炉由绝缘容器内的直角“J”形燃烧室组成。该隔热容器产生一股气流，其中热气体被吸入，然后通过管道推入物质中。这一概念可应用于热质量高的家庭中的土制家具的加热。^[1]

RMH测试与认证

对火箭质量加热器的排放效率进行测试很难得出结论性数据，因为每个系统都会有所不同。没有一种情况会完全相同，因为燃料、操作和结构设计都是变量。测试费用也非常昂贵，从 8,000 美元到 30,000 美元不等，并且将针对从事特定设计许可和专利业务的建筑商。^[2]

清洁燃烧的基础知识

以下内容改编自 Mark Brayden 等人的《设计改进的木材燃烧加热炉》一书：^[3]

“一个好的燃烧室可以将木材或其他生物质转化为热量，而不会产生太多烟雾或杂酚油（凝结木焦油）。木材的完全燃烧会产生两种副产品：二氧化碳和水蒸气。相反，不完全燃烧会产生未燃烧的颗粒，从而造成污染以及充满烟囱的杂酚油，一旦点燃就会引起烟囱火灾。”

1. ) 计量燃料——将木材劈成小块（不大于手腕，长 16 英寸），并以一致的速率供给它们。
2. ) 产生热火 - 管理燃料、火焰和空气混合的燃烧区域，以形成快速燃烧且高效的煤库。
3. ) 燃烧室隔热 - 对于将能量存储在具有高日照特性的材料中的大炉灶加热器至关重要（请参阅了解 R 值）
4. ) 点燃逸出的烟雾-为了确保点火室达到最佳效率，排气中排出的气体应该只是二氧化碳和水蒸气。
5. ）提供足够的氧气——使火势不足，可以减慢火势，使其冷却，并产生烟雾。
6. ）进入火中的冷空气升温并增加速度——空气通过一个小开口（通常与供给木材的入口相同）进入燃烧室时被加热。对于没有风扇的系统，在燃烧室的门下开足够的小孔，使孔的横截面积与离开炉子的烟囱的横截面积一样大。定位孔，使一次空气被吸入煤中并向上进入燃烧的木材中。
7. ）创造足够的通风——使用足够高的烟囱，高度是内部垂直燃烧室宽度的两倍。隔热烟囱比未隔热烟囱产生更多气流。强烈的空气运动进入火下，向上穿过煤炭，产生混合，从而减少排放。请勿在烟囱中使用阻尼器。将炉子设计为高效运行，有足够的空气进入和离开炉子，以清洁地燃烧燃料。

不要堵塞进气口，减少一次空气并堵塞必要量的进气量会造成颗粒物空气污染！

大规模加热火箭炉的类型

J 形燃烧室的不同设计经过全球数百名永续农业主义者和自耕农的改进。为了评估整体设计的成功并实现长寿的主要目标，以下项目参考展示了理想的品质和策略。这些示例从低成本和最低设计复杂性开始，然后发展到高费用、技术和专业设计。

J 型燃烧室和 55 加仑桶

我们的设计主要基于这种布局。用一根8英寸的炉管通过长凳管道作为排气。这些系统中的通风可以最有效和完整地利用燃料能源。J型燃烧允许燃料自下而上燃烧，而水平火焰在绕90度立管烟囱行进时达到高浊度。^[4]

燃烧效率和传热效率

由拉里·维尼亚斯基 (Larry Winiarski) 博士发明的火箭炉具有隔热燃烧室和短烟囱 (14")。木灰等低质量隔热材料有助于保持较高的燃烧温度并提高燃烧效率。高燃烧温度还大大减少了烟雾和烟气。节省木材，制造更高效的炉灶。^[5]

Solunit 火箭炉

我们的愿景和项目范围已将此示例的一些设计方面纳入最终的工作台布局中。

总成本 = 700 美元

材料：110块耐火砖、55加仑桶、回收热水器芯、约20英尺8英寸直径1/4英寸钢管、混凝土、浮石和多吨鹅卵石 [6] ^] ]

科布基础知识

科布被认为是第一种用于建筑的土质材料。1400 年代的玉米棒建筑至今仍屹立不倒，这也是一个重要的提醒：玉米棒确实有很长的寿命。^[7]在其最流行的形式中，它是粘土的组合，用于增强强度，与沙子的组合，用于减少收缩引起的开裂，用于强度和水，以产生粘性。^[8]这四种材料共同创造了一种易于延展且自干燥的介质。必须指出的是，虽然秸秆确实提供了其他任务，例如减少混合物的重量和帮助干燥过程，但其主要目的是提供拉伸强度。因此，只要具有抗拉强度特性，许多材料都可以用来代替稻草（即香草、松针、各种类型的草）。

Cobb 的创建和混合

科布的创作是特定于地点、现有材料的，这具有环境和经济意义、偏好、时间允许和期望的结果。由于培养基的极端可变性，玉米芯混合物没有通用标准。^[9]根据审查，可以了解到含有更多稻草和水的混合物往往会出现最大程度的收缩。^[10]因此，我们将注意稻草和水的含量，并制作不同混合物的样品砖，以确定我们的任务、手头材料和期望结果的最佳组合。然而，通过研究和经验，大规模的混合过程将在防水布上步行完成。

水分的影响（维护问题）

众所周知，加利福尼亚州阿克塔全年有半年以上的湿度和降水量较高。^[11]这是因为阿卡塔位于美国西海岸的加利福尼亚州北部。水分和湿度会影响干燥速度，并会改变混合物，导致意想不到的收缩和干燥结果，这种结果主要出现在灰泥中。^[12]同样，需要创建不同配方的石膏样品并进行测试，这些测试将在以后确定。事实上，阿卡塔的气候允许用玉米棒制成的结构能够成功地承受数年的大量使用。^[13]

了解 R 值

R 值衡量材料的热阻。这也可以表示为在一段时间内导致一单位热量通过一单位面积的温差。使用土来捕获 RMH 内部的热量本质上是使用不同的 R 值来捕获燃烧室和整个炉管发出的热辐射来加热座椅。

InspectApedia 提供了包含不同绝缘材料和各种常见建筑材料的综合 R 值表。^{[14] [15]}

热力学

热量、温度和热能 热能是系统由于原子和分子运动而产生的一种能量形式。从这个意义上说，即使在孤立的环境中，系统仍然可以维持热能。根据热力学第一定律，改变热能的功或热量也会改变压力、体积、温度和其他变量。这解释了火箭炉烟囱内的高压如何产生极高的热量，并迫使其向上并排出到周围的隔离容器中。这对于在小空间内获得高燃烧温度至关重要。^{[16] [17]}

施工流程

火箭炉

该项目从火箭炉的设计、建造和原型制作开始。首先将耐火砖排列成 J 形，使火箭炉中的燃烧过程更加高效。一旦实现了这种 J 形状，我们就用小火测试了原型，即使有明显的裂纹，我们也能够获得稳定一致的吃水。在整个燃烧室原型中，整体 J 形仍然存在，但砖的图案和排列发生了几次变化，然后才将它们永久地用砂浆固定到位。

我们使用 8" 炉管热传输构建了该系统。横截面积对于整个 RMH 的测量和维护至关重要。进料室横截面的开口最终为 5" x 7" (A)。燃烧管横截面尺寸为 4" x 5.5" (C)。烟囱立管横截面尺寸为 5" x 5.5" (F)。立管烟囱顶部与 55 加仑鼓之间的空间约为1.5 英寸（G）。这些尺寸对于整个系统获得正确的通风和吸力而言非常重要。^{我们使用的一个很好的参考资料可以在 Ianto Evans Book [18]}中找到，他解释了 55 加仑工作桶项目所需的正确尺寸（我们强烈建议查看第 35 页到第 42 页）。整个系统高约 42 英寸，距其后面的墙约 40 英寸。

这些字母与上述炉子的部分和尺寸相关

确定尺寸后，我们将桶和烟囱放置在指定的位置，并用生粘土暂时封闭间隙，以便对整个系统进行原型设计。我们能够使系统达到所需的温度（高于管道上可触摸的温度）。一旦设计最终确定、达成一致并制作原型，我们就开始使用最终的迫击炮进行迫击炮设计。

用于在 J 燃烧室中砌砖的耐火水泥的配方如下所示：

在砂浆混合物中使用耐火粘土可以使砂浆能够承受燃烧室（桶内）内的预期温度。最后，在桶的外部，我们使用炉漆（额定温度为 2,500F）来添加漂亮的哑光外观。

科布长凳

我们对长凳的总体想法是尽可能使用最少的玉米棒子。我们采用了一种常见方法，通过将破碎的和用过的砖块插入到鹅卵石中来减少鹅卵石混合（一项繁重的费力任务），而不会影响长凳的结构完整性。另外在底部附近添加了一层 2 英寸的风化花岗岩层。这种填充方法并没有像许多专业人士建议的那样被使用，并且要求我们制造很多很多批次的玉米棒子。

在隔热方面，工作台底部和工作台背面需要有更高的R值屏障，以减少热量损失。为了实现我们的隔热目标，我们在第一层玉米棒之前在混凝土上铺了一层稻草浆（粘土、水和稻草），厚度约为 3-4 英寸。稻草条也被放置在长凳后面和壁炉之间，长凳的前二十英寸处。从底部开始的长凳层的横截面视图是，3-4英寸的稻草滑，1层玉米芯，2英寸的风化花岗岩层，长凳其余部分的玉米芯，带有断断续续的砖块和都市人（当然，我们的 8 英寸炉管管道大约 3/4 到座位区的顶部。

为了对科布的爱

我们的粘土是在 CCAT 现场从翻修期间的温室和主庭院中心挖出来的。CCAT 具有良好的稠度、高品质、低沙含量的棕色粘土。我们使用 5 加仑的桶来测量 3:1 的粘土与河沙混合物。

注意：此混合比例将根据沙子和粘土的质量而变化。我们建议您用玻璃瓶和一茶匙盐进行“摇晃测试”。

• -混合科布说明--

1. ）将沙子放在大型重型防水布上。
2. ）将粘土放在沙子上，然后将两者干混在一起。
3. ) 充分混合后，开始从喷壶中加水，直至变得更软。
4. ) 赤脚以确保混合物尽可能均匀且无结块。
5. ）开始添加一根吸管（大约从篮球大小开始）
6. ）混合，混合，混合并添加水/稻草，直到混合物可成型。
7. ）对鹅卵石面包从腰部进行跌落测试，面包不应破裂、裂开或压扁太多。
8. ）将所有混合的玉米棒子做成面包。
9. ）重复直到你梦见科布。

Cobblife 黑客

筛分站至关重要 - 腰部高度、2X4 结构的重型金属筛网、超过 30 加仑的垃圾桶效果很好

科布的防水布混合和翻转方法非常有效 - 还有什么更好的方法来积极使用防水布！？

每批次总共需要混合 5 加仑的桶。

将木板铺成粗木条，使其干燥并更容易运输

科布需要时间

尽管许多时间的缝制工作需要团队成员每人投入超过 10 个完整的工作日，但我们还是聘请了额外的人手。与工程 305 班的同学、CCAT 志愿者星期五的志愿者以及许多乐于助人的同行的合作，使收集、移动、筛选、混合、应用和塑造玉米棒的艰巨任务成为可能。如果这是一项 3 人的工作，我们就需要花费数周的全职劳动来完成工作台的精加工过程。

逐步照片库的施工

• 文件文件：RMH Cobb 工作台原型 @ CCAT.jpeg

  燃烧室位置和管道的粗略布局的早期原型。测量并调整材料的尺寸。

• 

  管道组装成从燃烧室到排气烟囱的轻微升高。砖和灰浆为科布足迹的框架。

• 

  第一次用燃烧室上方的桶进行测试燃烧。成功烧毁整个系统。

• 

  底部地基的稻草防滑保温材料 - 将稻草添加到粘土和水 4:1 的混合物中。

• 

  与约 20 名 ENGR305 学生进行了一天的紧张学习。前壁和约 10-14 英寸的内部填充物在长凳内完成。

• 

  涂抹科布大约 5 或 6 个工作日后，进入科布的第 3 阶段。在进料管上添加猫。科布将继续到达桶的边缘。

• 

  桶周围添加了更多科布，鼠标杯架由 Ben Nyguen 添加。第 7 天，继续从右向左涂抹。

• Team Rocket Power Cobb Stage 5 特写 CCAT.JPG

  饲料室附近猫和老鼠的特写。相当该死的史诗...

成本

制定了以下预算细目，以涵盖为该项目设计的所有替代方案。桌子被分成两块；第一个包括火箭炉大规模加热科布长凳所需的结构和天然材料。第二种是更昂贵的，因为钢制炉组件将通过工作台传送热量/废气。我们的团队希望尽最大努力寻找捐赠、免费或回收的材料。虽然炉管是预算中最昂贵的部分，但我们也承认二手炉管更便宜，而且质量值得怀疑。因此，我们有动力购买新炉子以保证质量。

下面您将了解建造火箭炉大规模加热鹅卵石工作台所需的组件及其当地成本。

长凳和石膏材料

总预算成本：356 美元

拟议的时间表

由于 cobb 是一个非常耗时的过程，因此我们积极主动地准备构建过程非常重要。我们提出的时间表预计团队将在施工开始之前测试鹅卵石混合物和石膏配方。

手术

我们的 RMH cobb 长凳需要一点爱心来维护和可持续运行。该炉子与启动典型的木炉子有很大不同，您需要了解一些关键特征。请仔细阅读并考虑以下分步手册，了解如何让她让您的屁股（希望是很多屁股）变得温暖舒适。

指示

如何有效地启动 RMH cobb 长凳。该视频更直观、更深入地描述了如何正确启动和维护火箭炉火：>>>> CCAT 火箭炉大规模加热科布工作台 2019 <<<<

2

燃料尺寸

始终将火种燃料存放在干燥的地方。您要添加的第一个木材是铅笔大小的劈木。

3

垂直供油

一旦起火并且气流穿过整个系统，所有燃料将垂直添加

4

皱巴巴的报纸

只能使用报纸来启动草稿和点燃引火物。其他纸张含有化学物质和添加剂，会在燃烧室内部增加杂酚油积聚

5

首次引火尺寸

这是您用来生火的第一根引火物的大小

6

装载燃油

随着燃烧的进展并变得更热，垂直添加更大的碎片

7

监测温度

当火加热热团时，感受一下长凳会变得有多热。当整个工作台达到屁股加热所需的温度时，停止添加燃料并让火熄灭。

8

邀请朋友

邀请你的朋友都坐在长凳上享受温暖。讨论热质量和 R 值。一起享受温暖的屁股。在与全县最酷（或最温暖）的长凳互动时，欣赏 CCAT 的激进性。做你的事...

维护

对于现场的 CCAT 员工和协调员来说，这是 Rocket Power 团队认为必要的维护的详细时间表。RMH炉具常见的主要问题如下（按概率排序）：

*燃烧室中起火和维持火焰的故障，*回火和通风不当，炉子管道内灰烬的积聚，*燃烧室内部灰烬的清除，*燃烧室和/或管道内筑巢的动物，*炉管和排气烟囱生锈，

火箭炉和玉米棒工作台的维护需要每周检查是否积水。炉顶会积水，水会开始侵蚀石膏和玉米棒子。另一个在大雨中可能积水的潜在区域是进料室、杯架以及钢制烧烤架下方靠背后面的区域。建议检查该区域以吸收多余的水。建议每月检查一次清理盖，看看系统内部是否积聚了多余的灰烬。每年，应使用车间吸尘器从桶中吸出灰烬。当裂缝和侵蚀明显时，需要对石灰灰泥进行维护。每年必须进行大量石灰清洗，以防止水浸透内部玉米芯。

日程

对整个 RMH 系统进行例行检查，以确保不会发生上述维护问题。

日常的

*检查杯架、长凳后面和炉子顶部是否积水。*确保进料室盖和烟囱盖安装到位。

每周

*清洁出料室中的任何灰烬和碎片。*检查清理盖和炉管是否有任何堵塞。

每月

*使用吸尘器并清理盖子，吸出多余的灰尘和碎片。*测试点火以确保系统正常工作。

每年

*使用烟囱擦洗剂清除烟囱上的灰烬和碎片。*根据需要重新喷漆排气管和炉顶及炉管。*涂上大量的石灰水以保持防水层和灰泥的强度。

每隔一年

*如果石膏开裂，请修补。如果瓷砖脱落，请更换。*更换排气管上的防水板，或者如果生锈则更换排气管。

参考