L'ABC della combustione

Utilizzare la legna per scaldare gli ambienti è anche una scelta di vita, specialmente se non lo si è mai fatto in precedenza, e si è abituati a regolare la temperatura attraverso l'utilizzo di un termostato. La scelta di utilizzare la legna come fonte di riscaldamento della propria abitazione, è quindi inevitabilmente legata ad altre attività come ad esempio il reperimento, l'aquisto, il taglio, l'immagazzinamento della legna stessa, ma anche il fatto di accendere e governare un fuoco e l'operazione di disfarsi delle ceneri. Questi sono tutti compiti che si dovrà imparare ad amare, perché diventeranno parte della vita quotidiana. Conoscere il legno come combustibile è indispensabile per poter ottenere buoni risultati dalla propria stufa, ed è per questo che vi proponiamo questo approfondimento.

LA COMBUSTIONE DEL LEGNO

Il legno è un magazzino di energia solare. Le foglie degli alberi agiscono come piccoli pannelli solari che assorbono l'energia irraggiata dal sole, utilizzandola per convertire acqua, anidride carbonica e minerali in materia organica, il legno. Accendere un fuoco di legna significa liberare questa energia.

Due cose sono necessarie perché il legno possa bruciare: ossigeno ed alta temperatura. Affinché la combustione all'interno di una stufa possa avvenire, il legno deve mantenere alta la temperatura interna e disporre di ossigeno sufficiente per consumare quanta più legna e gas possibile.

La combustione del legno passa attraverso tre fasi distinte:

1. L'umidità evapora dal legno per azione della temperatura creatasi. La percentuale di umidità dipende dal tipo di legno e dal suo livello di essicazione. Poiché parte del calore prodotto dal fuoco è impiegata nella sua evaporazione, è molto più conveniente, ed anche meno inquinante, usare legno essicato (max 20% di umidità) piuttosto che legname verde, ovvero tagliato da poco tempo (50% o più di umidità). Questa fase è completa quando il legno raggiunge la temperatura di 100° C (Punto di ebollizione dell'acqua)
2. Aumentando la temperatura, il legno si decompone in gas volatili e carbone. Il legno prende fuoco ad una temperatura compresa tra i 260° C ed i 315° C, bruciando la carbonella ed una piccola percentuale dei gas. La maggior parte dei gas, comunque, sfuggirà per il camino, a meno che la temperatura nella stufa sia sufficientemente alta da bruciarli.
3. I gas e il carbone bruciano. Il carbone comincia a bruciare emettendo calore tra i 540° C ed i 705° C, riducendosi in cenere. In questa fase si produce la maggior parte del calore sfruttabile. I gas volatili prendono fuoco tra i 600° C ed i 650° C, purché abbiano sufficiente ossigeno. I gas di rado raggiungono questa temperatura, a meno che non siano in qualche modo confinati e dirottati verso la fiamma, od in un area della camera di fuoco dove questa temperatura sia stata raggiunta.

Il potere calorifico del legno

Il potere calorico interno del legno viene generalmente espresso in Kcal/Kg e rappresenta la quantità di calore sprigionata dalla completa combustione di un chilogrammo di legna. Il potere calorico dipende fortemente dalla qualità del legno e dal suo tasso di umidità. In media, si possono ottenere i seguenti valori per Kg. di legno anidro: Frondoso 4.300 Kcal/Kg, Resinoso 4.600 Kcal/Kg. A fronte di uguale peso, i legnami resinosi hanno dunque un potere calorico superiore agli altri legni. Questa diversità è compensata da una maggiore densità dei legni frondosi.

L'aria in eccesso

Come tutti i combustibili, la legna ha bisogno di una certa quantità di aria (circa 5 m³ di aria per kg) per bruciare completamente. Poiché però il legno è un combustibile solido, e si miscela con difficoltà con l'aria, è necessario fornire una quantità di aria in eccesso (fino ad un totale di 8 m³ per kg) per essere certi che la combustione avvenga regolarmente. Tale aria in eccesso, naturalmente, non viene in realtà bruciata, e viene espulsa dalla canna fumaria, trascinando con sé, però, una parte del calore prodotto. Questo è uno dei motivi per cui il rendimento del legno come combustibile è inferiore a quello di combustibili gassosi, come il metano, o vaporizzabili, come il gasolio, che miscelandosi intimamente con l'aria, non necessitanto dell'ossigeno in eccesso. Soltanto in stufe molto sofisticate si riesce ad ottenere la gasificazione della legna, con ed un rendimento altissimo.

Nei camini aperti la quantità d'aria aspirata è in tale eccesso (un camino con una bocca da 1 m x 1 m può aspirare sino a 300 m³ d'aria l'ora) che la maggior parte del calore prodotto dalla combustione viene sprecata. Nelle stufe, la possibilità di regolare, col registro dell'aria, la quantità di ossigeno fornito, consente di ridurre questo spreco al minimo.

I residui della combustione

Il legno, qualunque sia la sua origine, è costituito da una parte organica combustibile (la cui composizione chimica media è Carbone 50%, Ossigeno 42,5%, Idrogeno 6,5%, Azoto 1%), da una parte minerale inerte, e dall'acqua. Le sostanze organiche, cioè le resine, i tannini, ed i polimeri (cellulosa, emicellulosa e lignina), per azione della ossidazione ad alta temperatura durante la combustione, subiscono delle profonde modificazioni chimiche, liberando energia e producendo dei residui che, a seconda della qualità della combustione, possono variare entro certi limiti. I principali residui sono:

• Le ceneri costituiscono dal 2 al 3% della massa anidra del legno e sono il residuo della sua parte minerale (silicio, calcio, magnesio, potassio, acido fosforico, etc.) Costituiscono un eccellente fertilizzante, e possono essere utilizzate ottimamente anche come detergente per i vetri ad alta resistenza termica delle stufe e degli inserti per caminetti. In effetti, un tempo erano utilizzate come costituente di saponi artigianali.
• Ossidi di Azoto. Le alte temperature favoriscono l'unione tra le molecole d'ossigeno e di azoto presenti nell'aria. La loro produzione non dipende dunque dal tipo di combustibile impiegato, e non può essere del tutto eliminata, ma solo ridotta dal controllo dell'aria comburente.
• Ossidi di Zolfo. Lo zolfo è presente in quantità minime nella legna, di più in combustibili fossili, come carbone e gasolio. L'anidride solforosa, mescolandosi col vapore acqueo di condensa soprattutto in canne fumarie mal isolate, produce piccole quantità di acido solforico, che è tra i responsabili del precoce deterioramento dei camini. Insieme con gli ossidi di azoto, gli ossidi di zolfo sono i principali responsabili delle piogge acide.
• Ossidi di carbonio. Costituiscono la massa principale dei gas di risulta della combustione. Il monossido di carbonio si produce sulla superficie della legna come primo risultato della combustione, e brucia poi ad anidride carbonica (Biossido di carbonio) per successiva ossigenazione. Se dunque la combustione avviene in carenza di ossigeno, essa non si arresta completamente, ma procede producendo monossido, anziché biossido, che è il risultato naturale di una combustione corretta. Questo processo, oltre ad essere antieconomico, poiché riduce di molto la potenza termica ottenibile, è anche molto pericoloso perché il monossido di carbonio è un potente veleno, in virtù della sua affinità con la emoglobina del sangue. È un gas insidioso, inodore ed incolore, avvertibile solo dai sintomi che produce: mal di testa, vertigini, sonnolenza, poi il coma e la morte. L'intossicazione si cura iperossigenando in camera iperbarica, ma un intossicazione avanzata può comunque lasciare conseguenze. Poiché è di lenta metabolizzazione, l'intossicazione può avvenire per accumulazione di esposizioni successive al gas in locali infestati avvenute anche ad intervalli di tempo. Gli incidenti d'intossicazione da monossido di carbonio provocati da apparecchi di riscaldamento a legna sono molto rari, e sono generalmente dovuti al cattivo stato della canna fumaria, più che della stufa. Invece gli apparecchi a combustibile a gas, sono più frequentemente soggetti ad incidenti, ma anche in questo caso la responsabilità è comunque quasi sempre da attribuire alla mancata manutenzione od alla cattiva progettazione della canna fumaria. Un impianto ben progettato, realizzato con prodotti di qualità e mano d'opera esperta, è assolutamente sicuro.
• L'anidride carbonica (Biossido di carbonio) si forma per ossigenazione del monossido di carbonio, ed è un gas innocuo, la cui produzione è implicata dal processo stesso della combustione, la quale si dice completa proprio quando ogni molecola di carbonio del combustibile si lega con una molecola di ossigeno presente nell'aria comburente per produrre anidride carbonica. Questo processo completo libera la maggior parte dell'energia prodotta dalla combustione. È un gas fondamentale per la vita delle piante, che ne assorbono il carbonio, liberando l'ossigeno nell'aria. Non può dunque essere considerato di per sé un gas inquinante.
• Idrocarburi incombusti. Le molecole che costituiscono la parte organica del legno sono estremamente stabili: occorre un'alta temperatura per spezzarle ossidandole, come abbiamo visto descrivendo la terza fase della combustione della legna. Nei caminetti aperti o nelle stufe di cattiva qualità, questa terza fase della combustione non avviene, con conseguente formazione di creosoti. I creosoti sono idrocarburi aromatici e poliaromatici fortemente ossigenati e costituiscono buona parte della condensa che si forma nelle canne fumarie per cattiva combustione. Mescolati alla fuliggine, formano delle incrostazioni nelle canne fumarie, specie dei camini tradizionali, che possono essere causa, se non periodicamente rimosse, di pericolosi incendi. I creosoti si formano soprattutto quando la temperatura dei fumi nella canna fumaria è bassa. Questo consente alla condensa di aderire alle pareti. Bruciatori a legna che inviano nel camino fumi molto caldi non produrranno molte incrostazioni, perché la temperatura all'interno della canna è troppo alta per consentire la formazione di depositi, anche se i creosoti sono presenti nei gas. Il creosoto si addensa più facilmente nelle parti più fredde della canna; nella maggior parte delle installazioni questo avviene nel tratto terminale. Le canne fumarie in acciaio hanno meno problemi con i creosoti di quelle in muratura, sia per le pareti interne più lisce, sia perché la loro maggiore espansione e contrazione in seguito alle variazioni di temperatura tende a fratturare i depositi di creosoti, provocando il loro distacco e ricaduta nel fuoco.
• La fuliggine è un altro risultato della combustione incompleta. È costituita fondamentalmente da carbone puro (98%). Assorbe facilmente la condensa dei creosoti, fissandola alle pareti della canna fumaria.
• La condensa si forma facilmente bruciando legna verde in impianti dotati di canne fumarie non ben coibentate. La prima fase della condensa è costituita soprattutto dal vapore acqueo risultato della rapida essiccazione della legna nella camera di fuoco. Successivamente, col progredire della combustione, si forma condensa dagli idrocarburi incombusti è un liquido scuro, oleoso, maleodorante, infiammabile e di facile infiltrazione. Si può evitare soltanto bruciando buona legna in impianti realizzati correttamente, con una buona canna fumaria.