Este estudio del funcionamiento de las estufas de inercia térmica pretende aclarar una serie de puntos importantes en el diseño de estos elemento. Las estufas de inercia son sistemas de calefacción a leña. Hace unos 10 años que empezaron a construirse y a divulgarse por la península, y en los últimos años han tomado mayor protagonismo en algunos entornos como el de la bioconstrucción.
Aquellos que nos hemos sumergido en este mundo y hemos empezado a construirlas ha sido a base de autodidactismo y formaciones con constructores de otros países, ya que no contábamos (o en algún momento dejamos perder, como otros tantos conocimientos…) con esta cultura del aprovechamiento del calor de la leña. Una de las labores que nos toca asumir como constructores de estufas es la divulgación y generación de material para que se conozcan mejor estos sistemas y vayamos interiorizándolos como una gran alternativa al sistema de calefacción convencional. En este artículo pretendo profundizar en el estudio del funcionamiento y la muestra de las mediciones realizadas en algunas estufas en funcionamiento.
Las estufas de inercia son sistemas de calefacción que funcionan con una o dos cargas de leña al día. En una estufa diseñada para una carga de 10 kg de leña, pondremos la leña y la encenderemos. Transcurrida una hora aproximadamente, la carga ya se habrá quemado y la estructura de la estufa estará cargada con el calor de los humos. En este tipo de sistemas de calefacción es importante «cerrar la estufa» cuando la combustión de la carga de leña haya terminado. Esta estufa nos entregará calor durante unas 20 h sin necesidad de más fuego. Este sería a grosso modo el funcionamiento de una estufa de inercia, que desarrollare a continuación en este artículo.
Mediciones
Para obtener los datos se ha utilizado el dispositivo «DataLogger» con toma y almacenamiento de mediciones cada minuto durante una semana.
Para el estudio se han tomado datos de puntos característicos dentro del recorrido interior de los gases, dentro de la estructura interna de la estufa (sin contacto con los gases) y también en puntos exteriores superficiales.
Veremos a continuación la evolución de los siguientes puntos en la estufa:
- Puntos interiores de recorrido de gases
- Horno.
- Salida horno (= entrada a campana).
- Salida campana.
- Puntos internos de la estructura
- Entre capas.
- Trasera horno.
- Puntos exteriores superficiales
- Superficie exterior.
- Lateral núcleo.
Dando una mirada general a las mediciones de una semana, obtenemos las siguientes gráficas de funcionamiento (gráfica 1).
Evolución de la temperatura
Si de la gráfica 1 aislamos la línea verde (Tª superficial), vemos cómo evoluciona la temperatura en la superficie expuesta de la estufa durante esta semana (ver gráfica 2).
Cómo evoluciona la temperatura en la superficie
Esta evolución de temperaturas en la superficie de la estufa consigue una distribución constante de la temperatura ambiente en el interior de la vivienda. En la siguiente gráfica se puede ver representada la evolución de temperatura superficial en estufa junto con la evolución de la temperatura ambiente interior a lo largo de una semana (ver gráfica 3).
Durante una semana
Para tener más detalle de lo que ocurre en un día concreto, estudiamos los datos referentes a 24 h. Del conjunto de la semana aislamos un día para visualizar más claramente la evolución de las temperaturas en los diferentes puntos de la estufa (ver gráfica 4).
Durante un día
Para entender mejor el funcionamiento de estas estufas y cómo es el balance y transmisión del calor desde los humos hasta el exterior, primero vemos la evolución de las temperaturas del flujo de gases interior durante la combustión y luego cómo viaja el calor por la estructura de la estufa hacia el exterior.
Separando, en la gráfica anterior, las temperaturas referentes al flujo de gases del interior, tenemos la siguiente distribución en 24 h (ver gráfica 5).
Flujo de gases
En esta gráfica podemos observar el momento de encendido y cierre de la estufa (líneas verticales a trazos). Durante este periodo de 1 h aproximadamente (10 kg de leña) vemos claramente cómo se dan los máximos de temperatura en los tres puntos estudiados. En la parte de abajo de la gráfica está la evolución de la temperatura superficial, que veremos más adelante con detalle. Puede observarse también en esta gráfica, cómo la estufa alcanza en su inicio una temperatura cercana a los 100 ºC, cómo las curvas de las temperaturas se van «aplanando» una hora después del cierre de estufa y cómo guarda su calor durante las siguientes 21 h.
Si de la gráfica anterior eliminamos la línea «Horno» podemos observar la evolución de la temperatura del flujo de gases a la «entrada campana» y a la «salida campana»1. La diferencia entre estas dos líneas nos da una idea del calor que se queda en la primera campana (acumulador de calor) de esta estufa durante una carga de leña (ver gráfica 6).
Calor que se queda en la primera campana
Para conocer cómo va circulando el calor desde el interior de la estufa hasta el exterior, vemos más detenidamente la evolución de las temperaturas en puntos característicos de la estructura interior de esta estufa (sin contacto con los gases). Podemos ver en la siguiente gráfica, cómo los puntos que no están en contacto con los gases, ocupan la parte baja de la gráfica y es necesario aislarlos para ver más claramente sus rangos de temperatura y la forma de la curva que marca su evolución a lo largo de las 24 h (ver gráfica 7).
Evolución de las temperaturas
Aislando los puntos que nos interesan tenemos una mejor comprensión de cómo el calor recorre la estructura de la estufa (ver gráfica 8).
Cómo el calor recorre la estructura de la estufa
En la siguiente gráfica podemos ver cómo el calor recorre un espesor de 11,5 cm de ladrillo refractario. Observamos que a este punto no le llega el calor de la carga hasta 1,5 h después de haber encendido el fuego (0,5 h después de haber cerrado la estufa al terminar la carga), es entonces cuando empieza a aumentar su temperatura. Con encendidos diarios, la temperatura en este punto de la estufa fluctuará entre los 150 ºC y 225 ºC durante toda la temporada de invierno (ver gráfica 9).
Recorrido del calor en el ladrillo refractario
Vemos a continuación cómo el calor recorre la pared de la campana, parte acumuladora de calor en este sistema de «libre movimiento de gases»1. El detalle constructivo de esta pared, que veremos más adelante, consta de dos paredes de ladrillo, una de 6 cm (capa exterior) y otra de 5 cm (capa interior). A continuación vemos cómo el calor traspasa la primera pared interior, y los rangos y velocidades en los que se mueve su temperatura durante las siguientes 24 h (ver gráfica 10).
Traspasando la primera pared
En la gráfica anterior podemos observar cómo este punto de la estufa «entre capas» es más sensible al cambio de temperatura y cómo el calor llega hasta él durante el periodo de la carga de leña, alcanzando su máximo muy cerca del momento del «cierre de estufa». También se puede observar muy claramente el cambio de pendiente de la «ascensión» y el «descenso». Esto nos da una idea de la inercia de este punto que absorbe el calor en apenas una hora, pero le cuesta soltarlo alrededor de 22 h hasta llegar a su punto inicial.
En la parte de abajo de esta gráfica se ve representado el punto exterior de la pared «superficial campana». Para llegar hasta este punto exterior, al calor todavía le queda por cruzar 6 cm de ladrillo refractario y 1 cm de revoco exterior. A continuación vemos, con más detalle, esta temperatura superficial de la pared (ver gráfica 11).
Punto exterior de la pared
Viendo la información que nos da esta curva, podemos señalar que la máxima temperatura que alcanzará esta superficie de la estufa será, aproximadamente, a las 4 horas desde el encendido de la carga. Podemos ver, también, cómo sube su temperatura a la superficie en aproximadamente 2,5 h y cómo le costará enfriarse unas 24 h.
Según el detalle constructivo de las diferentes paredes de la estufa tendremos diferentes evoluciones de sus temperaturas superficiales. A continuación podemos ver, en la misma gráfica, dos puntos superficiales diferentes de la estufa y cómo cambia su evolución en rangos de temperaturas y velocidades de calentamiento y enfriamiento (ver gráfica 12).
Puntos superficiales diferentes de la estufa
Dependiendo de la temperatura que seamos capaces de mantener en las superficies de nuestra estufa estaremos consiguiendo una potencia determinada de entrega de calor. Las pendientes de las gráficas (velocidades de captación en tramo ascendente y entrega de calor en tramo descendente) dependerán de varios factores:
- Estufa:
- Sus materiales (conductividad, capacidad calorífica y densidad).
- Detalle constructivo (espesores de paredes y superficies de intercambio de calor).
- Lugar calefactado:
- El tipo de uso.
- Su aislamiento.
- Las condiciones exteriores a las que se enfrente.
- Uso de la estufa:
- Humedad de la leña que quemamos.
- Un adecuado mantenimiento y limpieza.
- Uso de los cierres.
La Norma UNE 15250 «Aparatos con liberación lenta de calor alimentados con combustibles sólidos. Requisitos y métodos de ensayo» marca los métodos de ensayo y cálculo de la potencia de entrega de calor de estos sistemas (ver gráfica 14).
Métodos de ensayo y cálculo
En resumen, estos sistemas son capaces de acumular el calor de los humos durante la combustión de la carga diaria para entregarnos calor de una forma constante durante las siguientes 24 h, alcanzando el pico de temperatura superficial unas 4 h después de haber encendido el fuego (dependiendo del detalle constructivo de la estufa). Tendremos un foco radiante en casa entregándonos calor sin haber fuego dentro2.
Sabiendo que la potencia de calor entregado va íntimamente ligada a la temperatura que tenga la superficie de la estufa, podremos mantener potencias de entrega altas si conseguimos tener la temperatura superficial de la estufa alta. A continuación una secuencia de encendidos donde se ve cómo aumentando las cargas (2-3 cargas diarias) podemos conseguir aumentar la potencia de entrega de calor de nuestra estufa. (Ver gráfica 17 y 18)
Secuencia de encendidos
Espero que haya servido para visualizar mejor el funcionamiento de una estufa de inercia, conocerlas un poco más en profundidad y aclarar algunos conceptos desconocidos o confundidos.
1.- Más información ver Partes de Estufa y Circulación de Gases en: https://estufasdeinercia.wordpress.com/2017/03/06/partes-estufas-y-circulacion-gases/.
2.- Más información ver artículo Calor y Color: https://estufasdeinercia.wordpress.com/2020/01/29/calor-y-color/.
*Eduardo Markina Zabalza. Constructor de estufas de inercia e instalaciones térmicas (RITE). Formación en instalaciones hidráulicas, termodinámica, dinámica de fluidos y albañilería general. Inquieto explorador de las opciones térmicas de la biomasa y las energías renovables.
Artículo publicado en la revista EcoHabitar en el nº 68 en invierno de 2021. Puedes adquirir un ejemplar en papel aquí.
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Estufas de inercia: una solución eficiente
Construcción de una estufa de inercia
Cálculos para la construcción de una estufa de inercia
Estudio de mediciones y funcionamiento de las estufas de inercia térmica
