로켓스토브 원리 2

[초원]

로켓 스토브(펌)

자급자족 삶에도 과학은 더없이 소중하다. 구들을 놓거나 간단한 화덕을 만들 때 주먹구구식을 넘어 좀더 과학화한다면 얼마나 좋을까. 그러다 얼마 전 ‘로켓스토브(Rocket Stove)’라는 걸 알았다. 나무로 불을 피울 때 열을 집중시켜 적은 땔감으로 열효율을 높여주는 화덕이다.

이게 화력이 어찌나 좋은지, 직접 보면 입이 다물어지지 않을 정도다. 연기가 거의 나지 않고, 땔감이 아주 적게 들 뿐 아니라 잔가지만으로도 불길이 좋다. 과학의 힘이란 정말 놀랍다.

내가 이를 알게 된 건 전남 장흥으로 귀농한 김성원(43) 씨 덕이다. 김씨는 이전에 ‘에너지전환’ 간사로 일한 경험을 살려, 자립하는 기술에 관심이 많다. 올 초에는 ‘이웃과 함께 짓는 흙부대 집’이라는 책을 지었고, ‘흙부대 건축 네트워크’라는 인터넷 카페도 운영한다.

거꾸로 타는 나무, 머릿속 채운 의문들

태양광을 비롯한 대부분의 대체에너지는 개인이 어찌하기에는 어려운 부분이 많다. 돈도 기술도 턱없이 부족하다. 그러나 로켓스토브는 눈으로 보는 순간, 누구나 할 수 있겠구나 하는 생각을 불러일으킨다. 뭐든 그렇지만 처음 시도할 때는 관련 공부를 하게 된다. 로켓스토브 관련 유튜브 동영상도 참고하면서 많은 걸 새로이 배운다. 로켓스토브에는 몇 가지 원리가 적용된다.

첫째가 불꽃 집중이다. 불이 타는 끝부분을 모아주는 것이다. 둘째는 화덕 둘레 단열이다. 불이 붙고 나면 그 열은 빠르게 둘레로 흩어진다. 이를 최대한 막아 한곳으로 집중해주면 열효율도 좋아지고, 그만큼 불도 잘 탄다. 셋째는 화구와 솥이 걸리는 연소연통의 높이 차이를 두어 불길이 솟구치게 하는 것이다.

사실 위 세 가지는 중학생 과학 수준이다. 실제 현장에 맞게 적용하려면 깊이 있는 공부와 연구가 더 필요하다. 어떻게 불꽃을 집중시킬 것인가. 보통 구들방 아궁이 같은 곳에는 땔감을 옆으로 누여 수평으로 넣는다. 그럼 나무가 타면서 불꽃 끝점이 제각각이 되고 나중에 땔감을 더 넣다 보면 연기가 많이 난다. 로켓스토브는 사진에서 보듯 땔감을 위에서 아래로 세워 넣는다. 그러면 나무가 아래부터 거꾸로 타면서 잉걸불이 한자리에 계속 모이니 불꽃 끝점이 자연스럽게 모아진다.

그럼 ‘어떻게 나무가 거꾸로 타는가?’ 하는 의문이 다시 든다. 이는 세 번째 원리와 관련이 있다. 화구보다 연소연통을 높게 하면 된다. 처음 불을 붙일 때만 연소연통 아래로 불을 살짝 밀어넣으면 열이 위로 솟는다. 덩달아 화구로는 새로운 공기가 빨려 들어간다. 이 흐름에 따라 불꽃 역시 화구 위로 솟지 않고 연소연통 안으로 계속 빨려든다. 그러니 나무를 세워 넣어도 잘 탄다. 그것도 로켓 불꽃처럼 강렬하게.

그럼 다시 의문이 든다. 화구 크기는 어느 정도이고, 연소연통의 크기와 높이는 얼마일 때 가장 효율이 좋을까. 일반적으로 화구와 연소연통 크기는 가로세로 12cm 정도가 좋다 한다. 연소연통의 높이는 높을수록 불을 빨아들이는 힘이 크지만 적절한 높이는 화구 크기의 3배쯤.

쓸수록 신통방통한 불의 과학 ‘로켓스토브’

과학이 가미된 불놀이와 새로운 구상

이 정도 원리가 이해되자 이제 간단한 실습. 먼저 벽돌을 스무 장쯤 구해다가 아이들 장난감 블록처럼 쌓기만 했다. 과연 어찌 될까. 가슴이 뛰었다. 신문지에 불을 지펴 연소연통으로 밀어넣으니 잘 탔다. 이어서 솔가리와 작은 나뭇가지에 불을 붙이고 점차 굵은 가지를 넣어 불꽃을 강하게 했다. 참 재미있었다. 애들 불장난 저리 가라다. 과학이 가미된 불놀이라고 할까.

게다가 불을 지피는 것을 의자에 앉아서 해도 되니 편했다. 이렇게 불을 피운 김에 식구들과 마당에서 고기를 구워 식사했다. 나름 근사한 가든파티. 그리고는 곧장 고정된 구조물을 만들었다. 기본 구조는 그림에서 보듯 ‘J자’ 모양. 크기는 지름 50cm 가마솥을 기준으로 했기에 화구를 16cm, 연소연통 높이는 그 3배인 50cm로 했다. 그 다음 이게 잘 작동하는지 알아보기 위해 여러 일을 해보았다.

그 결과 땔감이 예전의 절반 정도밖에 안 드니 에너지 절약이 돼 좋기는 하다. 하지만 솔직히 가스 사용이 여러모로 더 편하다. 그렇다면 어떤 때 로켓스토브만의 쓸모가 있을까. 삶을 좀더 쾌적하고 신나게 하는 데 보조 수단이 된다. 이를테면 냄새나는 생선을 굽거나 기름이 사방으로 튀는 고기를 구울 때, 또는 빨래를 삶아 냄새가 날 때엔 집 밖에서 로켓스토브로 하면 좋다.

또 불을 오래 지펴야 하는 일. 도토리묵을 쑤거나 조청을 달이는 일들이다. 이런 일은 지루하기 쉬운데 로켓스토브로는 틈틈이 불을 때가면서 하니까 변화가 많아 좋다. 또한 명절이나 잔칫날처럼 한꺼번에 많은 손님을 치를 때도 그만이다. 아이 어른 할 것 없이 모두 신기해한다. 이렇게 로켓스토브를 설치하고 조금씩 삶에 이용하다 보니 자연을 과학으로 이해하는 과정이 점점 흥미롭다.

공기, 기압, 열, 온도, 빛…. 그 하나하나가 알면 알수록 매력 덩어리다. 그 과정에서 재미와 뿌듯함, 호기심이 서로 뒤엉켜 다시 생각이 여러 갈래로 뻗어간다. 무엇보다 열이 솥을 달구고 난 뒤 그냥 공기 중으로 흩어지는 게 아깝다. 이를 좀더 살리면 좋겠다. 또 구들과 벽난로에도 로켓스토브 원리를 접목하면 어떨까. 아니면 구들침대도 가능하리라.

로켓스토브의 또 다른 매력은 굵은 장작보다 작은 나뭇가지를 땐다는 거다. 나중에 나이 들어 근력이 떨어지는 할아버지가 되더라도 운동 삼아 마른 나뭇가지 주워 땔감으로 쓸 수 있으리라. 로켓스토브와 함께하는 노년이 기대된다.    

로켓스토브Rocket Stove의 장점과  열에너지 이용

1. 장작을 똑바로 세울 수 있기때문에 장작 끝에 연소점을 집중시킬 수 있다. 중력에 의해 자동으로 장작이 연소실 밑으로 타 들어간다.

2. 로켓스토브의 연소실 구조는 급격한 각을 가진 'J' 자 형태이다. 이러한 형태 때문에 낮은 연소실 입구로 차갑고 무거운 공기가 빨려들어가고 높은 열기상승구(수직 연통)쪽으로 뜨겁고 가벼워진 열기가 밀려 올라간다. 'J'자 형태의 연소부 구조가 로켓스토브의 핵심구조라 할 수 있다.

3. 연소실과 연소로가 단열처리 되어 있어 고온을 유지하게 되고 완전 연소된다.  

(단열 = 고온= 완전 연소 = 고효율 = 화목 절감)

4. 열기가 상승하게 되는 수직연통(열기상승구)이 내장되어 있고 단열재로 감싸져 있어 고온을 유지하고 화염과 열기의 흐름을 로켓처럼 가속시킨다.

 연통의 역할과 열기의 흐름

  야외에서 장작 더미에 불을 붙이면 휘발성 나무 기름과 나무 가스가 발생하면서 여기에 불이 붙어 지속적으로 연소된다. 장작불은 지나치게 화력이 높기 때문에 가까이 가기 쉽지 않을 뿐 아니라 주위에 오래 앉아 있으면 연기 때문에 눈이 아프고 눈물이 나기 싶다. 나무 연기는 냄새는 좋을 지 모르나 대부분이 유독 가스이기 때문에 해롭다.  장작불 가까이 있는 사람만 따뜻하고 대부분의 열을 공기중으로 급격히 사라진다.

 장작더미에 연통을 세우면 연통은 연기와 불꽃을 빨아들인다. 연통 안쪽이 연통 바깥쪽 보다 온도가 높기 때문에 연통 안쪽의 공기가 더 가볍고 뜨꺼워진다. 상대적으로 연통 주변의 공기는 온도가 낮고 무겁기 때문에 연통 아래로 모였다가 연통 속으로 빨려 올라가게 된다. 이때 연기와 불꽃, 열기가 함께 연통 속으로 빨려들어가게 된다. 흡입력은 연통의 높이와 화력에 따라 달라진다. 화력에 높을수록 연통을 높일 수 있다. 연통이 높고 상대적으로 온도가 낮은 경우나 연통 높이가 낮고 온도가 높은 두 경우 모두 같은 효과를 기대할 수 있다. 연통의 높이가 비록 낮다고 하여도 연통을 단열해서 온도를 높이면 강력한 흡입력을 갖게 할 수 있다.

  화목난로는 난로 안에 장작을 넣고 불을 붙인다. 장작이 연소되면서 집 안의 차가운 공기가 화목난로의 입구를 지나 장작 사이를 통해 밀려들어온다. 장작불에 의해 뜨거워진 연소 가스는 연통을 통해 배출된다. 차가운 공기, 즉 산소 공급이 부족하게 되면 장작은 불완전 연소된다. 차가운 공기가 너무 많이 공급되면 고온의 연소가스가 희박해진다. 또한 화목 난로 안의 연소실 온도가 낮아진다. 연소실 온도가 떨어지면 역시 불완전 연소가 일어난다. 화목 난로가 제대로 구실을 하려면 연통의 온도가 높아야 한다. 그러나 만약 연통의 대부분이 건물 밖에 있다면 상당한 열을 공중으로 날려보내게 된다. 화목 난로의 열을 최대한 잡아 두기 위해서는 화목난로 안에 내장 배기지연판(내장 댐퍼) 을 달아두는 것이 효과적이다. 내장 배기지연판(내장 댐퍼)을 단 것 만으로도 연통을 통해 실외로 빠져나가는 배기가스 온도를 낮출 수 있다. 실외로 빠져나가는 연기의 온도가 낮다는 것은 그 만큼 집밖으로 날려보내는 열에너지가 준다는 걸 의미한다. 

 로켓스토브의 내장 연통

  로켓스토브가 다른 화목난로와 확연하게 다른 점은 수직연통(열기상승구)이 화목난로 안에 내장되어 있다는 점이다. 이렇게 연통을 내장하게 되면 배기 가스의 열을 최대한 자체에 잡아둘 수가 있고 연통을 고온으로 유지할 수 있을 뿐 아니라 강력한 흡입력을 갖는다. 기본형의 로멧스토브 안에 내장된 수직연통의 높이는 보통 91.48cm 정도이다.  이 수직연통(열기상승구) 안의 온도는 대략 섭씨 640~970도 정도이다. 고온의 배기가스는 수직연통을 감싸고 있는 열교환기 드럼통을 통과하면서 온도는 섭씨 257~367도까지 떨어진다. 열교환기 드럼통을 통해 열이 방안의 공기를 데우는 데 사용되기 때문이다. 그 다음 축열체로 사용되는 흙침대나 흙의자 밑의 수평연통을 지나면서 다시 32~92도 정도까지 식는다. 이때 열은 흙침대나 흙의자에 저장된 후 방안으로 열을 서서히 방사한다. 이러한 과정을 거쳐 집 안을 충분히 데운 후 마지막으로 차가워진 배기가스가 집밖 연통을 통해 배출된

다.

 5. 열복사, 대류, 축열(열전도) 난방 기능이 결합되어 있어 최대한 화목난로의 열에너지를 동시에 이용할 수 있다. 

6. 열기를 연소실에서 연소로, 열기상승구(수직 연통), 열교환 드럼통, 흙의자나 흙침대, 방바닥 밑으로 밀어 보낼 수 있다. 즉 공간난방과 바닥난방을 겸할 수 있다.

7. 연소부와 축열부가 기능적으로 연결되어 있어 열을 오랜 동안 저장할 수 있으며 자연적인 가구의 역할을 한다.

열복사, 열전도, 대류

  열은 항상 열평형을 이루려는 성질이 있다. 즉 뜨거운 물질은 항상 보다 차가운 물질을 데워서 같은 온도로 만들려는 성질을 갖고 있다. 열평형은 열복사(방사), 대류, 열전도를 통해 이뤄진다.

  열복사(방사)는 열에너지가 곧바로 공간으로 전달되는 현상이다. 마치 태양빛이 온 대지를 따뜻하게 하는 것처럼 뜨거운 물질로부터 열에너지가 공간으로 쏘여진다고 생각하면 이해하기 쉽다. 다만 화목난로에서 방사되는 파장이 긴 열에너지는 사람이 볼 수 없다. 열복사 에너지는 모든 방향에서 열을 흡수하거나 반응하는 물질을 만날 때까지 직선으로 움직인다. 열복사의 가장 큰 단점은 표면만을 가열시킬 수 있다는 점이다. 만약 어떤 장애물이 놓여 있다면 그 뒤에 있는 물질은 가열되지 않는다. 마치 뜨거운 여름에도 햇빛을 가린 그늘 아래 있으면 시원한 것과 같은 이치이다.

대류는 공기나 액체의 흐름과 순환을 통해 열을 전달하는 현상이다. 화목난로 위의 공기는 뜨겁게 달궈지고 방 위로 올라간다. 다시 차가워진 공기는 방 바닥으로 내려오게 된다. 이러한 대류가 반복되면서 집 안의 공기가 따뜻해지게 된다. 대류 난방의 가장 큰 단점은 주로 위쪽이 따뜻해진다는 점이다. 대류난방기를 사용할 경우 대부분 천정 쪽이 가장 따뜻하다.

  열전도는 접촉에 의해 열이 전달되는 현상이다. 열전도는 항상 뜨거운 물질에서 차가운 물질로 열평형을 이루면 일어난다. 열전도는 대류와 달리 위 아래 옆 어느 방향으로든지 일어난다. 돌이나 흙의 경우 밀도가 높을 수록 열전도가 빨리 일어난다. 석회석이나 벽돌은 중간 정도이다.  돌이나 흙은 열을 빨리 흡수하지만 일단 뜨거우지면 서서히 열을 집안으로 방출한다. 단열재는 열이 전달되는 속도를 늦추는 물질이다. 열전도에 의한 열전달을 늦추기 위해서는 밀도가 작고 가벼운 물질을 사용하면 된다. 대부분 가볍고 밀도가 낮은 물질은 그 안에 공기가 차 있는 공극이 있다. 잘 알려진 화학단열재인 스치로폼은 말 그대로 공기주머니 덩어리라 볼 수 있다. 사실 공기는 가장 훌륭한 단열재인 셈이다. 공극이 많은 부석이나 질석은 열전도가 가장 늦게 일어난다. 부석이나 질석의 공극 안에 있는 공기가 열전도를 방해하기 때문이다. 때문에 이러한 경량광물을 단열재로 많이 사용한다. 

 8. 특히 완전 연소에 가까울 정도로 연소효율이 높아  장작 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.

9. 경제적인 비용으로 만들기 쉽다.