Come funziona un camino

Come funziona un camino

Conoscere il funzionamento corretto del camino per gustarne meglio il suo fascino

Capire come funziona un camino significa principalmente capire come funziona
una canna fumaria: per questo rimandiamo subito alla lettura della sezione sulle canne fumarie,
come informazione propedeutica alla lettura degli argomenti seguenti

Testo di Annamaria Chiodo

Come funziona una canna fumaria
Se il caminetto aperto altro non è che una canna fumaria, è intuibile che non può essere considerato un semplice elemento d’arredo collocabile dove più si desideri ma, al contrario, un elemento strutturale che prevede, per la sua collocazione e garanzia di buon funzionamento, un intervento strutturale.
In sintesi, il caminetto è da concepirsi come un unico elemento che va dalla parte inferiore (piano del focolare) all’estremità esterna (comignolo). La sua realizzazione rientra nella progettazione dell’impiantistica di una casa, mentre il suo inserimento, in fasi successive alla realizzazione della stessa, prevede un intervento che merita un’attenzione progettuale pari a quella dedicata a una ristrutturazione.

Perché i camini ‘fanno fumo ’?

Il problema più ricorrente che si riscontra in un camino, o meglio nel suo malfunzionamento, è la presenza di fumo. Per cercare di comprendere al meglio e più semplicemente quali possono essere i fattori che lo generano è possibile affrontare il problema analizzandolo in tre parti: la canna fumaria, il focolare, il rapporto camino-ambiente (sistema
casa-camino).

La canna fumaria
La canna fumaria di una stufa svolge una funzione ben diversa rispetto a quella del caminetto. La stufa prevede uno sportello chiuso durante il suo funzionamento e la valvola di alimentazione consente un passaggio minimo d’aria, quello strettamente necessario alla combustione. In tal modo la temperatura nella stufa e nella canna fumaria è
molto alta e questo comporta un buon tiraggio che solo in particolari condizioni provoca un ritorno di fumi. Il caminetto, al contrario, è aperto e per la combustione interviene una quantità d’aria ben superiore a quella necessaria. Questo fa sì che i fumi siano molto più freddi e stabilire un buon tiraggio è ben più difficile. Nel caminetto la presenza
della valvola nella canna fumaria permette solo di limitare un eventuale tiraggio eccessivo che non genererebbe comunque fumo. La combustione può essere regolata dalla quantità di legna da aggiungere o sottrarre e questo non è per nulla semplice. Posto che la canna fumaria di un camino aperto ha un tiraggio medio che si aggira intorno
ai 10-20 Pascal, per evitare il ritorno di fumi bisognerebbe osservare alcuni semplici ma imprescindibili accorgimenti: la canna deve essere quanto più possibile verticale e priva di curve o cambiamenti di sezione, deve essere più alta del colmo del tetto e protetta da un comignolo antivento. La sua sezione deve essere adeguata e preferibilmente circolare.

Il focolare
La fuoriuscita dei fumi dipende principalmente dal buon funzionamento della canna fumaria, ma anche dalla forma interna del focolare tale da consentire il massimo scorrimento dei fumi impedendone la fuoriuscita. Per capire quale sia la forma più adatta del focolare bisogna far riferimento ai fenomeni legati alla termodinamica e all'aerodinamica,
riconducibili a tre categorie:
1. Il flusso dell’aria di combustione stabilisce il rateo di combustione, cioè la rapidità con cui essa avviene, determinando la temperatura dei fumi che è uno dei fattori che influenzano il tiraggio. Il flusso di combustione è condizionato dal genere di grata, dalla forma del caminetto e dalla sistemazione del letto di combustibile.
2. Il flusso di immissione di aria fredda, assieme ai gas generati dalla combustione, dà vita a un flusso misto il cui andamento, in assenza di una buona forma, dimensione e metodo di costruzione del camino, risulterebbe insufficiente generando l’inversione di tiraggio nonché l’emissione di fumo.
3. L’efficienza della combustione deve essere tale da ridurre la quantità dei residui incombusti nonché inquinanti così da sporcare meno le canne fumarie deteriorandone l’ambiente.

1. Il flusso dell’aria attraverso il letto di combustibile
La combustione di un solido è data dalla corrente d’aria che attraversa il letto di combustibile entrando in reazione con la sua superficie. Tale flusso può passare in tre diversi modi: solo dal basso; sia dal basso che da sopra; solo da sopra.
In generale, tale movimento è determinato dalla pressione esercitata dall’aria fredda sui gas caldi.
Se questi due gas sono separati dal letto di combustibile l’aria riesce a penetrare solo dal basso e in quantità limitata.

Questo camino, verniciato di rosso, che sembra fondersi con la parete, è stato realizzato su disegno dell’architetto
Valentino Galimberti per un appartamento in cui forme, materiali e soluzioni funzionali e tipologiche sono studiate
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Questo permette di poter controllare il flusso d'ingresso dell’aria regolando così la rapidità con cui avviene la combustione che sarà tanto più elevata quanto maggiore sarà la quantità d’aria in ingresso.
Secondo tale schema funziona, per esempio, una stufa o qualsiasi altra camera di combustione chiusa.
Se il flusso d’aria che attraversa il combustibile passa sia dal basso che da sopra, la quantità totale d’aria immessa nel sistema sarà maggiore ma quella che attraverserà il letto di combustione sarà una piccolissima parte.
A determinare il rateo di combustione sarà sempre la quantità di aria che passa da sotto in quanto gran parte di quella che si immette da sopra non partecipa al fenomeno. Per far sì che la quantità d’aria sia sufficientemente elevata interviene, in questo secondo caso, il buon funzionamento del tiraggio: più alta è la velocità dell’aria, maggiore sarà la quantità che attraverserà il combustibile e conseguentemente più elevato sarà il rateo di combustione.
Questo caso corrisponde al funzionamento di un camino aperto con una grata di appoggio per il combustibile sollevata dal fondo. Per aumentare la quantità d’aria che deve passare da sotto e limitare quella che si immette da sopra si può abbassare il limite superiore della bocca del camino o sollevare la griglia dal fondo. Se il combustibile non poggia su
una grata sollevata ma giace direttamente sul fondo, la quantità d’aria passa sopra. Ciò si verifica solo in presenza di un caminetto aperto. La quantità d’aria che interviene sul fuoco è utile al solo mantenimento della combustione rimpiazzando i gas che lasciano il letto di brace e non determina in alcun modo il rateo. Infatti, i combustibili ardono in una zona definita “morta” del tutto indifferente all’enorme quantità d’aria che passa sopra. In questo caso i fattori che determinano il rateo sono unicamente legati alla natura, al taglio, alla dimensione, alla sistemazione e alla temperatura del combustibile.
Tanto maggiore è la quantità di sostanze volatili rilasciate, tanto più rapida sarà la combustione.
In tali condizioni non è possibile intervenire sulla regolazione del rateo se non agendo materialmente sul combustibile. Risulta quindi evidente che accorgimenti, come aumentare o diminuire la bocca del camino o regolare il tiraggio della canna fumaria, non avrebbero alcun effetto sulla velocità della combustione.

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Alla luce di quanto descritto sinora, risulta interessante abbinare a ciascuno dei casi esposti il combustibile più adatto da impiegare e determinare se e in quale caso può essere utile la presenza di una valvola che regoli il flusso d’aria.

Nel primo e nel secondo caso l’aria, attraversando il letto di combustibile, consente di aumentare la superficie di contatto tra le braci e l’ossigeno senza che si abbia un’enorme dispersione di calore per irraggiamento e un conseguente eccessivo abbassamento della temperatura.
Nel primo caso possono essere utilizzati i carboni “pesanti” mentre nel secondo quelli “leggeri”. Nel terzo esempio, invece, è necessario che il combustibile non si disperda sulla superficie perché ciò comporterebbe una perdita eccessiva di calore, nonché un abbassamento della temperatura tale da ritenersi insufficiente a mantenere in vita la
combustione.
E per questo motivo che la legna, in questo caso, è il migliore se non l’unico possibile combustibile da impiegare.
Il buon funzionamento della valvola, teso a regolare la velocità della combustione, è proporzionale alla quantità d’aria che è costretta ad attraversare il letto di braci.
Questo spiega perché il suo impiego è molto utile nel primo esempio in quanto la diminuzione della sezione di uscita d’aria comporta sia un rallentamento del flusso che una minore ossigenazione del carbone riducendo, così, la combustione.

Qui a destra, una massiccia zattera di tronchi nel Columbia River (Canada, anno 1902), contenente l'intera produzione
annua di un campo.
Nella pagina a fianco: legna da ardere, proveniente da taglio di bosco naturale, la cui richiesta sul mercato è oggi
in ripresa causa gli alti costi dei combustibili fossili.

A Cogne, il focolare e il forno a legna invitano a degli spuntini con le specialità di montagna.

Economia forestale
L'esistenza di una economia forestale, che nella maggior parte del
mondo consiste in una economia a legna oppure in una economia a
bambù, è un dato fondamentale sia nei paesi in via di sviluppo che in
molte nazioni a clima temperato e freddo, sempre che dispongano di
ampie superfici forestali. Il legname e il legno da alberi e arbusti può
essere impiegato in un’innumerevole quantità di prodotti, che vanno da
quelli più inimmaginabili, prodotti dalla polpa di legno, come la cellulosa
della carta, il celluloide della pellicola fotografica, il cellophan, la
viscosa (un tessuto succedaneo della seta), fino ai più intuitivi utilizzi
in mobili, edifici, mezzi di trasporto oltre che per l'utilizzo energetico.

La combustione per ottenere energia termica è soltanto l'ultimo utilizzo di questo prodotto, che in nessun caso dovrebbe finire in discarica, dal momento che può fungere anche come fertilizzante. Il potenziale danno ambientale che una economia a legna può occasionare tende a essere minimo (problemi di danno alla biodiversità riguardanti la monocultura e la coltivazione intensiva di un particolare tipo di albero), e sotto il punto di vista della quantità di CO2 presente in atmosfera può affermarsi che le distese forestali provocano una lieve riduzione dell'anidride
carbonica e di conseguenza dell'effetto serra.

Ricostruzione di una "casa passiva" norvegese storica, con tetto in legno ricoperto d'erba, donata all'Islanda (foto scattata ad Hólar nell’anno 2006).

Nel secondo caso, invece, il suo utilizzo ha uno scarso risultato in quanto l’aria costretta ad attraversare il letto di combustione è una piccolissima parte rispetto a quella che passa sopra. Infine, nel terzo, il suo utilizzo è del tutto inutile in quanto la presenza dell’aria non ha alcun effetto sul rateo.

In conclusione, possiamo osservare che se il camino fa fumo la motivazione è riconducibile a uno scarso tiraggio.
Per migliorarlo è necessario o mantenere alta la temperatura dei fumi o aumentare il rateo di combustione. Per la prima ipotesi si ricorre all’utilizzo della valvola in quanto l’eccesso di aria di ventilazione raffredda enormemente i fumi provocando attrito in canna fumaria.
Chiudere la valvola permette di aumentare la temperatura dei fumi migliorando il tiraggio positivo, ma la sua presenza, tuttavia, non è sempre risolutiva e molto dipende anche dal tipo e dalla forma scelta.
Per aumentare il rateo, invece, in presenza di camini aperti, si può ricorrere alla sola scelta e sistemazione della legna.

Per esempio, i tagli più piccoli accelerano la combustione mentre quelli più grandi la rallentano, la legna secca scalda di più rispetto a quella verde. Questa seconda alternativa richiede un impegno costante oltre a un consumo di legna eccessivo. La cosa migliore da fare è realizzare un camino che abbia delle perdite di carico talmente basse da non richiedere un ottimo tiraggio per garantirne un buon funzionamento.

2. Il flusso dell’aria e dei fumi nel focolare
In un caminetto aerodinamicamente corretto, il flusso d’aria e i gas di combustione si muovono all’interno del sistema in maniera laminare. Gli strati più alti risaliranno verticalmente prima di aver raggiunto il combustibile che brucia in uno
spazio morto, mentre i fumi di combustione si muovono verticalmente lungo la parete di fondo del camino. La trasformazione del gas di combustione in fumo si ottiene attraverso la forte pressione che il flusso d’aria, proveniente dall’ambiente, esercita a una certa altezza sul combustibile. Tale pressione, invece, è bassa nella parte inferiore e sul
fuoco per lasciare spazio alla fiamma.
E interessante capire anche la velocità con la quale il flusso d’aria si muove alle diverse altezze. In generale possiamo affermare che essa aumenta notevolmente quando l’aria si immette nella bocca del focolare e da qui, nella gola, in cui si registra un incremento di velocità sei volte superiore a quello raggiunto alla bocca del camino. Quanto sinora descritto non si verifica nel caso in cui il caminetto presenta una gola o una canna fumaria molto ampia. In entrambi i casi la conseguenza è la diffusione di fumo nell’ambiente ma diverse sono le cause. Infatti, nel primo caso la temperatura e la velocità dei fumi sono basse a tal punto da provocare un ritorno parziale del flusso verso la bocca
del camino, mentre nella seconda ipotesi, una difforme temperatura e velocità provocano la separazione dei flussi: uno, caldo, sale lungo la parete di fondo, l’altro, freddo, scende dall’alto.
L’insieme provoca la diffusione di fumo.

A condizionare il buon funzionamento del camino contribuisce anche la forma della parte superiore della bocca. Quest’ultima dovrebbe essere arrotondata, in quanto si è dimostrato che una forma dotata di angoli acuti genera dei violenti vortici con conseguenti emissioni di fumo nell’ambiente. In tal caso, un eventuale restringimento della gola del
camino servirebbe a ben poco. Effetti ancor peggiori si verificano quando la parete esterna viene rifinita con un elemento sottile, collocato verticalmente o obliquamente verso l’esterno. Qui, infatti, i vortici prodotti sono tali da non poterne ridurre in alcun modo gli effetti.
E bene osservare che i camini di produzione italiana tralasciano questo aspetto attribuendo alla bocca del camino una forma alquanto squadrata.
A incidere negativamente sull’aerodinamica è anche la cosiddetta “camera dei fumi” con cui si indica un improvviso allargamento della sezione orizzontale della gola prima che i fumi si immettano nella canna fumaria.
Si generano dei vortici che comportano una diminuzione della spinta verticale provocando la formazione di fuliggini che si depositano in un punto impossibile da pulire.
Un ultimo aspetto da analizzare è l’inclinazione in avanti della parete di fondo del camino. In linea di principio questo accorgimento sembrerebbe corretto in quanto consentirebbe la diffusione nell’ambiente di quel flusso di aria calda che altrimenti si perderebbe lungo la canna fumaria. Si dimostra scientificamente che il rendimento che ne consegue sia da un punto di vista termico che aerodinamico è insufficiente.

In conclusione, affinché un camino funzioni al meglio, garantendo l’andamento laminare del flusso, è necessario che la sua forma preveda un restringimento graduale della sua sezione dalla bocca alla canna fumaria, in completa assenza di angoli acuti.

3. L’efficienza della combustione
Ci si interroga da tempo sugli effetti che l’utilizzo di una stufa o di un caminetto abbiano sull’ambiente. Affinché non vengano rilasciate sostanze inquinanti è necessario che si verifichi una combustione completa. Quest’ultima è determinata dalla presenza di tre fattori: combustibile, sufficiente quantità d’aria comburente e temperatura elevata.
In mancanza di ossigeno, la combustione rilascia ossido di carbonio, veleno molto inquinante. Questo è quanto accade, ad esempio, nel sistema della stufa. Qui la temperatura si conserva molto elevata, consentendo di bruciare più facilmente gli idrocarburi, sebbene alcuni vengano rilasciati incombusti per via di un forte tiraggio. Per cercare di limitare questo problema, si prevede una seconda immissione di aria, preriscaldata e ossigenata, che bruci ulteriormente e completamente i fumi. Tuttavia tale accorgimento fa sì che una piccola parte di ossido di carbonio venga comunque rilasciata.
In un caminetto aperto si verifica il fenomeno opposto a quello appena descritto. Qui, infatti, la presenza di molta aria consente una combustione tale da produrre un’esigua, se non nulla, quantità d’ossido di carbonio. L’eccesso d’aria raffredda la temperatura, impedendo una seconda combustione e lasciando che la maggior parte di idrocarburi pesanti rimangano incombusti.
Solo in presenza di un caminetto aerodinamicamente corretto, l'eccesso d’aria non si mescola con i flussi di combustione, i quali si mantengono ad una temperatura sufficientemente elevata da permettere l’avvio di una seconda combustione.
Perché la temperatura sia elevata e si conservi a lungo, è necessario che le pareti del focolare siano ben coibentate e quella di fondo realizzata in acciaio o ghisa.

Il sistema Casa-Camino
Il sistema casa-camino può essere interpretato come il sistema di comunicazione tra due vasi. Il caminetto aperto, anche da spento, mette in comunicazione l’interno della casa con l’esterno. La canna fumaria sarà in pressione o depressione rispetto a qualunque altro vaso, a prescindere dal fatto che ci sia in atto una combustione.
Una casa, per quanto ben coibentata e ben costruita, presenta sempre dei punti attraversati da correnti d’aria (falle) in entrata e in uscita, tali da determinare una differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno, trasformando così la casa stessa in un camino.

 

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