에너지24년기출C

25A	25B	25C
24A	24B	24C
23A	23B	23C
22A	22B	22C
21A	21B	21C
20A	20B	20C

1️⃣ 통풍력 F5

자연통풍에서 통풍력이 증가되는 조건을 4가지만 쓰시오

자연통풍	24C01	21B04
강제통풍	22B04
통풍력	24B14	21c09	19b15	19a11
	25A13
상사	21B05	21B12	17b06
축동력	25A17

F51 통풍 및 통풍장치

❶ 연돌의 높이를 높게한다
❷ 연돌의 단면적을 크게 한다
❸ 연돌의 굴곡부가 적게 한다
❹ 배기가스의 온도를 높게 유지한다

● 외기온도가 낮을수록
● 습도가 낮을수록
● 연도의 길이가 짧을 수록
● 배기가스의 비중량이 작을수록
● 외기의 비중량이 클수록

2️⃣ 공기예열기 B3

다음문장을 읽고 ( )안에 적합한 명칭을 써넣으시오

보일러의 배기가스의 현열을 이용하여 급수를 예열하는장치를 (급수예열기)라 하며, 공기를 예열하는 장치를 (공기예열기)라고 한다.

명칭	19C01	18C03
	24C02	20B03	17C05
과열기	23B08	21B02	19B03	20D03
조절	18A08	18B06
절탄기 열불응연	25A01	23C08	20A01
공기예열 효불효연	23C04	20C03

B31 폐열회수장치

과열기 → 재열기 → 절탄기 → 공기예열기

✲보일러 배기가스 현열을 이용하여 급수를 예열하는 장치를 (절탄기)라 하며, 공기를 예열는 장치를 (공기예열기)라 한다.

3️⃣ 유속계산 H2

내경이 300[mm]인 관으로 공기가 5[kg/s]로 흐를 때의 유속을 계산하시오
(단, 절대압력은 200[kPa], 온도는 23[℃]이며 공기의 기체상수는 0.287[J/kgK]이다)

이상기체 PV=mRT

\[Q=\frac{mRT}{P}=\frac{5\times0.287\times(23+273.15)}{200}\\ =2.12[m^3]\]

유량Q=Av

\[v=\frac{Q}{A}=\frac{2.12}{\frac{(0.3)^2}{4}\pi}=29.99[m/s]\]

4️⃣ 캐리오버 B22

보일러 운전 중 발생 가능한 이상현상의 하나인 캐리오버의 방지대책을 4가지만 쓰시오

이상현상	22C07	17C06
캐리오버	24C04	23B01	20C08
	20A04	17A05
프라이밍	23c02	21c17	16a08	16c01
포밍	23A05
케비테션	21B13	16a06
수격작용	21B15	16A07

B22 캐리오버

보일러 운전 중 수분 일부가 증기와 함께 취출되는 현상으로 프라이밍, 포밍현상이 발생할 때 나타나는 현상

❶ 보일러수를 농축시키지 않는다
❷ 보일러수 중의 불순물을 제거하다
❸ 주증기 밸브를 급격히 개방하지 않는다
❹ 과부하가 되지 않도록 한다
● 수위를 고수위로 하지 않는다
● 비수방지관을 설치한다

5️⃣ 보일러의 부식 J4

저온부식에 대한 내용 중 ( )안에 알맞은 용어를 넣으시오.

고온	25B11	18B05
저온	24C05	21A08	18A09
	22B07	20A05
보일러	22A16	19B05	18C01
부식계산	22C08
보존법	25A07

P6 저온부식

연료 중에 함유된 유황분이 연소되어 (아황산가스(SO₂))가 되고 이것이 다시 (오산화바나듐(V₂O₅))의 촉매작용에 의하여 과잉공기와 반응하여 일부분이 (무수황산(SO₃))이 되고 이것이 연소가스 중의 (수증기(H₂O))와 화합하여 (급수예열기나 공기예열기) 등과 같은 저온의 전열면에 응축되어 황산(H₂SO₄)이 되어서 심한 부식을 일으키는 것이다.

6️⃣ 열교환 E1

안지름이 10[cm] 인 열교환기 배관내를 유속 2[m/s]으로 물이 흐를때 배관입구에서의 물의 온도는 20[℃]이며 관내부를 거쳐배관 출구에서의 물의 온도는 최종적으로 40[℃]이었다. 이때 다음의 조건을 이용하여 배관의 길이를 구하시오.(단, 관의 열관류율은 10[kW/m²K]), 물의 비열은 4180[J/kg K]주위로의 열손실은 무시한다)

1. 공통 필수 변수 계산

① 물의 상태량 가정

물의 밀도 ($\rho$): 약 1000kg/m³ (표준값)
물의 비열 (C_p): 4180[J/kg K] = 4.18 [kJ/kg K]

② 배관 단면적 및 질량유량 (m) 계산

안지름 (D) = 10cm = 0.1m
유속 (v) = 2m/s

배관의 단면적 A_c는 다음과 같습니다.

$$A_c = \frac{\pi D^2}{4} = \frac{\pi \times 0.1^2}{4} \approx 0.007854 \text{ m}^2$$

질량유량 m은 밀도, 단면적, 유속의 곱입니다.

$$\dot{m} = \rho \cdot A_c \cdot v = 1000 \times 0.007854 \times 2\\ = 15.708 \text{ kg/s}$$

③ 물이 흡수한 열량 (Q) 계산

입구 온도 (T_in) = 20℃
출구 온도 (T_out) = 40℃

$$Q = \dot{m} \cdot C_p \cdot (T_{out} – T_{in})$$ $$Q = 15.708 \text{ kg/s} \times 4.18 \text{ kJ/kg}\cdot\text{K} \times (40 – 20)\text{K}$$ $$Q \approx 1313.19 \text{ kW}$$

\[Q=GC\Delta t=\rho A v C\Delta t\] \[4.180\times1000\times\frac{\pi\times0.1}{4}\times2\times(40-20)=1212.19[kJ/s]\]

2. 배관 길이 (L) 구하기

배관의 전열면적을 A라고 하면,

$$A = \pi \cdot D \cdot L$$

이며 전열량 공식은 다음과 같습니다.

$$Q = K \cdot A \cdot \Delta T_m = K \cdot (\pi \cdot D \cdot L) \cdot \Delta T_m$$

(여기서 K는열관류율 = 10[kW/m²K])

고온의 증기(예: 100℃)가 배관 외부를 감싸고 있을 때 (LMTD법)

실제 열교환기 설계에서는 아래 그림과 같이 고온 유체와 저온 유체의 흐름에 따른 대수평균온도차(LMTD)를 사용합니다.

예를 들어, 배관 외부의 열원 온도가 100℃로 일정하게 유지되는 조건이 문제에 누락된 것이라면 LMTD(ΔT_lm)는 다음과 같이 계산됩니다.

입구 온도차 (ΔT₁) = 100 – 20 = 80K
출구 온도차 (ΔT₂) = 100 – 40 = 60\K

$$\Delta T_{lm} = \frac{\Delta T_1 – \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}\\ = \frac{80 – 60}{\ln(80 / 60)} = \frac{20}{0.2877} \approx 69.52\text{ K}$$

이 대수평균온도차를 공식에 대입하여 길이를 구하면:

$$Q = K \cdot (\pi \cdot D \cdot L) \cdot \Delta T_{lm}$$ $$1313.19 = 10 \times (\pi \times 0.1 \times L) \times 69.52$$ $$1313.19 = 218.41 \times L$$ $$L \approx \mathbf{6.01 \text{ m}}$$

7️⃣ 연소계산 G1 18

탄소의 완전연소반응식은 이며 탄소 1kg을 연소시킬 때 다음을 구하시오
1)필요한 산소량
2)발생되는 이산화 탄소량
3)필요산소량
4)발생되는 산소량
5)발열량

1) 필요한 산소량

탄소 12kg이 완전연소할 때 산소는 1kmol (32kg 또는 부피로 22.4 Sm³)이 필요합니다.

질량 기준:

$$\text{필요 산소 질량} = 1\text{ kg} \times \frac{32}{12} \approx 2.67\text{ kg}$$

부피기준 (표준상태):

$$\text{필요 산소 부피} = 1\text{ kg} \times \frac{22.4\text{ Sm}^3}{12\text{ kg}}\\ \approx 1.87\text{ Sm}^3$$

2) 발생되는 이산화 탄소량

반응식에 따라 탄소 12kg이 연소하면 이산화 탄소({CO₂, 분자량 44) 1kmol (44 kg 또는 부피로 22.4Sm³)이 발생합니다.

질량 기준:

$$\text{발생 이산화 탄소 질량}\\ = 1\text{ kg} \times \frac{44}{12} \approx 3.67\text{ kg}$$

부피기준 (표준상태):

$$\text{발생 이산화 탄소 부피}\\ = 1\text{ kg} \times \frac{22.4\text{ Sm}^3}{12\text{ kg}} \approx 1.87\text{ Sm}^3$$

3) 필요산소량

1) 필요한 산소량과 동일한 문항입니다. 통상적으로 학계나 시험문제에서 부피나 질량 중 한쪽 단위로 바꾸어 묻는 경우가 많으므로 두 가지 단위를 모두 적어드립니다.

질량 기준: 2.67kg

부피기준: 1.87Sm}^3

4) 발생되는 산소량

완전연소 반응에서 산소는 소모되는반응물이므로, 연소 결과로 새롭게 발생(생성)되는 산소량은 0kg (0Sm³)입니다.

5) 발열량

탄소 1kg이 완전연소할 때 발생하는 이론적인 열량(발열량)은 다음과 같이 나타냅니다.

발열량: 약 8,100kcal/kg (또는 약 33.7MJ/kg)

8️⃣ 상당증발량 C2 06

연소실 전열면적이 55인 보일러를 가동하기 위하여 저위발열량이 9500인 연료를 283사용했다 이때 실제증발량이 2750이고 급수온도는 47도 발생증기의 엔탈피는 777일때 다음을 구하시오
1)상당증발량
2)상당증발배수
3)보일러의 효율

일반적으로 시험 및 자격증 문제에서 급수온도가 $47℃로 주어지면, 물의 비열을 1[kcal/kg℃]로 보아 급수의 엔탈피(h)는 47kcal/kg이 됩니다. 또한, 기출문제 맥락상 100℃ 물의 증발잠열은 539kcal/kg을 기준으로 사용합니다.

전열면적 (A): 55m²
연료 소비량 (B): 283kg/h
연료의 저위발열량 (H_l): 9,500kcal/kg
실제 증발량 (G_a): 2,750kg/h
급수 온도 (t₁): 47℃ (급수 엔탈피h = 47kcal/kg)
발생증기엔탈피 (H): 777kcal/kg

1) 상당증발량 (G_e, kg/h)

상당증발량(환산증발량)은 실제 증발조건(압력, 온도)에서 발생한 열량을 100℃의 포화수를 100℃의 포화증기로 증발시키는 표준 상태로 환산한 증발량입니다.

공식:

$$G_e = \frac{G_a \times (H – h)}{539}$$

계산:

$$G_e = \frac{2,750\text{ kg/h} \times (777\text{ kcal/kg} – 47\text{ kcal/kg})}{539\text{ kcal/kg}}$$

$$G_e = \frac{2,750 \times 730}{539} = \frac{2,007,500}{539}\\ \approx \mathbf{3,724.49\text{ kg/h}}$$

2) 상당증발배수 (α)

상당증발배수(증발계수)는 연료 1kg당 상당증발량이 얼마나 되는지를 나타내는 비율입니다.

공식:

$$\alpha = \frac{\text{상당증발량 } (G_e)}{\text{연료 소비량 } (B)}$$

계산:

$$\alpha = \frac{3,724.49\text{ kg/h}}{283\text{ kg/h}} \approx \mathbf{13.16}$$

3) 보일러의 효율 (η, %)

보일러 효율은 연료가 연소하면서 방출한 총 열량 중 실제로 증기를 만드는 데 사용된 유효 열량의 비율입니다.

공식:

$$\eta = \frac{G_a \times (H – h)}{B \times H_l} \times 100\ [\%]$$

계산:

$$\eta = \frac{2,750\text{ kg/h} \times (777\text{ kcal/kg} – 47\text{ kcal/kg})}{283\text{ kg/h} \times 9,500\text{ kcal/kg}} \times 100$$

$$\eta = \frac{2,007,500}{2,688,500} \times 100 \approx \mathbf{74.67\%}$$

9️⃣ 압력계 H1 16

최고사용압력 1MPa 이하인 노통 수관식 보일러에 압력계를 설치하고자 한다

1)다음의 압력계 중 가장적합한 압력계를 선택하고, 선택한 압려계가 적합한 이유를 설명하시오

압력계의 최고눈금은 보일러 최고사용압력의 1.5배 이상, 3배이하이므로 압력계의 최고눈금은 1~3[MPa]이 되어야 하며, 압력계 바깥지름은 100[㎜]이상으로 하여야 한다.

(2) 압력계를 증기보일러에 부착할 때 압력계 내부의 부르동관을 보호하기 위하여 안지름(❶)이상의 (❷)또는 동등한 작용을 하는 장치를 부착하여 증기가 직접 압력계에 들어가지 않도록 하여야 한다

6.5[㎜], 사이펀관

🔟 고위발열량 저위발열량 G5 8

프로판(C₃H₈) 1[kg]이 완전연소 시 고위발열량과 저위발열량의 차이는 몇 [kJ/kg]이 되는가? (단, 물의 증발잠열은 2,257[kJ/kg]이다)

\[C+O_2\rightarrow=CO_2+393.5[kJ/mol]\] \[H_2+\frac{1}{2}O_2\rightarrow=H_2O+240[kJ/mol]\]

\[3\times393.5+4\times240=2140.5[kJ/mol]\] \[2140.5\times\frac{1[mol]}{44[g]}\times\frac{1000[g]}{1[kg]}\times\frac{1[MJ]}{1000[kJ]} \\=48.647[MJ/kg]\]

1️⃣1️⃣ 랭킨사이클 N2 15

랭킨사이클에서 포화수 엔탈피340[kJ/kg] 급수엔탈피345[kJ/kg] 과열증기엔탈피3200[kJ/kg] 습증기엔탈피 2400[kJ/kg]일때 열효율을 구하시오.이때 랭킨 열효율을 계산하시오

\[\eta=\frac{터빈일-펌프일}{보일러가받은열}\times100\]

\[=\frac{(3200-2400)-(345-340)}{(3200-345)}\times100=27.85\]

1️⃣2️⃣ 보온재(전내흡비온두) D2

보온재의 열전도율은 낮을수록 보온효과가 크다. 보온재의 열전도율이 낮아지는 조건을 4가지만 쓰시오.

조건	25B09	22B11	20B10	17C07
전내흡 비온두	22C09			16c03
원인	17a07	24c12	19A06
내화물	23C01	24A09		16A01

D21 보온재 구비조건 (전내흡비온,두)

열전도율이 작을것
적당한 내구성을 가질것
흡습성 흡수성이 작을것
부피, 비중이 작을것
안전 사용온도 범위에 적합할것
시공성이 좋을것
내열성 내약성이 있을것

1️⃣3️⃣ 응축수량계산 B26 2

응축수	24C13	24B11	23C09	18C11

수관 보일러의 수질을 측정한 결과 급수 중 불순물의 농도가 60[ppm] 관수중 불순물의 농도가 3,500[ppm]로 나타났다. 시간당 급수량이 2,400[L]이고 응축수 회수량이 1200[L]일때 분출량[L/day]을 구하시오(단, 하루 8시간 가동하는것으로 가정한다)

B26응축수량계산

$$W=\frac{G_c\times\Delta Q}{h_L}=\frac{G_c(h_1-h_2)}{h_3-h_2}$$

1. 블로우량 계산 공식

$$\text{블로우량}(B) = \frac{F \times C_f}{C_b – C_f} \quad [\text{L/h}]$$

B: 블로우량 (Blow-down rate)
F: 시간당 급수량 = 6,000[L/h]
C_f: 급수 중 고형분 농도 = 200[ppm]
C_b: 보일러수 허용 고형분 농도 = 2,000[ppm]

응축수회수율

$$R=\frac{1,200}{2,400}=0.5$$

2. 수치 대입 및 계산

공식에 주어진 값을 대입합니다.

$$B=\frac{W(1-R)d}{r-d}\times8$$ $$B = \frac{2,400 \times (1-0.5)\times60}{3,500 – 60}\times8$$ $$B \approx 236 [\text{L/day}]$$

1️⃣4️⃣ 증기보일러 수주관

증기 보일러에 수주관 설치 시 분출관의 최소 구경은 몇 A 인지 쓰시오

20A

1️⃣5️⃣ 전도열계산 D7 13

►중공원통 대수평균면적 13C (18C 19C 11A 14C)

열전도가 0.04[W/m℃] 인 중공원관의 바깥 지름이 150[mm] 안쪽직영이 50[mm] 이고 내면의 온도가 300℃ 외기의 온도가 30℃ 일때 다음을 구하시오.
1)중공원관의 1[m]당 손실열량[W]
2)관의 중간지점의 온도[℃]

안쪽 지름 (d₁) = 50mm=0.05m
-> 안쪽 반지름 (r₁) =0.025m
바깥 지름 ($d_2$) = 150mm} = 0.15m
->바깥 반지름 ($r_2$) =0.075m
열전도율 ($k$) = 0.04W/m℃
내면 온도 ($T_1$) = 300℃
외기(외면) 온도 ($T_2$) = 30℃
원관의 길이 ($L$) = 1m

1) 중공원관의 1[m]당 손실열량 [W]

원통 벽을 통하는 열전도량(Q) 공식은 다음과 같습니다.

$$Q = \frac{2\pi \cdot k \cdot L \cdot (T_1 – T_2)}{\ln\left(\frac{r_2}{r_1}\right)}$$

공식에 주어진 조건값들을 대입합니다. 반지름의 비율(r₂/r₁)은 지름의 비율(d₂/d₁)과 같으므로 바로 지름 값을 대입해도 무방합니다.

$$Q = \frac{2\pi \times 0.04 \times 1 \times (300 – 30)}{\ln\left(\frac{0.15}{0.05}\right)}$$

분자와 분모를 각각 계산해 줍니다.

분자

$$2 \times \pi \times 0.04 \times 1 \times 270 \approx 67.8584$$

분모

$$\ln(3) \approx 1.0986$$

$$Q = \frac{67.8584}{1.0986} \approx \mathbf{61.77 \text{ W}}$$

정답: 1m당 손실열량은 약 61.77W입니다.

2) 관의 중간지점의 온도 [℃]

원통 좌표계에서 ‘관의 중간지점’은 일반적으로 물리적인 반경의 중간 지점(r_m)을 의미합니다.

중간 지점의 반지름 (r_m) =

$$\frac{r_1 + r_2}{2} = \frac{0.025 + 0.075}{2} = 0.05\text{ m}$$

정상상태이므로 안쪽 면에서 중간 지점까지 전달되는 열량 역시 위에서 구한 전체 손실열량(Q = 61.77W)과 같습니다. 이를 이용해 식을 세우면 중간 지점의 온도 T_m을 구할 수 있습니다.

$$Q = \frac{2\pi \cdot k \cdot L \cdot (T_1 – T_m)}{\ln\left(\frac{r_m}{r_1}\right)}$$

공식에 값을 대입합니다.

$$61.77 = \frac{2\pi \times 0.04 \times 1 \times (300 – T_m)}{\ln\left(\frac{0.05}{0.025}\right)}$$ $$61.77 = \frac{0.2513 \times (300 – T_m)}{\ln(2)}$$ $$61.77 = \frac{0.2513 \times (300 – T_m)}{0.6931}$$

이 식을(300-T_m)에 대해 정리합니다.

$$300 – T_m = \frac{61.77 \times 0.6931}{0.2513} \approx 170.36$$ $$T_m = 300 – 170.36 = \mathbf{129.64^\circ\text{C}}$$

1️⃣6️⃣ 다음과 같은 U자관 압력계에서 압력차를 구하시오 11

물의밀도 1000[kg/m³]

수은의 밀도 13600[kg/m³]

글리세린의 밀도 1260[kg/m³]

오일의 밀도 880[kg/m³]

P1=1000×9.8×0.6[N/m²]

P2=13600×9.8×0.2[N/m²]

P3=1260×9.8×0.2[N/m²]

P4=1260×9.8×0.25[N/m²]

P5=880×9.8×0.1[N/m²]

∆P=PB-PA=P5-P4-P3+P2+P1

=27841.8[N/m²]=27841.8[Pa]=27.84[kPa]

1️⃣7️⃣ 유량계

다음에서 설명하는 유량계의 명칭을 쓰시오

내부회전자나 피스톤 등의 가동부와 그것을 둘러싸고 있는 케이스 사이의 계량실에 유체를 충만시켜 그것을 연속적으로 유출구로 송출하는 구조로 되어 있으며, 그 계량 횟구로 유량을 직접 측정하는 유량계이다. 오벌식 유량계가 대표적이며 다른 유량계에 비하여 계량정도가 높아 공업 계기용으로부터 가정의 가스계량기 및 주유소의 판매기 등에 다양하게 이용된다.

용적식유량계

1️⃣8️⃣ 과열기 7

증기발생 보일러에서 발생증기의 엔탈피가 3000[kJ/kg]이다. 이 발생증기가 터빈 입구로 들어간다. 이때 증기기관의 수증기의 질량유량은 1.5[t/h]이며, 터빈 출구의 엔탈피는 563.6[kJ.kg]일때 터빈의 출력[kW]을 계산하시오

\[W=1.5\times1000\times(3000-563.6)\times\frac{1}{3600}\] \[=1015.17[kW]\]