¿Cuánto calor de un fuego realmente calienta su hogar?

¡Esta es una pregunta tan complicada! La peor parte es que a medida que el calor sale de la chimenea, extrae aire de la habitación con él, aire que debe ser reemplazado desde el exterior. En realidad, esto hace que los incendios sean bastante buenos como sistemas de ventilación.

El hecho de que un incendio caliente un edificio depende en gran medida del grado en que el aire frío pueda fluir a través de las partes calentadas por el fuego. Esto hace que una estufa de leña (olla de metal "en la habitación" con un pequeño tubo que sale) sea mucho más eficiente que un hogar. Pero en muchos casos, una chimenea puede tener otros mecanismos para mejorar la transferencia de calor, por ejemplo, con conductos que corren a lo largo de la chimenea y que aspiran y calientan el aire frío de la habitación.

Medir esto es bastante complicado. Supongo que comienza midiendo la temperatura del efluente en el punto de la chimenea que aún está dentro de la casa (el aire puede enfriarse más cuando se aleja, pero eso solo calienta la chimenea externa y calienta la casa). También necesita la tasa de flujo del aire; esto le permitirá estimar el "calor que sale por la chimenea" (suponga que la temperatura exterior es la temperatura inicial porque está aspirando aire exterior). Luego, para una chimenea que está en la pared exterior, mida la temperatura de la pared exterior (termómetro IR sin contacto) y haga suposiciones razonables sobre el factor h del aire que fluye a través de la pared y el transporte de calor. No me preocuparía por los ladrillos de la chimenea y su capacidad calorífica, en el estado estacionario que ni gana ni pierde energía.

Finalmente, mida la cantidad de madera que quema por hora y utilícelo para estimar el calor neto que ingresa; esto le permite estimar la cantidad de calor que ingresa a la casa. También puede medir qué tan caliente se calienta la casa con el fuego (nuevamente use el estado estacionario) y ver qué tipo de calentador (eléctrico) necesitaría para el mismo efecto.

Tenga en cuenta que una chimenea es más efectiva como calentador radiante: se sienta o se para cerca y se siente cálido, aunque la habitación esté bastante fría.

Como dije, este es un problema realmente difícil.

Esta es una excelente pregunta, pero no se responde fácilmente, como se analiza en la Respuesta de Floris .

Aquí hay una puñalada de cómo obtener una estimación de la eficiencia. Es el método que creo que es razonablemente exacto: los valores reales tendrán que ser refinados mediante mediciones experimentales: no estoy demasiado seguro de los números reales que se obtienen debido a la alta sensibilidad del cálculo a las variables utilizadas (en particular, el cuarto influencia de potencia de la temperatura de la llama).

Para un hogar abierto , parecería razonable asumir que la mayor parte de la transferencia de calor a la habitación es a través de la radiación ; esto lo hará sentir cálido y también calentará las cosas en la habitación, lo que luego elevará la temperatura por conducción y convección. Esto se debe a que, como se discutió en la Respuesta de Floris , el fuego atrae una gran cantidad de aire. La chimenea y la forma del hogar se eligen de modo que el calor del fuego genere una corriente de aire considerable a través del fuego y hacia arriba de la chimenea para mantener el fuego ardiendo vigorosamente y esto limitaría severamente la convección/conducción.

A partir de aquí , obtengo una temperatura de llama para quemar madera de aproximadamente$1300{\rm K}$( es decir $1027{\rm ^o C}$). De aquí saco un$\Delta H$para quemar madera de aproximadamente$15{\rm MJ \,kg^{-1}}$. Asumir que podemos quemar$50{\rm kg}$de madera durante una hora para dar un área de llama de$\frac{1}{2}{\rm m^2}$.

Entonces, la salida de calor total ($\Delta H$) por segundo es$50\times 15\times 10^6/3600\approx 208{\rm kW}$.

La potencia radiante total, de la ley de Stefan Boltzmann es del orden de$\frac{1}{2}\times\sigma\,T^4$(con un$\frac{1}{2}{\rm m^2}$área de la llama vista desde la habitación), es decir $\frac{1}{2}\times 5.7\times 10^{-8}\times 1300^4\approx 81{\rm kW}$.

Así que se estima que nuestra eficiencia aquí está en el rango de decenas de porcentaje. No creo que sea tan alto como el$30\%$implícito aquí. Esperaba que la respuesta fuera minúscula, del orden de$1\%$. Soy escéptico sobre esta respuesta exacta, pero creo que podría obtener una buena estimación de su método usando experimentos para medir la tasa de combustión de madera (mediría esto durante muchas horas para obtener una buena estimación de la tasa), un pirómetro para sondear la temperatura de la llama y la uniformidad de la temperatura y quizás algún procesamiento de imagen ad hoc de un video del fuego para estimar el área radiante. Incluso podría hacer algo de pirometría rudimentaria con un video en color, usando un pirómetro de laboratorio para ayudarlo a calibrar su medición. Con base en este cálculo, estimaría entre$10\%$y$30\%$eficiencia. Como dije, esto es mucho mejor de lo que pensaba. Sin embargo, necesitaría experimentar para refinar este método: tenga en cuenta la muy alta sensibilidad del cálculo a las variables utilizadas, particularmente la temperatura de la llama (que tiene una influencia de cuarta potencia).

Para una estufa de leña cerrada, puede ver que la situación sería mucho más complicada. El horno de reverberación del interior eleva la carcasa de la estufa a cierta temperatura: varios cientos de grados centígrados, que luego calientan la habitación por convección, conducción y radiación. Me atrevo a decir que existen especificaciones y estándares de eficiencia de hornos de calefacción que le permitirán estimar la temperatura de la estufa y su potencia de salida.

La respuesta es que depende del tipo de chimenea que tengas. Una chimenea de ladrillo ordinaria que consiste en una chimenea que ventila directamente hacia arriba y hacia el exterior tiene una eficiencia muy baja. La corriente de aire generada por el fuego extrae aire caliente de la casa y la mayor parte del calor viaja directamente hacia arriba.

Hay varios tipos de chimeneas que intentan abordar específicamente este problema. Estos son realmente menos chimeneas y más estufas de leña. Sin embargo, a veces conservan algunas de las características de una chimenea normal, como una chimenea de ladrillos, ladrillos para retener el calor y un hogar. Por lo general, hay varias características para aumentar la eficiencia, como deflectores para redirigir el flujo de aire en la unidad para permitir una mayor transferencia de calor y varios materiales, como esteatita, para absorber y retener el calor.

He visto una cifra del 5 al 10 % citada como la eficiencia de una chimenea clásica, con un máximo de alrededor del 20 % si se utilizan puertas de chimenea de vidrio. No sé si estas cifras son calculadas o medidas. Esto excluye el calor perdido por la necesidad de extraer aire caliente de la habitación para ventilar los gases de escape. La EPA proporciona cifras que sugieren que las estufas de leña generalmente se encuentran en el rango del 60-70%.

Teniendo en cuenta lo anterior, hay muchas cosas que afectan la eficiencia. Por ejemplo, la combustión incompleta reduce la eficiencia: la presencia de humo visible indica una combustión incompleta y, por lo tanto, parte del combustible sube por la chimenea. El tipo de madera quemada afecta la eficiencia, porque diferentes maderas tienen diferentes temperaturas de llama y esto tiene efectos no lineales. Lo que se necesita es maximizar la diferencia de temperatura entre los gases de escape por encima de la llama y la temperatura de escape cuando se alcanza la parte aislada de la chimenea. Sin embargo, dado que las chimeneas dependen de una corriente de aire natural inducida por la diferencia de temperatura para atraer aire hacia la chimenea, esta diferencia de temperatura no puede ser demasiado baja, o el humo no subirá por la chimenea.