Estufa rusa de doble campana con paila/parrilla para calentar por radiación y con agua

Muchas de las personas que entran en el blog y en otras páginas similares, tienen unas necesidades de calefacción bastante amplias. No les basta con la típica estufa rusa puesta en una posición central que caliente una, dos o a lo sumo tres estancias y un espacio limitado.

Pongamos una base con esta forma y tamaño, bien hecha de ladrillos o de un hormigón especial que aisle del suelo.



¿Pueden estas personas satisfacer sus necesidades de calefacción con una estufa sola?. Sí, pero o bien debe tener un tamaño enorme o bien debe combinarse con un sistema que permita calentar agua y mover un circuito de calefacción (radiadores, suelo radiante).

Vamos levantando una primera hilada con ladrillos refractarios. A la izquierda, el cenicero y fuente de suministro de aire primario y secundario. A la derecha, el canal de bajada de los gases, donde instalaríamos la paila/parrilla de calefacción y en este caso una paila/parrilla para el agua caliente sanitaria. Además, a la derecha del todo, tendríamos la subida a la segunda campana.

Vamos a intentar ayudar a las personas a tener un poco de orientación en este tema, para encaminarles de alguna manera.  Aquí, desmenuzamos una de las dos campanas del típico sistema de doble campana (la primera, la más importante y compleja), y prescindimos de explicar la segunda campana -mucho más sencillo- o la "piel" exterior.

Estamos en la segunda hilada. Un punto crucial. Abajo, la abertura para el cenicero, punto por donde entra el aire y por donde se sacan las cenizas.

Como muchos constructores de estufas de mampostería dejan ver ciertos detalles de sus modelos, pero no todos (manteniendo gran parte de sus detalles en "secreto profesional") yo voy a ir incluyendo dibujos míos poco a poco (tened paciencia, que lo hago en mi tiempo libre) para ayudar a aquellas personas interesadas a comprender mejor el mecanismo y funcionamiento.

Vista de la abertura para hacer la limpieza en la zona de las pailas y del conducto que sube a la segunda campana.



Vista superior de la segunda hilada. En ella los ladrillos puestos de canto serán el apoyo de la base del hogar. Además dejarán entrar aire secundario desde el cenicero a los orificios que se practicarán en la parte superior de la doble pared de refractario que conforman las paredes del hogar. Aire que llegará precalentado.



En esta entrada se pretende dar tratamiento a ese segundo objetivo que tenía planteado de hacer un modelo de estufa rusa más completo. Pero después de medio año, veo que las necesidades de la mayor parte de la gente que se interesa por la cuestión excede las pretensiones iniciales que tenía yo, de modo que me voy a adaptar a las inquietudes que veo.

La tercera hilada es un punto clave para comprender estas estufas.

1. El hogar tiene una doble pared separada por una ranura de 2 cm que da salida más arriba al aire secundario. Ese aire entra desde el cenicero. Por ello también se puede acoplar una toma exterior del aire en el cenicero.
2. Se insertan en este nivel las dos pailas que incluyo. Una para la calefacción y otra para el agua caliente sanitaria, independientes voluntariamente.

Sintetizando mucho: un sistema con una buena relación precio/eficacia es combinar en una estufa rusa de doble campana la calefacción por radiación y el sistema de radiadores/suelo radiante. De modo directo, sin depósitos acumuladores (salvo para el Agua Caliente Sanitaria, imprescindible en este caso) la estufa da calor un buen número de horas por radiación mas otras 3-5 horas de funcionamiento de los radiadores/suelo radiante (referido todo esto a cada encendido. Si hacemos dos al día en el invierno más crudo tendremos 6-10 horas de calefacción por radiadores más unas 18-24 horas de calefacción efectiva por radiación de la estufa.

Tercera hilada terminada, con las paredes inclinadas del cenicero, por donde entra el aire primario.

Los radiadores funcionarán tanto cuando funcione el fuego directo, hasta que éste se extinga y entonces se calentará con el calor residual que queda en la obra de mampostería que les envuelve (deben de ser una obra de refractarios por su mayor eficacia en almacenar calor, además de durar muchísimo más) el agua que salga de la paila supere el valor de referencia que le hayamos dado a la bomba. 

Ejemplo: dos horas y medio de fuego directo más dos horas en las que la paila extraiga el calor de la obra de mampostería, durante el cual la bomba mueve el agua a una temperatura de salida superior a 55ºC. Después la bomba se parará y la masa de la estufa radiará durante mucho más tiempo. La masa de la estufa de la zona de la paila radiará menos tiempo y a menos temperatura que la del hogar, porque ya habrá transferido la mayor parte de su energía radiante a la vivienda por los radiadores.

Vista trasera de la tercera hilada, con la entrada de agua fría de ambas pailas. Las represento por comodidad con sección prismática, pero es mucho más eficaz hacerla en SECCIÓN CILÍNDRICA, aprovecha mejor las calorías.



El sistema se puede hacer como se quiera, se puede incluir un acumulador, combinar con paneles solares, etc. Pero simplemente me limitaré a hacer una referencia final a este supuesto más complicado, pues entiendo que el utilizar muchos depósitos, intercambiadores de placas, etc, si bien, hace más eficaz el sistema por un lado, encarece enormemente la calefacción. Además hace mucho más difícil optar por la autoconstrucción mientras más complejo se haga el sistema. Por ello lo voy a descartar, salvo para el ejemplo final.

Cuarta hilada. Sin peculiaridades reseñables, excepto...

De manera que tendremos un hogar típico de una estufa rusa de doble campana, con su salida de aire primario por la parrilla que separa el fuego del cenicero; su grieta para evacuación de los "gases lastre o fríos" que entorpecen la combustión; su salida de aire secundario precalentado por los orificios encima del fuego, con su garganta y catalizador para mezclar los gases, su techo de la primera campana reforzado y su primera bajada, fuera ya del hogar.

... el detalle de la preparación de la grieta de 2 cm para la evacuación de los "gases lastre", que se producirá a partir de la quinta hilada.

Diferenciamos un hogar, con sus salidas de aire primaria y secundaria, su garganta, y la cámara de humos, en este caso separada hacia un lado ( y no rodeando ambos lados del hogar). En la cámara de humos, los gases fríos, ingresan por la ranura situada en la mitad inferior del hogar, y los gases más calientes, por la salida en la parte superior del hogar. En la cámara, se estratifican los gases: los fríos, al ser más densos, va a la parte inferior y salen enseguida por la salida situada en la parte inferior de la campana. Los calientes permanecen en la parte superior, calentando la estructura de mampostería (y el agua de la paila, si la hubiere), hasta que se enfrían, se precipitan a la parte inferior y salen por allí (a una segunda campana o directamente por la chimenea).

Quinta hilada.

Detalle de la ranura para evacuar los "gases lastre"de la combustión (o "gases fríos"). También se podrían poner ranuras para las salidas del aire secundario, pero se suele hacer más arriba, por encima de la leña.

Precisamente, en la primera bajada después del hogar y SEPARADA de él (para no restarle eficacia, se ubica la paila/parrilla/intercambiador metálica que toma el calor de la leña y va al circuito de calefacción sin pasar por ningún depósito acumulador en la versión más sencilla. Es en esta zona donde también se ubicará la paila/intercambiador para el Agua Caliente Sanitaria, pero ésta, a diferencia del circuito de calefacción, deberá ir a un depósito acumulador. Este podrá ser de un sistema Tank in tank (sistema que no me entusiasma, pero práctico para estos casos, pues te evita un intercambiador externo de placas, mucho más seguro y que te da agua caliente instantánea sin riesgo de legionella pero a costa de una mayor complejidad técnica). Además se podrá combinar con paneles solares y sería recomendable tuviera una resistencia eléctrica para el tiempo nublado a finales de primavera o a principios del otoño y para dar un tratamiento preventivo a la legionella de vez en cuando.

Detalle de la sexta hilada: salidas del aire secundario repartidas por todo el perímetro.

Sexta hilada, con la ranura para gases fríos a la derecha, salidas para el aire secundario en los laterales y al fondo, y la puerta del hogar (que no incluí en los anteriores croquis) en el frontal.

Séptima hilada, con su segunda línea de inyectores de aire secundario.

Octava hilada: estrechamiento de la garganta. Se mantiene la ranura de 2 cm para la salida de los gases fríos.

 



Novena hilada: vista del catalizador.



Detalle del catalizador y de la ranura de evacuación de los gases fríos.

 

Detalle de la décima hilada, con la salida de humos.

Décima hilada.

Veamos los detalles de las últimas hiladas.

Vamos a parar a examinar algunas particularidades.

Y por último, cubrimos la estufa.

Undécima hilada.

Duodécima hilada.

"Radiografía" de la estufa casi completa, con el tiro en la duodécima hilada.

Detalle del tiro para el arranque en frío.

Vista superior de la duodécima hilada.

Última hilada de cierre.

Vista superior de la salida a la chimenea.

Llegamos aquí al final de la secuencia de croquis que nos muestran la estructura de esta estufa rusa, que calienta por radiación directa y también por radiadores, amén de tener una paila adicional para el Agua Caliente Sanitaria.

Recordamos todo brevemente: desde el cenicero se surte de aire primario (que entra por la parrilla que separa el hogar del cenicero) y de aire secundario (que sube por las ranuras laterales del hogar y sale por los inyectores situados por la parte superior del hogar, sobre la leña). Los gases fríos son evacuado por una ranura directamente, para conseguir que los gases calientes (previamente mezclados con el suministro de oxígeno por los inyectores al pasar por la garganta), se concentre en la parte superior del hogar y en la cámara de humos, donde están las pailas. El calor se acumula en la obra de mampostería y también en el agua que para por las pailas, de donde va a los radiadores y al depósito de ACS. Por último, una vez enfriados los gases, bajan y son evacuados a la chimenea.

Este es el esquema.

¿Y por qué así?.

Se puede hacer de más formas. Se pueden adosar las cámaras de humo a un lateral o a los dos, y hacer derivar los gases a una segunda campana, puesta a continuación o bien encima de la primera.

Pero aquí buscamos conseguir por un lado, una acumulación de calor muy fuerte en la zona del hogar y por otra, un rendimiento eficiente, pero más limitado temporalmente en la zona de las pailas. Así la zona del hogar, con dos encendidos al día, radiará suave y casi constantemente. Los radiadores, funcionarán entonces dos períodos de 3 a 5 horas (al irnos a dormir, etc) y el ACS se acumulará en un depósito.

Debido al grosor de las pailas, este sistema se presta a funcionar por termosifón si tenemos los radiadores en una planta superior y también en el caso del depósito de ACS si tenemos el típico depósito Tank in Tank. Buscamos un esquema sencillo y robusto.

Si ponemos el típico circuito con bombas, la eficacia aumenta.

Podemos también poner una única paila y acumular el agua en un sólo depósito y utilizar esta para la calefacción y para obtener agua caliente. Este sistema sería más eficiente, pero mucho más caro, complejo y sujeto a revisiones. Pondré un esquema del mismo por si alguien está interesado.

PROBLEMAS.

1. A pesar de tener claro (más o menos) las partes del sistema, no disponemos de información concreta del cálculo de las partes (dimensiones del cenicero, hogar, tomas de aire primaria y secundaria, salida de humos, etc). Por ello lo que hacemos es fijarnos en los materiales previos que podemos observar en diversas páginas de internet e intentar adaptarlos a nuestras necesidades, sin separarnos en un 15% a mayores o a menores de la potencia de partida. Intentamos establecer sencillas relaciones numéricas, pero no tenemos aquí las tablas que si disponemos en los manuales para las Kachelofen.
2. Necesitamos métodos de cálculo detallados, y a ser posible en español, de un circuito de radiadores por termosifón.

Por ello planteamos:

1. Si alguien conoce algún libro del tema, en el idioma que esté, con tablas de cálculo para este sistema de estufa rusa de doble campana, no dude en ponerlo en comentarios, para poder comprarlo y estudiarlo.
2. Si alguien conoce algún libro de cálculos detallados para circuitos de calefacción y por termosifón, pedimos también nos de la referencia.

Este modelo de estufa, es ya mucho más complicado de hacer; sería el equivalente a un Opel Vectra o Volswagen Passat (así como el modelo sencillo que pretendemos mejorar sería algo así como un 2 CV, un Escarabajo o un Seiscientos).

Uno no se puede lanzar alegremente a construir una, incluso teniendo planos detallados sin tener en cuenta:

1. Es caro, tiene un coste elevado en ladrillos refractarios, que además deben ser puestos con una junta de 2-3 milímetros de un mortero refractario no menos caro, y de buena cualidad, muy untuoso y cómodo de dar, pues hay muchos morteros que no dan la talla.
2. Se requieren algunas pizas refractarias de dimensiones elevadas y que no son fáciles de conseguir (en internet si es posible, pero el coste sube mucho).
3. Las pailas de 6 centímetros de diámetro tienen un coste elevado.
4. Es preciso contar con una puerta del hogar de gran calidad y ponerla bien.
5. Y en general hay que tener una buena habilidad como albañil para construirla sin deficiencias.

Hago estas recomendaciones para que nadie se llame a engaño y sea realista al evaluar sus posibilidades.

Por último reitero esa petición de información sobre los dos puntos citados antes: libro de tablas para calcular la estufa y libro para calcular con precisión un circuito de radiadores.

Recuerdo que estos dibujos son croquis, nada más y para cada estufa hay que hacer un cálculo preciso.

Algunas certezas... o casi

La máxima potencia calorífica que dan estos modelos en una estructura de un solo piso es de 8,8Kw. Si superamos la misma, es preciso pensar en hacer un hogar muy grande y repartir la estufa en varios pisos, o utilizar el concurso de una paila de agua.

Realizando una construcción típica de estos modelos, construyendo el módulo refractario interior y forrando el mismo de ladrillo macizo, la potencia calorífica media que ofrecen son unos 0,584 Kw por hora y metro cuadrado (502,5 kcal/hora/metro cuadrado).

Para calcular la estufa debemos partir de las necesidades caloríficas que tenemos y dividirlas por los valores anteriores. Ejemplo: 7500 kcal/hora, dividimos por 502,5 = 14,92 metros cuadrados de superficie de la estufa. El modelo más potentes según sus cálculos sería de 8,8 Kw por 860 =7568 kcal/hora. El anterior estaría en el límite.

En un clima continental, el núcleo refractario debe recubrirse con una "piel" de ladrillo o piedra de 10 a 15 centímetros. Las temperaturas superficiales serán más bajas, la carga de leña necesaria para llevar a la estufa a su correcto rendimiento más alta, y la duración de la emisión del calor también más larga; del orden de 24 horas.

En un clima más suave, el recubrimiento debe ser más ligero, para usando una carga menor de leña, tener un rendimiento más adecuado. La temperatura superficial será algo más alta y la duración será menor (12 horas).

En todo caso la vivienda debe ser muy bien aislada.

La cámara de combustión u hogar no debe tener ninguna paila ni elemento que pueda detraerle energía.

Si ponemos una paila para calefacción (no en la cámara de combustión, sino en la cámara de humos por donde bajen estos a la conexión con la segunda campana) podemos obtener un rendimiento de 0,5 kcal/hora por centímetro cuadrado de la paila. Esto nos sirve para calcular la misma.

Esta se hace con un emparrillado de tubos cilíndricos bastante gruesos, con las formas que se aprecian en los croquis aquí mostrados. Normalmente de 5 a 6 centímetros de diámetro.

En caso de poner una paila para calefacción, podemos utilizarla directamente conectada a radiadores (lo que nos daría un uso limitado en duración) o bien utilizar un depósito de inercia acumulador conectado directamente con la paila (circuito primario). En este caso el sistema será mucho más eficaz, pero bastante más caro, no diferenciándose demasiado de una calefacción por astilla, pellet o de leña convencional, salvo el hecho de que tendremos una unidad radiante (el cuerpo de la estufa) independiente.

El diámetro estándar (puede ser mayor o menor según modelos) de salida de humos por la chimenea final es de 20 centímetros de diámetro.