Nos últimos três anos tenho pesquisado sobre fogões a lenha, principalmente sobre métodos construtivos mais tradicionais. E depois de muitos rabiscos e algumas experiências, cheguei ao design de um fogão a lenha eficiente e, por consequência, sem fumaça. Com os mesmos princípios de design pode-se construir um modelo mais compacto com o forno abaixo do nível da chapa, como o das fotos abaixo, ou um modelo maior como os fogões mineiros, com o forno acima do nível da chapa.

Para simplificar e não precisar me referir ao meu fogão pelos seus adjetivos, o batizei simplesmente de Fogão SeteLombas. Ele é uma adaptação dos princípios de design do Rocket Stove aos fogões tradicionais de tijolos. O “fogão foguete”, como também é conhecido, já existe há mais de 20 anos mas ainda é pouco conhecido no Brasil. Comercialmente os fogões a lenha de cozinha continuam a ser fabricados como a mais de cem anos, exceto por dois modelos que encontrei no mercado que já usam uma câmara de combustão mais eficiente. E optei pelos tijolos e peças pretas de ferro fundido pela rusticidade, simplicidade e, é claro, pelas lembranças das reuniões ao seu redor dos fogões de minha infância, que aqueciam as mãos e o coração.

Os problemas: fumaça e consumo elevado de lenha

A fumaça que causa poluição e consequentemente doenças respiratórias é gerada por fogões ineficientes que deixam escapar os gases que poderiam ser queimados, na maioria dos casos, até em forma de fuligem que se acumula no interior dos fogões, chaminés, em cima de telhados e sobre as paredes. Na comunidade Européia e no Canadá já há planos em execução, com datas limites, para controles e restrições do uso de fogões ineficientes. O controle é feito pela quantidade de fumaça que sai pela chaminé.

Nos fogões convencionais a câmara de combustão é horizontal, ou seja compridas e baixas, permitindo que a fumaça seja puxada pela chaminé saindo rapidamente de cima das chamas do fogo, portanto antes de ser queimada. Alguns fogões tradicionais com câmara horizontais são chamados de “sem fumaça” mas apenas porque são bem vedados, não emitindo fumaça dentro de casa, mas que emitem muita fumaça chaminé.

A baixa eficiência dos fogões também acaba por consequência aumentando o consumo de lenha. Quando boa parte do calor gerado é perdido ou mau aproveitado gasta-se mais lenha para compensar as perdas, ou apenas porque favorecem a colocação errônea da lenha dentro da câmara.

Soluções: câmara de combustão Rocket e isolamento térmico

A câmara de combustão Rocket possibilita a queima dos gases liberados na primeira fase da queima da lenha (pirólise). Ela é queimada como combustível economizando lenha, por isso não sai fumaça. E isso é possível por causa da sua câmara de combustão que é vertical. A câmara Rocket deve ter uma altura para as chamas e uma escape mínimo, suficiente para segurar a fumaça sobre a chama para que todo gás gerado seja queimado. Pela chaminé deverão sair apenas os gases não visíveis como o vapor d’água e o dióxido de carbono (matéria-prima para novas árvores). Quanto mais eficiente o fogão, mais calor e menos fumaça.

A porta de entrada da câmara rocket é feita para beneficiar duas ações: a entrada de ar aquecido por baixo da grade, que alimenta o fogo, e dá velocidade ao fluxo de ar no fogão, e entrada de lenha por cima da grade de uma forma que sé as pontas da lenha queimem e de vagar, economizando lenha.

Por último outro aspecto importante que promove a economia de lenha é isolamento bom isolamento térmico, para que toda a energia gerada seja adequadamente aproveitada. O principal isolamento é o da câmara de combustão. O isolamento das demais partes do fogão vai depender dos objetivos do fogão: aquecer água (serpentina), cozinhar, aquecimento do ambiente, etc. E por último o isolamento da chaminé favorece ao bom fluxo do ar, principalmente quando as temperaturas externas são muito baixas.

Para saber mais, leia o artigo 10 princípios de design de fogão a lenha (rocket stove) nos quais me basei para fazer o design desse fogão.

Razões para amar um fogão com câmara de combustão Rocket

1. Limpo – nenhuma emissão de fumaça dentro ou fora da casa;
2. Econômico – mais de 40% de economia de lenha em relação aos convencionais;
3. Poderoso – aquece rápido e alcança altas temperaturas;
4. Compacto – cabe em pequenas cozinhas e como parte de móveis planejados;
5. Fácil – de construir e operar.

Galeria de fotos do primeiro Fogão Setelombas

Essa é uma tradução dos princípios identificados e desenvolvidos por Larry Winiarski do Centro de Pesquisas Aprovecho.

Dei um nome para cada princípio para identificá-los melhor e fiz algumas considerações ao final de cada princípio (em itálico).

O desenho ao lado é o esquema de um típico fogão foguete (rocket stove) cortado ao meio para mostrar a estrutura de uma câmara vertical e suas medidas relativas.

Os princípios abaixo se referem a qualquer fogão a lenha eficiente.

1. Isolamento do fogo. Isole ao redor do fogo, utilizando materiais leves e resistentes ao calor. Materiais pesados como argila e refratários são resistentes porque conduzem bem o calor, e por isso mesmo não são isolantes. Materiais isolantes são leves principalmente porque são porosos (bolhas de ar). Pedra-pomes e vermiculite são exemplos de isolantes naturais.

   Os materiais isolantes são muito frágeis e não resistem à choques mecânicos. Em função disso é melhor construir a câmara com tijolos refratários e colocar isolantes ao redor dela.
   Uma maneira econômica e prática de isolar a câmara é encher de cinza de madeira nos espaços entre a parede de refratário da câmara e a parede externa do fogão.

2. Chaminé. Coloque uma chaminé curta e isolada logo acima do fogo para queimar a fumaça e dar velocidade ao fluxo dos gases.

   Nos fogões com chapa e bocas com redução dá pra usar esses dispositivos também para aquecer a panela mais rapidamente. As chaminés grandes, que levam os gases quentes pra rua, tem a mesma função de dar velocidade ao fluxo de ar.

3. Queima da Lenha. A entrada da lenha deve ser feita de modo que apenas a ponta da lenha entre na câmara para a queima. Quando a madeira aquece ela começa a liberar fumaça.

   Os fogões que possuem uma portinhola na fornalha para que a lenha fique toda dentro da câmara de combustão precisam ser muito mais eficientes para que a fumaça seja toda queimada e não escape.

4. Aquecimento. Ajuste a quantidade de gás e fogo de acordo com a necessidade de cozinhar (a madeira recebe calor e libera gás. O gás pega fogo e produz calor). Terá mais ou menos calor dependendo da quantidade de lenha colocada no fogo.

   Num fogão a lenha bem projetado esse deveria ser o único controle. Não precisaria de controles de entrada ou saída de ar. E um fogão sem forno ou com forno acima do nível da chapa dispensa inclusive o desviador de fluxo de ar (bypass).

5. Fluxo de Ar. Mantenha uma boa e rápida corrente de ar por meio da queima de combustível. Uma corrente de ar adequada irá ajudar a manter altas temperaturas em seu fogão. Como se ficasse soprando a brasa para torná-la mais quente. Um fogo quente é um fogo limpo.

6. Balanço do Fluxo. Pouca corrente de ar puxada para o fogo irá resultar em excesso de fumaça e carvão. Mas o excesso de ar apenas esfria o fogo e não é útil. Aberturas menores de acesso ao fogo ajudam a reduzir o excesso de ar. Melhorar a transferência de calor para a panela ou chapa é o fator mais importante que irá reduzir o consumo de combustível em um fogão de cozinha. Melhorar a eficiência de combustão reduz a poluição, mas é menos importante que tentar economizar lenha.

7. Área Transversal. Mantenha do mesmo tamanho a entrada da fornalha, os espaços ao redor do forno por onde flui o ar quente e a chaminé. Isso é feito para manter a área transversal constante e ajudar a manter um bom fluxo de ar em todo o fogão. Uma boa corrente de ar não só mantém o fogo quente mas também é essencial para que o calor criado pelo fogo possa ser efetivamente transferido para a panela. Mas o ar não carrega muito bem a energia do calor, por isso uma parte dela precisa ir pelos materiais do fogão, a fim de realizar a tarefa de aquecer a comida ou água.
   O tamanho das aberturas é maior em fogões mais potentes que queimam mais madeira e fazem mais calor. Mas como regra geral, uma abertura quadrada para o fogo de 12 x 12 cm, com uma chaminé e túneis no fogão do mesmo tamanho, irá resultar num fogo adequado pra cozinhar pra uma família. Fogões comerciais precisam de aberturas, túneis e chaminés maiores porque fornalhas maiores exigem mais ar.

8. Grelha. Use uma grelha sob o fogo. Não coloque a lenha no chão da câmara de combustão. O ar precisa passar sob a lenha, através do braseiro e chegar ao fogo. Um suporte (tipo uma prateleira) na abertura do fogão levanta a lenha para que o ar possa passar por debaixo deles. Ao queimar a lenha, é melhor tê-los juntos e espalhados na grelha, com um espaço de ar entre cada madeira. A lenha ardente mantem o fogo quente, cada chama reforçando a outra para queimar de forma mais completa. O ar que passa por cima da lenha não é tão útil, porque é mais frio e esfria o fogo. Um fogo quente é limpo, mas quando frio pode ser muito sujo.

9. Isolamento dos Canais. Isole o caminho do fluxo de calor. Cozinheiros tendem a gostar de fogão que ferve a água rapidamente. Isso pode ser especialmente importante no período da manhã, quando os membros da família precisam começar a trabalhar. Se o calor passa para dentro do corpo do forno, a panela ferve menos rapidamente. Por que aquecer cinquenta ou cem quilos de fogão todas as manhãs quando o resultado desejado é para aquecer um quilo de alimento ou um litro de água? Usando materiais isolantes no fogão mantém os gases de combustão quentes, de modo que eles podem mais eficazmente aquecer a panela ou a chapa de ferro. Isolantes são porosos e muito leves. A argila, areia e outros materiais densos não são isolantes. Materiais densos absorvem calor e retira do cozimento dos alimentos.

   No caso dos fogões com forno abaixo do nível da chapa, há um bypass que tem a função de desviar o fluxo de ar diretamente para a chaminé, nos primeiros 10 minutos de uso, para aquecer todo o ar no interior do fogão e impedir que a fumaça volte quando encontrar a massa de ar frio que fica embaixo do forno. Como o ar frio não sobe acaba impedindo o fluxo de ar. Mas outro uso do bypass está relacionado a esse princípio, deixando aberto como na posição de partida, não desperdiça energia aquecendo todo o fogão e o forno quando não usado.

10. Canais. Maximizar a transferência de calor para a panela com canais de tamanho adequado. Para aumentar a transferência de calor use pequenos canais rentes à chapa (ou panela). Os gases de combustão quentes do fogo são forçados através destes canais estreitos a passar raspando a chapa (ou panela). Se o canal é muito largo, a maior parte dos gases de combustão quentes ficarão no centro do canal e não transferirão o seu calor para a superfície de cozimento. Se os canais são muito estreitos, o fluxo de ar diminui, fazendo com que o fogo fique mais frio, gerando fumaça e menos calor para a panela.
    Ao projetar um fogão, é possível diminuir o canal ao lado da panela ou abaixo da chapa até que o fogo se torne “preguiçoso”. E, por “tentativa e erro”, ir aumentando o canal pouco a pouco até que o fogo fique quente e vigoroso.
    Os dois fatores mais importantes para a obtenção de grandes quantidades de calor em uma panela ou chapa são:
    1) manter os gases de combustão que tocam a panela ou chapa o mais quente possível;
    2) forçar os gases quentes para que raspem a superfície desejada, rapidamente e não lentamente. O ar não segura muito calor. Gases de combustão mais rápidos e quentes, raspando contra a panela ou chapa irá transferir muito mais calor do que um ar lento e frio.
    O tamanho do canal pode ser estimado, mantendo constante a área da secção transversal ao longo do forno. Ao utilizar uma chaminé externa que proporciona uma maior sucção do ar, as aberturas de canal podem ser menores.

Saiba mais lendo o artigo Fogão a lenha eficiente e sem fumaça (rocket stove) onde relato a minha experiência de fazer o design e construir um fogão com esses princípios.

Há muitas maneiras de construir um fogão a lenha eficiente e sem fumaça. Com diversos materiais como barro, pedras, alvenaria, chapas metálicas, etc. e com diversos métodos de construção e funcionais. Mas certamente os princípios do Rocket Stove estão entre os mais simples e replicáveis.

O design desse fogão foi feito com objetivos didáticos. O objetivo é incentivar a adoção dos princípios de design do “Rocket Stove”. Escolhi um modelo mais simples para focar na câmara de combustão que é seu principal elemento construtivo. Mesmo assim, além da câmara há detalhes bem cuidadosos que destaco a seguir para que se alguém resolver construir funcionará 100%.

Limpeza
Permitir e facilitar a limpeza do fogão a lenha é um dos desafios do design. Alguns detalhes construtivos para isso:
– Ao redor da chapa há um quadro metálico que funciona como suporte da chapa. Isso facilita levantar a chapa para a limpeza sem destruir as bordas do fogão e nem fugir os gases quentes do seu interior.
– A chaminé sobre a chapa também facilitar a limpeza permitindo que a sujeira, se houver, caia na área de limpeza da chapa.
– Na entrada da câmara pode ser usado um pequeno rastelo de madeira para empurrar os restos de cinza para que caia no cinzeiro.
– Na entrada de ar e de acesso ao cinzeiro para limpeza há uma chapa no fundo para facilitar a puxada da cinza. E uma pequena borda para o apoio por baixo de uma caixa onde as cinzas deverão cair.

Apoio frontal da lenha
Esse é um detalhe é bem importante e bem resolvido nos fogões a lenha tradicionais aqui do sul e nos fogões mineiros. Então tive que mudar a entrada de ar da parte de baixo da entrada de lenha para a lateral do fogão para permitir essa comodidade. Esse arranjo ficou ótimo também por dispensar mais uma peça metálica.

Desenhos
De um fogão a lenha com chapa quadrada e sem forno.

Vistas frontal, lateral e superior

Cortes com detalhes internos

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Princípios de design de fogões a lenha rocket
http://www.setelombas.com.br/2014/04/10-principios-de-design-de-fogao-a-lenha/

Construção e conceitos de um fogão a lenha rocket com forno
http://www.setelombas.com.br/2013/09/fogao-a-lenha-eficiente/