로켓스토브 원리

[초원]

로켓스토브 각 부분 치수(펌)

로켓스토브의 각 부분의 모든 치수와 비율은 축열부 흙의자 밑에 있는 수평연통의 직경에 따라 달라진다. 축열부 아래 수평연통의 직경이 20.32cm일 경우 연소실과 연소로, 내장 수직연통(열기상승관)을 포함한 전체 연소부가 차지하는 공간은 대략 121.92cm*60.96cm*91.44cm(높이)이다. 바닥 보다 높게 설치할 수도 있고 바닥을 파고 깊게 설치할 수도 있다. 처음에 축열부를 만들 때는 간단한 흙의자부터 만드는 것이 좋다. 그 다음 흙침대, 그 다음 방바닥 순으로 경험과 지식을 쌓아가면서 시도해보는 것이 좋다.

로 켓스토브를 만들 때 몇 부분에서 정확한 치수와 비율을 지키는 것이 핵심이다. 그밖에 나머지 치수들은 그리 중요하지 않지만 권장 크기를 지키는  게 좋다. 여기서는  축열부 흙의자 밑의 직경 20.32cm 수평연통(연로)을 사용하고 208L 드럼통을 열교환기로 사용하는 로켓스토브를 기준으로 설명 한다. 

 'A' 는 연소실 입구 부위이다. 연소실 입구의 크기는 정확해야 한다. K 부분, 즉 수평연통의 직경이 20.32cm(너비 127cm)일 때 연소실 입구의 크기 A는 20.32cm* 15.24cm(또는 17.78cm), 만약 수평연통의 크기인  K 값, 즉 수평연통의 직경이 15.24cm 일 경우 연소실 입구 A의 크기는 15.24cm*12.7cm로 줄여야 한다.  이처럼 A와 K 값은 상관 관계를 갖고 있다.

'B' 는 연소실 입구에서 재구멍 높이를 뺀 연소실 바닥까지의 높이이다. B 값은 장작투입구에 장작을 세워서 넣기 좋은 높이여야 하고 중력에 의해 장작이 타면서 저절로 밑으로 타 들어가기 적합해야 한다. B 값은 작아야 한다. 어떤 경우에서든 연소실에서 장작투입구쪽으로 불이 역류하지 않아야 않게 하기 위해서이다. 

'C' 는 연소실에서 90도로 꺾인 후 수평으로 연결된 연소로(터널)이다. 보통 내화벽돌로 만든다. 대부분의 연소가 여기서 일어난다. 연소로는 높이보다 넓이가 약간 넓게 만든다. 옆으로 누운 직사각 형태로 만든다. 보통 벽돌 한장의 높이는 10.16cm이다. 이 점을 고려해서 벽돌을 쌓는다. 로켓스토브 연소부에서 C의 넓이는 매우 중요하다. 내부 대부분의 F, G, H, J, K 부분의 넓이는 C보다  반드시 커야 한다. C 부분은 가장 온도가 높아 연소(배기)가스의 흐름이 빠르고 그 다음부터 점점 연소(배기)가스의 열에너지가 각 부위로 빼앗기면서 온도가 내려간다. 온도가 떨어지면 연소가스의 흐름이 느려진다. 따라서 연소가스의 흐름을 유지하기 위해 좀더 넓게 만드는 것이다. 이렇게 해야 연소가스와 열기가 역류하지 않는다. C보다 위에서 언급한 값들이 작으면 연소가스의 흐름에 병목 현상이 생기게 된다  참고로 오해하기 쉬운 부분을 점검해보자. H 값 3.17cm과 G 값 5cm는 간격을 의미한다.

H와 G 부분을 차지하는 전체 공간을 차지하는 넓이를 계산하면 C 부분의 넓이보다 넓다. 

'D' 는 연소실 입구에서 내장된 수직연통(열상승관)까지의 거리이다. 즉 연소로의 길이다. 이 부분은 가능한 열 손실을 막고 열교환기 드럼통으로 가는 열을 높이기 위해 짧아야 한다. 연소로(터널)의 최적 길이 D 값은 수직연통 'E' 값의 1/2이다. 연소로 길이가 길수록 단열을 강화해야 한다.

'E' 는 가장 중요한 값이다. 수평 연소로(터널)의 위부터 수직연통(열상승관) 위까지의 높이 값이다.  E 값은 얼마나 많은 공기가 장작 사이를 통과해서 빨려들어오게 할지를 결정하게 된다. 즉 연소효율을 결정하는 주요한 값이다. 또한 잠재적으로 연기를 내뿜는 배출력을 결정하는 주요한 수치 이기도 하다. 또한 열교환기 드럼통 윗부분의 온도와 열교환기 드럼통 옆면의 복사열 온도에 영향을 끼친다. 높이를 두배로 높이면 흡입력 역시 두배로 커진다. 기본 모델에서 E의 값은 83.82cm이다. 그러나  이 모델에서 E의 값은 62.5cm~127cm까지 가능하다.

'F' 값은 수직연통 윗 부분 넓이이다. 수직연통과 열교환기 드럼통 사이의 공간 값 G와 혼동하지 말아야 한다. F 값은 연소로(터널)의 단면 너비보다 커야 한다. 기본 모델에서 F 값은 17.78cm*17.78cm 사각형이거나 직경 20.32cm의 원형이어야 한다.

'G' 값은 연소부 안에 내장된 수직연통과 열교환기 드럼통 윗 부분 사이가 이루는 공간의 크기이다. 이 부분이 차지하는 전체 너비는 C 부분의 너비 보다 커야 한다. 그래야 열기와 배기가스가 정체되지 않는다. G에서 수직연통과 열교환기 드럼통까지의 간격, 즉 높이는 수평연통이 20.32cm인 모델에서는 5.4~7.2cm여야 한다. 수평연통이 15.24cm인 모델에서는 3.17~5.4cm여야 한다.

'H' 는 열교환기 드럼통과 수직연통을 감싸고 있는 안쪽 작은 드럼통 사이가 이루는 부분이다. 이 사이 간격은 3.81cm이다. 간격 크기는 작지만 드럼통 전체 간격이 이루는 공간을 합하면 C 부분 너비보다 커진다. 전체 드럼통을 골고루 데우기 위해서 고온의 가스가 드럼통 주변을 골고루 소용돌이 치며 내려가야 한다. 열교화기 드럼통의 복사열이 방쪽으로 더 복사되게 하기 위해서는 방쪽 방향을 향해서 약간 더 간격이 더 넓게 중심축을 약간 틀어 놓는다. 간격이 좀더 넓은 쪽으로 고온의 가스가 더 많이 지나가게 되기 때문이다.

'J' 는 열교환기 드럼통과 축열부 흙의자 밑을 통과하는 수평연통(연로)이 연결되는 부분이다. 이곳은 자신도 모르게 좁게 만들기 쉬운 부분이다. 이렇게 되면 배기가스의 병목현상이 일어난다. 이 부분의 연결부위를 약간 깊게 해서 약간 벌어지게 만든다. 연소실 바로 밑의 잿구멍 'g'와 수평연통 연결부위의 재청소구 'g'는 재가 쌓여 막히지 않게 하는 역할을 한다. 

'K'는 흙의자 밑의 수평연통 부분이다. 수평연통 안으로 축열부인 흙의자(흙침대)에 열을 저장하면서 배기가스가 흐르게 된다. 이 부분은 적어도 열기상승구(수직연통)와 같은 넓이 정도가 되어야 한다. 약 수평연통의 직경은 20.32cm~25.4cm 정도이다. 수평연통의 직경은 전체적으로 대부분의 연결부위 크기보다 커야 한다. 로켓스토브의 모든 부분에서 열흡수가 일어나면 배기가스의 흐름은 다소 늦어지게 된다. 특히 축열부 아래 수평연통에서는 가장 많이 열흡수(저장)이 일어나기 때문에 배기가스의 속도가 가장 많이 느려지게 된다. 따라서 이 부분의 크기를 크게 하는 것이다. 연통이 꺾이는 부분은 직선 부분 보다 약간 크게 한다. 이 또한 배기 가스의 흐름을 일정하게 유지시키기 위한 조치이다. 

다음 부분의 수치들은 정확치 않아도 되지만 권고 사항을 지키는 것이 좋다.

'a'는 장작투입구를 감싸는 작은 56.77L~68.12L 드럼통 부분인데 직경은 35.56cm 정도이다.

'b'는 연소실 입구에서 장작투입구 입구까지의 높이이다. 약 30.48cm 이하로 만든다. 이곳은 매우 뜨거운 부분인데 자칫 이곳이 과열되면 연소 흐름을 방해하게 될 수 있다. 따라서 이곳이 쉽게 냉각될 수 있는 구조로 만든다. 때때로 연기가 역류되는 것을 막거나 연소실에 주입되는 공기량을 조절하기 위해 작은 구멍이 뚫리거나 공기구멍을 조절할 수 있는 뚜껑을 덮기도 한다.

'c'는 부분은 최대한 바닥에 붙여서 설치하는 데 이곳에 그으름 청소구멍을 만든다.

'd'는 열교환기 드럼통의 윗 부분이다. 94.625L 드럼통의 직경은 46.99cm이다. 208.19L 드럼통의 직경은 57.15cm이다. 94.625L 나 113.55 L 드럼통은 수평연통의 직경이 15.24cm일 경우 적당하고, 208.19L 드럼통은 수평연통의 직경이 20.32cm 일때 적당하다. 열교환기 드럼통이 크면 그 많큼 드럼통 표면의 온도가 낮아지게 된다.

'e' 는 연소로 밑의 단열부이다. 수직연통(열상승관)으로 가는 연소가스의 온도가 떨어지지 않게 하기 위해 연소로를 단열해야 한다. 만약 방바닥에 보일러가 깔려 있다면 별도로 단열처리할 필요는 없다.

'f'는 수직연통(열상승관)을 감싸는 단열부이다. 수직연통과 그것을 감싸고 있는 작은 드럼통 사이에 단열재를 충분히 채운다.

'g' 는 잿구멍과 재청소구이다. 입구를 재를 치우기 쉽게 팔이 들어갈 정도로 충분한 크기로 만든다.

로켓매스히터는 [B]부분에 비밀이 있습니다. 이 부분을 고열로 만들어서 완전연소를 꾀하고 지구온난화의 원인이되는 일산화탄소 등의 배출을 최소화 하려는 노력이 있는 시스템입니다.

자, 그럼 장작 투입구에서부터 원리를 알아 봅시다.

[A]부분은 장작 투입구 입니다.

크기는 150mmX150mm 입니다. 실제로 장작을 넣게되면 입구의 체적은 더 적어진다고 볼 수 있겠습니다.

장작을 넣고 불을 붙일 때 처음에는 약간의 연기가 투입구 위로 나옵니다만 곧 연소로를 따라 수직연소로[B]로 불이 빨려 올라가게 됩니다.

이 때 장작투입구 밖으로 연기가 나오는 것을 줄이려면 장작은 최대한 가늘게 쪼개서 넣고 불을 붙일 때는 수평 연소로 입구 가까이에서 붙여서 바로 불이 안쪽으로 빨려 들어가도록 하면 착화시간을 줄여 미연소 개스가 역류하는 것을 줄일 수 있습니다.

[B]부분은 수직연소로 입니다.

크기는 장작투입구의 120% 정도 입니다. 

위의 그림과 같이 수직연소로의 내벽에는 냉기가 아래로 흐르는데 단열재를 충진해서 외부의 냉기의 영향을 최대한 줄여서 열기가 상승하는 상승기류를 활발하게 만듭니다. 바로 이 상승기류가 장작투입구로부터 불꽃을 빨아들이는 힘이 됩니다. 따라서 수직연소로를 만들 때 단열 효율이 좋은 것으로 충진하는 것이 중요한 요점이 되겠습니다. 이 수직연소로를 벽돌로 만들거나 단열재 대신 흙으로 채우거나 하면 단열 보다는 구들장과 같이 축열이되므로 이 축열재가 달궈질 때까지는 불이 잘 빨려들어가지 않게됩니다. 저는 연탄재를 단열재로 사용했습니다. 펄라이트나 버미큘라이트 만큼 단열효과가 있을 것으로 생각합니다.

우리나라의 전통구들에는 아궁이로부터 부넘기를 넘어 이맛돌까지 약간 경사지게 올라가도록 만들어 상승기류를 이용하는데 바로 이부분이 로켓매스히터의 수직연소로의 부분이 되겠습니다. 다만 전통구들에서는 경사가 완만하여 고온을 만들기 보다는 부넘기 넘어 구들개자리로 열을 고르게 분산시켜 담아두는 것에 목표를 두고 있으므로 의도가 다르다고 볼 수 있겠습니다.

수직연소로의 상부는 화씨 1000도 정도로 연소개스인 수소 이산화탄소 메탄등의 발화점에 가까워지므로 완전연소에 근접하게 됩니다.

[C]부분은 발열장치입니다.

이 부분의 크기는 수직연소로의 크기에 가깝게 하는 것이 좋다고 생각합니다.

전통구들에는 없는 부분입니다. 이 발열장치는 외부의 냉기가 직접 전달되어 하강기류가 생기게되는데 이 하강기류가 불을 밑으로 내려주는데 힘을 보탭니다. 전통구들에서는 냉기를 이용하는 곳은 없거든요. 또, 이부분에서 직접 열이 발산되므로  전통구들과 달리 장작을 넣자마자 바로 실내의 공기가 데워지기 시작합니다. 드럼통의 상단은 직접 손으로 만지면 화상을 입을 수도 있을 정도로 뜨겁습니다.

[D]부분이 구들(Mass heater)입니다.

고래는 직경 150mm 입니다. 고래 위에는 구들돌을 올리되 너무 두꺼우면 데우는데 시간이 많이 걸립니다. 우리 전통구들과 비교한다면 아랫목은 이미 지나간 상태이므로 그렇게 뜨거운 열이 닿는 것은 아니기 때문입니다. 또, 이 고래부분이 너무 길면 수직연소로에서 불을 빨아당기는 힘이 약해지게 됩니다. 아마 더블침대정도의 크기가 최대가 아닐까 생각됩니다.

[E]부분은 구새(굴뚝)입니다.

직경 150mm 입니다. 저는 직경 100mm로 했는데 입구에 비해 출구가 작아서 연기 배출이 잘되지 않는다는 것을 알았습니다.

역시 상승기류가 필요한 곳이므로 외부를 단열처리 해야 합니다. 또한, 수직이면서 높을수록 연기의 배출은 잘됩니다.

거꾸로 타는 구들(로켓 매스 히터) 사용 기록

1. 장작은 가능한 가늘게 쪼개서 사용합니다. 왜냐면 장작의 두께가 두꺼우면 불이 붙어 있는 뜨거운 부분 외에 아직 불이 붙지 않은 부분의 차가운 부분이 하나의 장작에 동시에 있게 되므로 이 부분에서 미연소 개스가 발생하면서 연기가 나게됩니다. 이 점이 로켓매스히터의 가장 큰 단점입니다.

2. 위 그림에서 두 곳의 개자리를 조금 크고 깊게하면 열을 좀 더 담아 둘 수 있습니다. 특히 구새 밑의 개자리를 크게하면 외부로부터 들어오는 냉기나 역풍의 피해가 줄게됩니다.

3. 불을 붙일 때, 재빼는 구멍을 열고 이 곳에 불(신문에 불을 붙여서)을 넣어 상승기류를 만들면 장작투입구에서 단번에 불이 빨려들어갑니다. 

4. 저의 경험으로 보면 여러가지 장점에도 불구하고 아무래도 실내로 연기가 나오기 때문에(착화 시에만 나옵니다) 일반적인 실내 거주공간에서 사용은 좀 어렵고... 장작투입구를 실외로 내보내서 우리 전통구들의 원리와 적절히 조화된 새로운 모습이라면 좋겠다는 생각을 하게되었습니다.