8 nov. 2013

Diseñando una estufa de leña de doble combustión sencilla, cómoda y eficiente: Entendiendo el proceso de combustión de la madera (3)

Imagen: Hergóm 
Para buscar un diseño óptimo en una estufa, debemos analizar y conocer el proceso de la combustión de la madera; variables implicadas, fases, procesos de cada fase, mejores condiciones de combustión, etc, un tema de sobra estudiado por los ingenieros y que engloba conocimientos de diversas materias: Termodinámica, dinámica de fluídos, dinámica química, características mecánicas y térmicas de los diversos materiales, etc.

A la hora de diseñar una estufa casera, segura de construir y sencilla, nos encontramos con el siguiente dilema:
A mayor rendimiento de la estufa, mayor complejidad de la misma.
No obstante debemos buscar un diseño comprometido con el rendimiento y la sencillez y facilidad de construcción que se adapte a las necesidades generales en la combustión de madera, y nuestro objetivo debe ser ése, para posteriormente ir aplicando mejoras (también fáciles de aplicar si es posible) que puedan incrementar el rendimiento.



Combustión Lenta con Doble Cámara

Una estufa con doble combustión posee una doble cámara de combustión con suministro dosificado y controlado de aire secundario precalentado. Con esta segunda cámara se logra realizar una combustión lo más completa posible, reduciendo la emisión de gases y partículas no quemadas.
La tecnología mas avanzada que actualmente se comercializa, corresponde a modelos de combustión lenta de doble cámara que permite garantizar una post-combustión. Con este tipo de tecnología se logra reducir considerablemente los niveles de emisiones a la atmósfera.
Detalles de una estufa con doble cámara:
Cada cámara debería tener su propio ingreso de aire (T1>T2).
En la 1a cámara se ingresa los leños. La llama es de color amarillo (unos 600oC).
En la 2a cámara los gases de la primera se queman con llama azul (800/1000oC).
Diseño Eficiente de estufa de doble cámara (fuente)
Para garantizar una completa post-combustión de los gases de la descomposición térmica de la madera, en esta segunda cámara el calefactor debe poseer un diseño óptimo que mezcle correctamente los gases en combustión con el oxigeno del aire primario y secundario.
Además, esta mezcla debe estar a una temperatura mayor a la de ignición y debe garantizarse un tiempo de permanencia en esa fase adecuado para que la reacción se desarrolle completamente. La sola instalación de una doble cámara en una estufa de combustión lenta no asegura que se logren estas condiciones de tiempo, temperatura y turbulencia para garantizar una completa combustión (regla de las 3 T.).

Si nos fijamos en las estufas comerciales "de gasificación" de alto rendimiento, en la segunda cámara de combustión, construída con materiales que aguanten altas temperaturas (hasta 1600ºC), es una fase lo suficientemente larga, con un diseño que favorece la turbulencia y mezcla de gases primarios, donde se inyecta de forma regulada aire precalentado por el primario y sobre todo el secundario. Algunas de ellas controlan la salida de gases con una sonda lambda para regular la aportación adecuada de oxígeno y velocidad de la combustión.
Para entender mejor todo el proceso, debemos analizar los sucesos químicos implicados.


Analizando el proceso de la combustión de la madera
Etapas de la combustión de leña
La leña no es un combustible homogéneo como el petróleo o el gas natural. En comparación a combustibles líquidos y gaseosos, el proceso de combustión de la madera es un proceso complejo donde se identifican varias fases de reacción:

1) Secado de la leña:
Para que el combustible empiece a quemarse, es necesario aplicar calor y elevar la temperatura del mismo hasta el punto de ignición (cada material según sus características tendrá una temperatura diferente de ignición espontánea) en presencia del oxígeno necesario para la combustión. 
La madera se compone principalmente de carbono (celulosa), y al quemarse combinándose con el oxígeno produce el peligroso CO2 que es eliminado por la chimenea.

Cuando un trozo de madera alcanza el punto de ignición, este trozo de madera reacciona químicamente con el oxígeno liberando calor (en forma de radiación y gases calientes) y luz, y parte de ese calor que libera es aplicado a los trozos contiguos, alcanzando asimismo el punto de ignición y repitiéndose el proceso, extendiendo la llama lentamente.

La madera también tiene una proporción de agua; inicialmente la superficie exterior de leña recibe calor por radiación de las llamas, calentando el agua contenida en la madera por encima de su punto de evaporación. En este momento se inicia el proceso de secado, liberando la humedad en forma de vapor de agua. Este proceso de secado consume una fracción importante de la energía liberada en el proceso de combustión. Mientras mayor sea el contenido de agua inicial, una mayor cantidad de energía se consumirá en este proceso de secado y mas lento se torna la primera etapa de calentamiento de la leña, y más ineficiente es la combustión con el consiguiente incremento de emisiones nocivas, en definitiva la diferencia entre “leña seca” y “leña verde” o recién cortada.
En caso de que la madera esté muy húmeda y la combustión no se produzca adecuadamente, en el humo tendremos, además de agua, presencia de alquitranes que tenderán a acumularse en las superficies frías como la chimenea. Si conseguimos una combustión casi perfecta (>90%), no habrá material que pueda acumularse o se producirá en muy pequeñas cantidades.
Es muy recomendable guardar la leña del invierno siguiente en un lugar fresco y seco con ventilación al menos 12 meses antes de su uso.

2) Gasificación y oxidación de la materia volátil:
Al calentarse la madera seca por encima del punto de ebullición del agua, se inicia la segunda fase de pirólisis con la liberación de la materia volátil. En esta etapa, la leña comienza a humear. El humo es el resultado visible de la descomposición térmica de la madera y se compone principalmente de una nube de gotitas combustibles de gases e hidrocarburos (alquitrán).
Estos se oxidan sólo bajo altas temperaturas y si además existe presencia de suficiente oxigeno.
Este proceso de combustión con liberación de calor produce llamas largas y brillantes, que son características de la combustión de la leña seca.
C1H1,4O0,66 + 1,04O2 -> CO2 + 0,7 H2O + Energia
Si la materia volátil no se quema por completo al interior del fogón, se emitirán gases no quemados, que condensaran sobre las paredes frías de los ductos de evacuación, formando los depósitos de creosota. También estos compuestos no quemados serán emitidos posteriormente como humo de color visible con una fuerte contaminación atmosférica en el área. El humo además representa una pérdida de eficiencia, porque contiene una gran parte de la energía presente en la madera.

3) Quemado del carbón residual:
Al liberarse completamente la materia volátil de la madera, permanece como producto residual el carbón sólido junto a la ceniza no combustible. Este compuesto sólido equivale al carbón de madera y se caracteriza por su combustión superficial con un resplandor rojo y llama muy pequeña o ausencia de llama, generando una alta temperatura entre 600 y 1.000 ºC. El carbón es un combustible limpio que se quema fácilmente con presencia de suficiente oxígeno sin generar humos.
En la práctica, las tres fases de combustión de madera anteriormente descritas ocurren simultáneamente. Esto significa que los gases de la materia volátil pueden estar quemándose con largas llamas mientras que sobre la superficie del combustible el carbón se quema con el característico resplandor rojo y el agua en el centro de la leña se evapora lentamente.
Para lograr una combustión completa de los productos de la descomposición térmica de la madera se requieren las siguientes condiciones que se resumen en la regla 3Ts conocida por los especialistas en combustión; temperatura (entre 600 y 1000ºC), tiempo (>0,5 segundos) y turbulencia (para asegurarnos que se mezclan bien los gases con el oxígeno).

Teniendo en cuenta estas premisas, buscaremos un diseño con materiales económicos y accesibles localmente; próximamente os comentaré los detalles de las primeras pruebas.

Fuentes:

10 comentarios:

  1. Una gran explicación, me ha encantado la frase "A mayor rendimiento de la estufa, mayor complejidad de la misma.", eso es algo que muchas personas no entienden cuando ven la diferencia entre los precios que hay en algunas estufas

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  2. Hola mi nombre es Iván Blasco y soy parte del hackspade de Bilbao (Bilbao Makers), en Bilbao Makers estamos investigando como construir una y nos gustaria colaborar con tigo en el diseño y la fabricación, si quieres o necesitas algo (dibujar planos, medir, programar arduinos o probar con diferentes modelos,) el mail de bilbaomakers es +++info.bilbaomakers+++@+++gmail.com+++sin los simbolos del mas espero concerte e investigar sobre este tema

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  3. he estado estudiando el tema pero lo que no tengo claro es en la segunda etapa de combustión los gases arden ,o se vuelven a quemar.

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    1. En la segunda etapa, los humos, que son gases e hidrocarburos sin quemar, combustionan al elevarse su temperatura y oxigenarles. Esto funciona mejor si a la segunda etapa llega alguna llama procedente de la primera etapa para facilitar la post-combustión.

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  4. Hola David y seguidores del blog. Muchas gracias por este espacio y los comentarios que tanto nos enriquecen a todos.
    He llegado aquí navegando por la red para recoger ideas de como hacer un hogar para la chimenea convencional, de una casa antigua de granito. La chimenea, además hace de muro de carga de la misma y no puede modificarse... el problema es que la ventana de la chimenea es de dimensiones reducidas, unos 50 centímetros de ancho (creo recordar que las medidas estandar son de 70??) y como ya digo no se debería tocar ya que hace de muro de carga. Como tengo herramientas y medios para soldar etc, pensé hacer mi propio hogar a medida con chapa hierros etc... y, una cosa lleva a la otra y ya me estoy planteando hacerlo bien y de doble cámara como se plantea en esta blog.
    Como no soy ingeniero y no se nada de las tres T, casi siempre realizo los proyectos mediante el sistema error-aprender-corregir, y así es como quería acometer este proyecto, claro está.... con algunas ideas básicas como las que exponéis aquí.
    Uno de los primeros tropiezos a la hora de diseñar el "insertable", es el cristal templado que hay que poner, he buscado en mi zona y en la red repuestos de cristal para hogares o estufas y no he encontrado ningún sitio esto me lleva a la primera pregunta.
    ¿conocéis algún sitio que comercialicen cristales de diferentes tamaños para las estufas?
    como no tengo ni idea de las características que deben tener los cristales.... 2ª pregunta
    si coloco un cristal de un repuesto de horno de gas convencional, ¿aguantará la temperatura o reventará en mil pedazos? igual es un absurdo pero se me había ocurrido que podría ser una solución barata y accesible.
    Muchas gracias de antemano
    Alberto desde Madrid

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  5. Hola Alberto, en el grupo "fans de las chapuzas en casa" en facebook se habló del tema, creo que tienes una empresa cerca que hasta te lo manda a casa:
    https://www.facebook.com/login.php?next=http%3A%2F%2Fwww.facebook.com%2Fhome.php%3Ffilter%3Dapp_2361831622#/group.php?gid=195005902447&ref=nf

    Por otro lado, creo que si usas un cristal templado, siempre que no le den las llamas directamente y dejes unos milímetros de dilatación a los lados, te podría valer. Saludos y suerte!

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  6. Encontré un sitio donde lo cortan a medida y te lo envían a casa. Es un sitio en Francia pero debe tener alguna delegación en España.. Si no es muy grande no sale mal de precio.
    http://www.cristal-vitroceramico-chimenea.es/modele_verre_vitre_insert_cheminee.php
    miro la url que me mandaste muchas gracia.

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  7. Saludos, soy nuevo por estos lares pero me guardo esta página en marcadores y espero visitarla de vez en cuando. Quiero comprarme un insertable que se adapte a las medidas de mi hogar y quiero consultar antes de comprarlo cuál de estos es mejor: Insertable Issa
    Azur 50 ó Insertable C-4 pintado doble combustión. Ambos se pueden consultar y ver en la página web http://www.itrisa.com Necesito urgentemente un consejo puesto que voy a comprarlo este sábado. Saludos.

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    1. Aprovecha la oferta del C-4 de Hergóm, es un chollo por 895€+IVA, con la garantía de una gran marca y lo último en aprovechamiento de leña:
      http://www.itrisa.com/insertables/insertable.asp?IDPROD=1216

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    2. También la tienes aquí por un precio ligeramente superior y envío gratuíto: http://www.proiner.com/hergom/chimeneas-lena/cassette/hergom/insertable-de-lena-hergom-c-4/70-doble-combustion.html

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