연소이론과 고효율화목난로

제작 방법과 원리

전환기술사회적협동조합 김성원

화목 연소 이론 기초

나무의 구성

나무 속의 탄소화 함께 산소 , 질소 , 수소 . 즉 나무 속에 포함된 공기도 함께 탄다 .

나무연소 열작용

공기복사열

주변으로복사열

불꽃 꼭지

뜨거운 연소가스

주변으로대류열

휘발성나무가스

재장작

숯

연기

나무연소 과정

나무 연료

공기

밑불 열

휘발성 물질( 나무가스 /나무 기름 )

복사열

전도열

숯 ( 고정탄소 )

연소활성화

공기

공기

불꽃연소 연소가스

연소가스

열

불빛

적외선열복사

대류열

전도열

복사열

나무연소

불꽃

높이와

온도

숯

가스 /기름 분해이산화탄소와타르 발생

나무기름 증기 /나무가스 분출

그을음이 분해되며밝은 나무가스 분출

가스 , 그을음 , 타르 연소 시작

연소 생성물

불꽃 속에 공기 확산400 oC

400 oC

600 oC

1000 oC

1500 oC

연소효율을 높이는 방법 ( 어떻게 고온 완전연소시킬 것인가 ?)

12/4/11

집을 따뜻하게 하는 것일까 ? 지구를 뜨겁게 만드는 것일까 ?

저효율 화목난로와 고효율 화목난로의 비교- 저효율난로의 열손실은 평균 75% 를 넘는다 .

방법 1 : 화실은 좁고 (40cm 이하 ), 높게 (70cm 이상 ), 그리고 , 얕게 (45cm 이하 ) 만들어라 .

고온의 불꽃이 충분히 치솟을 수 있도록 화실을 높게 만든다 .• 화실이 낮으면 연기가 불을 눌러 고온연소를 방해한다 .• 화실이 낮을 경우 화실 상부 중앙에 수직 열기상승관을 둔다 .• 화실이 좁은 것이 넓은 것보다 고온연소에 유리하다 .• 화실이 깊으면 화실 맨 안쪽에 공기희박으로 불완전연소한다 .• 이때는 안쪽 끝까지 공기를 보낼 수 있는 별도의 구조를 만들어준다 .

방법 2 : 화실 라이너 (Liner) 로 감싸라 .

내화토판이나 내화벽돌 , 두꺼운 철판으로 화실 안쪽을 한겹 더 감싼다 .화실 라이너는 열을 저장해서 ( 축열 ) 화실 내의 급격한 열손실을 막고 ( 단열 ),열반사를 통해 연소를 돕고 , 초고온에 의한 화실벽의 산화부식을 방지한다 .

방법 3 : 화구문 , 재서랍문의 기밀성을 강화하라 .

일반적인 화목난로의 경우 나무 연소에 필요한 공기량의 2.5 배 이상 과도한공기가 화실로 유입되어 되려 화실 온도를 낮추는 역효과가 있다 .화구문 , 재서랍 등에 압착 또는 세라믹로프 등을 이용하여 기밀을 유지하라 .화실에 들어가는 공기조절은 미세조절이 가능한 공기조절구를 둔다 .

방법 4 : 장작받침 ( 화격자 , grate) 과 별도의 재서랍

재는 불연재료다 . 재가 쌓이면 연소를 방해한다 .장작의 밑으로 공기가 올라올 수 있도록 만들어야 고온연소된다 .화실 바닥 중앙으로 경사지고 , 틈이 좁은 (5~10mm) 장작받침을 둔다 .화실 하부에 재를 받을 수 있는 재서랍을 두되 재서랍문이 기밀되도록 만든다 .

방법 5 : 2 차 공기주입관을 부착하여 다중연소를 유도하라 .

화실의 안쪽 , 불꽃의 상단부는 공기희박 현상이 발생하기 쉽다 . 고온의 불꽃 상단부에 뜨겁게 예열된 2 차 공기를 불어넣어주면 2~3 차 연소를 일으킬 수 있다 .다중연소가 일어나면 연기와 불완전연소물 ( 그을음 등 ) 이 줄어든다 .2 차 공기의 흡입부는 분사부 보다 낮은 위치에 있어야 연기가 역류하지 않는다 .2 차 공기는 연소가스의 밀도가 높아지는 불목 또는 화후부 병목지점에 분사한다 .

2 차 공기주입구는 가능하면 난로의 가장 낮은 곳에 뚫는다 .2 차 공기주입관은 화실 라이너 뒷편을 우회해야 공기가 뜨겁게 예열된다 .2 차 공기분사관의 끝 부분은 막고 , 가능하면 불꽃의 진행방향을 향해다수의 공기분사구멍을 뚫는다 . 가능하면 공기주입관은 스텐파이프를 사용한다 .

방법 6 : 거꾸로 타게 해서 나무가스를 태우도록 만든다 .

나무연료를 가열할 때 발생하는 나무가스가 완전연소하도록 만든다 .상향연소의 연소율은 평균 60% 이하이고 , 하향연소의 경우 80% 이상이다 .

백금촉매 / 측하방연소로 고온연소를 유도한다 . 측하방연소 시 화격자 ( 장작받침 ) 을 경사지게 설치한다 .

예열된 공기의 주입위치 , 주입방향에 유의한다 .(측 ) 하방연소의 경우 대부분 공기는 화실 상부에서 화실 하부로 공급된다 .

연소효율은 2 차 공기주입 < 측하방연소 < 하방연소 순으로 높다 .

상향연소와2 차 공기 주입

측하방연소와2 차 공기 주입

하방연소와2 차 공기 주입

거꾸로 타는 깡통난로 (Pocket Stove)

하향 연소 ( 나무가스화 ) 방식의 경우 평균 연료소비를 50% 감소시킨다 .

소제목

연통

강화흙미장( 철망 /흙 1: 모래 3: 석회 0.4)

LPG 통 (2개 )

드럼통 (2개 )

흙 /자갈 (축열 )

스텐 열기상승관

철제 장작투입구

재청소구( 공기조절구 ) 단열재 ( 펄라이트 )

축열

방법 7 : 위에서 아래로 타게 만든다 .(TLUD 방식 )

화실 내 장작의 상부에 착화하여 위에서 아래로 타 내려가게 만든다 . (Top lit)이때 불꽃은 하방연소와 달리 위로 (Up draft) 솟는다 .화실 내 공기분사 방향은 아래에서 위 , 또는 위에서 아래로 분사될 수 있다 .화실로 주입되는 공기는 최대한 가열하여 공급한다 .TLUD 방식에서 연료주입은 기본적으로 배치 (Batch), 즉 일괄투입 방식이다 .

TLUD(Top lit up draft) 연소방식의 난로

TLUD(Top lit up draft) 연소방식의 보일러목재의 경우 30 시간 연소 / 석탄의 경우 7일 연소

열이용율을 높이는 방법 ( 열전달율은 높이고 ,

열손실은 줄이고 .)

방법 8 : 연통으로 가기 전 열기우회 구조를 만들어라 .

가장 간단한 열기우회 구조는 열기배출지연판이다 .열기통로 , 별도의 발열통 등 다양한 열기배출우회 구조를 둘 수 있다 .열기우회구조는 전열면적과 발열면적을 넓혀준다 .

열기배출지연판 (Baffle)

불티막음판 /역풍방지판

Improved Iron StoveWith Heat Exchange Pass & Bypass Damper Like as Smoke channel of Masonry mass heater

방법 9 : 돌로 난로에 얹거나 감싸서 축열하라 .

밀도가 높은 돌은 좋은 축열재이다 .난로 주변에 돌을 쌓아 축열하면 불이 꺼진 후에도 여열을 이용할 수 있다 .구들도 결국은 구들돌에 축열한 열을 이용하는 방식이다 .현대적인 돌난로들은 열전도 , 열복사 , 대류열을 모두 이용한다 .

방법 10 : 대류가열을 위한 구조나 송풍장치를 부착하라 .

열기우회구조는 난로의 부피를 크게 만든다 .난로를 작고 가볍게 만들면서 열이용율을 높이기 위해 대류가열 구조를 만든다 .넓은 공간의 난방에는 대류식난로가 효율적이다 .

열기배출지연판열기 우회 구조연소부 ( 단열 ) 와 발열부 분리열교환장치강제대류장치