ANO 4 Edição 68 - Maio 2018 INÍCIO contactos

Cristian Barbarosie


Notas sobre dispositivos de aquecimento

Este artigo trata de dispositivos de aquecimento, seja para aquecimento de habitação seja para cozinhar (ou mesmo para aquecimento de instalações industriais ou estufas). Há várias fontes de energia que podem ser usadas: energia elétrica, combustíveis fósseis, lenha, energia solar. Este texto foca sobre a lenha que, hoje em dia, continua a ser uma fonte de energia interessante. Apesar de ser lentamente renovável (uma árvore demora muitos anos a crescer), mesmo assim é considerada uma energia renovável e é relativamente barata.

 

O artigo descreve alguns defeitos conceptuais encontrados na maior parte dos dispositivos usados hoje em dia para aquecimento de habitações usando lenha (salamandras, lareiras, recuperadores de calor) e propõe algumas soluções alternativas. Começa com algumas considerações gerais sobre os dispositivos de aquecimento a lenha e sobre o processo físico-químico da queima (secções 1 e 2), continua com a discussão de defeitos conceptuais nos dispositivos comummente usados no presente (secções 3, 4 e 5) e propõe soluções para eliminar ou diminuir fortemente esses defeitos (secções 6, 7 e 8). A secção 9 é dedicada a conclusões e informações complementares.

 

1. A anatomia duma salamandra

 

 

Antes de mais, convém lembrar que um dispositivo para aquecimento a lenha pode ser visto como sendo composto por duas partes: uma zona de combustão (onde o calor é produzido através de chamas) e uma zona de exaustão (por onde os gases aquecidos saem).

 

2. A queima

 

Quando aquecemos madeira, ela decompõe-se. Primeiro, a água evapora-se. Depois, as gorduras e resinas presentes na madeira degradam-se e transformam-se em gases inflamáveis (este processo é chamado "pirólise"). Gradualmente, todos os outros componentes da madeira (principalmente hidrocarbonetos) degradam-se e transformam-se em gases inflamáveis, com partículas de carbono e gotículas de alcatrão em suspensão. Na presença do oxigénio, esses gases podem entrar em combustão, produzindo chamas. As chamas consomem oxigénio e produzem principalmente vapor de água, dióxido de carbono e energia (sob forma de radiação electromagnética e de calor). A radiação electromagnética surge no espectro visível (como luz) mas também fora deste (há muita energia emitida nos infravermelhos).

 

Normalmente, as chamas ficam muito perto da madeira e não é possível observar a queima dos gases em separado. Mas sob certas condições (altas temperaturas, pouco oxigénio junto da madeira e introdução de oxigénio num ponto mais acima) podemos ver a chama aparecer longe da madeira, como mostra este vídeo : http://youtu.be/USj7m0zxzPU

 

A queima não é total, apenas uma parte dos gases (e das partículas de carbono) ardem.

 

A parte dos gases que não ardeu sai pela chaminé sob forma de fumo. As partículas de carbono que não arderam saem igualmente pela chaminé, conferindo uma coloração escura aos fumos, ou então ficam depositadas nas paredes da chaminé, produzindo fuligem, ou "negro de fumo". Posteriormente, essas partículas ficam depositadas nas paredes das casas, nas folhas das árvores (e nos nossos pulmões). As gotículas de alcatrão, por serem mais pesadas, raramente escapam fora da chaminé; normalmente ficam depositadas perto da zona de combustão.

 

A percentagem de combustível que arde depende de dois factores: da concentração de oxigénio existente no ar e da temperatura. Quanto mais oxigénio houver à volta da madeira, mais completa é a queima. Quanto mais alta for a temperatura, mais completa é a queima. Obviamente, é desejável ter uma queima mais completa possível; assim, aproveitamos melhor a capacidade energética da lenha e produzimos menos fumo.

 

Para os gases iniciarem o processo de combustão são necessárias temperaturas acima dos 500ºC. Se os gases, mesmo já em combustão, descerem abaixo desta temperatura, a chama simplesmente apaga. Na sua zona mais quente, uma chama tem acima de 1000ºC. À medida que nos afastamos do centro e nos aproximamos da zona periférica da chama, a temperatura desce gradualmente até cerca de 600ºC.

 

3. Temperatura na zona de combustão

 

Um primeiro defeito dos dispositivos comercializados hoje em dia é que a zona de combustão não está devidamente isolada de ponto de vista térmico. Normalmente estes dispositivos são feitos em metal, que transmite facilmente o calor para o ar contido na habitação. À primeira vista, isto pode parecer bom, pois o objectivo é precisamente aquecer a casa. Contudo, esta característica baixa a temperatura da zona de combustão (ou dito de outra forma, não permite que a temperatura na zona de combustão aumente). Consequentemente, a combustão é muito incompleta.

 

A superfície exterior duma salamandra em ferro raramente ultrapassa 200ºC. A face de dentro poderá atingir 300ºC, o que pode parecer uma alta temperatura mas para o processo de combustão representa uma temperatura baixa. As chamas que se aproximam desta parede em ferro arrefecem tanto que apagam. Este fenómeno reflecte-se na cor da chama. As chamas quentes têm uma cor que varia entre o branco azulado e o laranja (passando pelo amarelo). Numa salamandra podemos notar que as chamas, na sua parte final, chegam ao vermelho escuro, e muitas vezes notamos mesmo o negro de fumo misturado nesse vermelho.

 

Os recuperadores de calor, sejam eles com água ou com ar, tornam ainda mais evidente este defeito. A água ou o ar passa junto à zona de combustão, aquecendo e levando o calor para diferentes partes da casa, mas ao mesmo tempo arrefecendo a zona de combustão.

 

Um exemplo de queima a altas temperaturas é o forno para pão, sobretudo se estiver embutido num bloco de cimento (ou em areia ou terra). Um forno assim está bem isolado de ponto de vista térmico e atinge temperaturas elevadas. Podemos observar que as paredes dum forno deste tipo não acumulam fuligem, e as próprias cinzas são mais brancas do que as cinzas que restam numa salamandra, o que confirma que a queima é bastante completa (sobretudo se o forno tiver uma saída para fumos).

 

Ver o ponto 6 para soluções alternativas.

 

4. Ritmo de introdução do combustível

 

Outro defeito é que o combustível costuma ser introduzido no dispositivo todo de uma vez, ou seja, uma certa quantidade de lenha é introduzida na zona de combustão e inicia o processo de queima toda ao mesmo tempo. No momento em que introduzimos vários pedaços de lenha (ou um pedaço grande), estamos a fornecer demasiado combustível em comparação com a quantidade de oxigénio que o fluxo de ar transporta. Assim, imediatamente após a introdução da lenha, temos uma queima muito incompleta, e uma grande quantidade do combustível sai pela chaminé sem ter ardido.

 

Ver o ponto 8 para medidas que possam eliminar esta desvantagem.

 

5. Aproveitamento do calor produzido

 

A maior parte dos dispositivos baseiam-se no aproveitamento do calor directamente da zona de combustão (como já foi referido no ponto 3). Mas os gases que saem pela chaminé contêm ainda muito calor. Isto significa que grande parte do calor produzido é perdido na atmosfera (por outras palavras, estamos a aquecer as gaivotas). Quanto mais quentes forem os fumos, mais calor é desperdiçado. Os fumos duma salamandra, à saída da chaminé, têm normalmente 100ºC ou mais, enquanto que os fumos duma lareira a funcionar a plena potência podem chegar a 200ºC.

 

A zona de exaustão é normalmente desprezada de ponto de vista do aproveitamento do calor.

 

Muitas vezes consiste apenas num tubo metálico que leva os fumos para fora da casa. Esse tubo ainda emite calor, mas a sua superfície exterior é demasiado pequena para aquecer a habitação de modo significativo. Para além disso, emite calor na parte superior da divisão, onde ele não é muito útil. O calor é desejado mais perto do chão, onde as pessoas se encontram, não perto do tecto (onde só serve para aquecer o vizinho de cima). Recorde-se que o calor tem uma tendência natural a subir, mas nunca desce a não ser que o obriguemos através duma ventoinha, por exemplo.

 

Ver o ponto 7 para medidas que possam eliminar esta desvantagem.

 

6. Isolamento da zona de combustão

 

A desvantagem referida no ponto 3 pode ser eliminada se isolarmos termicamente a zona de combustão. Algumas salamandras têm um revestimento, seja no seu interior (em vermiculite), seja no seu exterior (em cerâmica) que melhora o isolamento térmico da zona de combustão.

 

O vidro numa salamandra é estético, mas não isola bem de ponto de vista térmico. Devemos escolher modelos sem vidro ou com pouca superfície de vidro.

 

O isolamento da zona de combustão melhora o rendimento da queima, porque permite que a zona de combustão atinja temperaturas mais elevadas, mas ao mesmo tempo piora outros aspectos: o calor já não difunde bem na habitação e a temperatura dos fumos aumenta (ver o ponto 5). Para ser eficaz, esta medida deve ser acompanhada por outras, descritas no ponto 7.

 

7. Aproveitamento do calor da zona de exaustão

 

Várias alterações podem ser feitas na zona de exaustão de maneira a aproveitar o calor remanente nos gases que sobem pela chaminé acima e consequentemente baixar a temperatura dos fumos que saem na atmosfera. Juntamente com a medida referida no ponto 6, estas alterações podem aumentar significativamente a eficácia do dispositivo de aquecimento.

 

 

Por exemplo, se a chaminé consistir num mero tubo metálico vertical, uma medida muito simples é alterar a geometria deste tubo de modo a aumentar a sua superfície lateral e assim aumentar as trocas térmicas com o ar da nossa casa. Podemos imaginar diferentes variações da geometria, como ramificações ou perfurações (ver as imagens acima).


Uma medida um pouco mais elaborada (ainda no caso dum mero tubo metálico vertical) é substituir o tubo simples por um tubo duplo. À volta do tubo interior é criada uma espécie de almofada cilíndrica por onde circula o ar aquecido.

 

 

Uma ventoinha eléctrica pode soprar este ar quente para dentro da casa. De preferência, o ar frio deve entrar pelo topo da almofada cilíndrica, e ar quente deve ser soprado pela sua parte inferior (ver o esquema acima).

 

Se a chaminé for feita em alvenaria, podemos passar por dentro da chaminé tubos metálicos por onde circula ar limpo (ou água).

 

O ar (ou a água) aquece e leva o calor para diferentes partes da casa.

 
É o mesmo princípio dos recuperadores de calor, mas usando o calor da zona de exaustão e não da zona de combustão.

 

Outra possibilidade é fazer os fumos circular pela casa, construindo um tubo de exaustão (seja ele metálico ou em alvenaria) que faça um trajecto pelas divisões da casa, eventualmente por baixo de móveis que queremos aquecer (como a cama ou o sofá). O livro "Rocket mass heaters" (referido  no ponto 9) descreve uma solução deste género. Mas esta abordagem requer cuidados redobrados para evitar fugas de fumo na habitação e para eliminar os riscos de incêndio.

 

8. Introdução gradual do combustível

 

A desvantagem referida no ponto 4 pode ser eliminada se introduzirmos a lenha na zona de combustão não toda de uma vez, mas de maneira gradual. Existem dispositivos que usam combustível previamente manipulado e que é introduzido gradualmente na zona de combustão (por exemplo, sob forma de granulado, designado por “pellets”). Esta característica melhora bastante a eficácia da queima. Mas estes dispositivos são mais caros, e o combustível previamente manipulado também é caro.

 

 

Uma solução simples e barata consiste em construir uma entrada de combustível em que a lenha seja introduzida apenas parcialmente, a queima acontecendo apenas numa sua extremidade. Deste modo, apenas uma pequena parte da lenha arde em cada momento. Juntamente com as medidas descritas nos pontos 6 e 7, esta maneira de introduzir a lenha pode aumentar drasticamente a eficiência do dispositivo e o aproveitamento da energia existente na lenha. Acresce a vantagem de poder usar paus longos sem a necessidade de os cortar previamente.

 

 

Uma abordagem ligeiramente diferente (descrita no livro "Rocket mass heaters", referido no ponto 9) consiste em introduzir a lenha na vertical. A lenha arde apenas na sua parte inferior e penetra na zona de combustão sob o efeito do peso próprio (ver o esquema acima). Os testes práticos feitos pelo autor deste artigo sugerem que esta abordagem tem a desvantagem duma certa instabilidade do processo de queima. A chaminé deve ter uma boa tiragem para garantir um fluxo de ar constante, caso contrário os fumos escaparão dentro da habitação e as chamas poderão subir pela lenha acima. Por outro lado, se a tiragem for demasiada forte as chamas poderão simplesmente apagar. Uma tampa a fechar parcialmente a zona de admissão de lenha pode ajudar a resolver esses problemas, mas introduz limitações no tipo de lenha que podemos usar: ficamos limitados a paus relativamente curtos e não muito grossos.

 

9. Informações complementares

 

Esta secção apresenta alguns links relacionados com os dispositivos de aquecimento.

 

O livro "Rocket mass heaters", escrito por Ianto Evans e Leslie Jackson e editado por "Cob Cottage Publications" em 2006, descreve uma técnica chamada “rocket stove”, que consiste numa entrada de lenha com chama invertida (como descrito no ponto 8), uma chaminé interna feita em tijolo refractário, englobada num barril metálico por onde os fumos descem e arrefecem libertando calor na habitação, seguida por uma chaminé horizontal que descreve um percurso por dentro da casa, debaixo de móveis que pretendemos aquecer como por exemplo a cama ou o sofá. Ver http://www.rocketstoves.com

 

Um vídeo que mostra como a técnica da chama invertida pode produzir temperaturas tão altas como 900ºC : http://youtu.be/vMMO65b8y6k

 

Cristian Barbarosie nasceu em 1972 na Roménia. Interessou-se desde muito cedo pelas ciências exactas. Começou os estudos na Faculdade de Matemática em Bucareste. Em 1994 mudou para Portugal. Acabou os estudos na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, onde ensina presentemente. Interessa-se pela sustentabilidade, permacultura e espiritualidade. Mail: cristian.barbarosie@gmail.com

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Revista InComunidade, Edição de Maio de 2018


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CÂNDIDO PORTINARI, 'o lavrador de café', 1934.


Paginação:

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