에너지24년기출B
1️⃣ 연소량 G1
옥탄(C₈H₁₈)1mol을 과잉공기비 150%로 완전연소시킬 때 다음을 계산하시오
1)질량기준 공연비
2)배기가스중 CO₂, H₂O, O₂, N₂의 몰분률은 각각 몇 [%]인가?
0. 화학반응식 설정
이론 연소 반응식 (공기비 = 1.0)
옥탄 1mol이 이론적으로 완전히 연소하는 반응식은 다음과 같습니다.
- 산소(O₂) 필요량:
- 질소(N₂) 동반량:
실제 연소 반응식 (과잉공기비 150%)
공기비 1.5를 적용하면 공급되는 공기량이 1.5배가 됩니다.
반응 후 남은 산소(O₂)가 배기가스에 포함됩니다.
정리하면 다음과 같습니다.
1) 질량기준 공연비(AFR)
공연비는 (공기의 질량) / (연료의 질량) 입니다.
- 연료(C₈H₁₈)의 몰질량:
- 공기의 평균 몰질량:
28.96mol (O₂:32, N₂:28 적용 시)
여기서는 실제 공급된 공기 몰수를 기준으로 계산합니다.
- 실제 공급된 산소 몰수 = 18.75mol
- 실제 공급된 질소 몰수 = 70.5mol
- 공기의 총 질량:
- 연료의 총 질량:
2) 배기가스 성분의 몰분률 [%]
배기가스(생성물)의 총 몰수를 구한 뒤, 각 성분이 차지하는 비율을 계산합니다.
총 배기가스 몰수 (ΣN)
각 성분의 몰분률 (%)
CO₂몰분률:
H₂O몰분률:
O₂몰분률:
N₂몰분률:
2️⃣대수온도차 E3
배관의 열관류율이 146.93[W/㎡℃]인 대향류 열교환기로 30[J/kg℃]의 오일이 온도 110[℃]로 유입되어 온도 60[℃]로 나오고 11.32[kg/s]의 냉각수가 온도 10[℃]로 유입되었을때 다음을 구하시오
(단 기타 손실은 없다,물의 비열은 4.186[J/kg℃])
1)냉각수 출구온도
2)대수평균 온도차를 이용한 열교환기의 전열면적
E3 대수평온도차 #LMTD
1) 냉각수 출구온도
열교환기 내부에서 손실이 없으므로 오일이 방출한 열량(Qo)은 냉각수가 흡수한 열량(Qw)과 같습니다.
① 오일이 방출한 열량 (Qo)
오일의 열용량 속도 30[kW/℃]= 30,000[W/℃]
오일 입구 온도 110[℃], 출구 온도 60[℃]
② 냉각수 출구온도 계산
- 냉각수 질량 유량 11.32[kg/s]
- 냉각수 비열 4.186[kJ/kg℃] (일반적인 물의 비열)
- 냉각수 입구 온도 10[℃]
2) 대수평균 온도차(LMTD)를 이용한 열교환기의 전열면적
대향류(Counter-flow) 열교환기이므로 입·출구의 온도차를 각각 구합니다.
① 대수평균 온도차 (∆Tm) 계산
양단 온도차 1 (∆t1): 오일 입구와 냉각수 출구의 차이
양단 온도차 2 (∆t2): 오일 출구와 냉각수 입구의 차이
② 전열면적 (A) 계산
열교환기 기본식 을 이용합니다.
- 총 전열량 (Q) = 1,500,000[W]
- 열관류율 (U) = 146.93[W/㎡℃]
3️⃣복사난방 D9
F1 복사난방
- 실내온도의 분포가 균등하여 쾌감도가 높다 ➕
- 방열기가 필요하지 않으므로 바닥면의 이용도가 높다 ➕
- 공기 대류가 적으므로 바닥면 먼지상승이 없다 ➕
- 방이 개방된 상태에서도 난방효과가 있다 ➕
- 손실열량이 비교적 적다
- 외기온도 급변에 따른 방열량 조절이 어렵다 ➖
- 초기 시설비가 많이 소요된다 ➖
- 시공, 수리, 방의 모양을 변경하기가 어렵다 ➖
- 열손실을 차단하기 위하여 단열층이 필요하다
4️⃣ 배관 밸브 D5
관 부속품의 이음쇠 종류 중 이경관연결 시 사용되는 부품을 4가지만 쓰시오
- 리듀서
- 부싱
- 이경 엘보
- 이경 티
5️⃣ 관류 보일러 A6
관류보일러는 긴 관의 일단에서 급수를 펌프로 압입하여 도중에서 가열 증발 과열을 한꺼번에 시켜 과열증기로 내보내는 보일러로서 드럼이 없고, 관으로만 구성된 보일러이다.
관류 보일러의 종류 4가지를 쓰시오.
A16 관류보일러(*종류 엣슐벤람)
- 엣모스,
- 슐처 보일러,
- 벤슨 보일러,
- 람진 보일
- 소형 관류 보일러
6️⃣ 탈산소제 A9
다음의 설명은 보일러 급수처리에 사용되는 청관제 중 용존산소를 제거할 목적으로 사용하는 탈산소제이다. 각각에 해당되는 탈산소제의 명칭을 다음의 보기 중에서 찾아 쓰시오
1)저압 보일러용 탈산소제로 사용되며 슬러지 조정제로도 사용된다
2)물리적 탈기 후 급수중 남아 있는 용존산소를 탈산소시키는데 사용되며 가격이 저렴하고 취급이 용이하다
3)용존산소와 반응하여 생성되는 반응 생성물이 실소와 물로 이루어져 있어서 보일러수의 용해 고형물의 온도를 상승시키지 않으므로 고압 보일러 및 관류 보일러에 적용하는 경우가 많다.
타닌, 아황산나트륨, 하이드라진, 알킬아민, 당류
J3 탈산소제
아황산나트륨, 히드라진, 타닌
7️⃣ 오리피스 H4
오리피스를 사용하여 유량을 측정하고자 한다. 유량은 몇 [t/h]인가? (단,비체적은 0.24[m³/kg], 관지름20[cm] 속도25[m/s])
1. 관의 단면적 (A) 계산
- 관 지름 D = 20cm = 0.2m
2. 체적 유량 (Q) 계산
체적 유량은 단면적에 유속을 곱하여 구합니다.
- 유속 v = 25m/s
이를 시간당 체적 유량(m³/h)으로 환산 (1시간 = 3600초)
3. 질량 유량 (M) 계산 (단위: t/h)
비체적(v)은 단위 질량당 부피(m³/kg)이므로, 체적 유량을 비체적으로 나누면 질량유량(kg/h)을 얻을 수 있습니다.
- 비체적 v = 0.24 m³/kg
최종 구하고자 하는 단위인 톤(t/h)으로 환산(1t=1,000 kg)
8️⃣ 액체연료의 무화 F2
액체연료의 미립화를 위한 다음의 무화방식을 각각 간단히 설명하시오
1)유압무화식
2)기류무화식
3)회전무화식
F 액체연료의 분무방식*
● 가압분사식 : 유압펌프를 이용하여 연료를 가압하여 노즐에서 고속으로 분출시켜 미립화 시키는 버너
● 회전식 : 고속으로 회전하는 분무컵에 연료를 공급하고, 분무컵의 원심력에 의해 분무컵 내면에 액막이 형성되고, 여기에 1차공기가 고속으로 분출되면서 미립화시키는 버너
● 기류 분무식 : 저압의 공기나 증기를 고압의 공기나 증기로 분무매체를 이용하여 고압으로 고점도 오일 등을 무화시키는 버너로 2유체 버너라고도 한다
9️⃣ 유속계산(전압, 동압, 정압) H2
유속식 유량측정계의 일종인 피토관을 물속에 설치하여 측정한 결과 전압 150[kPa] 정압 142[kPa] 임을 알아 냈다
이때 유속[m/s]을 구하시오
전압=정압+동압
동압=전압-정압
동압=150-142=8[kPa]
h=0.8163
🔟 절탄기 B4
열회수장치인 절탄기를 설치하여 연소배기가스온도가 270[℃]에서 160[℃]로 낮추었을 때, 절감열량[kJ/Nm³]은 얼마인가?
단 절탄기의 폐열회수율은 85.3[%]이고, 공기비는 1.2, 이론공기량은 10.709[Nm³/Nm³], 이론배기가스량은 11.24[Nm³/Nm³], 배기가스의 비열은 1.38[kJ/Nm³℃]이다)
1. 실제 배기가스량(G) 계산
실제 배기가스량은 이론 배기가스량에 과잉 공기량을 더하여 구합니다.
- G0 (이론배기가스량) = 11.24[Nm³/Nm³]
- A0 (이론공기량) = 10.709[Nm³/Nm³]
- m (공기비) = 1.2
2. 배기가스의 총 감소 열량(Qtotal) 계산
배기가스의 온도가 270[℃]에서 160[℃]로 낮아지면서 방출한 총 열량입니다.
- Cp (배기가스 비열) = 1.38[kJ/Nm3·℃]
- ΔT (온도 변화) = 270 – 160 = 110[℃]
3. 절탄기의 절감열량(Qsaved) 계산
폐열회수율(85.3%)을 적용하여 실제 절약된 열량을 구합니다.
- η(폐열회수율) = 0.853
절감열량은 약 1732.75[kJ/Nm³]입니다.
(소수점 아래 자리 처리 기준에 따라 약간의 오차가 있을 수있습니다.)
1️⃣1️⃣ 응축수량계산 B26
수관 보일러의 수질을 측정한 결과, 급수 중 고형분의 농도가 200[ppm] 보일러수의 허용 고형분이 2000[ppm]로 나타났다 시간당 급수량은 6000[L/h]일때 블로량을 구하시오.(단 응축수 회수량은 없으며 보일러 1일 가동시간은 4시간이다.)
1. 블로우량 계산 공식
- B: 블로우량 (Blow-down rate)
- F: 시간당 급수량 = 6,000[L/h]
- Cf: 급수 중 고형분 농도 = 200[ppm]
- Cb: 보일러수 허용 고형분 농도 = 2,000[ppm]
2. 수치 대입 및 계산
공식에 주어진 값을 대입합니다.
1️⃣2️⃣ 1종압력용기
열사용 기자재의 1종 압력용기에 대한 다음 설명중 ()안에 알맞은 내용을 써넣으시오
열사용 기자재의 1종압력용기에 해당하는 것 중 한가지는 용기 안의 (액체)의 온도가 대기압으로서의 (비점)을 넘는것이다
1️⃣3️⃣ 보일러자동제어 J1
보일러 자동제어의 명칭 제어량 조작량에 해당하는 용어 1~5에 각각 써넣으시오
J5 보일러 자동제어
| 명칭 | 제어량 | 조작량 |
|---|---|---|
| 자동급수제어(FWC) | 보일러 수위 | 급수량 |
| 증기온도제어(STC) | 증기온도 | 전열량 |
| 자동연소제어(ACC) | 노내압, 증기압력 | 연소가스량, 공기량, 연료량 |
| 증기압력제어(SPC) | 증기압력 | 연료공급량, 연소용 공기량 |
1️⃣4️⃣ 통풍력 F5
배기가스의 온도가 200[℃], 비중량이 13.27[N/㎥]인 경우 통풍력이 527[Pa]이다. 이 때 연돌의 높이[m]는 얼마인가?(대기의 비중량은 20[℃], 12.64[N/㎥]이다)
F5 통풍력
1️⃣5️⃣ 보일러순환 A3
자연순환식 수관 보일러에 대한 다음 질문에 답하시오
1)물의 순환이 어떨게 되는지를 간단히 설명하시오
2)연소가스의 흐름 조정으로 열회수와 보일러수의 순환 양호를 하는 것을 무엇이라 하는지 그명칭을 쓰시오
1)자연순환식 수관보일러는 모터 없이(보일러장치 내의 밀도차)에 의해서 보일러수를 자연적으로 순환시키는 방법이다
2)(배플관)은 수관보일러의 회로나 연도 내에 있어 연소가스의 흐름을 기능상 필요한 방향으로 유도하기 위해 설치되는 내화성의 판 또는 칸막이를 뜻한다.
1️⃣6️⃣ 카르노사이클 N1
카르노사이클 300[℃]의 고온열원과 20[℃]의 저온열원사이에서 작동되며 100[kJ]의 일을 한다. 저온에서 방출되는 열을 계산하시오.
열기관의 효율
고온부로부터 들어온 열량
방출되는 열량
1️⃣7️⃣ 전도열계산(구형용기) D9
내부반지름1m, 두께 1cm의 구형용기 안에 얼음이 가득차 있다. 다음 조건을 참고하여 다음에 대답하여라
복사율 0.8 스테판 볼츠만 상수5.67×10-8, 외기온도 15도 용기표면온도 0도, 대류열전달계수 30, 얼음의 융해열 340kJ/kg(얼음의 양은 충분히 많고 용기의 열저항력은 무시한다)
1)용기가 흡수한 열량[W]
2)2시간 동안 녹일수 있는 얼음의 양[kg]
D9 복사전열량(스테판 볼츠만의 법칙)
D9 대류전열량
대류에 의한 열전달량
복사에 의한 열전달량
1)용기가 흡수한 열량[W]
Q=5768.53+771.76=6540.30[W]
2)2시간 동안 녹일수 있는 얼음의 양[kg]
x=138.50
1️⃣8️⃣ 폐열회수계산 B4 12
다음의 자료를 이용하여 급수온도를 65°C 에서 80°C로 올렸을 때의 연료절감율[%]을 구하시오
– 발생증기 엔탈피 2775.5[kJ/kg]
– 65°C 급수엔탈피 272.1[kJ/kg]
– 80°C 급수엔탈피 225.0[kJ/kg]
– 보일러 효율은 변하지 않는다고 가정한다.
1. 공식 정의
급수온도 상승에 따른 연료 절감율(Fs,%)은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
- q1: 급수온도 65°C일 때, 증기 1kg을 만드는 데 필요한 열량 (kJ/kg)
- q2: 급수온도 80°C일 때, 증기 1kg을 만드는 데 필요한 열량 (kJ/kg)
각 필요한 열량(q)은 [발생증기 엔탈피(hg) – 공급하는 급수의 엔탈피(hf)]로 구합니다.
2. 각 조건에서의 필요 열량 계산
① 급수온도 65°C 일 때 필요한 열량 (q1)
- 발생증기 엔탈피 (hg) = $2775.5kJ/kg
- 급수 엔탈피 (hf1) = $272.1kJ/kg
② 급수온도 80°C일 때 필요한 열량 (q2)
- 발생증기 엔탈피 (hg) = 2775.5kJ/kg
- 급수 엔탈피 (hf2) = 225.0kJ/kg (제시된 수치 대입)
3. 연료 절감율 (Fs)계산
구한 값을 연료 절감율 공식에 대입합니다.
열회수장치인 절탄기를 설치하여, 연소배기가스온도가 270도에서 16도로 낮추었을 때, 절감열량은 얼마인가
(단 절탄기의 폐열회수율은 85.3%이고, 공기비는 1.2, 이론공기량은 10.709, 이론배기가스량은 11.24, 배기가스의 비열은 1.38이다)
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