미분탄연소·유동층연소·화격자연소는 모두 석탄과 같은 고체연료를 연소시키는 대표적인 방식이다.

반면 액중연소는 폐유·폐액 등을 액체 상태로 다루며 액 중에서 연소시키는 방식으로, 애초에 고체연료가 아닌 액체를 대상으로 한다. 따라서 고체연료의 연소방법에 해당하지 않는다.

가솔린·등유·경유·중유는 모두 석유계 액체연료이지만, 비중이 낮고 수소 함유비율이 높을수록 단위질량당 저위발열량이 커지는 경향이 있다.

네 연료 중 가솔린이 비중이 가장 작고 수소 함량이 상대적으로 높아 kg당 저위발열량이 가장 크며, 등유·경유·중유로 갈수록 비중과 탄소 함량이 커지면서 단위질량당 발열량은 점차 낮아진다.

연료가 공급하는 열량은 시간당 연료소비량과 저위발열량의 곱으로 구한다.

$Q_{in} = 1400\ \mathrm{kg/h} \times 28\ \mathrm{MJ/kg} = 39200\ \mathrm{MJ/h} = \dfrac{39200000\ \mathrm{kJ/h}}{3600\ \mathrm{s/h}} \approx 10889\ \mathrm{kW}$

열효율은 출력을 공급열량으로 나눈 값이므로 $\eta = \dfrac{3000}{10889} \times 100 \approx 27.6\%$로, 가장 가까운 값은 28%이다.

CO가 검출되지 않는 완전연소 조건이므로 잔존 산소 농도를 이용한 공기비 공식을 그대로 적용할 수 있다.

$m = \dfrac{21}{21 - O_2} = \dfrac{21}{21-8} = \dfrac{21}{13} \approx 1.62$

같은 조건에서 $(CO_2)_{max}$를 이용한 공기비 공식 $m = \dfrac{(CO_2)_{max}}{CO_2} = \dfrac{21}{13}$로 계산해도 동일한 값이 나와 서로 검증된다.

질소산화물은 연소온도가 높을수록, 화염 중 산소 농도가 높을수록 많이 생성된다(열적 NOx). 2단연소, 농담연소, 배기가스 재순환은 모두 연소온도를 낮추거나 국부적 고온·고산소 구간을 줄여 NOx 생성을 억제하는 대표적 방법이다.

반대로 고온연소는 오히려 열적 NOx 생성을 촉진하는 조건이므로 억제 방법이 될 수 없다.

옥탄(C8H18)의 완전연소 반응식은 $C_8H_{18} + 12.5\,O_2 \rightarrow 8CO_2 + 9H_2O$이므로 1mol 연소에 필요한 이론산소량은 12.5mol이다.

공기비 2로 연소시키면 실제 공급 산소량은 $2 \times 12.5 = 25\ \mathrm{mol}$이고, 이 중 반응에 쓰이지 않은 잉여산소는 $25-12.5=12.5\ \mathrm{mol}$이다. 공급된 공기 중 질소는 $25 \times \dfrac{79}{21} \approx 94\ \mathrm{mol}$이다.

연소가스 총 몰수는 $CO_2(8) + H_2O(9) + O_2(12.5) + N_2(94) = 123.5\ \mathrm{mol}$이므로 산소의 몰분율은 $\dfrac{12.5}{123.5} \approx 0.101$이다.

메탄 1kg이 연소하면 $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ 반응에 따라 $\dfrac{2 \times 18}{16} = 2.25\ \mathrm{kg}$의 수증기가 생성된다.

고위발열량은 저위발열량에 이 수증기가 응축될 때 방출하는 잠열을 더한 값이므로 $H_h = H_l + 2450 \times 2.25 = 50000 + 5512.5 \approx 55500\ \mathrm{kJ/kg}$이다.

송풍기 소요동력은 통풍압과 풍량, 효율을 이용한 다음 식으로 구한다.

$L = \dfrac{P \times Q}{6120 \times \eta} = \dfrac{35 \times 200}{6120 \times 0.7} = \dfrac{7000}{4284} \approx 1.63\ \mathrm{kW}$

여기서 P는 mmH2O 단위의 통풍압, Q는 m3/min 단위의 가스량이며, 6120은 단위환산 상수이다.

기체연료는 연소조절이 쉽고, 회분·매연이 거의 없어 청결하며, 공기와 균일하게 혼합되어 적은 과잉공기로도 완전연소가 가능하다는 장점이 있다.

반면 기체 상태로는 부피가 커서 압축·액화 없이는 대량 저장이 어렵고 별도의 배관·저장설비가 필요해, 운반과 저장 측면에서는 오히려 고체·액체연료보다 불리하다. 따라서 이 항목은 기체연료의 장점으로 볼 수 없다.

발열량은 부피(Nm3) 기준으로 주어지므로, 질량비로 제시된 프로판·공기 혼합비를 몰(부피)비로 환산해야 한다.

혼합가스 100kg 중 프로판 45kg, 공기 55kg이라 하면 몰수는 각각 $\dfrac{45}{44} \approx 1.023\ \mathrm{kmol}$, $\dfrac{55}{29} \approx 1.897\ \mathrm{kmol}$이고, 프로판의 부피분율은 $\dfrac{1.023}{1.023+1.897} \approx 0.350$이다.

공기의 발열량은 무시하므로 혼합가스 발열량은 $0.350 \times 100 \approx 35\ \mathrm{MJ/Nm^3}$이 된다.

중유의 인화점은 종류에 따라 대략 60~150℃ 범위에 있어, 제시된 설명 중 이 내용이 옳다. 인화점이 높아 상온에서는 쉽게 불이 붙지 않는 것이 중유의 특징이다.

나머지 설명은 다음과 같이 어긋난다. 원소 조성은 탄소(C)가 가장 많고 수소는 그보다 훨씬 적다. 비중은 대체로 0.85~1.0 정도이므로 0.72~0.76은 가솔린류에 해당하는 값이다. 또한 점도에 따른 구분은 A중유·B중유·C중유(1종·2종·3종)로 나타내므로 '1, 2, 3급'이라는 표현과는 맞지 않는다.

고온부식은 연료 중에 포함된 바나듐(V) 화합물이 연소 중 산화되어 오산화바나듐 등으로 변하고, 이것이 저융점 회분을 형성해 금속 표면을 침식시키는 현상이다.

이에 비해 연료 중 황분의 산화나 연소 후 생긴 수분의 응축은 배기가스 노점 이하에서 황산이 응축되어 발생하는 저온부식의 원인이며, 수소의 산화는 이 부식의 직접적 원인으로 다루지 않는다.

이론공기량은 연료 단위 부피당 포함된 탄화수소의 탄소수가 많을수록, 즉 무거운 성분일수록 커지는 경향이 있다.

액화석유가스(LPG)는 프로판·부탄과 같이 탄소수가 많은 성분으로 이루어져 있어, 메탄 위주의 천연가스나 오일가스·석탄가스에 비해 Nm3당 필요한 이론공기량이 월등히 크다.

프리퍼지(pre-purge)는 점화하기 전 송풍기 등으로 연소실과 연도에 남아 있는 미연가스나 잔류가스를 밖으로 몰아내는 환기 과정으로, 점화 시 폭발사고를 예방하기 위한 필수 절차이다.

포스트퍼지는 연소 정지 후에 시행하는 환기이며, 가압퍼지·불착화퍼지는 점화 전 환기라는 이 개념과는 다른 용어이다.

반응식에 열량이 생성물 쪽에 +로 적혀 있으므로 모두 발열반응이며, 엔탈피 부호로는 생성엔탈피 ΔH_f(CO₂) = −394 kJ, ΔH_f(H₂O) = −241 kJ, CH₄의 연소엔탈피 = −802 kJ 이다.

헤스의 법칙에 따라 연소엔탈피 = (생성물 생성엔탈피 합) − (반응물 생성엔탈피 합) 이므로
−802 = {(−394) + 2×(−241)} − ΔH_f(CH₄) = −876 − ΔH_f(CH₄)

따라서 ΔH_f(CH₄) = −876 + 802 = −74 kJ 이다. 즉 C + 2H₂ → CH₄ 반응에서 74 kJ이 방출된다. H₂O의 계수 2를 빠뜨려 −241을 한 번만 더하면 −802 = (−394−241) − ΔH_f 에서 ΔH_f = +167 kJ이 되어 부호까지 달라지므로, 반응식의 계수를 반드시 곱해야 한다.

연소실 온도가 높으면 오히려 연료가 완전히 연소되기 쉬워져 매연 발생이 줄어드는 방향으로 작용한다.

반면 연소장치 불량, 연료 질 저하, 통풍력 부족은 모두 불완전연소를 유발해 매연 발생을 촉진하는 대표적 원인이다. 따라서 매연 발생 원인과 가장 거리가 먼 것은 연소실 온도가 높은 경우이다.

가연성 액체에서 발생한 증기 농도가 연소범위 안에 있을 때, 외부에서 불꽃을 가까이 대면 순간적으로 불이 붙는 최저온도를 인화점(인화온도)이라 한다.

착화온도(발화점)는 외부 점화원 없이 스스로 발화하는 온도이고, 기화온도·임계온도는 상변화와 관련된 개념으로 이 현상과는 구별된다.

공기 중 폭발(연소)범위는 수소가 약 4~75%로 제시된 기체 중 가장 넓다. 메탄은 약 5~15%, 프로판은 약 2.1~9.5%, 벤젠은 약 1.2~7.8% 정도로 수소보다 훨씬 좁다.

수소는 분자량이 작고 확산·연소속도가 빨라 넓은 농도범위에서 연소가 가능하다.

로터리 버너에서 벙커 C유의 분무성을 개선하기 위한 조치들을 검토하면, 1번과 2번은 중유의 물리·화학적 성질 개선(점도 저감, 수분 제거)으로 직접 분무 효율을 높이고, 3번은 불순물 제거로 버너 노즐 막힘을 방지하여 분무를 유지하는 데 직접 기여한다. 반면 4번은 버너 입구 압력을 100kPa 이상으로 설정하는 것으로, 이는 연료 공급 계통의 기본 압력 관리 사항이지만 분무 성능 자체를 좌우하는 직접적인 요인이 아니며, 실제 분무는 노즐 분사압(atomizing pressure)으로 결정되므로 입구 압력 기준만으로는 분무 개선과의 연관성이 가장 멀다.

탄화수소 $C_mH_n$ 1Nm3의 완전연소 반응식은 $C_mH_n + \left(m+\dfrac{n}{4}\right)O_2 \rightarrow mCO_2 + \dfrac{n}{2}H_2O$이므로 이론산소량은 $m+0.25n\ \mathrm{Nm^3}$이다.

공기 중 산소 비율이 21%이므로 이론공기량은 $A_o = \dfrac{m+0.25n}{0.21} = 4.76m + 1.19n\ \mathrm{Nm^3}$으로 계산된다.

용기 체적이 일정하므로 이상기체 상태방정식 $PV=mRT$에서 $V = \dfrac{mRT}{P}$는 초기와 최종 상태에서 값이 같다.

초기 상태에서 $V = \dfrac{20 \times 0.529 \times 288}{10000} \approx 0.3047\ \mathrm{m^3}$이며, 이 체적을 최종 상태(1MPa, 283K)에 대입하면 남은 질량은 $m_2 = \dfrac{P_2 V}{R T_2} = \dfrac{1000 \times 0.3047}{0.529 \times 283} \approx 2.04\ \mathrm{kg}$이다.

따라서 소비된 가스량은 $20 - 2.04 \approx 18.0\ \mathrm{kg}$이다.

0℃ 물이 0℃ 얼음으로 상변화할 때 방출해야 하는 열량은 융해잠열을 이용해 구한다.

$Q = 1000\ \mathrm{kg} \times 335\ \mathrm{kJ/kg} = 335000\ \mathrm{kJ}$이며, 이를 24시간(86400초) 동안 처리하므로 냉동능력은 $\dfrac{335000}{86400} \approx 3.88\ \mathrm{kW}$이다.

건도 x=0.95인 습증기의 비체적은 포화수 비체적과 건포화증기 비체적을 건도로 가중평균하여 구한다.

$v = v_f + x(v_g - v_f) = 0.001 + 0.95 \times (0.1237-0.001) \approx 0.1176\ \mathrm{m^3/kg}$

따라서 탱크 내 수증기 질량은 $m = \dfrac{V}{v} = \dfrac{0.5}{0.1176} \approx 4.25\ \mathrm{kg}$이다.

가역 단열(등엔트로피)변화의 기본식은 PV^k = 일정이다. 여기에 이상기체 상태식 PV = RT를 대입하면 나머지 두 관계식이 유도된다.

P = RT/V를 넣으면 (RT/V)·V^k = 일정 → TV^k−1 = 일정. V = RT/P를 넣으면 P·(RT/P)^k = 일정 → T^kP^1−k = 일정이고, 양변을 1/k 제곱하면 $T P^{\frac{1-k}{k}} = \text{일정}$ 이 된다.

따라서 항상 일정한 것은 TP^(1−k)/k 이다. 지수를 뒤바꾼 PV^k−1·TV^(1−k)/k·TP^k 형태는 모두 위 유도와 맞지 않는다.

염소를 다량 포함한 CFC(염화불화탄소) 계열 냉매일수록 오존파괴지수(ODP)가 크다. R-11은 대표적인 CFC 냉매로 ODP가 1.0으로 정의되어 비교 대상 중 가장 크다.

R-134a는 염소가 없는 HFC 계열로 ODP가 사실상 0이고, R-123은 HCFC 계열로 ODP가 매우 작으며, 암모니아는 자연냉매로 오존파괴지수가 0이다.

그림은 랭킨 사이클의 h-s 선도로, 가로축(엔트로피) a 위치에 점 1과 2가, b 위치에 점 3과 4가 수직으로 놓여 있다. 1→2는 급수펌프 단열압축, 2→3은 보일러 정압가열, 3→4는 터빈 단열팽창, 4→1은 복수기 정압방열이다.

등엔트로피 과정은 엔트로피가 변하지 않으므로 h-s 선도에서 수직선으로 나타난다. 선도에서 수직으로 그려진 구간은 엔트로피 a에서의 1→2와 엔트로피 b에서의 3→4 두 곳뿐이다.

이 중 엔탈피가 감소하면서 일을 내는 팽창은 최고 엔탈피점 3에서 아래쪽 4로 내려가는 구간이므로 3 → 4가 등엔트로피 팽창이다. 1→2는 같은 등엔트로피라도 엔탈피가 증가하는 압축(펌프일)이고, 2→3과 4→1은 등압 열교환이라 엔트로피가 변한다.

이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수이므로 그 변화는 du = C_V dT 로 표현된다. 정적과정에서 dv=0이라 δq = du가 되고, 이때 δq = C_VdT이므로 내부에너지 변화가 곧 정적비열×온도변화가 된다.

이 관계는 정적과정에서 유도되지만 과정 종류와 무관하게 항상 성립한다. 이상기체의 내부에너지가 압력이나 비체적에 의존하지 않고 온도에만 의존하기 때문이다.

비교하면 엔탈피 변화는 dh = C_PdT이고, 두 비열 사이에는 C_P − C_V = R, C_P/C_V = k(비열비) 관계가 있다. 따라서 정압비열을 쓰거나 두 비열의 비·곱을 쓴 형태는 내부에너지 변화식이 아니다.

그림은 온도-엔트로피 선도로 그린 카르노 냉동사이클이다. 위쪽 등온선이 고온 T₁, 아래쪽 등온선이 저온 T₂이며, 저온선에서는 엔트로피가 증가하는 방향(오른쪽)으로 열을 흡수하고 고온선에서는 엔트로피가 감소하는 방향(왼쪽)으로 열을 방출한다. 좌우의 수직선은 등엔트로피 팽창·압축이다.

엔트로피 변화폭을 Δs라 하면 저온부 흡수열(냉동효과) q₂ = T₂Δs, 고온부 방출열 q₁ = T₁Δs, 소요 일 w = q₁ − q₂ = (T₁ − T₂)Δs 로, 각각 선도에서 직사각형 면적에 해당한다.

성능계수는 냉동효과를 소요 일로 나눈 값이므로 $COP = \dfrac{q_2}{w} = \dfrac{T_2}{T_1-T_2}$ 이다. 분자가 T₁인 형태는 열펌프의 성능계수, (T₁−T₂)/T₁은 카르노 열기관의 열효율이므로 혼동하지 않아야 한다.

교축(throttling)과정은 밸브나 오리피스 등 좁은 통로를 유체가 통과하며 급격히 압력이 강하하는 과정으로, 외부와 일·열의 출입이 없고 위치·속도 에너지 변화도 무시되는 정상류 에너지식에서 입구와 출구의 엔탈피가 서로 같게 유지된다.

이 과정에서 압력은 급격히 낮아지고, 엔트로피는 비가역성으로 인해 증가하며, 비체적도 압력·온도 변화에 따라 달라지므로 일정하게 유지되는 값은 엔탈피뿐이다.

같은 온도·압력에서 같은 부피에 들어있는 이상기체의 몰수는 서로 같으므로, 동일 부피로 혼합하면 각 성분의 몰분율은 모두 같아진다.

따라서 혼합기체의 평균분자량은 각 분자량의 단순 산술평균으로 구할 수 있다: $\dfrac{16+28+32+44}{4} = \dfrac{120}{4} = 30$.

초기상태 A(100kPa, 333K)에서 정적과정으로 상태 B까지 가열한 뒤, 정압과정으로 최종상태 C(500kPa, 333K)까지 냉각한다. A와 C는 온도가 같으므로 이상기체 상태식으로 부피 관계를 세우면 중간상태 B의 온도를 구할 수 있다.

정적과정에서는 부피가 A상태와 같고 정압(500kPa)과정에서는 부피가 C상태로 변하는 조건을 이용하면 $T_B = T_A \times \dfrac{P_B}{P_A} = 333 \times \dfrac{500}{100} = 1665\ \mathrm{K}$가 된다.

정적가열 열량은 $Q_1 = C_v(T_B-T_A) = 20\times(1665-333) = 26640\ \mathrm{kJ/kmol}$, 정압냉각 열량은 $Q_2 = C_p(T_C-T_B) = 28\times(333-1665) = -37296\ \mathrm{kJ/kmol}$이므로 전체 열량 변화는 $Q_1+Q_2 \approx -10656\ \mathrm{kJ/kmol}$이다.

피스톤이 하는 일은 $W=\int_{V_1}^{V_2}P\,dV$ 이므로, 과정 중의 압력–체적 관계식을 대입해 적분하면 된다. 주어진 관계 $PV^2=C$ 에서 $P=\dfrac{C}{V^2}$ 이다.

이를 대입하면 $W=\int_{V_1}^{V_2}\dfrac{C}{V^2}dV=C\left[-\dfrac{1}{V}\right]_{V_1}^{V_2}=C\left(\dfrac{1}{V_1}-\dfrac{1}{V_2}\right)$ 가 된다.

상수 $C$ 는 양 끝점에서 $C=P_1V_1^{2}=P_2V_2^{2}$ 이므로 $\dfrac{C}{V_1}=P_1V_1$, $\dfrac{C}{V_2}=P_2V_2$ 이다. 따라서 $W=P_1V_1-P_2V_2$ 로 정리된다.

이는 폴리트로픽 지수 $n=2$ 인 과정이므로 일반식 $W=\dfrac{P_1V_1-P_2V_2}{n-1}$ 에 대입해도 분모가 1이 되어 같은 결과를 얻는다.

제시된 두 문장은 모두 열역학 제2법칙의 대표적 서술이다. "열은 그 자신만으로는 저온의 물체로부터 고온의 물체로 이동할 수 없다"는 클라우지우스(Clausius) 서술로, 열의 자발적 이동 방향이 고온에서 저온으로 한 방향임을 규정한다.

"외부에 어떠한 영향을 남기지 않고 한 사이클 동안에 계가 열원으로부터 받은 열을 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다"는 켈빈-플랑크(Kelvin-Planck) 서술이다. 단일 열원만으로 작동하면서 효율 100%를 내는 열기관, 즉 제2종 영구기관은 만들 수 없다는 뜻이다.

비교하면 열평형과 온도의 정의는 제0법칙, 에너지 보존 $\delta Q=dU+\delta W$ 는 제1법칙, 절대영도에 접근할 때 엔트로피가 일정한 값(0)에 수렴한다는 것은 제3법칙이다. 두 문장 모두 과정의 방향성과 비가역성을 말하고 있으므로 제2법칙에 해당한다.

이상기체의 비엔트로피 변화는 $Tds=dh-v\,dP$ 에 $dh=C_P\,dT$, $v=\dfrac{RT}{P}$ 를 넣어 $ds=C_P\dfrac{dT}{T}-R\dfrac{dP}{P}$ 로 쓸 수 있다.

정압비열 $C_P$ 가 일정하므로 A상태에서 B상태까지 그대로 적분하면 $\Delta s=s_B-s_A=C_P\ln\dfrac{T_B}{T_A}-R\ln\dfrac{P_B}{P_A}$ 를 얻는다. 변화가 A→B 이므로 두 로그 안의 분자에는 나중 상태 B, 분모에는 처음 상태 A가 와야 하고, 압력항 앞의 부호는 음(−)이다.

부호를 물리적으로 확인해 보자. 온도가 일정한 등온변화라면 $\Delta s=-R\ln\dfrac{P_B}{P_A}$ 가 되는데, 압축되어 압력이 올라가면 $P_B>P_A$ 이므로 $\Delta s<0$ 즉 엔트로피가 줄어든다. 기체를 압축하면 무질서도가 감소한다는 사실과 맞는다. 반대로 압력항 앞이 양(+)이면 압축할수록 엔트로피가 커진다는 잘못된 결과가 나온다.

온도항도 마찬가지다. 압력이 일정한 정압가열이라면 $\Delta s=C_P\ln\dfrac{T_B}{T_A}$ 이고, 가열해 $T_B>T_A$ 가 되면 엔트로피가 증가해야 한다. 로그 안이 $\dfrac{T_A}{T_B}$ 로 뒤집힌 형태는 부호가 반대로 나오므로 성립하지 않는다.

따라서 온도비는 $\dfrac{T_B}{T_A}$, 압력항은 $-R\ln\dfrac{P_B}{P_A}$ 인 식이 옳다.

공기예열기에서는 압력이 일정하게 유지된 채 온도만 변하므로 샤를의 법칙(정압 과정)을 적용해 출구 유량을 구할 수 있다.

$V_2 = V_1 \times \dfrac{T_2}{T_1} = 500 \times \dfrac{413}{288} \approx 717\ \mathrm{m^3/min}$

입구 288K(15℃)에서 출구 413K(140℃)로 절대온도가 상승한 비율만큼 부피도 함께 늘어난 것이다.

가로축이 온도 $T$, 세로축이 압력 $p$ 인 물의 상평형도이다. 그림에서 왼쪽이 고체, 오른쪽 위가 액체, 오른쪽 아래가 기체 영역이고 세 곡선이 한 점(d)에서 만난다.

고체와 액체를 가르는 거의 수직인 곡선 a는 융해(용융) 곡선, 고체와 기체를 가르는 왼쪽 아래 곡선 b는 승화 곡선, 액체와 기체를 가르며 오른쪽 위로 뻗는 곡선 c는 증발(기화) 곡선이다. 세 곡선이 만나는 점 d는 고체·액체·기체가 함께 존재하는 삼중점이다.

따라서 c를 증발 곡선이라고 한 설명만 옳다. a는 승화가 아닌 융해 곡선, b는 용융이 아닌 승화 곡선이며, d는 임계점이 아니라 삼중점이다. 임계점은 증발 곡선 c가 끝나는 위쪽 끝점으로 삼중점과는 전혀 다른 위치이고, 물은 융해 곡선이 압력이 높아질수록 왼쪽으로 기울어(압력을 높이면 녹는점이 낮아져) 그 특징이 그림의 a에 나타나 있다.

줄-톰슨 효과는 교축(스로틀링) 과정에서 압력이 낮아질 때 온도가 어떻게 변하는지를 나타내며, 줄-톰슨 계수는 $\mu = \left(\dfrac{\partial T}{\partial P}\right)_h$로 정의된다.

압력이 감소하는 방향으로 상태가 변할 때 온도도 함께 감소해야 하므로 압력변화량과 온도변화량의 부호가 서로 같아야 하며, 그 결과 줄-톰슨 계수는 $\mu \gt 0$이어야 한다.

속도차와 위치에너지를 무시한 정상유동 에너지식에서 터빈 출력은 $\dot{W}=\dot{m}(h_1-h_2)$ 이다. 입구 엔탈피는 3300 kJ/kg이며, 함께 주어진 내부에너지 3000 kJ/kg 은 이 계산에 쓰이지 않는 값이다.

출구는 100 kPa, 건도 0.9 인 습증기이므로 표의 엔탈피 행(포화수 420, 건포화증기 2680 kJ/kg)을 써서 $h_2=h_f+x(h_g-h_f)=420+0.9\times(2680-420)=420+2034=2454\ \mathrm{kJ/kg}$ 이다.

따라서 $\dot{W}=0.2\times(3300-2454)=0.2\times 846=169.2\ \mathrm{kW}$ 이다.

표의 내부에너지 행(420, 2510)으로 $u_2$ 를 구해 내부에너지 차로 계산하면 틀린다. 개방계인 터빈의 일은 엔탈피 차로 구해야 하며, 내부에너지 값은 오답을 유도하기 위한 자료이다.

오토사이클(정적사이클)의 이론 열효율은 $\eta = 1 - \left(\dfrac{1}{\varepsilon}\right)^{k-1}$로 표현되며, 여기서 $\varepsilon$은 압축비, $k$는 비열비이다. 즉 압축비와 비열비만이 열효율을 결정한다.

차단비(cut-off ratio)는 정압가열 구간이 있는 디젤사이클·복합사이클의 열효율식에 등장하는 인자로, 정적가열만 있는 오토사이클의 열효율식에는 들어가지 않는다.

랭킨사이클은 펌프에서의 가역단열압축 → 보일러에서의 정압가열 → 터빈에서의 가역단열팽창 → 응축기에서의 정압방열이 순환 반복되는 사이클이다.

이를 터빈의 팽창 과정부터 순서대로 나열하면 가역단열팽창 → 정압방열 → 가역단열압축 → 정압가열이 되며, 이는 같은 순환을 팽창과정을 시작점으로 다시 표현한 것이다.

레이놀즈수는 유동에서 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원수로, $Re=\dfrac{\rho U D}{\mu}=\dfrac{UD}{\nu}$ 로 정의된다. 여기서 $D$ 는 관의 내경, $U$ 는 유속, $\rho$ 는 밀도, $\mu$ 는 점도이다.

차원을 확인하면 $\dfrac{(\mathrm{kg/m^3})\cdot(\mathrm{m/s})\cdot(\mathrm{m})}{\mathrm{kg/(m\cdot s)}}$ 로 모든 단위가 상쇄되어 무차원이 된다. 내경·유속·밀도가 분자에 오고 점도가 분모에 오는 형태만 이 조건을 만족하며, 점도를 분자에 두거나 밀도·속도를 분모에 두면 단위가 남아 무차원이 되지 않는다.

원관 유동에서는 대체로 $Re<2100$ 이면 층류, $Re>4000$ 이면 난류로 구분한다. 점도가 클수록(점성력이 우세할수록) 값이 작아져 층류가 되는 물리적 의미와도 분모에 점도가 오는 형태가 일치한다.

스테판-볼츠만 법칙에 따르면 흑체(완전복사체)가 단위시간·단위면적당 방출하는 전복사에너지는 $E_b = \sigma T^4$로, 절대온도의 4제곱에 비례한다.

복사온도계는 이 관계를 이용해 물체가 방출하는 복사에너지를 측정함으로써 온도를 환산하는 계측기이다.

국제단위계(SI)의 기본단위에서 온도의 기본단위는 켈빈(K)이며, 섭씨(℃)는 실용상 널리 쓰이는 눈금일 뿐 SI 기본단위 기호는 아니다.

질량(kg), 물질량(mol), 광도(cd)는 모두 올바른 SI 기본단위 기호이므로, 물리량과 기호가 틀리게 짝지어진 것은 온도 표기이다.

열량계가 흡수한 열량은 통 내 물과 열량계 자체(물당량)가 함께 온도 상승분만큼 흡수한 열의 합으로 구한다.

$Q = (2000+500) \times 4.19 \times 4 = 2500 \times 4.19 \times 4 = 41900\ \mathrm{J}$

이를 시료 질량 1.5g으로 나누면 석탄의 발열량은 $\dfrac{41900}{1.5} \approx 2.79\times10^4\ \mathrm{J/g}$이다.

비열($\mathrm{J/(kg\cdot K)}$), 압력($\mathrm{Pa=N/m^2}$), 열량(J)은 모두 기본단위들의 조합으로 정의되는 유도단위 물리량이다.

반면 습도(특히 상대습도)는 특정 상태의 수증기압과 포화수증기압의 비로 나타내는 무차원(비율) 값으로, 별도의 유도단위 조합으로 정의되는 물리량에 해당하지 않는다.

피드백 제어(feedback control)는 출력(제어량)을 검출해 목표값과 비교하고 그 오차를 이용해 수정 동작을 가하는 폐회로(closed loop) 방식이다. 즉 상황에 따라 동작이 달라지는 것이지, 정해진 순서대로만 진행되는 제어가 아니다.

미리 정해진 순서에 따라 순차적으로 동작을 진행하는 방식은 시퀀스 제어(개회로 제어)의 특징이며, 피드백 제어와는 구분되는 개념이다. 따라서 이 설명이 피드백 제어에 대한 설명으로는 틀렸다.

반면 폐회로 구성, 제어량에 대한 수정동작, 입력과 출력을 비교하는 장치(검출부·비교부)가 필요하다는 점은 모두 피드백 제어의 기본 요소에 해당한다.

그림은 탱크 상부(기상부)와 하부에서 각각 압력을 뽑아 U자형 수은 차압계로 액면을 재는 차압식 액면계이다. 상부 취출구에서 탱크 액면까지의 높이가 $H$, 좌우 수은면의 높이차가 $h=50.0\ \mathrm{mm}$ 이며, 액의 밀도가 $\rho$, 수은의 밀도가 $\rho_0$ 이다.

양쪽 취출구 사이의 압력차는 탱크 안의 액주가 만드는 $\rho g H$ 이고, 차압계에서는 밀려난 수은과 그 자리를 채운 액의 밀도차로 $(\rho_0-\rho)gh$ 만큼 나타난다. 두 값이 같으므로 $\rho g H=(\rho_0-\rho)gh$, 즉 $H=\dfrac{(\rho_0-\rho)h}{\rho}$ 이다.

수치를 대입하면 $H=\dfrac{(13550-999)\times 50.0}{999}=\dfrac{12551\times 50.0}{999}\fallingdotseq 628\ \mathrm{mm}$ 이다.

여기서 액 자체의 밀도를 빼지 않고 수은 밀도만 쓰면 $\dfrac{13550\times 50.0}{999}\fallingdotseq 678\ \mathrm{mm}$ 가 되어 틀린 값이 나온다. 봉입액과 측정액이 함께 들어 있는 차압계에서는 반드시 밀도차를 사용해야 한다.

열전대(thermocouple)는 두 이종금속의 접점에서 온도차에 의해 열기전력이 발생하는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용한 온도계이다. 좋은 열전대 재료는 온도에 대한 열기전력이 크고 내구성이 우수해야 정밀하고 안정적인 측정이 가능하다.

흡습에 의한 열화나 자기가열 주의는 습도계나 저항 온도계(측온저항체)에 더 해당하는 특징이며, 밀도차 이용은 액체 팽창식이나 부자식 계기의 원리이지 열전대의 원리가 아니다.

제시된 설명은 온도조절기와 유량조절기가 2단으로 이어진 구성이다. 온도조절기의 출력이 밸브를 직접 조작하는 것이 아니라 증기 유량을 제어하는 유량조절기의 설정치로 넘어간다는 점이 핵심이다.

이처럼 앞단 조절기(주조절기)의 출력이 뒷단 조절기(부조절기)의 목표값이 되는 2중 루프 제어를 캐스케이드 제어라고 한다. 증기 압력 변동 같은 외란을 응답이 빠른 안쪽 유량 루프에서 먼저 잡아 주므로, 온도만으로 밸브를 직접 조작할 때보다 정정 시간이 짧고 안정하다.

반면 목표값이 시간에 따라 임의로 변하는 것을 따라가는 것은 추종제어, 미리 정해진 일정에 따라 목표값이 변하는 것은 프로그램제어, 목표값이 일정하게 유지되는 것은 정치제어로, 이들은 모두 목표값의 성질에 따른 분류이며 조절기를 2단으로 잇는 구성과는 구분해야 한다.

수분 흡수법으로 습도를 측정할 때는 흡습성이 강한 화학물질을 흡수관에 넣어 공기 중 수분을 흡수시키고 그 질량 증가로 수분량을 구한다. 이때 사용하는 대표적 흡수제가 오산화인, 실리카겔, 황산 등이다.

피크린산(피크르산)은 흡습성 물질이 아니라 폭발성이 있는 유기화합물(니트로화합물)로, 습도 측정용 흡수제로 사용되지 않는다. 따라서 흡수제로 가장 적절하지 않다.

측온저항체는 금속선의 전기저항이 온도에 따라 변하는 성질을 이용하며, 저항온도계수가 크고 화학적·물리적으로 안정한 백금, 니켈, 구리 등이 재료로 쓰인다.

다만 사용 온도범위는 재료별로 달라서, -200~500℃ 정도의 넓은 범위에서 쓰이는 것은 백금 저항체이고, 구리 저항체는 안정성이 떨어져 상온 부근의 좁은 범위(대략 0~120℃ 수준)에서만 사용된다. 따라서 구리를 -200~500℃에서 사용한다는 설명은 틀렸다.

시간지연이 적어 응답이 빠르다는 점, 금속의 가는 선을 절연물에 감아 만든 측온저항체의 저항값 변화로 온도를 측정한다는 점은 저항 온도계에 대한 옳은 설명이다.

가스크로마토그래피는 시료 성분이 충전제(고정상)에 대한 흡착·분배 친화력의 차이에 따라 이동속도가 달라지는 원리를 이용해 혼합가스를 성분별로 분리·분석하는 장치이다.

보기 중 증발, 증류, 건조는 상변화나 열적 분리 조작으로 가스크로마토그래피의 분리 원리와는 무관하며, 컬럼 내 흡착(및 분배) 작용이 그 분리 원리에 해당한다.

그림은 직각으로 굽힌 유리관의 수평부 입구를 진행 방향으로 향하게 하고 수직부를 세운 것으로, 피토관과 같은 원리이다. 관 입구가 정체점이 되어 물의 상대 속도수두가 모두 압력수두로 바뀌면서 관 속 수면이 바깥 수면보다 $h$ 만큼 올라간다.

베르누이 식에서 정체점 조건은 $\dfrac{v^2}{2g}=h$ 이므로 $h=\dfrac{v^2}{2g}=\dfrac{0.5^2}{2\times 9.8}=\dfrac{0.25}{19.6}\fallingdotseq 0.0128\ \mathrm{m}$ 이다.

따라서 상승 높이는 약 0.01 m(약 12.8 mm)이다. 관을 움직이든 물이 흐르든 상대속도가 같으면 결과는 같으며, 상승 높이가 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 2배가 되면 높이는 4배가 된다.

오리피스, 벤투리 등 조리개식 유량계에서 유량은 전후 차압의 제곱근에 비례한다.

$Q_2 = Q_1\sqrt{\dfrac{\Delta P_2}{\Delta P_1}} = 22\,\mathrm{m^3/h}\times\sqrt{\dfrac{1.024}{1.936}} \approx 22\times0.727 \approx 16\,\mathrm{m^3/h}$

차압이 절반 가까이 낮아지면 유량은 그 제곱근 비율(약 0.73배)로 줄어들어 16 m³/h가 된다.

탄성 압력계는 탄성체(금속)의 변형량으로 압력을 측정하는 방식으로, 대표적으로 부르동관(Bourdon tube), 다이어프램식, 벨로즈식이 있다.

침종 압력계와 U자관 압력계는 액주식, 피스톤 압력계(분동식)는 추(분동)의 무게로 압력을 평형시키는 방식이므로 탄성 압력계에 속하지 않는다.

액주식 압력계에 사용하는 액체는 측정 정밀도를 위해 온도변화에 따른 밀도변화가 작아야 하며, 점도와 팽창계수도 작고 모세관현상이 적어야 하고, 액면이 항상 수평을 유지해야 한다.

따라서 온도변화에 의한 밀도 변화가 커야 한다는 설명은 실제 요구조건과 반대이므로 틀린 설명이다.

오르사트법(화학적 흡수법), 적외선 흡수법, 열전도율법은 모두 가스 성분을 분석하는 대표적인 가스분석 측정법이다.

플로우 노즐(유량노즐)법은 차압을 이용한 유체의 유량 측정 방식으로, 가스 성분 분석과는 관련이 없으므로 가스분석 측정법에 해당하지 않는다.

액체의 열팽창 성질을 이용해 온도를 측정하는 대표적인 계기가 수은 온도계이며, 온도가 오르면 수은이 팽창해 모세관을 따라 눈금이 올라가는 원리이다.

저항 온도계와 서미스터 온도계는 전기저항의 온도 의존성을, 백금-로듐 열전대 온도계는 열기전력을 이용하는 방식으로 액체 팽창 원리와는 다르다.

전자유량계는 패러데이의 전자유도 법칙을 이용해 도전성 유체가 자기장을 지날 때 발생하는 기전력으로 유량을 측정한다. 이 방식은 유체의 점도, 밀도, 압력 등 물성에 거의 영향을 받지 않고 측정할 수 있어 고점도 액체나 슬러리 측정에도 적합하다.

따라서 고점도 액체는 측정이 어렵다는 설명은 전자유량계의 실제 특성과 반대되므로 틀렸다. 반면 응답이 빠르고 제작·설치비용이 비싸며 액체 압력에 영향받지 않는다는 설명은 옳다.

비례동작(P동작)만 사용하면 부하가 변했을 때 제어량이 목표값에 완전히 도달하지 못하고 남는 잔류편차, 즉 오프셋(off-set)이 발생한다.

적분동작(I동작)을 함께 사용하면 편차가 남아 있는 동안 그 편차가 계속 누적되어 조작량을 변화시키므로, 편차가 0이 될 때까지 조정이 이어져 오프셋을 제거할 수 있다.

다만 적분동작은 조작이 뒤늦게 반영되어 응답을 느리게 하고 오히려 진동하기 쉬워 안정도를 떨어뜨리는 경향이 있으므로, 안정성 향상이나 빠른 응답은 적분동작으로 얻어지는 효과가 아니다. 외란은 제어계 밖에서 들어오는 교란 요인이므로 제어동작으로 없앨 수 있는 대상 자체가 아니다.

용광로(고로)에서 코크스는 연료 및 환원제 역할과 더불어, 녹은 선철에 탄소를 흡수시켜 탄소 함유량을 높이는 흡탄작용(가탄·침탄작용)을 한다.

매용제(용제) 역할은 주로 석회석이 담당해 맥석 성분과 결합해 슬래그를 형성하며, 탈황·탈산은 코크스의 주된 역할이 아니라 슬래그(매용제)나 이후 제강 정련 공정에서 이루어진다.

직화식 가열로는 연소가스(화염)가 재료에 직접 접촉하며 가열하는 방식으로, 고온 연소가스 중의 산소·수증기·이산화탄소가 금속 표면과 직접 반응해 산화스케일이 가장 많이 생성된다.

반간접식은 머플 등으로 화염이 부분적으로 차단되어 직화식보다 스케일 생성이 적고, 급속 가열방식은 가열시간이 짧아 산화될 시간이 줄어들며, 무산화 가열방식은 노 내 분위기를 조절해 산소와의 접촉을 차단하도록 설계된 방식이므로 산화스케일이 가장 적다.

에너지이용 합리화법령상 공공사업주관자가 에너지사용계획을 수립해 산업통상자원부장관에게 제출해야 하는 대상은 연간 2천5백 티오이(TOE) 이상의 연료 및 열을 사용하는 시설을 설치하려는 경우이다(전력의 경우 별도의 사용량 기준이 따로 정해져 있다).

이는 대규모 에너지 소비시설의 도입 단계에서부터 에너지 절약·효율 대책을 사전에 검토하도록 하기 위한 제도로, 해당 기준에 미달하는 소규모 시설은 제출 의무 대상에서 제외된다.

세라믹 파이버(ceramic fiber)는 실리카(석영)와 알루미나 등을 고온에서 용융·방사하여 만든 무기질 섬유상 보온재로, 내약품성이 뛰어나고 최고사용온도가 1100℃ 정도에 달해 고온용 단열재로 널리 쓰인다.

유리섬유는 유리를 원료로 하여 사용온도가 300℃ 안팎으로 낮고, 석면은 최고사용온도가 세라믹 파이버보다 훨씬 낮으며 발암성 문제로 사용이 제한된다. 펄라이트는 진주암 등을 팽창시켜 만든 보온재로 1100℃ 수준의 고온에는 적합하지 않다.

아크로, 저항로, 유도로는 모두 전기 에너지를 열원으로 이용하는 대표적인 전기로 형식이다.

푸셔로(pusher furnace)는 재료를 밀어 넣으며 연속적으로 이송·가열하는 연속식 가열로로, 일반적으로 가스나 중유 등 화석연료를 열원으로 사용하는 방식이어서 전기로에 해당하지 않는다.

내화물은 일반적으로 원료(화학조성)에 의한 분류, 형상에 의한 분류, 내화도에 의한 분류, 제조방법에 의한 분류 등 표준화된 기준으로 구분한다.

열전도율은 내화물이 갖는 하나의 물성치일 뿐, 내화물을 종류별로 구분하는 분류 기준으로는 사용되지 않으므로 적합하지 않은 분류방법이다.

체크밸브(역지밸브)는 유체가 한쪽 방향으로만 흐르도록 하여 역류를 방지하는 밸브로, 구조에 따라 리프트식과 스윙식으로 크게 나뉜다.

회전밸브, 게이트밸브, 앵글밸브는 각각 유로 개폐나 방향 전환을 위한 밸브로, 리프트식·스윙식 구분과는 관련이 없다.

에너지이용 합리화법령상 등록이 취소된 에너지절약전문기업은 원칙적으로 등록 취소일로부터 2년이 지나지 아니하면 다시 등록할 수 없다.

이는 등록취소 처분의 실효성을 확보하고 부실 관리가 반복되지 않도록 일정 기간 재진입을 제한하는 취지의 규정이다.

신·재생에너지 공급의무화제도(RPS)에서는 발전사업자 등이 총 발전량의 일정 비율을 신재생에너지로 공급하도록 의무화하면서, 그중에서도 태양에너지(태양광)에 대해서는 별도의 의무공급량(비율)을 지정해 별도로 관리한다.

해양에너지, 지열에너지, 바이오에너지는 신재생에너지 범주에는 포함되지만 이처럼 별도의 의무공급량이 지정되는 에너지원은 아니다.

에너지이용 합리화법령상 에너지다소비사업자에 대한 진단 결과 에너지손실요인이 발견된 경우, 산업통상자원부장관이 해당 사업자에게 그 손실요인의 개선을 명할 수 있다.

시·도지사나 한국에너지공단이사장, 에너지관리진단기관협회장은 진단·관리 업무를 지원·수행하는 기관이지, 개선명령을 할 수 있는 법정 권한자는 아니다.

요로(가마)는 연소가스(화염)가 흐르는 방향을 기준으로 승염식(오름불꽃), 도염식(꺾임불꽃), 횡염식(옆불꽃)으로 분류한다. 도염식 가마는 화염이 위로 올라갔다가 아래로 꺾여 내려가면서 제품을 가열하는 방식이다.

연속식 가마와 셔틀 가마는 조업 방식(연속 조업 여부, 대차의 출입 방식)에 따른 분류이고, 직화식은 화염이 재료에 직접 닿는지 여부, 즉 열원 공급 방식에 따른 구분이므로 화염의 진행방향에 따른 분류와는 관점이 다르다.

에너지이용 합리화법령상 에너지저장의무를 부과할 수 있는 대상자는 전기사업자, 도시가스사업자, 석탄가공업자, 집단에너지사업자와 함께, 에너지를 많이 쓰는 자로서 연간 2만 석유환산톤 이상의 에너지를 사용하는 자가 열거되어 있다.

따라서 사용량 기준 자체는 대상자 요건이 맞지만 그 기준량이 1만 석유환산톤이 아니라 2만 석유환산톤이므로, 연간 1만 석유환산톤 이상을 사용하는 자라고 한 설명이 틀렸다.

에너지이용 합리화법령의 검사대상기기 검사유효기간 규정에는, 설치 후 3년이 지난 보일러가 설치장소 변경검사 또는 재사용검사를 받은 경우 그 검사 후 1개월 이내에 운전성능검사를 받아야 한다는 내용이 명시되어 있다. 설치 연수가 오래된 보일러는 이설하거나 다시 사용할 때 실제 운전 상태에서의 성능을 곧바로 확인하도록 한 취지이다.

나머지 설명은 보일러의 계속사용검사 중 운전성능검사, 연료 또는 연소방법의 변경에 따른 개조검사, 철금속가열로의 재사용검사에 대해 법령이 정한 검사유효기간과 다른 기간을 제시하고 있으므로 옳지 않다.

에너지이용 합리화법령상 효율관리기자재의 광고 시 에너지소비효율 등급 표시 의무가 적용되는 관련업자는 해당 기자재를 만들거나 유통하는 제조업자, 수입업자, 판매업자를 말한다.

수리업자는 완제품의 유통·판매 단계와는 무관한 사후 정비 업종이므로 여기서 말하는 관련업자에 해당하지 않는다.

고압배관용 탄소강관(SPPH, KS D 3564)은 350℃ 정도 이하에서 사용압력이 높은 배관에 쓰는 강관으로, 호칭지름마다 바깥지름이 규격으로 고정되어 있고 두께는 스케줄 번호로 정해진다. 따라서 호칭지름의 기준이 되는 치수는 바깥지름이다.

바깥지름이 고정되어 있기 때문에 같은 호칭지름이라도 스케줄 번호가 커지면 관이 두꺼워지고 안지름은 오히려 작아진다. 즉 안지름은 스케줄에 따라 달라지는 값이라 호칭의 기준이 될 수 없다.

안지름과 바깥지름의 평균값(평균지름)도, 배관나사의 바깥지름도 호칭지름과는 무관하다. 나사의 바깥지름은 관용나사 규격에서 다루는 별개의 치수이다.

슬리브형(슬라이드형) 신축이음은 단식과 복식 두 종류가 있으나, 슬리브와 본체 사이를 패킹으로 밀봉하는 구조이기 때문에 고온·고압보다는 비교적 저압 증기나 저온 배관에 적합하며, 패킹이 마모되면 누설이 생기기 쉽다.

고압에 잘 견뎌 고압증기의 옥외 배관에 주로 쓰이는 것은 루프형(만곡형)이다. 따라서 슬리브형이 고온·고압에 사용된다는 설명은 틀렸다.

벨로즈형이 신축으로 인한 응력을 거의 받지 않는다는 점, 스위블형이 온수·저압증기 배관에 쓰이며 큰 신축에는 누설 우려가 있다는 점은 옳은 설명이다.

고알루미나질 내화물은 알루미나(Al2O3) 함유량이 높아 내화도와 하중연화온도가 높고, 고온에서도 형태 안정성이 우수한 것이 큰 특징이다.

또한 내마모성이 우수하고 고온에서의 부피변화가 작으며, 급열·급냉에 대한 저항성(내스폴링성)도 비교적 양호한 편이어서, 나머지 설명들(내마모성이 적다, 부피변화가 크다, 저항성이 적다)은 실제 특성과 반대되므로 옳지 않다.

에너지이용 합리화법령상 에너지사용량이 기준량 이상인 에너지다소비사업자는 매년 1월 31일까지 전년도의 분기별 에너지사용량, 제품생산량 등의 사항을 신고하여야 한다.

이는 전년도 실적을 연초에 집계·신고하도록 하여 에너지 다소비사업장 현황을 파악하고 이후 진단·관리 대상을 선정하는 데 활용하기 위한 절차이다.

신재생에너지법령상 바이오에너지는 생물유기체(바이오매스)를 변환시켜 얻어지는 연료·에너지를 말하며, 식물성 유지를 변환한 바이오디젤, 생물유기체를 변환시킨 연료, 쓰레기매립장의 유기성폐기물을 변환시킨 매립지가스 등이 이에 해당한다.

반면 일반 폐기물을 소각해 얻는 열을 변환시킨 고체연료는 생물유기체를 변환시킨 것이 아니라 폐기물을 원료로 한 것이므로 바이오에너지의 정의에 포함되지 않는다.

보온효율은 보온 전후의 손실열량 차이가 보온 전 손실열량에서 차지하는 비율로 구한다.

$\eta = \dfrac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \dfrac{1600 - 1200}{1600} = 0.25$

즉 보온 후 손실열량이 보온 전보다 25% 줄었으므로 보온효율은 0.25가 된다.

브레이징 스페이스(bracing space)는 노통보일러에서 노통(화로통)과 그에 가장 가까운 가셋트 스테이(gusset stay) 사이의 거리를 말하며, 이 구간은 스테이로 보강되지 않아 열팽창과 응력집중에 취약하므로 일정 거리 이상을 확보하도록 규정한다.

관군과 가셋트 스테이 사이의 거리, 동체와 노통 사이의 최소거리, 가셋트 스테이 간의 거리는 각각 다른 명칭으로 정의되는 치수로, 브레이징 스페이스와는 구분된다.

연관보일러에서 관판의 최소두께는 연관의 바깥지름에 비례하여 정해지며, 일반적으로 바깥지름의 1/6 이상을 확보하도록 한다.

$t = D \times \dfrac{1}{6} = 75\,\mathrm{mm} \times \dfrac{1}{6} = 12.5\,\mathrm{mm}$

따라서 바깥지름 75mm인 연관에 대해서는 관판 두께가 최소 12.5mm 이상이어야 한다.

프라이밍(priming, 비수현상)은 보일러 부하가 급격히 변하거나 수위가 너무 높을 때, 동(드럼) 수면에서 작은 물방울이 증기에 섞여 함께 튀어오르는 현상을 말한다.

포밍은 수중 불순물·유지분 때문에 수면에 거품이 발생해 수위 판단을 어렵게 하는 현상, 캐리오버는 프라이밍·포밍 등으로 물방울이나 불순물이 증기와 함께 계통 밖으로 실려 나가는 현상을 통칭하는 개념이다. 피팅(점식)은 금속 표면이 국부적으로 깊게 파이는 부식 현상으로 이 문항의 설명과 무관하다.

맞대기 용접부의 인장응력은 하중을 용접부 단면적(용접 길이 × 판 두께)으로 나누어 구한다.

$\sigma = \dfrac{F}{A} = \dfrac{120\,\mathrm{kg}\times9.8\,\mathrm{m/s^2}}{30\,\mathrm{mm}\times2\,\mathrm{mm}} = \dfrac{1176\,\mathrm{N}}{60\,\mathrm{mm^2}} = 19.6\,\mathrm{MPa}$

용접 길이 3cm는 30mm이므로 단면적은 60mm²이고, 따라서 이 용접부에 작용하는 인장응력은 약 19.6 MPa이다.

스케일은 열전도율이 보일러 강판보다 훨씬 낮아 전열면에 부착되면 열이 물로 전달되는 것을 크게 방해한다. 그 결과 같은 양의 증기를 얻기 위해 더 많은 연료를 태워야 하므로 연료 손실이 발생하며, 스케일이 두꺼워질수록 손실률은 급격히 커진다.

스케일 두께별 연료 손실 자료에서 두께 1mm가 부착된 경우의 손실은 약 2.2% 수준으로 제시된다. 두께가 이보다 얇으면 손실은 더 작아지고, 두꺼워지면 손실은 이보다 훨씬 커지므로 스케일은 생성 즉시 제거하고 급수처리로 생성 자체를 억제해야 한다.

급수 중 용해된 경도성분(칼슘·마그네슘 이온 등)을 제거하는 대표적인 방법에는 석회법, 소다법, 이온교환법(이온법) 등이 있으며, 이들은 화학반응이나 이온교환을 통해 용해된 경도성분을 불용성 물질로 바꾸거나 다른 이온으로 치환하여 제거한다.

반면 침전법은 물속에 부유하는 고형물(현탁물질)을 가라앉혀 제거하는 방법으로, 이미 물에 용해되어 있는 경도성분을 제거하는 데는 적절하지 않다.

인젝터는 증기의 분출력을 이용해 급수를 밀어넣는 장치로, 구조가 간단하여 소형 보일러에 주로 사용되고 별도의 동력원 없이 소량의 고압증기만으로 다량의 급수를 공급할 수 있다는 장점이 있다.

다만 증기 압력과 급수 온도 등 운전 조건에 따라 작동이 민감하게 영향을 받아 급수량(송수량)을 세밀하게 조절하기가 어렵다는 단점이 있으므로, 송수량 조절이 용이하다는 설명은 인젝터의 특징과 맞지 않는다.

보일러 사고의 원인은 크게 제작상의 원인과 취급(운전)상의 원인으로 나뉜다. 재료불량, 설계·구조불량, 용접불량 등은 보일러를 만드는 단계에서 발생하는 제작상의 원인에 해당한다.

반면 급수처리불량은 보일러를 운전·관리하는 과정에서 수처리가 제대로 이루어지지 않아 발생하는 문제로, 제작이 아닌 취급상의 원인으로 분류된다.

육용강제 보일러에서 오목면에 압력을 받는 스테이 없는 접시형 경판에 노통을 설치하는 경우, 경판의 최소 두께는 $t=\dfrac{PR}{1.5\,\sigma_a\,\eta}+A$ 로 구한다.

식의 구조를 뜯어보면 이해하기 쉽다. 압력을 견디는 데 필요한 계산 두께는 $\dfrac{PR}{1.5\sigma_a\eta}$ 이고, 여기에 사용 중 부식으로 얇아질 몫인 부식여유 $A$ 를 더해 실제 두께로 삼는다. 부식여유는 두께에 더해 주는 여유분이지 나누는 값이 아니므로 반드시 덧셈항이어야 한다.

단위로 검산해도 확인된다. $P$ 는 MPa(=N/mm²), $R$ 는 mm, $\sigma_a$ 는 MPa, $\eta$ 는 무차원이므로 $\dfrac{PR}{1.5\sigma_a\eta}$ 의 단위는 $\dfrac{(\mathrm{N/mm^2})\cdot \mathrm{mm}}{\mathrm{N/mm^2}}=\mathrm{mm}$ 가 되어 $A[\mathrm{mm}]$ 와 더할 수 있다. 반면 부식여유 $A$ 나 반지름 $R$ 를 분자에 곱해 넣고 상수 1.5를 그냥 더하는 형태, 또는 허용인장응력과 이음효율을 $(\sigma_a+\eta)$ 처럼 더해 버리는 형태는 단위부터 성립하지 않는다.

물리적 의미도 짚어 두자. 사용압력 $P$ 와 경판 반지름 $R$ 가 클수록 두꺼워야 하므로 분자에 오고, 재료가 견디는 $\sigma_a$ 와 이음효율 $\eta$ 가 클수록 얇아도 되므로 분모에 온다. 이음효율이 낮은(용접부가 약한) 경판일수록 두꺼워진다는 점이 $\eta$ 가 분모에 있는 이유다.

노통보일러는 원통형 동체 내부에 노통을 설치한 내분식 보일러의 대표적인 형식으로, 구조가 비교적 간단하고 노통의 형상에 따라 평형노통과 파형노통으로 구분된다.

다만 코르니쉬 보일러는 노통이 1개인 단노통식이지만, 랭카셔 보일러는 노통이 2개인 형식이므로 두 보일러의 노통 개수가 모두 1개라는 설명은 옳지 않다.

파형노통의 최소두께는 최고사용압력과 노통의 평균 안지름, 파형에 따른 정수를 이용한 다음 식으로 구한다.

$t = \dfrac{10 \cdot P \cdot D}{C}$

주어진 값을 대입하면 $t = \dfrac{10 \times 1.5 \times 1100}{1100} = 15\ \mathrm{mm}$가 되어, 파형노통 판의 최소 두께는 약 15mm이다.

발문 그림에서 원통 벽은 안쪽 반지름 $r_i$, 바깥쪽 반지름 $r_o$, 길이 $L$ 이고 안쪽 면 온도가 $T_i$, 바깥쪽 면 온도가 $T_o$ 이다. 주어진 식 $q=\dfrac{T_i-T_o}{R}$ 에서 $R$ 은 온도차를 열전달률로 나눈 열저항(단위 K/W)에 해당한다.

반경방향 정상 전도에서는 반지름 $r$ 위치의 전열면적이 $2\pi rL$ 로 바깥쪽으로 갈수록 커지므로, 푸리에 법칙 $q=-k(2\pi rL)\dfrac{dT}{dr}$ 를 $r_i$ 에서 $r_o$ 까지 적분해야 한다. 그 결과 $q=\dfrac{2\pi Lk(T_i-T_o)}{\ln(r_o/r_i)}$ 를 얻는다.

이를 주어진 형태와 비교하면 $R=\dfrac{\ln(r_o/r_i)}{2\pi Lk}$ 이다. 평면벽처럼 두께 차 $(r_o-r_i)$ 를 그대로 쓰면 안 되고 반지름의 비에 자연로그를 취해야 하며, 저항이므로 로그항이 분자에·$2\pi Lk$ 가 분모에 오는 형태가 맞다.

로그 안에 $(r_o-r_i)$ 를 넣은 형태는 길이 단위가 그대로 남아 로그의 인수가 될 수 없다는 점에서도 틀렸음을 알 수 있다. 또 로그항이 분모, $2\pi L$ 이 분자로 뒤집힌 형태는 저항이 아니라 열전달률 계수(컨덕턴스) 꼴이므로 $R$ 이 될 수 없다.

ppm(parts per million)은 백만분율을 나타내는 농도 단위로, 수질 분야에서는 통상 $1\ \mathrm{ppm} = 1\ \mathrm{mg/L}$로 정의된다.

즉 물 1000mL(=1L) 중에 함유된 시료의 양을 mg 단위로 나타낸 것이 ppm이며, mL과 g을 조합하거나 100mL을 기준으로 하는 표현은 정의에 맞지 않는다.

횡연관식 보일러에서 다수의 연관을 바둑판(엇갈림, 지그재그) 모양으로 배열하는 주된 목적은 연관 주위의 물이 국부적으로 정체되지 않고 전체적으로 고르게 순환하도록 하기 위함이다.

연관이 일직선으로만 배열되면 관과 관 사이에 물의 흐름이 정체되는 구간이 생기기 쉬운 반면, 엇갈림 배열은 이러한 정체 구간을 줄여 물의 원활한 순환과 균일한 전열을 돕는다.

보일러 효율은 발생 증기가 얻은 열량을 연료가 공급한 열량으로 나누어 구하며, 상당증발량을 기준으로 할 때는 상당증발량에 표준대기압·100℃에서 물의 증발잠열 2256 kJ/kg을 곱한 값을 발생 열량으로 본다. 상당증발량은 $5.5\ \mathrm{t/h} = 5500\ \mathrm{kg/h}$이다.

$\eta = \dfrac{G_e \times 2256}{B \times H_l} = \dfrac{5500 \times 2256}{350 \times 40000} \times 100 \approx 89\%$

따라서 이 보일러의 효율은 약 89%로 계산된다.

보일러의 안전사고는 압력용기로서의 보일러가 파열·균열·압궤·팽출되거나, 노 내에서 가스폭발·역화 등 이상연소가 발생하는 등 직접적인 파손·폭발 현상을 의미한다.

스케일 부착은 그 자체가 사고는 아니며, 전열을 방해하여 국부과열을 유발함으로써 파열 등의 사고를 일으킬 수 있는 원인에 해당할 뿐이므로 안전사고의 종류로 분류하지 않는다.

상당증발량은 실제증발량과 증기·급수 엔탈피차를 이용해 다음 식으로 구한다.

$G_e = \dfrac{G_a (h_2 - h_1)}{2256} = \dfrac{1800 \times (2780 - 80)}{2256} = \dfrac{1800 \times 2700}{2256} \approx 2150\ \mathrm{kg/h}$

따라서 상당증발량은 약 2150kg/h이다.

노벽과 보온재를 통과하는 열손실은 두 층을 직렬로 지나는 평면벽 열전도로 계산할 수 있으며, 각 층의 열저항의 합을 이용한다.

$R = \dfrac{L_1}{k_1 A} + \dfrac{L_2}{k_2 A} = \dfrac{0.2}{3.3 \times 10} + \dfrac{0.075}{0.13 \times 10} \approx 0.00606 + 0.05769 = 0.06375\ \mathrm{K/W}$

$Q = \dfrac{\Delta t}{R} = \dfrac{400 - 38}{0.06375} \approx 5678\ \mathrm{W}$로, 열손실은 약 5678W이다.

보일러 내처리에서 pH 조정제는 보일러수의 산성화를 막고 적정 알칼리도를 유지하기 위해 투입하며, 대표적으로 수산화나트륨, 암모니아, 제1인산나트륨 등이 사용된다.

아황산나트륨은 보일러수 중 용존산소와 반응시켜 산소를 제거하는 탈산소제로 쓰이는 약품이며, pH를 조정할 목적으로 사용하는 약제는 아니다.