Comprender cómo quema la leña: los detalles técnicos
Etapa 1: La evaporación de la humedad, o lo que es lo mismo, “hacer que la maldita cosa encienda”
Si alguna vez ha intentado quemar leña húmeda o sin curar en su chimenea, sabrá lo frustrante que puede ser esta etapa. Reúne papel arrugado, astillas, un puñado de ramas más pequeñas y algún tipo de acelerador para encender un fuego, como ladrillos de inicio o encendedores (y NUNCA un bidón de gasolina o diésel, ¡en serio!). Enciende un fósforo (o probablemente 5 o 10 si somos honestos) ¡y allá va!
Desafortunadamente, ese estallido inicial de llamas inducidas por petróleo generalmente pasa a la etapa de "no hay humo sin fuego", donde cruzamos los dedos, soplamos hasta que vemos doble y esperamos desesperadamente que se encienda, jugueteando constantemente con los reguladores de la chimenea y las entradas de aire, porque seamos sinceros, ¿leímos realmente esas instrucciones de la estufa? ¿En serio? (Ok, soy solo yo).
De todos modos, si todo sale bien, llegamos a la etapa de evaporación de humedad de la combustión de la leña, donde en lugar de producir calor, el calor es absorbido a medida que el agua atrapada dentro de la madera se convierte en vapor y se elimina de la madera al ser evaporada.
Con frecuencia, los pirómanos observadores entre nosotros habrán notado este fenómeno en los extremos de las ramas más pequeñas, donde el agua justo debajo de la corteza se evapora y gotea humeando en el hogar.
Técnicamente, esta primera etapa de la combustión de la leña se basa en elevar la temperatura de la madera a $212$ grados Fahrenheit a medida que el agua en la madera comienza a hervir, luego se evapora.
Evaporation requiere mucha energía, lo que reduce drásticamente la producción de calor. Así que la primera regla para quemar leña en estufas o chimeneas es asegurarse de que su leña esté seca. El contenido máximo de humedad debe considerarse alrededor del rango del $15-20$ %, así que al elegir leña, tenga en cuenta la humedad, además del tipo de madera.
A diferencia de la humedad en los troncos empapados o sin curar, los gases volátiles son combustibles. Queman y liberan calor, que es lo que buscamos, a menos que tengamos unos salmones colgando en la chimenea o estemos encendiendo el ahumador. Así que, a medida que la temperatura de la superficie de la madera se eleva por encima de los $212$ °F hasta unos $450$ °F, se liberan gases abundantes en creosota: dióxido de carbono, monóxido de carbono y ácidos acético y fórmico.
Sin embargo, dado que estos gases generados en la primera etapa de la combustión no se encienden hasta que toda la humedad se evapora y la temperatura de las astillas es lo suficientemente alta como para encenderlos, esto conduce a niveles elevados del tipo de emisiones que realmente no queremos lanzar por la chimenea y gasear a los pájaros que pasan. Lo dijimos antes, pero lo diremos de nuevo: solo queme madera seca para obtener la máxima producción de calor.
Una vez que se completa este proceso de evaporación del exceso de humedad y la temperatura en nuestra estufa o chimenea aumenta, se pasa a la Etapa 2 de la combustión de la leña.
Etapa 2: La vaporización de compuestos de hidrocarburos, o 'combustión primaria'
En la Etapa 2 de la combustión de la leña todavía no estamos en la fase de producción de calor (quizás un poquito), ¡pero nos estamos acercando! En este punto, estamos por encima de los $500$ grados y las temperaturas están en aumento. La estructura química de la madera comienza a descomponerse y comienza el proceso de pirólisis. La pirólisis “libera gases orgánicos y deja carbón vegetal rico en carbono”.
Este proceso también crea una mezcla de hidrocarburos en forma de gotas de alquitrán líquido y gases combustibles, y profundizar en esta parte es muy complejo. En este punto tenemos vapores de hidrocarburos, monóxido de carbono, metano, vapor de agua, dióxido de carbono y una buena mezcla de otros vapores. Este es un punto de inflexión importante para la eficiencia de la estufa o chimenea, ya que las temperaturas continúan aumentando.
Después de que la humedad es expulsada de la madera y el calor eleva la temperatura de la madera por encima de los $540$ °F, tiene lugar la segunda etapa de la combustión. Esta es la etapa productora de calor. Ocurre en dos niveles de temperatura diferentes: combustión primaria y secundaria.
Combustión primaria:
El proceso por el cual se liberan y queman gases de la madera se llama combustión primaria. La combustión primaria comienza alrededor de $540$ °F, continúa hacia los $900$ °F y da como resultado la liberación de una gran cantidad de energía. La combustión primaria también libera grandes cantidades de gases combustibles sin quemar, incluidos metano y metanol, así como más ácido, vapor de agua y dióxidos de carbono, que son el potencial "mal" final de la ecuación.
Combustión secundaria:
Momento de concentrarse, amigos, estos gases, llamados gases secundarios, contienen hasta el $60$ por ciento del calor potencial de la madera, por lo que su combustión eficiente y optimizada es realmente importante para lograr una alta eficiencia de combustión general en una estufa o chimenea de leña. Los gases secundarios no se queman cerca de la madera debido a la falta de oxígeno (el oxígeno está siendo consumido por la combustión primaria) o a una temperatura insuficiente.
Las condiciones necesarias para quemar gases secundarios son suficiente oxígeno y temperaturas de al menos $1,100$ °F. El suministro de aire es un elemento crítico en el proceso de combustión aquí, por lo que el mantenimiento de quemadores, chimeneas o estufas de leña de alta eficiencia es esencial, ya que las fugas de aire debido a sellos de puerta mal ajustados o comprimidos impiden un control preciso del aire.
En pocas palabras, muy poco aire no soportará la combustión secundaria de gases y demasiado enfriará la temperatura hasta un punto en el que esta combustión secundaria no puede ocurrir.
Recuerde que el aire es aproximadamente $80$ por ciento gas inerte y, cuando se introduce en una estufa de leña, está muy por debajo de los $1,100$ °F necesarios para mantener la combustión secundaria. Cuanto más aire se mezcle con los gases secundarios, mayor será la cantidad de calor absorbido por el nitrógeno y menor será la temperatura de la mezcla de gas y aire secundarios.
La combustión secundaria puede ocurrir, y de hecho ocurre, en estufas y chimeneas de leña de alta eficiencia que están diseñadas para cumplir o superar los requisitos de la EPA para aire limpio, pero solo si la estufa se utiliza con leña seca y curada correctamente, se opera de manera consistente con su diseño y está conectada a un conducto de chimenea o tubo que funciona correctamente y está limpio.
Muchas personas no se dan cuenta de que la chimenea es el motor que impulsa su estufa o chimenea. Y si la chimenea o el tubo de la estufa no se especifican y construyen correctamente (dimensionados correctamente, con altura adecuada o si no retienen suficiente calor), entonces el tiro será inadecuado y la mejor estufa del mundo será una decepción en el mejor de los casos, y posiblemente incluso un peligro en el peor.
La combustión incompleta es un desperdicio y detiene el proceso en la producción de monóxido de carbono, lo cual es subóptimo, especialmente si la chimenea no tira lo suficiente y puede realimentar CO a la casa. Nuevamente, el equilibrio lo es todo en la combustión de la leña: calor y oxígeno en armonía para crear una eficiencia de quema óptima.
Etapa 3: Ignición y combustión del vapor de gas: el efecto de 'postquemador' de la combustión secundaria
Ahora que tenemos todos estos gases inflamables siendo producidos, para una máxima eficiencia al quemar leña y una contaminación mínima, lo que necesitan ahora es el logro y la retención de la temperatura umbral mínima para que ocurra la combustión del vapor de gas.
Debemos asumir que todos los componentes de lo que se llama el "triángulo del fuego" están presentes durante este proceso. El NFI (Instituto Nacional de la Chimenea) afirma que entre $540$ grados y $1,225$ grados es donde finalmente tenemos la combustión completa.
En este ciclo de combustión, el carbono es el primero en reaccionar con el oxígeno, produciendo monóxido de carbono potencialmente mortal, aunque curiosamente, más de la mitad del calor producido por el fuego en este momento proviene de la quema de hidrocarburos gaseosos y el propio monóxido de carbono.
Para que la combustión continúe, la temperatura debe permanecer típicamente por encima de los $1,100$ grados, ¡pero puede alcanzar los $2,000$ grados! Irónicamente, en esta etapa de combustión, nuestro viejo amigo el agua también se produce a medida que las moléculas de hidrógeno y oxígeno se combinan con las consiguientes grandes cantidades de vapor de agua que se encuentran en los gases de combustión.
Por lo tanto, es muy importante minimizar el potencial de condensación en el conducto de humos y que los materiales del tubo de la estufa sean resistentes a la oxidación y a la corrosión para una larga vida útil.
Etapa 4: Quema del carbón: el cálido resplandor de las brasas, perfecto para asar malvaviscos
Esta es la última etapa de la combustión, ya que los primeros tres procesos han dejado el carbono en el carbón vegetal como el único material combustible restante. Para que esto siga quemando, se necesita una temperatura superior a los $950$ grados para quemar este carbón vegetal rico en carbono, pero puede quemarse con poca o ninguna llama.
Cuando nota el sonido y el calor de las brasas que brillan al final de un fuego, ¡en realidad es el carbono quemándose en el carbón, que es la base de la fundición y producción tradicional de acero!
Para resumir las etapas de la combustión; el proceso de quema de leña es complejo ya que diferentes troncos se encuentran en diferentes etapas durante el desarrollo de un fuego. La conclusión es que, habiendo seleccionado la leña correcta, debe controlar con precisión la temperatura de quema y el nivel de oxígeno para optimizar el proceso de combustión.
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