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Las estufas a leña y el concepto de campana

Esquema de estufa de masa con campana

La campana y su utilización en las estufas rusas, Rocket BBR y Gymse

Las estufas a leña de masa están compuestas de un núcleo de combustión que tiene el propósito de quemar la madera de forma eficiente, y de un sistema de recuperación del calor, cuyo objetivo es transmitir el calor de los gases a la casa.

En Argentina, existen principalmente tres familias de estufas de masa: las llamadas estufas rusas, que no son realmente lo que su nombre indica, sino un dispositivo creado por el INTA en los años 80, las estufas Rocket en sus variantes Jota, Ele y BBR, y la familia de estufas Gymse, creadas por el danés Lars Helbro.

Estas estufas se diferencian en muchas cosas, pero en este artículo hablaremos solamente de su forma de extraer el calor generado en la combustión.

Principalmente, las estrategias para extraer calor son dos: la extracción por conductos y la extracción por campana. Las estufas tipo rusa y muchas rockets jota suelen utilizar una estrategia de extracción por conductos, mientras que las Gymse y algunas BBR utilizan campanas.

Pero, ¿a que nos referimos cuando hablamos de campanas?. En este artículo nos proponemos explicarlo.

El principio

Hace unos 3300 años, durante la dinastía Shang, los chinos inventaron el “horno de dragón” basado en el principio de las campanas. Este es el mismo principio que reutilizamos en nuestras estufas de masa para extraer el calor de los humos de la combustión de la madera.

Esquema de un horno "dragón" de alfarería chino funcionando bajo el principio de las campanas
Esquema de un horno “dragón” de alfarería chino funcionando bajo el principio de las campanas
Foto de un horno dragón realizado en Japón con campanas en serie
Foto de un horno dragón realizado en Japón con campanas en serie. Fuente : The Self-Reliant Potter: Refractories and Kilns, Henrik Norsker, 1987, p. 58 et 50. et wikimedia.org

El principio de las campanas se concilia por analogía con el agua: en un lago el agua fluye lentamente. Esto da tiempo para estratificar la temperatura en capas. El agua más fría está abajo, por lo tanto si bombearamos con una tubería desde el fondo del lago, obtendríamos el agua más fría.

Por el contrario, en un conducto el flujo es más rápido y el camino más tortuoso: todo se mezcla y solo se puede extraer agua a una temperatura promedio.

La idea de las campanas es llevar los gases rápidos y turbulentos desde el núcleo de calentamiento (el agua del conducto) a un espacio grande (el lago) para que los gases se desaceleren lo suficiente como para estratificarlos naturalmente por capas de temperatura: los gases calientes en la parte superior y los gases fríos en la parte inferior.

Por lo tanto, haciendo una abertura en la parte inferior de la campana, siempre obtenemos el gas más frío. Estos son los gases de evacuación que serán expulsados por la chimenea.

Esquema de una estufa de masa por chicanas
Esquema de una estufa de masa por conductos (Nota del traductor: en Argentina, un ejemplo de estos sistemas es la estufa desarrollada por el Inta, generalmente llamada “Estufa Rusa”). Esquema realizado por G. Stephens, asociación UZUME.

Esquema de una estufa de masa utilizando el principio de campana.
Esquema de una estufa de masa utilizando el principio de campana. Esquema realizado por G. Stephens, asociación UZUME.

Otra manera de aprender el sistema de campana:

  1. Al contacto con los ladrillos, los gases ceden el calor y se enfrían.
  2. A causa de la estratificación, cuando los gases más se enfrían, más descienden por la campana.
  3. Cuando están los suficientemente fríos, alcanzan el nivel de la salida ubicada en la parte inferior de la campana.
  4. La chimenea de escape los arrastra al exterior de la casa.

Por lo tanto, cuanto más en contacto estén los gases con una superficie importante de ladrillos, más fríos estarán al salir. Puedes tener toda esta superficie en una sola campana, o en una seria de campanas pequeñas, como en el horno “dragón”. En nuestras estufas utilizamos principalmente una campana en serie con un banco caliente que es lo mismo que una campana.

Las ventajas de las campanas

El sistema de campana proviene de los hornos de ladrillos. Es muy utilizado por una razón precisa: dentro de una campana, los gases descienden hacia la salida utilizando todos los caminos posibles de manera uniforme. Las temperaturas, por lo tanto, son uniformes en cada capa de nivel dentro de una campana. La parte superior de la campana siempre está más caliente, y a medida que baja más disminuye la temperatura.

En las estufas de masa, la utilización del sistema de campana permite:

  • Evitar los “puntos calientes”. La temperatura es uniforme por capa de nivel, por lo que la mapostería está menos exigida.
  • Reducir la fricción que realentiza los gases y obliga a utilizar chimeneas con un fuerte tiraje.
  • Una gran variedad de formas posibles, que nos permite hacer bancos de calefacción de formas muy originales.
  • El interior de las estufas es un gran espacio vacío excelente para colocar un horno.

Utilizando el principio de campanas en las estufas Gymse

Lars Helbro, el creador de las estufas Gymse, logró repartir la masa térmica de sus estufas no solo en una segunda piel alrededor del fuego, sino en los bancos de masa asociados, que funcionan como grandes campanas paralelas. Estos bancos son la batería energética de las estufas, y su correcto funcionamiento depende de la ubicación de un paso de entrada de gas caliente y otro paso de salida de gas frío.

A continuación, algunos ejemplos de estufas Gymse con bancos campana construidas por el equipo de Masa Térmica:

La Dragona de Rincón de Lobos
La Dragona de Rincón de Lobos. El banco sobre la izquierda de la imagen es una gran campana
Estufa Gymse con banco campana abierto
El banco campana de una Gymse MT en construcción. Se pueden apreciar los dos pasos de gases, uno superior para el acceso de gases calientes, y uno inferior para la salida de gases fríos
Estufa Gymse con horno blanco y recirculadores de aire caliente
Un banco campana con respaldo también acampanado en una estufa con horno blanco y dos conductos recirculadores de aire caliente hacia otra habitación (rejillas negras)

¿Horno blanco? ¿Horno negro?

Las estufas de masa también son herramientas de cocina muy prácticas. El horno está caliente durante toda la temporada de calefacción. Durante un fuego, y después de él, el horno está a su temperatura máxima. Luego la temperatura del horno disminuye gradualmente hasta el próximo fuego. No ajustamos la temperatura del horno: esperamos a que el horno alcance la temperatura adecuada para hornear el plato.

Esquema de una estufa de masa equipada con un horno blanco.
Esquema de una estufa de masa equipada con un horno blanco. Esquema realizado por G. Stephens, asociación UZUME.
Estufa de masa con horno negro
La misma estufa, pero equipada con un horno negro.
Esquema realizado por G. Stephens, asociación UZUME.

En una estufa de masa, dos tipos de horno son posibles:

  • En un horno negro los gases calientes están en contacto directo con los platos de cocina (o las pizas, los panes, etc..). El horno se pone “negro” porque el hollin (carbón) se deposita allí. Las temperaturas máximas alcanzadas son del orden de los 500°C.
  • En un horno blanco los gases están en contacto con las paredes externas del horno. La parte interna del horno permanece “blanca” porque ningún hollín se deposita allí. Las temperaturas máximas alcanzadas son del orden de los 350°C.

Las ventajas principales de un horno negro son la simpleza de implementación, la utilización de la puerta del horno negro como boca de verificación y, finalmente, la vista de las llamas:

El dimensionamiento de las campanas

Mientras los gases calientes liberados por la combustión de la madera entren más en contacto con superficies frías, más se enfriarán estos gases. El calor intenso de los gases es captado, absorbido por las paredes de la estufa, que irradiará este calor lentamente y durante un largo período de tiempo.

El objetivo es que los gases salgan por la chimenea de evacuación a una temperatura promedio de 70°C (Nota del traductor: en el artículo original proponen 150°). Vale informar que la temperatura de salida de los gases en las chimeneas industriales está aproximadamente en el orden de los 140°C.

A veces, la carrera de los rendimientos nos lleva a intentar capturar todas las calorías posibles. Sin embargo, una estufa con un 80% de rendimiento total que funciona vale mil veces más que una estufa de 90% de rendimiento total que devuelve humo indeseado al interior de la casa cada dos por tres.

Nota del traductor: con un atajo o bypass se soluciona el incoveniente y las estufas ya no devuelven humo al interior de la casa. La temperatura estabilizada en 70° en la chimenea de salida es posible precalentando dicha salida durante el encendido en frío. Menos de 70° sí será, inevitablemente, un problema.

Por experimentación, hemos encontrado un vínculo de proporcionalidad entre las superficies internas “absorbentes” de una estufa y el núcleo de calor.

Calculo de la ISA

ISA es una sigla en inglés que significa Area de superficie Interna. Cabe aclarar que no todas las paredes internas de una estufa absorben el calor. Por lo tanto, en la ISA de una estufa de campana, no contamos:

  • Las paredes aisladas desde el interior o construidas de un material aislante;
  • Las partes bajas de los conductos de gases.

Por el contrario, sí contamos:

  • Las paredes internas hechas de un material no aislante con las cuales los humos están en contacto durante el descenso hacia la base de la chimenea de escape;
  • Caso especial: un cálculo de la mitad de las paredes de la chimenea de escape si no está hecha de un material aislante. En efecto, los gases suben por la chimenea de escape, lo que hace que no carguen tanto calor como si estuvieran descendiendo.

Una campana puede ser de ladrillo o metal, esto no afecta la superficie de la campana correspondiente.

Las reglas de construcción de las campanas

En la práctica, cuatro reglas básicas hacen posible la construcción de campanas:

  • Cada tamaño de Batchrocket corresponde a una cierta superficie de campana que debe respetarse para que los gases salgan a la temperatura correcta. Esta es la ISA del párrafo anterior. Para una determinada Batchrocket, cuando mayor sea el ISA, más fríos saldrán los gases. ¡Mejor salir demasiado caliente que demasiado frío! (Nota del traductor: verdadero, aunque mejor aún es salir con la temperatura justa. Una salida demasiado caliente acelera la circulación y, por lo tanto, expulsa calor útil a la atmósfera).
  • La primer superficie en ser vista por los gases que salen de la chimenea interna (casi siempre la cara interna de la parte superior de la estufa) debe medir al menos 5 veces la sección de la chimenea interna y debe estar al menos 30 cm por encima de la salida de la chimenea interna Por ejemplo, para una Batchrocket donde la chimenea interna mide 20cm de diámetro, la sección es de aproximadamente 314cm2 (Nota del traductor: Pi*radio2, es decir, [3,14*(10*10)]), por lo que la superficie de la parte superior de la estufa, lado interior, debe ser de al menos 5 x 314cm2 = 1.570cm2. Esto corresponde a un cuadrado de aproximadamente 40cm x 40cm.
  • Cuando los gases van derecho, la sección de la tubería debe ser mayor o igual que la sección del sistema. La única excepción se produce en las partes de la estufa donde los gases están en un conducto vertical ascendente. En este caso, la sección de la tubería puede ser más pequeña que la sección del sistema.
  • Siempre que los gases cambien de dirección, la sección de la tubería debe ser mayor o igual a 1.5 o 2 veces la sección del sistema. Mínimo 1,5 cuando doblan a 90° y mínimo 2 cuando doblan a 180°.
    Estos cambios de dirección se encuentran en la base de la chimenea de evacuación, con cada cambio de campana y en los bancos de calefacción.

Por lo demás, las formas casi no tienen importancia en relación a las campanas.

Dimensionando una campana

Ya tenemos la sección mínima que debe tener nuestra campana, pero… ¿cual es el máximo?. En el caso de las BBR, algunas personas ya se tomaron el trabajo de experimentar al respecto, y llegaron a los siguientes resultados:

Diámetro de la chimenea internaISA de la campana
12,5 cm3.7 m²
15 cm5,3 m²
17,5 cm7,2 m²
20 cm9,4 m²
22,5 cm11,4 m²
25 cm14,7 m²
Tabla con equivalencias aproximadas de diámetro de torreta y superficie de campana en una BBR

Para más información sobre este asunto y sobre estufas BBR en general, visitar https://batchrocket.eu/es/construccion

En el caso de las estufas Gymse no contamos con estos datos aún, pero por el momento sabemos que, a grandes rasgos, podemos construirlas con tranquilidad con bancos campana de hasta un máximo de 5 metros por 40 cm

El rendimiento de los acumuladores

Una campana es un acumulador de calor. Su propósito es extraer el calor de los gases y liberarlo después lentamente.

Para aquellos que ya han construido su estufa y quieren saber su rendimiento, aquí hay un gráfico que relaciona la temperatura promedio de los gases en la chimenea y la eficiencia de extracción del acumulador.

¡Atención, este gráfico solo es válido para un fuego activo en una estufa de masa! Para una estufa de hierro, por ejemplo, los rendimientos deben ser subestimados.

Las hipótesis de calculo de este gráfico son las siguientes:

  • Calidad de la combustión : 500 ppm de CO promedio
  • Exceso de aire: 13 % de O2 promedio (fuego activo)
  • La energía latente de vaporización del agua (rendimiento PCI) no se tiene en cuenta
  • Basado en el método CONDAR de la MHA
Gráfico que ilustra la relación entre la temperatura de la chimenea y el rendimiento de la extracción del calor

Horizontal: temperatura promedio de los humos en la chimenea. Vertical: el rendimiento de la extracción correspondiente.
Fuente : UZUME

Por ejemplo, una estufa Batchrocket donde los gases salen a 150°C en promedio tiene un rendimiento de extracción de un 89%.

El rendimiento global de una estufa está dado por la fórmula:

Rendimiento total = rendimiento de extracción x rendimiento de combustión.

El rendimiento de combustión de una Batchrocket durante un fuego activo es de 98%. En nuestro ejemplo, el rendimiento total es, por lo tanto, 89 x 0,98 = 87%.

Artículo original publicado en uzume.fr

Traducido del francés y adaptado por Carlos Ponticelli para Masa Térmica

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