Come funziona una canna fumaria

Teoria del camino

Il funzionamento di un camino si basa sul principio dei vasi comunicanti.che prevede che un fluido contenuto in due o più vasi.comunicanti tra loro.tende ad assumere e conservare lo stesso livello.posto che abbia la stessa densità.in ogni vaso. E’.in effetti.un’applicazione del principio di gravità.

Anche l’aria è un fluido.che possiede una massa.e quindi un peso. Come per tutti i gas.il peso dell’aria è funzione della sua densità; cioè della quantità di materia per unità di volume. In altre parole: più un gas è "rarefatto".minore sarà la sua quantità per unità di volume (poniamo: un metro cubo).minore sarà la sua densità.minore sarà il peso di quel metro cubo. Consideriamo infine che la densità di un fluido è anche funzione della sua temperatura: tanto maggiore la temperatura.tanto minore la densità.

Osservando il disegno a sinistra.si immaginino due camini."A" e "B".di identica altezza.posti in comunicazione tra di loro.alla base.da un tratto orizzontale.munito al centro di una saracinesca che li separi.

Alla temperatura ambiente.le due colonne d’aria contenute nei camini.avranno la stessa densità.e quindi lo stesso peso: saranno perciò in equilibrio statico.

Se però provvediamo.alla base della colonna A.a fornire calore.la temperatura della colonna d’aria contenuta in A comincerà a salire. L’aumento della temperatura.accelerando il moto delle molecole del gas.provocherà una sua espansione; una parte dei gas sarà espulsa dalla sommità del camino.mentre la parte restante all’interno diminuirà la sua densità.e di conseguenza diventerà più leggera.

A questo punto.aprendo la saracinesca e mettendo in comunicazione le due colonne.rompiamo l’equilibrio statico tra di loro. L’aria contenuta nella colonna A.meno densa.e quindi più leggera.tenderà ad essere espulsa dalla sommità del camino dall’aria contenuta nella colonna B.che.essendo più fredda. e quindi più densa e più pesante.per gravità tenderà a prenderne il posto.per ristabilire l’equilibrio.

A contatto con la fonte di calore.però.l’aria fredda proveniente dalla colonna B aumenterà di temperatura.e divenuta anch’essa più leggera.verrà spinta verso l’alto dalla sempre nuova aria che sopraggiunge: l’unione delle due colonne più il calore continuo.determinano il funzionamento continuo del sistema.

Il camino in pratica

Adattiamo adesso questo modello teorico alla realtà. La colonna "A" è il nostro camino; la stufa è la fonte di calore.munita di una saracinesca che è la presa d’aria.mentre la colonna "B" è costituita semplicemente dall’aria esterna: il principio dei vasi comunicanti vale qualunque sia la loro sezione; possiamo dunque prendere in considerazione un "vaso" avente per base anche l’intera superficie terrestre.ed una altezza pari a quella del nostro camino.

Gli strati di aria atmosferica posti oltre lo sbocco del camino possono essere ignorati.poiché esercitano una identica pressione su entrambi i vasi.

Quando accendiamo la stufa.i fumi caldi prodotti dalla combustione si espandono in virtù della loro alta temperatura.il volume di gas contenuto nel camino diminuisce di densità.e l’aria esterna più pesante tende a prenderne il posto.passando attraverso la stufa.

In questo modo viene anche fornito ossigeno alla combustione. che può proseguire finché non esaurisce il combustibile. Continuando a fornire combustibile.si può far proseguire indefinitamente il processo.

Una cosa che bisogna tenere presente in questo schema.è che le differenze di pressione in gioco sono minime: un camino si considera in buon "tiraggio" quando la differenza tra la pressione atmosferica esterna e la minore pressione interna (o.come comunemente si dice.la depressione ) è compresa tra i 10 ed i 20 Pascal.cioè tra 0,1 e 0,2 millibar.cioè ancora.tra 1 e 2 decimillesimi della normale pressione atmosferica! L’equilibrio di funzionamento di un camino è dunque delicato. ed è influenzato da molteplici fattori che rendono ragione dello "strano" comportamento dei camini.

L’aria calda contenuta nel camino si muove lentamente.ad una velocità di pochi metri al secondo (per lo più 1.5-2 ms).sospinta dall’aria esterna.la cui pressione deve vincerne l’inerzia. Pareti rugose che provocano attrito.strozzature che creano turbolenze.improvvisi cambiamenti di direzione. come curve secche.costituiscono gravi ostacoli al movimento dei fumi.

I camini sembrano soffrire delle condizioni atmosferiche perché i cambiamenti meteorologici sono sempre accompagnati da variazioni di pressione atmosferica: nelle belle giornate.l’alta pressione atmosferica favorisce il funzionamento del camino; nelle giornate piovose.invece.la bassa pressione atmosferica ne rende il compito più faticoso.
Le giornate fredde.aumentando la differenza di temperatura tra i fumi interni al camino e l’aria esterna.favoriscono il tiraggio; le giornate calde lo rendono più difficile.

Aumentare l’altezza del camino rende più facile il "tiraggio". perché in questo modo si induce un uguale innalzamento della colonna d’aria esterna.che così diventa in totale più pesante: se la differenza iniziale di pressione tra le due colonne è troppo bassa.per ogni frazione di altezza aggiunta.si aggiunge una frazione di differenza di peso in più.finché la somma di queste frazioni crea una differenza di pressione totale sufficiente a mettere in movimento la colonna d’aria più leggera.

Una canna fumaria con molte curve e tratti orizzontali o inclinati. aumenta la propria lunghezza senza aumentare la propria altezza: ne consegue che la quantità di aria in essa contenuta.anche se più leggera dell’aria esterna.può avere un peso complessivo eccedente la capacità di spinta della corrispondente colonna d’aria esterna. Per questo le curve ed i tratti orizzontali. se indispensabili.vanno compensati con un prolungamento del tratto verticale del camino.
Un impianto posto al livello del mare avrà in generale bisogno di una canna fumaria più corta di un impianto posto in alta montagna.perché con l’altitudine la pressione atmosferica diminuisce.

La massa dei fumi

In un impianto reale.una delle principali difficoltà è la presenza di una notevole massa di fumi.
Il calore necessario al funzionamento del sistema è fornito dalla combustione della legna. Durante la combustione gli idrocarburi contenuti nella legna allo stato solido si trasformano in gas; la legna contiene anche una certa percentuale di acqua. che si trasforma in vapore.

Di conseguenza.a valle della camera di combustione.vi sarà una quantità di gas.sprigionati dalla trasformazione della legna.molto maggiore che a monte.dove è presente solo aria atmosferica. Per di più.questi gas sono.in media.più pesanti dell’aria. Un metro cubo di aria a 0 °C al livello del mare pesa circa 1,3 Kg..mentre.ad esempio.un metro cubo di Anidride Carbonica.inevitabile residuo della combustione.nelle stesse condizioni pesa circa 1,9 Kg. Tutto questo aumenta l’inerzia della massa di gas presente nel camino e rende importante la sezione della canna fumaria.che deve essere tale da consentire lo smaltimento della massa dei fumi.specie nei focolari aperti o negli inserti da caminetto.quando sono usati aperti. Se la sezione del camino è troppo piccola.può essere necessario innalzarla di molto per assicurare un tiraggio sufficiente allo smaltimento dei fumi.