In una casa di campagna non può certo mancare una stufa a legna o un caminetto. La legna non manca, basta tagliarla, ed il calore e l'atmosfera che crea un focolare è di gran lunga più piacevole di quanto possa dare un radiatore o un fan coil.
Perché una stufa a legna funzioni correttamente occorre una canna fumaria ben dimensionata che assicuri un buon tiraggio naturale. Nelle tipiche case contadine toscane, costituite da due piani, si può contare su di una altezza della canna fumaria che varia da 5 ad 8 metri a seconda del piano su cui è installata la stufa. Il compito della canna fumaria è di garantire l'evacuazioni dei fumi richiamando aria al focolare per la combustione. Il flusso dei fumi verso l'alto è dovuto alla minore densità di questi che tendono a salire perché più leggeri dell'aria esterna più fredda e pesante.
Applicando Bernoulli tra la sezione 1 (prima dell'ingresso nella caldaia) e 2 (al termine della canna fumaria) si ha che:
dove H è l'altezza della canna fumaria, γe e γf sono rispettivamente i pesi specifici dell'aria esterna e dei fumi v è la velocità ed α' rappresenta le perdite di carico per attrito ed altre resistenze. Si ha che:
dove γo = 1,3 kg/m3 è il peso specifico dell'aria a T = 273 °K, possiamo scrivere:
Da qui si vede che la differenza di pressione disponibile cresce all'aumentare dell'altezza H della canna fumaria e all'aumentare della differenza di temperatura tra i fumi e l'aria esterna. Su quest'ultima si può fare ben poco e comunque si può osservare che nelle giornate più miti le stufe funzionano peggio.
Se la temperatura dei fumi è di 200 °C e quella dell'aria esterna di 10 °C nel caso di altezza della canna fumaria di 8 metri si ottiene H (γe - γf) = 4 kg/m2 = 39 Pascal. Con 5 metri di canna fumaria, invece, ΔP = 2,5 kg/m2 = 24,7 Pascal che è comunque una differenza di pressione disponibile più che sufficiente (in genere basta che H (γe - γf) sia maggiore di 15 Pascal).
Le perdite possono essere espresse come:
dove λd sono le perdite distribuite (per attrito) dovute alla rugosità superficiale della canna fumaria mentre λl sono le perdite localizzate dovute ai raccordi della tubazione (giunti, gomiti, restringimenti, allargamenti, etc). Combinando le precedenti espressioni possiamo scrivere che
e da qui ricavare la velocità:
Si può notare che fissata l'altezza H ed il diametro D della canna fumaria e le temperature, la velocità dipende solo dagli attriti e dalle perdite localizzate. Maggiori sono le perdite e minore è la velocità dei fumi. Normalmente si impiegano canne fumarie in acciaio inox evitando brusche variazioni dello sviluppo della tubazione specie quando l'altezza H non è elevata. In questo modo si ottengono velocità che variano da 1 a 2 m/s.
Con v = 1 m/s e diametro D = 0,2 m la portata dei fumi è
Se teniamo conto che la combustione di un kg di legna produce circa 15 kg di fumi si ricava che quella portata permette di bruciare circa 5 kg di legna l'ora che è il consumo di una stufa di medie dimensioni.
Naturalmente, perché la combustione avvenga, bisogna garantire una congrua mandata d'aria proveniente dall'esterno. Questa è bene che sfoci vicino alla presa d'aria della stufa altrimenti l'ambiente verrebbe tagliato da un flusso di aria fredda poco confortevole per chi si trova nel mezzo. Naturalmente l'aria esterna può provenire anche da spifferi di porte e finestre che specie nelle vecchie case contadine non mancano. Nelle abitazioni più moderne con serramenti che sigillano meglio gli ambienti, la presa d'aria è invece indispensabile.
Perché una stufa a legna funzioni correttamente occorre una canna fumaria ben dimensionata che assicuri un buon tiraggio naturale. Nelle tipiche case contadine toscane, costituite da due piani, si può contare su di una altezza della canna fumaria che varia da 5 ad 8 metri a seconda del piano su cui è installata la stufa. Il compito della canna fumaria è di garantire l'evacuazioni dei fumi richiamando aria al focolare per la combustione. Il flusso dei fumi verso l'alto è dovuto alla minore densità di questi che tendono a salire perché più leggeri dell'aria esterna più fredda e pesante.
Applicando Bernoulli tra la sezione 1 (prima dell'ingresso nella caldaia) e 2 (al termine della canna fumaria) si ha che:
Pa + γe H = Pa + γf H + γf v2/2g + α'
dove H è l'altezza della canna fumaria, γe e γf sono rispettivamente i pesi specifici dell'aria esterna e dei fumi v è la velocità ed α' rappresenta le perdite di carico per attrito ed altre resistenze. Si ha che:
H (γe - γf) = γf ( v2/2g + α )
Il primo termine è la differenza di pressione disponibile alla base del condotto verticale.
Poiché per i gas vale la seguente relazione:
γ = γo 273/T
H (γe - γf) = 273 γo H (Tf - Te)/(Tf Te)
La temperatura dei fumi è normalmente attorno ai 200 °C. Temperature maggiori garantirebbero una maggiore spinta ascensionale ma anche una maggiore perdita di calore ed una efficienza minore della stufa che deve scaldare noi e non l'atmosfera. Temperature minori oltre a rendere meno efficacie l'evacuazione dei fumi potrebbero danneggiare la superficie della canna fumaria creando depositi ed eventuali fenomeni corrosivi per la presenza di sostanza incombuste.
Le perdite possono essere espresse come:
α = ( λd H/D + ∑ λl ) v2/2g
dove λd sono le perdite distribuite (per attrito) dovute alla rugosità superficiale della canna fumaria mentre λl sono le perdite localizzate dovute ai raccordi della tubazione (giunti, gomiti, restringimenti, allargamenti, etc). Combinando le precedenti espressioni possiamo scrivere che
273 γo H (Tf - Te)/(Tf Te) = γf ( 1 + λd H/D + ∑ λl ) v2/2g
e da qui ricavare la velocità:
v = [ ( 2g ΔT/Te H/(1 + λd H/D + ∑ λl ) ]0,5
Si può notare che fissata l'altezza H ed il diametro D della canna fumaria e le temperature, la velocità dipende solo dagli attriti e dalle perdite localizzate. Maggiori sono le perdite e minore è la velocità dei fumi. Normalmente si impiegano canne fumarie in acciaio inox evitando brusche variazioni dello sviluppo della tubazione specie quando l'altezza H non è elevata. In questo modo si ottengono velocità che variano da 1 a 2 m/s.
Con v = 1 m/s e diametro D = 0,2 m la portata dei fumi è
Qf = γf v π D2/4 = 84 kg/h
Se teniamo conto che la combustione di un kg di legna produce circa 15 kg di fumi si ricava che quella portata permette di bruciare circa 5 kg di legna l'ora che è il consumo di una stufa di medie dimensioni.
Naturalmente, perché la combustione avvenga, bisogna garantire una congrua mandata d'aria proveniente dall'esterno. Questa è bene che sfoci vicino alla presa d'aria della stufa altrimenti l'ambiente verrebbe tagliato da un flusso di aria fredda poco confortevole per chi si trova nel mezzo. Naturalmente l'aria esterna può provenire anche da spifferi di porte e finestre che specie nelle vecchie case contadine non mancano. Nelle abitazioni più moderne con serramenti che sigillano meglio gli ambienti, la presa d'aria è invece indispensabile.
