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Il Professor Cassitto ci guida nei segreti della buona combustione
L’ intensa radiazione della fiamma viva, il calore emanato da una combustione tranquilla, la più quieta emissione della brace, sono i più antichi strumenti usati dall’uomo per riscaldare il corpo e l’anima. Il fuoco di un camino fa compagnia, rompe la solitudine, da un aiuto immediato, ispira sicurezza. Dietro a questa immagine intima e rassicurante il camino nasconde complessi meccanismi di combustione e di trasmissione del calore che influenzano grandemente la sua efficienza.
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Prof. Ing. Lorenzo Cassitto, Professore ordinario di Fisica Tecnica e di Gestione delle Risorse Energetiche nel Territorio presso la Facoltà di Architettura del Politecnico di Milano. Libero professionista dal 1969 con attività professionale, didattica e di ricerca nei settori: Termodinamica, Trasmissione di calore e di massa, Energia e Territorio. Trasformazione e utilizzo di energia, cicli combinati, cogenerazione e teleriscaldamento. Impianti di condizionamento e riscaldamento, “building automation”. Risparmi e recuperi energetici, Microinquinanti dai fenomeni di combustione: identificazione e prevenzione.
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All’interno del camino avviene l’incontro fra combustibile (legna, carbone) e comburente (aria) che devono essere in corrette proporzioni perché la reazione chimica da cui scocca la fiamma e si genera calore, ossia la combustione, avvenga completamente. Poca aria la renderebbe incompleta, troppa aria la disturberebbe. Inoltre la legna e, in misura diversa, il carbone ha una componente volatile elevata. In essa cioè una parte della massa, per effetto del calore prodotto dalla stessa combustione, distilla, gassifica mentre l’altra rimane allo stato solido. È evidente che, rispetto alla combustione, le due componenti si comportano in modo diverso. La prima brucerà rapidamente – a volte, in presenza della giusta quantità d’aria, quasi rabbiosamente – al di sopra della legna stessa, l’altra si ossiderà più lentamente, a volte con una fiamma quasi stanca e bisognerà aver particolare cura, nel progettare il camino, per garantire all’aria percorsi che la portino a contatto di tutta la massa solida. La concezione del camino richiede pertanto, nella impostazione moderna così come ha richiesto nella intuizione antica, molta attenzione e una minuziosa conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che vi si svolgono. La distribuzione dell’aria di combustione è ovviamente alla base del buon funzionamento del camino e deve essere di due tipi. Li possiamo chiamare aria primaria – quella che alimenta dal basso la combustione e che attiva l’intero fenomeno – e aria secondaria, quella destinata in particolare a bruciare la frazione volatile del combustibile che può anche essere immessa al di sopra del braciere vero e proprio. La funzionalità del camino è inoltre tanto migliore quanto più la velocità dell’aria e dei prodotti della combustione è regolare e crescente, ciò che impone uno studio accurato dei percorsi dei fumi. Il meccanismo principale di scambio termico del camino è certamente l’irraggiamento cui si accompagna, come fenomeno indotto del movimento dell’aria circostante, la convezione termica. Irraggiamento è il più singolare dei meccanismi di trasmissione del calore. Per una delle leggi fondamentali del mondo fisico conosciuto, ogni corpo tende all’equilibrio – meccanico, termico, chimico coll’ambiente circostante. A temperatura diversa dallo zero assoluto, pari a zero gradi Kelvin (K) o a – 273,15 gradi centigradi (°C), ogni corpo emette energia termica in funzione delle sue caratteristiche superficiali e della sua temperatura assoluta (°C + 273,15) elevata alla quarta potenza, fino a raggiungere l’equilibrio suddetto. Di conseguenza lo scambio termico fra il camino e l’ambiente circostante è valutabile con la formula approssimata: Per questo l’emissione del camino è così intensa. Altri meccanismi di scambio avvengono in funzione della differenza delle semplici temperature alla prima potenza e non della differenza delle quarte potenze dei loro valori assoluti. Ciò spiega perché sul fondo dei camini che rallegrano le nostre case vengono poste lastre di materiali capaci di accumulare calore – in genere fusioni in ghisa con belle figure decorative, o in pietra o altro materiale di buone caratteristiche – e di cederlo poi lentamente, quando la fiamma si abbassa. In alcuni casi la struttura è fatta in modo che i fumi passino anche dietro alla piastra radiante per scaldarla meglio e più uniformemente, per non provocarle troppe sollecitazioni con un riscaldamento disomogeneo, e in definitiva per renderla più efficiente. La combustione della legna, ma anche del carbone, provoca fumo specie se il combustibile non è ben secco e di buona qualità. Ecco che il camino deve avere una efficiente canna fumaria – facilmente chiamata anch’essa camino – capace di produrre un buon “tiraggio”, di aspirare prontamente i prodotti della combustione, evitando che si diffondano nell’ambiente con sicuro disagio dei presenti e con un rapido deterioramento del fuoco. Un buon tiraggio richiama anche l’aria necessaria alla combustione, e di conseguenza, altra aria viene aspirata dall’esterno provocando un salutare ricambio nell’ambiente. Al proposito è necessario che esistano sufficienti aperture sulle pareti esterne, fori di aerazione di adeguate dimensioni o vecchi serramenti non proprio… stagni che consentano all’aria di entrare facilmente. Il movimento dell’aria lambisce anche le persone nell’ambiente, in particolare vicino al camino, incentivando il suo scambio di calore con esse, per convezione o, secondo l’origine latina del termine, per trasporto. Questo scambio avviene secondo il seguente modello matematico: Tutti questi fenomeni sono indotti dalla temperatura dei fumi, che, riscaldati dalla combustione, si dilatano e diventano più leggeri dell’aria, “galleggiano” su di essa. Il tiraggio è tanto maggiore quanto più è caldo il fumo e quanto maggiore è l’altezza del camino. Esso può anche essere eccessivo e richiamare troppa aria rispetto a quella necessaria ad una buona combustione. Quantità di legna, quantità d’aria, temperatura della fiamma sono, come già si è detto, fra loro strettamente correlate e per bilanciarle occorre anzitutto dare corrette dimensioni alla bocca del camino ed in particolare alle sue proporzioni – base per altezza – e far uso di una serranda con cui regolare la quantità di aria richiamata o di fumo scaricato. La combustione sarà a sua volta tanto più efficiente e completa quanto più l’aria di combustione, si è detto, avrà facilità di lambire la legna o il carbone. I camini moderni hanno sovente un braciere, in ferro battuto o altro, di adeguata altezza su cui porre il combustibile favorendo così il flusso dell’aria dal basso. Mio nonno, qualche decennio fa, poneva con una particolare cura i ceppi di legna sugli alari del camino secondo una regola magica – massima possibile vicinanza, minimo possibile contatto. È certo che, applicata bene, questa regola regge il confronto con i più moderni sistemi di aerazione forzata e fa bene allo spirito, allo spirito del camino. (Lorenzo Cassitto)
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Glossario
Trasmissione del calore, scambio termico: È il meccanismo grazie al quale il calore si trasmette da un corpo ad un altro per effetto della differenza di temperatura esistente fra di essi. Per il secondo principio della termodinamica la direzione del trasferimento va dalle temperature maggiori alle temperature minori.
Conduzione È il trasferimento di energia che avviene nei solidi in quiete per effetto della vibrazione delle molecole all’interno del reticolo che le unisce o nei liquidi e nei gas per effetto dello stato di agitazione molecolare. Essa dipende, tramite opportuni coefficienti, dalla differenza delle prime potenze delle temperature delle temperatura assolute.
Convezione È il trasferimento di energia fra una superficie solida e il liquido o il gas che la lambisce e rappresenta l’effetto combinato di conduzione e trasporto di massa. Essa dipende, tramite opportuni coefficienti, dalla differenza delle prime potenze delle temperature delle temperatura assolute. Irraggiamento (radiazione) È il trasferimento di energia che avviene mediante l’emissione di onde elettromagnetiche (o fotoni). Il fenomeno avviene senza bisogno di materia ed è massima nel vuoto. Esso dipende, tramite opportuni coefficienti, dalla differenza delle quarte potenze delle temperature assolute.
Tiraggio È l’effetto prodotto dalla differenza di temperatura fra i fumi all’interno del camino e l’aria esterna. È esprimibile con la formula: T = g . H . (r – r0) dove: g è l’accelerazione di gravità pari, al livello del mare, a 9,81 m/s2, H è l’altezza del camino in m, r è la densità dei fumi in kg/m3 e r0 è la densità dell’aria esterna in kg/m3, T è il tiraggio espresso in Pascal (Pa)
In alto lastra da camino in ghisa prodotta dalle Fonderie Viterbesi. La lavorazione artigianale permette di creare lastre di ogni forma e ogni misura, fino a raggiungere una dimensione massima di 140 x 140 cm. Nella foto, qui sopra, particolare della bocca del fuoco con gli indispensabili attrezzi da camino realizzati da L’Artistico.
Qc = a . (Tc-Ta) . A . t
a è il coefficiente di convezione, caratteristico di ciascun caso, espresso in W/m2.°C A è la superficie del corpo in m2 Tc e Ta sono rispettivamente la temperatura, in gradi centigradi del corpo della persona e dell’ambiente t il tempo, in secondi, considerato. Q è, invece, il calore scambiato in Joule (J).
Q = e . dn . [(Tc + 273,15)4 – (Ta + 273,15)4] . A . t
e e dn sono degli opportuni coefficienti (rispettivamente grado di nerezza equivalente dalla bocca del camino – compreso fra 0 e 1 – e costante di Stefan Boltzman pari a 5,67 10-8 W/m2 K), Tc e Ta sono le temperature del camino e dell’ambiente in gradi centigradi, A l’area della bocca del camino in m2 t il tempo considerato in secondi Q il calore scambiato in Joule (J)
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