우리는 1950년대에 지어진 집에 살고 있습니다. 이 집에 있는 재래식 벽난로의 통풍에 문제가 있어 오래 전부터 거실에서 가끔 연기가 납니다. 몇 가지 문제 때문에 우리는 유리문을 설치하고 팬과 덕트를 이용해 실내 공기를 벽난로 안으로 보내고 다시 밖으로 빼 가열된 공기를 실내로 보내면서 다양한 벽난로 쇠살대와 기구류를 실험했습니다.
최근에, 굴뚝에 덮개를 씌워 하강 기류를 줄인 뒤 벽난로의 작동을 다시 실험했습니다. 저의 이 갑작스런 관심은 수년 동안 사용해 온 전통적인 평평한 형태의 쇠살대가 실패했기 때문에 촉발되었습니다.
열 전달용 막대
쇠살대는 기본적으로 평평하지만, 벽난로 후면에 통나무를 쌓을 수 있도록 막대 두 개가 튀어나와 있습니다. 그리고 이 막대 뒤에 통나무를 쌓으면 실내로 유입되는 연기가 줄어든다는 것을 알게 되었습니다. 열화상 장비로 이 사진을 찍기 전까지, 이 막대가 벽난로 후면 벽에 열을 전달하는 데 얼마나 효과적이었는지 알지 못했습니다. 이 사진을 찍은 다음, 전날 밤의 불길이 꺼지고 남은 재조차 식은 후에도 벽이 여전히 큰 열을 발산하고 있는 것을 보고 굉장히 놀랐습니다.
이 발견을 통해 문제가 많았던 벽난로를 최대한 활용할 수 있는 새로운 쇠살대와 시스템을 찾는 탐구를 시작하게 되었습니다. 보통 그렇듯이, 경험에 따르면 벽난로를 운영하는 효과적인 방법은 코네티컷주의 한 회사가 판매하는 쇠살대와 반사체 시스템을 핵심으로 하는 잘 알려진 원칙을 따르는 것입니다 이 회사가 제공하는 시스템을 면밀히 조사한 후, 새로운 쇠살대와 벽난로 후면 벽을 막는 철판인 "반사형 뒷벽"이라고 불리는 것을 주문했습니다.
일련의 테스트
주문한 구성품이 도착하면 일련의 테스트를 시작할 것입니다.
먼저, 새 쇠살대만 사용하겠습니다. 쇠살대의 앞쪽 막대와 벽난로의 후면 벽돌벽 사이에 나무를 쌓을 것입니다.
그런 다음 불을 피우고 저녁 동안 타게 둘 것입니다. 불씨만 남게 된 상태에서 열화상을 촬영하여 후면 벽돌벽의 복사를 기록할 것입니다. 또한 같은 장소의 결과를 아침에도 기록할 것입니다.
다음 날 밤에는 새 강철 뒷벽을 제자리에 배치한 후 다시 장작을 쌓고 불을 지펴 테스트 순서를 반복할 것입니다.
해답 찾기
알고 싶은 것은 다음과 같습니다.
- 불이 타고 있는 동안 후면 벽돌벽과 강철 방화벽에서 실내로 들어오는 복사열의 차이는 얼마입니까?
- 불이 꺼지고 식는 동안 복사열의 차이는 얼마입니까?
불이 타고 있을 때에는 철판이 반사판으로 더 효율적일 수 있다고 확신하지만, 벽돌과 비교해 질량과 비열이 낮기 때문에 불이 꺼진 후에는 후면 벽돌벽만 있을 때보다 더 빨리 열을 잃지 않을지 궁금합니다.
실험 결과에 따라, 완전히 새로운 질문 리스트를 만들어야 할 가능성도 확실히 있습니다. 하지만, 그것이 바로 과학인 것이죠.
우리 대부분이 고등학교에서 기초 물리학을 공부했고 배운 법칙과 공식을 시연하고 검증하는 실습을 했습니다. 저는 알고 있다고 생각하는 사항을 확인하거나, 이전에 생각해 본 적이 없는 것들을 배워야 할 때 이러한 기본 원리를 경력 전반에 걸쳐 사용해 왔습니다.
그와 같은 사례 중 하나가 우주항공 실험실에서 기준이 되는 표준 전압을 제공하는데 필요한 1차 표준 셀을 넣기 위해 제작한 온도 안정화 수조입니다. 제 계획은 전압의 온도 계수 기울기가 0에 가까운 온도를 사용하는 것이었습니다. 이 온도는 4°C였습니다. 이 온도를 달성하기 위해 전류가 열전대를 통과할 때 발생하는 열전대의 펠티에(Peltier) 냉각 원리를 사용했습니다. 제어 시스템을 여러 차례 조정한 후 원하는 안정적인 온도를 얻을 수 있었습니다.
예상하지 못한 문제는 열 챔버의 표준 셀과 실험실 주변 환경 사이의 온도 차이였습니다. 하우징에 사용되는 절연체를 통과하는 공기 이동을 적절하게 제한하지 못했기 때문에 안쪽 챔버로 공기가 들어갈 때 온도가 더 낮은 내부 표면에 습기가 응축되었습니다.
이와 유사한 공정이 추운 날씨일 때 실내의 공기에서 습기를 흡수하여 습도가 낮아지고 공기가 흐르는 벽 부분에 응축된 습기를 남깁니다.
Fluke 열화상 장비를 사용하면 이러한 응축 지점을 찾아 해결할 수 있습니다.
벽난로 실험에 대해서는 후속 칼럼에서 더 자세히 보고하겠습니다.