Come funziona una canna fumaria

Il rapporto tra altezza e sezione della canna fumaria
    Le perdite di carico per attrito, concentrate e distribuite, sono di gran lunga il fattore più importante nel determinare la caduta di pressione (o meglio, nel nostro caso, di depressione) in canna fumaria e vanno valutate con estrema attenzione per stabilire la possibilità di un impianto di funzionare correttamente.
    A questo proposito, vale la pena di spendere una parola sulla relazione tra la velocità dei fumi e l'attrito conseguente in canna fumaria, che aiuterà a spiegare lo strano rapporto esistente tra la sezione e l'altezza della canna fumaria. 
    Si sente spesso dire che, per migliorare il tiraggio di una canna fumaria, si può scegliere se aumentarne l'altezza, ovvero il diametro. Entrambe le soluzioni possono essere utili, ma per motivi diversi.
    Vediamo di capirci.
    Un principio di fisica tecnica che sarebbe troppo lungo spiegare qui, e che dovete prendere per buono, stabilisce che la  portata - cioè la quantità di fluido che scorre per unità di tempo attraverso una qualunque sezione - di un condotto deve essere uguale al suo ingresso (poniamo, la bocca del camino) ed alla sua uscita (poniamo, il comignolo). Se ne deduce che, a parità di portata, aumentando la sezione del condotto, la velocità dei fumi diminuisce, mentre restringendo la sezione del condotto, la velocità dei fumi aumenta.
    Tanto per fare un esempio: ammettiamo di avere un condotto con una portata di 1000 mc/h., e di voler determinare la velocità dei fumi in m/s, cioè, in metri per secondo, in dipendenza della sezione del condotto.  Poiché in un ora ci sono 3600 secondi, la portata per secondo sarà di circa 0.28  metri cubi, cioè 280.000 cm3. Immaginiamo di avere un condotto circolare di 20 cm. di diametro . La sua sezione idraulica sarà di 314 cmq (Area della sezione = r2p = 10 x 10 x 3.14 = 314). Se prendiamo in considerazione un tratto di condotto lungo un metro, il volume di questo tratto sara di 31400 cm3 (314 cm x 100 cm) . La velocità in m/s sarà dunque data da 280000/31400, cioè 8,9 ms circa. 
    Se ora aumentiamo la sezione del condotto sino a 30 cm, la sua sezione idraulica diventerà di 706 cm2 (15 x 15 x 3.14); il volume del tratto lungo un metro sarà di 70600 cm3, e la velocità dei fumi sarà data da 280000/70600, cioè 3,96 ms circa. Come si vede, la velocità è notevolmente diminuita.
    Se invece restringiamo il condotto ad un diametro di 15 cm., la sua sezione idraulica diventerà di 176 cm2 circa, il volume del tratto lungo un metro a 17600 cm3, e la velocità dei fumi salirà a quasi 16 m/s!
    A questo punto, introduciamo un altro enunciato che dovrete prendere per buono: le perdite di carico per attrito in una canna fumaria sono direttamente proporzionali al quadrato della velocità del fluido. In altre parole, dimezzando la velocità dei fumi, le perdite di carico dovute ad attrito si riducono ad un quarto.
    In sostanza, aumentando la sezione della canna fumaria, si diminuisce la velocità dei fumi, e di conseguenza si diminuiscono notevolmente le perdite di carico dovute ad attrito. In realtà, le perdite di carico sono inversamente proporzionali al quadrato del diametro della canna fumaria.
 
    Ecco, dunque, spiegato il rapporto tra altezza e sezione della canna fumaria: aumentando l'altezza della canna fumaria, si aumenta la depressione statica, cioè il 'tiraggio', mentre aumentando il diametro della sezione, si diminuiscono le perdite di carico, cioè gli ostacoli posti al tiraggio stesso. L'aumento dell'altezza agisce sulla parte 'positiva' del bilancio energetico, aumentando la 'spinta', l'aumento della sezione agisce sulla parte 'negativa', diminuendo gli ostacoli alla spinta. 
    Una canna fumaria molto alta genera una notevole depressione, che può essere sufficiente a vincere la resistenza prodotta dall'attrito dei fumi in una sezione relativamente stretta. Una canna fumaria sufficientemente larga può avere una perdita di carico relativamente bassa, tale da essere compensata anche dal tiraggio prodotto una canna fumaria non particolarmente alta.
    Insomma, se non si può aumentare il tiraggio disponibile aumentando l'altezza della canna fumaria sino a generare un valore di depressione in Pascal tale da superare quello della somma delle perdite di carico, si può tentare di allargarne la sezione sino a portare la somma delle perdite di carico ad un valore in Pascal inferiore a quello 'positivo' generato dal motore statico del camino. Speriamo di essere stati chiari...
    In generale, tanto più alta è una canna fumaria, tanto più stretta può essere la sua sezione, tanto più bassa è la canna fumaria, tanto più larga deve essere la sua sezione.
    Esistono quindi, per ogni impianto, una serie di 'coppie' altezza/sezione che possono ugualmente soddisfarne le necessità. La scelta di una coppia rispetto ad un'altra dipende in genere da motivi contingenti (problemi architettonici, economici, estetici, etc). Molti produttori di stufe e camini, come di canne fumarie, forniscono delle tabelle predisposte a seconda del tipo e della potenza dell'impianto. Naturalmente ci sono dei limiti a questa serie di coppie. Oltre una certa altezza il restringimento della sezione non è più possibile, perchè l'attrito e la dispersione termica sarebbero comunque eccessivi, così come non avrebbe senso avere una canna fumaria bassissima e più larga della superficie del bruciatore: tanto varrebbe accendere un fuoco all'aperto. Tuttavia, per la maggior parte degli impianti domestici, in cui le canne fumarie hanno una altezza variabile tra i 4/5 metri ed i 10/12 metri, queste tabelle sono piuttosto affidabili.
 
   "Il tiraggio disponibile"
    Il tiraggio disponibile per far effettivamente funzionare l'impianto è dunque dato dalla differenza tra la pressione statica per camino, o tiraggio naturale, e la somma delle resistenze che l'impianto stesso oppone al moto dei fumi, o perdite di carico. Ci sono vari modi per far sì che questa differenza sia e resti positiva. I fattori che incidono maggiormente, abbiamo visto, sono l'altezza della canna fumaria e la temperatura dei fumi, che aumentano il tiraggio naturale, e le resistenze di attrito, che rallentano la 'spinta' dei fumi. Se il tiraggio è insufficiente, si può agire su ciascuno di questi fattori. 
    Aumentare l'altezza della canna fumaria funziona, tuttavia può essere costoso,  difficile, e brutto esteticamente. 
    Aumentare la temperatura di combustione è anche utile, tuttavia questo significa consumare più combustibile e ridurre l'efficienza di riscaldamento.
    La cosa più utile e migliore da fare è, dunque, ridurre al minimo le perdite di carico. Per ottenere questo, bisogna avere una canna fumaria perfettamente coibentata, con la parete interna  liscia, possibilmente circolare, di sezione adeguata, ed il più possibile verticale, senza curve, tratti orizzontali, strozzature o allargamenti, etc. 
 
   Massa dei fumi e tiraggio
 
    Caminetti: grande massa di fumi, basso tiraggio
    I caminetti aperti richiedono una canna fumaria piuttosto grande. Una grande quantità di fumi è prodotta dalla rapidità della combustione, che assorbe anche un enorme ammontare di aria ambiente, che, essendo 'fredda', abbassa la temperatura media dei gas, e quindi riduce il tiraggio. Tuttavia, il sistema nel suo complesso non ha grandi perdite di carico, e quindi non è necessario un tiraggio molto forte. L'ampiezza della canna fumaria riduce la resistenza e consente di smaltire la grande massa di fumi  anche con un basso tiraggio. I fumi di combustione prodotti in un camino aperto salgono velocemente nel condotto perchè c'è una grande massa di fumi, cioè una grande portata da smaltire, non perchè ci sia un forte tiraggio.
 
    Stufe: piccola massa di fumi, forte tiraggio.
    Per le stufe il discorso è diverso. Ad esempio, la legna brucia più lentamente in una stufa, producendo perciò una quantità di fumi minore per ogni unità di tempo. I fumi appaiono più densi semplicemente perchè una stufa assorbe molta meno aria ambiente, e quindi i fumi sono meno diluiti. Al contrario dei camini aperti, quindi, le stufe non richiedono una canna fumaria molto grande, non avendo una grande portata da smaltire. Tuttavia, poichè l'ingresso dell'aria nella stufa  è di sezione molto piccola, ed i fumi vengono forzati all'interno in un lungo percorso che ha lo scopo di aumentare la superficie di scambio termico,  le perdite di carico sono molto maggiori che in un caminetto, e quindi è necessario un tiraggio molto più forte per superarle. Poichè il tiraggio è strettamente dipendente dalla temperatura dei fumi, l'isolamento della canna fumaria deve essere particolarmente curato. Inoltre, un canna di sezione più piccola aumenta la velocità dei fumi che, evitando un eccessivo rallentamento della combustione, mantiene la temperatura dei fumi ragionevolmente alta. Una canna fumaria troppo ampia, in presenza di una piccola massa di fumi,  ne rallenterebbe troppo la velocità, abbassando eccessivamente il rateo di combustione, con conseguente raffreddamento del sistema e caduta di tiraggio. Questo è il motivo per cui le canne fumarie delle stufe sono più piccole di quelle dei camini.