고체연료(석탄류)는 산소와 결합한 성분(회분·산소분)이 많고 수소 함량이 낮은 편인 반면, 액체연료(석유계)는 대부분 탄화수소(C, H) 위주로 구성되어 있다.

따라서 고체연료와 비교했을 때 액체연료는 수소(H₂) 함량이 크고, 정제 과정을 거치면서 산소(O₂) 함량은 적은 편이다.

링겔만 매연농도표는 0도(백색)부터 5도(흑색)까지 6단계로, 1도가 20% 에 해당한다. 매연농도율은 측정시간으로 가중평균한 농도를 최대 농도 5도 기준의 백분율로 나타낸 값이다.

측정 결과에서 (농도 × 시간)의 합은 4×10 + 3×15 + 2×15 + 1×20 = 40 + 45 + 30 + 20 = 135 이고, 총 측정시간은 10 + 15 + 15 + 20 = 60분(1시간)으로 문제 조건과 맞는다.

따라서 매연농도율 = 135 ÷ (5 × 60) × 100 = 45% 이다. 같은 계산은 각 농도를 20% 씩으로 환산해 135 × 20 ÷ 60 = 45% 로 구해도 된다.

탄산가스최대량 CO_2max 는 이론공기량(과잉공기가 전혀 없는 공기비 m = 1 상태)으로 연료를 완전연소시켰다고 가정했을 때, 연소가스 중 CO₂ 량을 이론 건연소가스량에 대한 백분율로 나타낸 값이다.

공기를 이론량보다 많이 넣으면 연소가스 전체 부피가 늘어 CO₂ 가 희석되므로, 실제 측정한 CO₂(%)는 항상 CO_2max 보다 작다. 그래서 CO_2max 는 연료의 원소 조성만으로 정해지는 연료 고유의 최대값이 된다.

이 성질을 이용해 공기비를 m = CO_2max ÷ CO₂ 로 구한다. 실제공기량이나 과잉공기량·부족공기량을 기준으로 삼으면 값이 운전상태에 따라 달라져 '최대량'이라는 정의 자체가 성립하지 않는다.

연료가 공기 중에서 연소할 때 사용되는 공기의 약 79%는 반응에 참여하지 않는 질소(N₂)이며, 연소 후에도 대부분 그대로 배기가스에 남는다.

반면 CO₂는 연소로 새로 생성되지만 부피 비율이 질소보다 훨씬 작고, O₂는 과잉공기분만 남으며, SO₂는 연료 중 황분에서 소량 발생하므로 배기가스 중 절대량은 질소가 가장 많다.

혼합기체에서 전체 압력이 각 성분기체가 단독으로 그 부피를 차지할 때 나타내는 분압의 합과 같다는 법칙은 돌턴(달톤)의 분압 법칙이다.

아마갓(Amagat)의 법칙은 전체 부피가 각 성분의 분용적(부분 부피)의 합과 같다는 법칙이고, 뤼삭(게이뤼삭)의 법칙은 기체의 부피·온도 관계나 반응하는 기체 부피의 정수비를, 헨리의 법칙은 기체가 액체에 녹는 용해도를 다루므로 분압의 합에 관한 이 문제와는 관계가 없다.

LPG(액화석유가스)는 상온·상압 상태에서는 기체로 존재하며, 이를 가압하거나 냉각하여 부피를 크게 줄인 액체 상태로 저장·운반하는 것이다. 따라서 "상온, 대기압에서는 액체이다"라는 설명은 사실과 다르다.

LPG는 공기보다 비중이 크고 인화점이 낮아 인화·폭발 위험이 크며, 액체에서 기체로 기화될 때 주위에서 많은 기화열을 흡수하므로 냉각제로도 활용될 수 있다는 설명은 옳다.

매연(그을음)은 연료가 불완전연소할 때 미연분(탄소 입자 등)이 남아 발생한다. 연소장치 불량, 연료 품질 저하, 통풍력 부족은 모두 산소 공급이나 혼합이 원활하지 못해 불완전연소를 유발하는 대표적 원인이다.

반면 연소실 온도가 높을 때는 오히려 연료의 완전연소를 촉진해 매연 발생을 줄이는 조건이므로, 매연 발생 원인으로 보기 어렵다.

기체연료의 연소는 연료와 공기를 미리 섞어 연소시키는지 여부에 따라 크게 예혼합연소와 확산연소로 구분한다.

예혼합연소는 연료와 공기를 연소 전에 균일하게 혼합해 반응시키는 방식이고, 확산연소는 연료와 공기가 연소하면서 확산·혼합되는 방식이다. 등심연소·액면연소·증발연소·분해연소 등은 액체·고체연료의 연소형태를 설명할 때 쓰이는 용어이다.

화격자 연소율은 화격자 1m²가 1시간 동안 태우는 연료량을 뜻하므로 단위가 kg/m²·h가 된다. 단위를 이렇게 적은 것이 옳은 표현이다.

함께 제시된 공기비(m)는 $m = \dfrac{\text{이론공기량}(A_o)}{\text{실제공기량}(A)}$ 로 적혀 있으나, 공기비의 정의는 실제공기량 ÷ 이론공기량($m = \dfrac{A}{A_o} > 1.0$)이므로 분자·분모가 뒤바뀐 잘못된 식이다.

또 이론연소가스량은 고체·액체연료에서는 연료 1kg을 기준으로 하므로 Nm³/kg이며, Nm³/Nm³는 기체연료에 쓰는 단위다. 고체연료의 저위발열량은 H_l = H_h − 600(9H + W) [kcal/kg]로, 수소가 타서 생긴 물과 연료 중 수분의 증발잠열을 빼 주어야 하므로 더하는 형태로 적힌 식은 성립하지 않는다.

연소배기가스를 분석하는 가장 직접적인 목적은 배기가스 중 O₂, CO₂ 등의 농도를 통해 공기비(과잉공기율)를 계산하고, 이를 바탕으로 연소 상태(과잉공기 과다·부족)를 판단하는 데 있다.

노내압 조절, 연소열량 계산, 매연농도 산출은 배기가스 분석 결과를 활용해 부수적으로 얻거나 다른 계측을 통해 얻는 정보이지, 배기가스 분석의 1차 목적은 아니다.

코크스로가스 100 Nm³ 중 수소를 함유한 성분이 완전연소하면서 수증기(H₂O)가 생성되며, 습연소가스량과 건연소가스량의 차이는 바로 이 연소로 생성된 수증기량과 같다.

성분별 수소 원자를 통해 생성 수증기량을 구하면, H₂ 50Nm³는 $H_2+\tfrac12 O_2 \rightarrow H_2O$ 반응으로 50Nm³, CH₄ 30Nm³는 $CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O$ 반응으로 60Nm³, C₂H₄ 4Nm³는 $C_2H_4+3O_2\rightarrow 2CO_2+2H_2O$ 반응으로 8Nm³의 수증기를 만든다.

이를 모두 합하면 $50+60+8=118\ \mathrm{Nm^3}$로, 이것이 습연소가스량과 건연소가스량의 차이가 된다.

고체연료의 이론산소량은 원소 조성(질량비)으로부터 $O_o = 1.867\,C + 5.6\,H + 0.7\,S - 0.7\,O\ (\mathrm{Nm^3/kg})$ 식으로 구한다. 마지막 항은 연료 자체에 들어 있는 산소가 연소용 산소 소요량을 그만큼 덜어 준다는 뜻이다.

주어진 조성(C 0.86, H 0.04, O 0.08, S 0.02)을 대입하면 $O_o = 1.867\times0.86 + 5.6\times0.04 + 0.7\times0.02 - 0.7\times0.08 \approx 1.788\ \mathrm{Nm^3/kg}$이 되어, 보기 중 1.78이 이에 해당한다.

불꽃연소(Flaming combustion)는 연료가 기체 상태(증기·가스)로 화염을 만들며 타는 기상연소로, 연쇄반응(라디칼 연쇄반응)을 수반하며 연소속도가 빠른 것이 특징이다. 가솔린과 같은 휘발성 액체연료의 연소가 대표적인 예이며, 연료·산소·열·연쇄반응의 네 요소로 설명되는 연소사면체 개념도 여기에 해당한다.

연소속도가 느린 것은 오히려 표면(작열)연소처럼 고체 표면에서 산소가 직접 반응하는 형태에 가까우므로, "연소속도가 느리다"는 설명은 불꽃연소의 특징과 맞지 않는다.

혼합기체의 기체상수는 각 성분의 질량비를 가중치로 한 평균으로 구할 수 있다. 즉 $R_{mix} = x_1 R_1 + x_2 R_2$(x는 질량비율)이다.

N₂ 70%, O₂ 30%(질량비)를 대입하면 $R_{mix} = 0.7\times30.26 + 0.3\times26.49 \approx 29.13\ \mathrm{kgf\cdot m/(kg\cdot K)}$로 계산된다.

습식세정법, 원심분리법, 중력침전법은 모두 분진(고체 입자)을 물리적으로 포집·침강시켜 제거하는 대표적인 집진 방식이다.

반면 촉매산화법은 촉매를 이용해 CO, VOC 등 가스상 오염물질을 산화 분해하는 방법으로, 입자상 물질인 분진 제거와는 원리가 다르다.

고체연료의 공업분석에서는 수분, 회분, 휘발분, 고정탄소의 네 가지 성분을 구분한다. 이 중 수분·회분·휘발분은 가열·연소 시험으로 직접 측정하고, 고정탄소는 따로 측정하지 않고 전체 100%에서 나머지 세 성분을 빼서 구한다.

따라서 고정탄소(%) = 100 − [수분(%) + 회분(%) + 휘발분(%)]의 식으로 산출한다. 질소나 황분은 공업분석이 아니라 원소분석에서 다루는 항목이므로 이 식에 들어가지 않는다.

세정 집진장치는 액적에 입자를 충돌·부착시키거나, 입자를 핵으로 증기가 응결되어 입자를 크게 만들거나, 미세 입자의 확산에 의해 액적과의 접촉 기회를 늘리는 방식으로 입자를 포집한다.

이때 배기 중의 습도가 증가하면 수증기가 입자 표면에 응결되어 입자가 서로 뭉치는 응집이 촉진되는데, 이는 습도가 감소할 때가 아니라 증가할 때 나타나는 현상이므로 습도 감소로 응집이 일어난다는 설명은 옳지 않다.

최대탄산가스농도(CO₂max)는 이론공기량으로 완전연소시켰을 때 건연소가스 중 CO₂가 차지하는 비율을 말한다.

연료에 수소가 많이 들어 있으면 수소를 태우는 데 필요한 공기가 늘어 그만큼 질소가 함께 따라 들어오고, 생성된 수증기는 건연소가스에서 빠지므로 CO₂의 비율은 낮아진다. 순수한 탄소는 수소를 전혀 포함하지 않아 건연소가스가 CO₂와 질소뿐이므로 CO₂max가 약 21%로 가장 높게 나타나며, 수소 함량이 큰 코크스로가스나 연료유·역청탄은 이보다 낮다.

프로판(C₃H₈)의 완전연소 반응식은 $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$로, 1kmol의 프로판을 연소시키는 데 5kmol의 산소가 필요하다.

프로판 1kg은 $\dfrac{1}{44}\ \mathrm{kmol}$이므로 이론산소량은 $\dfrac{5}{44}\times22.4 \approx 2.55\ \mathrm{Sm^3/kg}$이고, 공기 중 산소 비율(21%)로 나누면 이론공기량은 $\dfrac{2.55}{0.21}\approx12.1\ \mathrm{Sm^3/kg}$이 된다.

폭발범위(연소범위)는 공기 중에서 가연성 기체가 점화 가능한 농도 구간의 상한과 하한을 나타낸다. 수소는 하한 약 4%, 상한 약 75%로 그 범위가 70%p를 넘어, 메탄·벤젠·프로판에 비해 폭발범위가 훨씬 넓다.

메탄(약 5~15%), 프로판(약 2.1~9.5%), 벤젠(약 1.4~7.1%)은 모두 수소보다 훨씬 좁은 폭발범위를 가진다.

그림은 P-V선도로 A→C는 압력이 일정한 수평선(부피 감소), C→B는 부피가 일정한 수직선(압력 상승), B→A는 곡선으로 그린 단열과정이며, 선도에 Q_CB = 75J, Q_BA = 0, Q_AC = −25J가 표기돼 있다.

한 사이클을 돌면 처음 상태로 되돌아오므로 내부에너지 변화가 0이고, 열역학 제1법칙에 따라 ΣQ = ΣW가 성립한다. 사이클 전체의 열량은 $(-25) + 75 + 0 = 50\,\mathrm{J}$ 이므로 사이클이 한 일의 총합도 50J이다.

A→C에서 계는 50J의 일을 받았으므로 계가 한 일은 W_AC = −50J이고, C→B는 부피가 일정한 정적과정이라 W_CB = 0이다. 따라서 $W_{BA} = 50 - (-50) - 0 = 100\,\mathrm{J}$ 로, 단열팽창 구간에서 계는 100J의 일을 한다.

엔트로피는 상태함수이므로 두 상태 사이의 엔트로피 변화량은 그 과정이 어떤 경로를 거쳤는지와 무관하게 시작 상태와 끝 상태만으로 결정된다.

비가역 사이클에서 클라시우스 적분은 0이 아니라 음수이고, 서로 다른 기체가 자발적으로 혼합되는 과정은 엔트로피가 감소가 아니라 증가하며, 열역학 제2법칙에 따라 우주 전체의 엔트로피는 시간이 지날수록 증가하는 방향으로 변화한다.

제시된 식 $PV^{n} = C$ 에서 지수 n의 값이 과정의 종류를 결정한다. n = 0이면 V⁰ = 1이므로 식은 P = C가 되어 압력이 일정한 정압과정이 된다.

나머지 대응은 n = 1일 때 PV = C 로 등온과정(보일 법칙), n = k(비열비)일 때 PV^k = C 로 단열(등엔트로피)과정, n = ∞일 때는 양변을 1/n 제곱하면 P^1/nV = C → V = C 가 되어 정적과정이다.

즉 지수가 커질수록 정압 → 등온 → 단열 → 정적 순으로 선도가 가팔라진다. 지수와 과정을 옳게 짝지은 것은 n = 0을 정압과정으로 연결한 것뿐이다.

1시간 동안 소비되는 열량은 연료 1kg당 발열량에 소비량을 곱하여 구할 수 있다. $Q = 36000\ \mathrm{kJ/kg} \times 30\ \mathrm{kg} = 1{,}080{,}000\ \mathrm{kJ/h}$

이 열이 전부 일로 바뀐다고 했으므로, 이를 초당 열량(동력)으로 환산하면 $P = \dfrac{1{,}080{,}000\ \mathrm{kJ}}{3600\ \mathrm{s}} = 300\ \mathrm{kW}$가 된다.

인용된 두 문장은 모두 열역학 제2법칙의 대표적인 서술이다. 앞 문장 '열은 그 자신만으로는 저온의 물체로부터 고온의 물체로 이동할 수 없다'는 클라우지우스(Clausius) 표현으로, 열 이동에 방향성이 있음을 뜻한다.

뒤 문장 '외부에 어떠한 영향을 남기지 않고 한 사이클 동안에 계가 열원으로부터 받은 열은 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다'는 켈빈-플랑크(Kelvin-Planck) 표현으로, 열효율 100%인 제2종 영구기관이 불가능함을 말한다.

참고로 제0법칙은 열평형(온도의 정의), 제1법칙은 에너지 보존(제1종 영구기관 부정), 제3법칙은 절대영도에 접근할 때의 엔트로피에 관한 법칙이므로, 비가역성과 방향성을 다루는 위 서술과는 구분된다.

냉매로는 압축·팽창 과정에서 안정적으로 상변화를 일으키면서 독성·부식성이 낮은 물질이 요구되며, 암모니아, CO₂, 프레온(할로겐화탄소) 계열이 대표적으로 사용되어 왔다.

CO(일산화탄소)는 맹독성 가스로 냉동사이클에 적합한 열역학적 특성을 갖추지 못해 일반적으로 냉매로 사용되지 않는다.

카르노 사이클의 열효율은 고온부와 저온부의 절대온도 비로 계산하며, $\eta = 1 - \dfrac{T_2}{T_1}$이다.

최고온도 600K, 최저온도 250K을 대입하면 $\eta = 1 - \dfrac{250}{600} \approx 0.583$, 즉 약 58%가 된다.

정적비열을 이용한 내부에너지 변화량은 $\Delta U = m\,c_v\,\Delta T$로 구한다.

질량 20kg, 정적비열 0.67kJ/(kg·K), 온도차 $\Delta T = 215-15=200\ \mathrm{K}$을 대입하면 $\Delta U = 20 \times 0.67 \times 200 = 2680\ \mathrm{kJ}$가 된다.

그림은 수직으로 세운 실린더로, 피스톤 위쪽에는 P_atm = 0.96bar의 대기압이 작용하고 피스톤 아래 밀폐공간의 압력 P를 묻고 있다. 피스톤이 정지해 있으므로 아래쪽 기체가 대기압 + 피스톤 자중을 함께 떠받치는 힘의 평형 상태다.

피스톤 무게에 의한 압력은 $\dfrac{mg}{A} = \dfrac{40 \times 9.8}{0.05} = 7,840\,\mathrm{Pa} = 0.0784\,\mathrm{bar}$ 이다(1bar = 10⁵Pa).

따라서 실린더 내부의 절대압력은 $P = P_{atm} + \dfrac{mg}{A} = 0.96 + 0.0784 = 1.0384\,\mathrm{bar}$ 로, 약 1.038bar가 된다. 피스톤이 위에 얹혀 있으므로 내부 압력은 반드시 대기압보다 높다는 점만 알아도 대기압보다 낮은 값들은 곧바로 걸러진다.

초기온도, 압축비, 공급열량이 동일한 조건에서 오토(정적)·디젤(정압)·사바테(복합)의 세 이상 사이클을 비교하면, 열이 정적으로 빠르게 공급될수록 열효율이 높아진다.

오토 사이클은 열을 순간적으로(정적으로) 공급하여 세 사이클 중 열효율이 가장 높고, 디젤 사이클은 열을 정압으로 서서히 공급하여 가장 낮으며, 두 과정을 혼합한 사바테 사이클은 그 사이에 위치한다. 따라서 효율 순서는 오토 사이클 > 사바테 사이클 > 디젤 사이클이 된다.

노즐효율은 실제로 얻은 분출 운동에너지와 이론상 얻을 수 있는 운동에너지의 비로 정의된다. 노즐 입구속도를 무시하면 이론 운동에너지는 C_t²/2, 실제 운동에너지는 C_a²/2이다.

따라서 $\eta_n = \dfrac{C_a^{2}/2}{C_t^{2}/2} = \left(\dfrac{C_a}{C_t}\right)^{2}$ 가 되어, 실제속도와 이론속도의 비를 제곱한 형태가 옳은 식이다.

속도비 C_a/C_t 자체는 속도계수이므로 노즐효율은 속도계수의 제곱과 같다. 제곱근이나 세제곱으로 쓴 식은 정의에 없는 형태다.

냉동기의 성능계수(COP)는 저온부에서 흡수한 열량을 압축기에 투입한 일로 나눈 값이다. 이 문제에서 투입 일은 고온부 방출열과 저온부 흡수열의 차이로 구할 수 있다.

$W = Q_H - Q_L = 40 - 30 = 10\ \mathrm{kW}$이므로, 성능계수는 $COP = \dfrac{Q_L}{W} = \dfrac{30}{10} = 3$이 된다.

임계점은 순수물질에서 일정 압력(임계압력) 이상이 되면 액상과 기상의 구분이 사라지는 상태점을 말하며, 임계압력·임계온도 이상에서는 증발·응축과 같은 상변화 과정 없이 물성이 연속적으로 변한다. 물의 임계점은 약 22.09MPa, 374.14℃로 알려져 있다.

다만 액상, 기상, 고상이 함께 존재하는 점은 임계점이 아니라 삼중점(triple point)에 대한 설명이므로, 이 설명이 임계점 정의로는 옳지 않다.

이상기체의 가역 단열(등엔트로피) 과정에서는 $\dfrac{T_2}{T_1} = \left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)^{\frac{k-1}{k}}$ 관계가 성립한다.

초기온도 $T_1 = -30+273 = 243\ \mathrm{K}$, 비열비 $k=1.41$이므로 지수는 $\dfrac{k-1}{k}=\dfrac{0.41}{1.41}\approx0.291$이고, 압력비는 $\dfrac{5}{200}=0.025$이다.

이를 대입하면 $T_2 = 243\times(0.025)^{0.291} \approx 83\ \mathrm{K}$, 섭씨로 환산하면 $83-273\approx-190℃$로, 고압 질소가 저압으로 단열팽창하면서 온도가 크게 낮아짐을 알 수 있다. 계산 결과 83은 절대온도(K)이므로 이를 그대로 섭씨로 읽지 않도록 주의한다.

그림의 P-v선도는 1→2 단열압축(압력 상승), 2→3 정압가열(윗변, q_in 유입), 3→4 단열팽창, 4→1 정압방열(아랫변, q_out 방출)로 이어지는 브레이턴 사이클이다.

압력이 일정한 구간의 열량은 q = c_pΔT이므로 q_in = c_p(T₃ − T₂), q_out = c_p(T₄ − T₁)이 된다.

따라서 열효율은 $\eta = 1 - \dfrac{q_{out}}{q_{in}} = 1 - \dfrac{T_4 - T_1}{T_3 - T_2}$ 로, 분자에 방열구간 온도차 (T₄ − T₁), 분모에 가열구간 온도차 (T₃ − T₂)가 오는 식이 옳다. 온도의 대소가 T₃ > T₂, T₄ > T₁이어야 효율이 0과 1 사이가 되는 점으로도 나머지 형태를 걸러낼 수 있다.

이상기체 상태방정식 $Pv=RT$를 기체상수에 대해 정리하면 $R=\dfrac{Pv}{T}$이다.

온도 $T=30+273=303\ \mathrm{K}$, 압력 350kPa, 비체적 0.449m³/kg을 대입하면 $R = \dfrac{350\times0.449}{303}\approx0.518\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$가 된다.

열펌프(히트펌프)는 저온부에서 열을 흡수해 압축일을 더한 뒤 고온부로 방출하는 장치로, 그 목적은 고온부로 방출되는 열을 얻는 데 있다.

따라서 열펌프의 성능계수(COP)는 압축기에 투입한 일(work input)에 대한 고온부 방출열의 비, 즉 $COP_{HP} = \dfrac{Q_H}{W}$로 정의된다. 저온부 흡수열을 일로 나눈 값은 냉동기의 성능계수이므로 구분해야 한다.

지문에 주어진 조건은 정상유동 에너지식 $q + h_1 + \dfrac{w_1^{2}}{2} = w_t + h_2 + \dfrac{w_2^{2}}{2}$ 에서 외부일 w_t = 0, 열교환 q = 0, 운동에너지 변화 무시를 뜻한다.

이 세 항을 지우면 $h_1 = h_2$ 만 남으므로, 교축 전후로 엔탈피가 일정한 등엔탈피 과정이 된다. 괄호에 들어갈 말은 엔탈피다.

반면 교축은 대표적인 비가역 과정이라 엔트로피는 증가하고, 좁은 통로를 지나며 압력은 반드시 낮아지며, 실제 기체에서는 줄-톰슨 효과로 온도도 달라진다. 따라서 압력·온도·엔트로피는 변하지 않는 양이 될 수 없다.

랭킨사이클의 효율을 높이려면 터빈에서 열을 더 많이 일로 바꿀 수 있도록 보일러 압력과 터빈 입구 온도를 높이거나, 팽창 후 배출되는 증기의 습분을 줄이고 추가로 일을 얻을 수 있는 재열 사이클을 적용하는 방법이 쓰인다.

반대로 복수기(응축기)의 압력을 상승시키면 터빈 출구 압력이 높아져 터빈에서 얻을 수 있는 일이 줄어들므로 효율은 오히려 낮아진다. 복수기 압력은 오히려 낮출수록 효율이 올라가므로, 압력 상승은 효율 향상 방법이 아니다.

가역 열기관에서 두 열원 사이를 순환하므로 흡수·방출 열량의 비는 카르노 사이클의 절대온도비와 같다: $\dfrac{Q_2}{Q_1}=\dfrac{T_2}{T_1}$.

고열원 온도는 $300+273=573\,\mathrm{K}$, 저열원 온도는 $40+273=313\,\mathrm{K}$이므로, 저열원으로 방출되는 열량은 $Q_2=200\times\dfrac{313}{573}\approx109\,\mathrm{kJ}$이다.

이때 온도는 반드시 절대온도(K)로 환산해서 비를 구해야 하며, 섭씨 온도를 그대로 대입하면 다른 값이 나오므로 주의해야 한다.

편차가 양(+)이면 조작신호가 최대로, 음(-)이면 최소로 급격히 바뀌는 불연속 동작은 온-오프(2위치) 동작이다. 이 방식은 목표값을 기준으로 조작량이 두 값 중 하나만 취하는 대표적인 불연속 제어이다.

반면 비례동작·적분동작·미분동작은 편차의 크기에 비례하거나 그 시간적 변화(적분·미분)에 따라 조작량이 연속적으로 변하는 연속 제어동작이므로 이 문제의 조건과 맞지 않는다.

물리적 가스분석계는 가스의 물리적 성질(밀도, 열전도율, 자기적 성질 등)의 차이를 이용해 성분을 측정하며, 밀도법, 열전도율법, 세라믹(지르코니아)법 등이 여기에 속한다.

반면 자동오르자트법은 시료가스를 특정 흡수액에 차례로 흡수시켜 그 부피 감소로 성분을 정량하는 화학적 가스분석법이므로 물리적 가스분석계로 분류되지 않는다.

압력식 온도계는 밀폐된 감온부 속 물질의 온도 변화에 따른 압력(부피) 변화를 이용하는 것으로, 감온물질의 상태에 따라 액체 팽창식, 기체 팽창식, 증기 팽창식으로 나뉜다.

고체 팽창식은 금속의 열팽창 차이를 이용하는 바이메탈 온도계 등이 해당하며, 밀폐된 유체의 압력 변화를 이용하는 압력식 온도계의 원리와는 다른 별개의 측정 방식이다.

피토관에서 유속과 동압수두의 관계는 $v=\sqrt{2gh}$이므로, 수주 높이는 $h=\dfrac{v^2}{2g}$로 구한다.

유속 $v=10\,\mathrm{m/s}$, $g=9.8\,\mathrm{m/s^2}$를 대입하면 $h=\dfrac{10^2}{2\times9.8}=\dfrac{100}{19.6}\approx5.1\,\mathrm{m}$가 된다.

층류로 흐를 수 있는 한계는 임계 레이놀즈수로 정해지며, $Re=\dfrac{vD}{\nu}$에서 최대 유속은 $v=\dfrac{Re\cdot\nu}{D}$로 구한다.

$v=\dfrac{2320\times1.0064\times10^{-6}}{0.05}\approx0.0467\,\mathrm{m/s}$이며, 유량은 $Q=v\times\dfrac{\pi D^2}{4}=0.0467\times\dfrac{\pi\times0.05^2}{4}\approx9.16\times10^{-5}\,\mathrm{m^3/s}$로 계산된다.

이 값을 초과하는 유량에서는 흐름이 난류로 천이되므로, 위 값이 층류로 흐를 수 있는 최대 유량이 된다.

대표적인 액면측정 방법으로는 눈으로 직접 확인하는 유리관식, 액체에 뜨는 부력을 이용하는 부자식, 액주 압력차를 이용하는 차압식 등이 있다.

박막식은 얇은 격막(다이어프램)의 변위로 압력을 측정하는 방식으로 주로 압력 측정에 쓰이며, 액면계의 대표적인 측정 방식으로는 분류되지 않는다.

전기저항 온도계는 금속의 전기저항이 온도에 따라 변하는 성질을 이용하며, 원격측정과 자동제어 계통에 연결하기 쉬운 것이 큰 장점이다. 다만 측정전류에 의해 소자 자체가 발열하는 자기가열 오차가 있어 보정이 필요하다.

그러나 저항체의 사용 한계온도는 대체로 500℃ 안팎에 그쳐, 1000℃ 이상의 초고온 영역에서는 정확도를 담보하기 어렵고 이 영역은 광고온계 등 방사온도계가 주로 담당한다. 따라서 초고온에서 특히 정확하다는 설명은 틀린 내용이다.

피드백 제어는 출력을 입력측으로 되돌려 목표값과 비교하는 폐회로(폐루프) 방식으로, 되먹임을 통해 다른 제어방식보다 정확도와 제어폭이 향상되는 것이 특징이다.

반면 보일러의 점화·소화를 정해진 순서에 따라 진행하는 제어는 미리 정한 절차대로 동작이 진행되는 시퀀스(순서) 제어에 해당하며, 출력을 입력으로 되먹임하는 피드백 제어의 특징과는 거리가 있다.

서로 마주 보는 두 전극 사이의 정전용량은 그 사이를 채우는 물질의 유전율에 따라 달라지는데, 이 원리를 이용해 전극 사이 액위 변화에 따른 정전용량 변화를 측정하는 것이 정전용량식 액면계이다.

방사선식은 방사선의 투과·흡수량 차이를, 초음파식은 초음파가 반사되어 돌아오는 시간을, 중추식은 액면에 띄운 부자와 도르래로 연결된 추의 오르내림 위치를 이용하는 방식으로 각각 원리가 다르다.

기준 수위(기준면)에서의 압력과 측정하려는 액면에서의 압력 차이로부터 액위를 환산하는 방식은 차압식 액면계이며, 밀폐된 고압 탱크처럼 액면을 직접 들여다볼 수 없는 경우에 적합하다.

편위식은 액 속에 잠긴 부력체(디스플레이서)에 작용하는 부력 변화를 토크튜브로 검출하는 방식이고, 부자식과 유리관식은 뜨개의 부력이나 육안으로 액면을 직접 확인하는 방식이어서, 압력차로 액위를 환산하는 이 문제의 조건과는 원리가 다르다.

국제단위계(SI)에서 온도의 기본단위는 켈빈(K)이며, 섭씨(℃)는 켈빈에서 유도된 단위로 실용상 널리 쓰일 뿐 SI 기본단위가 아니다.

질량의 kg, 물질량의 mol, 광도의 cd는 모두 SI 기본단위의 올바른 기호이므로, 온도를 ℃로 표기한 짝만 틀린 설명이 된다.

대표적인 습도계로는 모발의 신축을 이용하는 모발 습도계, 이슬점을 냉각으로 검출하는 듀셀 노점계, 습도에 따른 저항 변화를 이용하는 전기저항식 습도계 등이 있다.

초음파식은 통상 유속이나 액위 측정 등에 쓰이는 방식으로, 습도 측정법으로는 일반적으로 분류되지 않는다.

액주식 압력계로 정밀 측정을 할 때는 액체의 밀도가 바뀌는 온도 보정, 중력가속도가 위도·고도에 따라 달라지는 데 따른 중력 보정, 관경이 작을 때 표면장력으로 액면이 왜곡되는 모세관 현상 보정을 해 주어야 한다.

반면 액주의 높이는 측정을 통해 얻어야 할 결과값 자체이지 별도로 보정해야 하는 오차 요인이 아니므로, 반드시 필요한 보정 항목에 해당하지 않는다.

1000℃ 이상의 초고온을 비접촉으로 측정할 때는 물체가 방출하는 빛(휘도)을 표준 필라멘트의 밝기와 비교하는 광고온계가 적합하다.

동-콘스탄탄 열전대는 사용 상한이 낮은 저온용이고, 백금저항 온도계는 대략 500℃ 안팎, 바이메탈 온도계 역시 비교적 저온 영역에서 사용되므로 1000℃ 이상의 고온 측정에는 부적합하다.

그림의 블록선도는 입력 X(s)가 가산점을 지나 G₁(s)를 통과해 출력 Y(s)가 되고, 그 출력이 G₂(s)를 거쳐 다시 가산점으로 되돌아오는 피드백(폐루프) 결합이다.

가산점 출력을 E라 하면 E = X ± G₂Y, Y = G₁E 이므로 두 식을 정리하면 $\dfrac{Y(s)}{X(s)} = \dfrac{G_1(s)}{1 \mp G_1(s)G_2(s)}$ 가 된다. 즉 전향경로 전달함수 ÷ (1 ∓ 개루프 전달함수) 하나의 블록으로 등가변환된다.

따라서 분자가 G₁(s), 분모가 1 ± G₁(s)G₂(s)인 단일 블록이 옳다. 분모에 G₂가 빠져 1 ± G₁(s)만 남은 형태, 분모 자리의 1 ± G₁(s)G₂(s)만 블록에 넣은 형태, G₁·G₂ 직렬 블록에 1/G₂ 가지를 덧붙인 형태는 모두 되먹임 효과를 제대로 반영하지 못한다.

백금-백금로듐 열전대는 고온에서도 재현성과 안정성이 우수해 표준 열전대로 널리 사용된다.

측정 최고온도는 크로멜-알루멜 열전대보다 오히려 높고, 열기전력의 크기는 다른 열전대들에 비해 작은 편이며, 저온용이 아니라 고온측정용이라는 점에서 나머지 설명은 모두 틀린 내용이다.

다이어프램 압력계는 고무, 스테인리스 등 탄성이 있는 얇은 박판(격막)의 변위로 압력을 검출하며, 격막이 유체와 직접 넓게 접촉하는 구조여서 점도가 높거나 먼지·이물질이 섞인 유체, 부식성 유체에도 적용하기 쉽고 대기압과 차이가 작은 미소압력 측정에도 사용된다.

따라서 점도가 높은 액체에 부적합하다는 설명은 다이어프램 압력계의 실제 장점과 반대되는 내용이다.

차압식 유량계는 관 내에 조리개를 두어 그 전후의 압력차로 유량을 구하는 방식으로 오리피스, 벤투리관, 플로우 노즐이 대표적이다.

로터미터는 테이퍼관 속 부표(플로트)의 위치로 유량을 읽는 면적식 유량계로, 압력차가 아니라 유체가 통과하는 단면적 변화를 이용하므로 차압식으로 분류되지 않는다.

전자식 유량계는 관 내부에 유체의 흐름을 막는 장애물 없이 자기장과 기전력의 관계만으로 유량을 검출하므로 압력손실이 가장 적다.

차압식 유량계는 조리개로 유로를 좁혀 압력차를 만들어야 하고, 용적식과 임펠러(유속)식 유량계도 회전체나 격실을 유체가 밀어내야 하므로 전자식보다 압력손실이 크다.

수은 유리온도계 두 개를 나란히 두고 하나는 그대로(건구), 다른 하나는 젖은 심지로 감싸(습구) 두 온도의 차이로 습도를 구하는 방식이 건습구 습도계이다.

모발 습도계는 모발의 신축을, 냉각식은 이슬점 냉각을, 저항식은 감습소자의 전기저항 변화를 이용하는 방식으로 온도계 두 개를 함께 쓰는 구조가 아니다.

에너지이용 합리화법에 따라 일정 규모 이상의 에너지사용시설을 설치하거나 사업을 실시하려는 자는 그 설치 전에 에너지사용계획을 수립하여 산업통상자원부장관에게 제출하여야 한다.

이는 에너지 다소비시설의 설치 단계에서부터 에너지 절약 방안을 사전 검토받도록 하는 제도로, 대통령이나 시·도지사, 에너지경제연구원장에게 제출하는 절차가 아니다.

배관의 신축량(열팽창에 의한 늘어난 길이)은 관의 선팽창계수, 길이, 온도차에 각각 비례하는 관계로 나타난다: $\Delta L=L\cdot\alpha\cdot\Delta t$.

따라서 세 값 중 어느 하나라도 커지면 신축량도 함께 커진다. 나머지 보기는 열팽창계수나 길이·온도차를 신축량과 반비례 관계로 서술하고 있어 실제 관계를 반대로 나타낸 것이다.

배관 마찰손실은 대략 $\Delta P=f\dfrac{L}{D}\cdot\dfrac{\rho v^2}{2}$의 형태로 나타나며, 유속이 빠를수록·관이 길수록·관경이 작을수록 손실이 커진다.

이 식에서 손실은 유체의 비중량(밀도)에 비례하므로, 비중량이 큰 유체일수록 오히려 압력손실이 커지는 것이 맞고 비중량이 큰 유체일수록 압력손실이 작다는 설명은 관계를 반대로 서술한 것이다.

배관의 열팽창에 의한 이동을 구속·제한하는 장치로는 완전히 고정하는 앵커, 이동 범위를 제한하는 스톱, 축방향 이동은 허용하면서 옆으로 휘는 것을 막는 가이드가 대표적이다.

브레이스는 수격작용이나 지진, 진동 등 급격한 충격에 의한 배관의 흔들림을 억제하기 위한 지지물로, 열팽창에 의한 완만한 측면 이동을 구속하는 용도와는 목적이 다르다.

제철·제강공정의 배소로는 광석을 태워 유해성분(황 등)을 제거하고, 산화철의 산화도를 조절하며, 광석에 포함된 결합수와 탄산염을 분해·제거하는 예비 처리 공정에 쓰인다.

분상(가루) 광석을 덩어리 형태로 굳히는 소결은 별도의 소결로(소결기)에서 이루어지는 공정으로, 배소로 고유의 사용 목적으로 보기 어렵다.

에너지이용 합리화법 시행규칙의 검사 면제대상 범위에서 용접검사가 면제되는 것은 주철제 보일러, 전열면적 5m² 이하이면서 최고사용압력 0.35MPa 이하인 강철제 보일러, 동체 두께가 6mm 미만이면서 최고사용압력(MPa)과 내부부피(m³)를 곱한 값이 0.02 이하인 압력용기 등이다.

온수보일러도 면제 대상에 들어가지만 그 기준은 전열면적 18m² 이하이고 최고사용압력 0.35MPa 이하인 것이므로, 전열면적 20m²·최고사용압력 0.3MPa로 제시된 온수보일러는 규정된 면제 범위의 수치와 맞지 않는다.

규조토질 단열재는 다공질인 규조토를 주원료로 성형·소성한 내화단열재로, 안전사용온도가 대략 800~1200℃ 범위로 분류된다.

이보다 낮은 500℃ 안팎 이하의 온도대는 주로 보온재가 담당하고, 1200℃를 크게 넘는 고온 영역에서는 점토질·고알루미나질 등 내화도가 더 높은 단열재가 사용된다.

에너지원별 에너지열량 환산기준에서 석유계 액체연료는 1L, 천연가스는 1kg을 기준으로 총발열량이 고시된다. 천연가스는 주성분인 메탄의 수소 함유 비율이 높아 단위 질량당 발열량이 커서, 제시된 연료 중 총발열량이 가장 높다.

휘발유·항공유·B-C유 등 석유계 액체연료는 밀도와 탄화수소 조성에 따라 서로 발열량 차이가 있지만, 1L 기준 총발열량은 천연가스의 1kg 기준 값에 미치지 못한다.

에너지이용 합리화법의 에너지저장의무 규정은 전기사업법에 따른 전기사업자, 석탄산업법에 따른 석탄가공업자, 도시가스사업법에 따른 도시가스사업자, 집단에너지사업법에 따른 집단에너지사업자 등 공급 안정성이 중요한 주요 에너지 공급자를 대상으로 한다.

액화석유가스(LPG)사업자는 이 규정이 열거하는 저장의무 부과대상 사업자에 포함되지 않는다.

용광로에서 코크스는 연소해 열량을 공급하고, 불완전연소로 생성된 일산화탄소 등 환원성 가스를 만들어 철광석을 환원시키며, 그 일부 탄소는 선철에 흡수되어 탄소 함량을 높이는 역할을 한다.

철광석에 섞인 맥석 성분을 녹여 슬래그로 분리시키는 용제(플럭스) 역할은 주로 석회석이 담당하며, 코크스 자체의 주된 사용 목적으로 보기는 어렵다.

내화물의 부피비중은 건조시료의 무게를 기공까지 포함한 겉보기 부피로 나눈 값이다. 겉보기 부피는 아르키메데스 원리로 구하는데, 물을 흡수시킨 함수시료의 공기 중 무게 W₃에서 수중 무게 W₂를 빼면 시료가 밀어낸 물의 무게, 즉 부피(물의 비중 1)에 해당한다.

따라서 $\text{부피비중} = \dfrac{W_1}{W_3 - W_2}$ 로, 분자에 건조중량 W₁, 분모에 (W₃ − W₂)가 오는 식이 옳다.

같은 기호로 겉보기 기공률은 $\dfrac{W_3 - W_1}{W_3 - W_2} \times 100\,(\%)$, 흡수율은 $\dfrac{W_3 - W_1}{W_1} \times 100\,(\%)$ 로 계산하므로 함께 묶어 외워 두면 구분이 쉽다.

머플가마는 연소실과 피가열물을 격벽(머플)으로 분리하여 연소가스가 피가열물에 직접 닿지 않도록 만든 구조이므로 연소가스에 의한 오염이 없다.

직화식·직접식 가마는 연소가스가 피가열물에 직접 닿는 구조이고, 반머플가마는 부분적으로만 격리되어 있어 완전히 오염을 차단하지는 못한다.

에너지법상 에너지사용자는 단순히 에너지를 소비하는 사람이 아니라, 에너지사용시설의 소유자 또는 관리자를 가리키는 용어로 정의된다.

에너지사용시설, 에너지공급자, 에너지(연료·열·전기)에 대한 나머지 정의는 법에서 정한 내용과 일치하므로, 에너지사용자를 단순 소비자로 설명한 부분만 정의를 벗어난 것이다.

에너지이용 합리화법상 에너지이용 합리화 기본계획에는 에너지이용 효율 향상을 위한 기술개발, 가격예시제의 시행, 홍보 및 교육과 함께 에너지의 합리적인 이용을 통한 온실가스 배출 감축 대책 등이 포함된다.

즉 배출 저감에 관한 항목은 온실가스를 대상으로 규정되어 있고, 황산화물·질소산화물 같은 공해성분(대기오염물질) 배출을 줄이기 위한 대책은 기본계획 포함 사항으로 열거되어 있지 않다.

에너지이용 합리화법에 따라 효율관리기자재의 제조업자·수입업자는 효율관리시험기관으로부터 측정 결과를 통보받거나 자체측정을 완료한 날부터 90일 이내에 그 결과를 한국에너지공단에 신고하여야 한다.

이 신고 절차는 시장에 유통되는 효율관리기자재가 신고된 효율등급·에너지소비효율 기준에 맞는지를 사후적으로 관리하기 위한 규정이다.

에너지이용 합리화법상 특정열사용기자재는 강철제·주철제 보일러, 온수보일러(구멍탄용 포함), 태양열 집열기와 같이 열을 발생시키거나 집열·저장하는 기자재를 말한다.

태양광 발전기는 태양에너지를 곧바로 전기로 변환하는 설비로 열을 사용·발생시키는 기자재가 아니므로, 특정열사용기자재 품목에 포함되지 않는다.

시멘트 회전가마(로터리킬른)는 원료 투입 쪽부터 건조대·예열대·하소대(탈탄산대)·소성대(클링커링대)·냉각대 순으로 구간이 나뉜다. 이 중 석회석 등 탄산염 원료에 포함된 CaCO3가 CO2를 방출하며 CaO로 분해되는 하소(calcination) 반응이 주로 일어나는 구간이 정답이다.

건조대는 원료의 수분을 날리는 구간, 예열대는 원료를 미리 데워 하소를 준비시키는 구간이고, 소성대는 이미 하소된 원료가 고온에서 클링커 광물을 형성하는 구간이라 탄산염 분해의 주 무대는 아니다.

내화물의 내화도는 제게르콘(SK) 번호로 표시하며, 번호가 클수록 견딜 수 있는 최고온도(용융온도)가 높아진다. SK26 부근에서는 번호가 하나 올라갈 때마다 대략 20~30℃씩 온도가 높아진다.

SK26이 1580℃이므로 이보다 네 단계 높은 SK30은 약 1670℃ 수준에 해당한다.

에너지이용합리화법에 따라 에너지다소비사업자는 매년 전년도의 분기별 에너지 사용량·제품 생산량, 해당 연도의 분기별 에너지 사용예정량·제품 생산예정량, 에너지사용기자재의 현황 등을 에너지사용시설이 있는 지역을 관할하는 시·도지사에게 신고해야 한다.

반면 '에너지이용효과·에너지수급체계의 영향분석현황'은 대규모 시설을 설치할 때 사전에 협의하는 에너지사용계획에 담기는 성격의 항목으로, 다소비사업자가 매년 반복적으로 제출하는 신고사항에는 포함되지 않는다.

에너지법에 따라 시·도지사는 해당 지역의 에너지 수급 안정과 효율적 이용을 위해 지역에너지계획을 5년 이상을 계획기간으로 하여 수립·시행한다.

평면벽의 정상상태 전열식 $q = \dfrac{k\Delta t}{L}$을 벽 두께에 대해 풀면 $L=\dfrac{k\Delta t}{q}$가 된다. 열전도율 k=0.9 kcal/m·h·℃, 온도차 Δt=800−100=700℃, 단위면적당 열전달량 q=1400 kcal/m²·h를 대입하면 다음과 같다.

$L = \dfrac{0.9 \times 700}{1400} = 0.45\ \mathrm{m} = 45\ \mathrm{cm}$

용접 시 국부적인 급가열·급냉으로 용접부와 인접 모재에 잔류 열응력이 생기는데, 이를 방치하면 사용 중 균열이나 변형의 원인이 된다.

풀림(응력제거소둔) 처리는 재가열 후 서서히 냉각시켜 이 잔류 열응력을 완화·제거하기 위해 실시하는 열처리이다.

LNG는 수소 함량이 높은 탄화수소로 연소 시 배기가스 중 수증기 비율이 커서, 총발열량 중 상당 부분(대략 10% 내외)이 이 수증기의 잠열로 존재하며 이는 고위·저위발열량 차이의 주된 원인이 된다. 송출압력이 높아질수록 포화온도가 올라가면서 증발(응축)잠열은 오히려 작아지고, 송출압력을 낮추면 배관·설비 표면온도가 낮아져 방열손실도 감소한다.

다만 LNG 연소가스에서 응축되는 수분은 이산화탄소·질소산화물 등이 녹아들어 실제로는 산성(대략 pH 3~5 부근)을 띠는 것이 일반적이며, pH 11~12의 강알칼리라는 설명은 실제와 반대되므로 틀린 설명이다.

보일러 내처리제 중 탄산나트륨은 보일러수의 pH를 알칼리 쪽으로 조정하고, 수산화나트륨은 경도 성분과 반응해 슬러지로 만드는 연화 작용을 하며, 탄닌은 스케일 성분을 미세한 슬러지 형태로 분산시키는 슬러지 조정 작용을 한다.

반면 암모니아는 급수·복수 계통의 pH를 알칼리 쪽으로 끌어올려 산성 부식을 막기 위해 주입되는 pH 조정용 약제이지 기포 발생을 억제하는 포밍(기포)방지제가 아니므로, 암모니아와 포밍방지를 연결한 것은 틀린 설명이다.

급수 중의 경도 성분(칼슘·마그네슘 이온 등)을 이온교환수지와 화학적으로 치환·반응시켜 제거하는 이온교환법은 화학적 처리방법에 해당한다.

가열연화법, 증류법, 여과법은 열이나 상변화, 물리적 거름 작용을 이용하는 물리적(기계적) 처리방법이다.

연소용 공기는 송풍기에서 압송된 뒤 배기가스의 여열로 미리 데워지도록 공기예열기를 거쳐 연소실로 들어가 연료와 함께 연소한다.

이렇게 발생한 고온의 연소가스는 과열기에서 증기를 과열시킨 뒤 절탄기에서 급수를 예열하며 온도를 낮추고 최종적으로 굴뚝(연돌)으로 배출되므로, 송풍기→공기예열기→연소실→과열기→절탄기→굴뚝의 순서가 일반적인 통과 경로이다.

자연순환식 수관보일러의 순환력은 증기가 섞인 상승관과 포화수만 있는 하강관 사이의 비중차에서 발생하며, 수관을 경사지게 하고 관경을 크게 하며 비중차를 키우는 것이 순환을 촉진하는 방법이다.

그러나 증기압력이 높아질수록 증기와 물의 비중차는 임계점에 가까워지며 오히려 작아지므로, '발생증기 압력이 높을수록 순환력이 커진다'는 설명은 실제와 반대되어 틀린 내용이다.

보일러수는 부식과 스케일을 억제하기 위해 알칼리성으로 유지해야 하므로 중성에 가까운 pH 7~9는 보일러수가 아니라 급수 쪽에 어울리는 값이고, 보일러수의 pH(25℃ 기준)는 11~11.8 범위로 관리한다.

M알칼리도는 압력이 높아질수록 더 낮게(엄격하게) 관리하는데, 최고사용압력 1MPa 이하의 수관보일러 보일러수에서는 100~800 mgCaCO3/L이 기준이며, 80~600 mgCaCO3/L은 이보다 압력이 높은 구간에 적용되는 값이다.

노통연관보일러에서 연관이 높은 경우는 연관 최상위보다 75mm 상부, 횡연관 보일러도 연관 최상위보다 75mm 상부, 입형 보일러는 연소실 천정판 최고부(플랜지 제외)보다 75mm 상부를 최저수위 기준으로 삼는다.

다만 노통이 높은 경우에는 노통 상면(플랜지 제외)보다 100mm 상부를 최저수위로 잡아야 하므로, 이를 75mm 상부라고 서술한 것은 기준값이 틀린 설명이다.

급수를 펌프로 압입해 하나의 긴 관을 지나며 가열·증발·과열이 차례로 한 관 안에서 연속적으로 일어나 바로 과열증기가 되어 나가는 형식은, 드럼 없이 관으로만 구성된 관류보일러(벤슨형·슐저형 등)의 특징이다.

저온(황산)부식은 배기가스 중 SO3가 수증기와 결합해 황산이 되고, 이 황산이 이슬점 이하의 저온 전열면(특히 공기예열기)에서 응축되어 발생한다. 따라서 연료 중 유황 성분을 줄이거나 첨가제로 SO3 생성을 억제하고, 공기예열기 전열면 온도를 노점 이상으로 높게 유지해 응축 자체를 막는 것이 대표적인 대책이다.

바나듐은 고온에서 전열면을 침식하는 고온부식의 원인 물질이지 저온부식과는 직접 관련이 없으므로, 배기가스 중 바나듐 성분 제거는 저온부식 대책으로 보기 어렵다.

필요한 동력 12kW를 얻기 위한 입열량은 열효율 9%를 감안하면 다음과 같이 구해진다.

$Q = \dfrac{12\ \mathrm{kW}}{0.09} \approx 133.3\ \mathrm{kW} = 133{,}333\ \mathrm{W}$

태양열이 1㎡당 800W의 비율로 흡수되므로, 필요한 최소 전열(집열)면적은 $A = \dfrac{133{,}333\ \mathrm{W}}{800\ \mathrm{W/m^2}} \approx 166.7\ \mathrm{m^2}$이다.

얇은 원통형 압력용기의 원주방향(후프) 응력식 $\sigma = \dfrac{PD}{2t\eta}$을 적용한다. 압력 P=3 kgf/cm², 직경 D=500cm, 두께 t=1cm, 이음효율 η=0.75를 대입하면 다음과 같다.

$\sigma = \dfrac{3 \times 500}{2 \times 1 \times 0.75} = 1000\ \mathrm{kgf/cm^2}$

이를 mm² 단위로 환산(1cm²=100mm²)하면 강판에 요구되는 인장강도는 $10\ \mathrm{kgf/mm^2}$가 된다.

연도(굴뚝) 설계 시에는 배기가스 유속을 적정하게 유지하고 급격한 단면변화를 피하며 온도강하를 최소화해 통풍력 손실을 줄여야 한다.

굴곡부는 가스 흐름에 저항을 더해 통풍손실을 늘리므로 가능한 한 굴곡부 수를 적게 하고 완만하게 설계하는 것이 원칙이며, '적절한 굴곡저항을 위해 굴곡부를 많이 만든다'는 설명은 이 원칙과 반대되어 틀린 내용이다.

과열증기는 같은 압력의 포화증기보다 온도가 높아 과열도만큼의 현열을 더 지니고 있으므로, 열을 방출해 포화온도까지 냉각된 뒤에야 응축이 시작되어 상대적으로 응축수가 되기 어렵다.

반면 과열증기는 수분이 없는 건조한 상태여서 관내 마찰저항은 오히려 줄어들고, 고온 상태이므로 전열면의 고온부식 우려는 남아 있으며, 열을 방출하는 동안 온도가 계속 낮아져 포화증기처럼 온도를 일정하게 유지하지도 못하므로 나머지 설명들은 과열증기의 특징으로 볼 수 없다.

프라이밍·포밍은 보일러수 표면에서 기포가 과다하게 발생하거나 수분이 증기에 섞여 나가는 현상으로, 보일러수를 농축시키지 않고 불순물을 제거하며 과부하 운전을 피하는 것이 방지대책이 된다.

반대로 주증기 밸브를 급하게 열면 관내 압력이 급강하하면서 보일러수가 급격히 비등해 오히려 프라이밍을 유발하므로, 주증기 밸브는 서서히 여는 것이 올바른 대책이며 급히 개방하는 것은 방지책이 아니라 원인에 해당한다.

불순물 함유량(ppm)은 불순물 질량을 전체 물 질량으로 나눈 뒤 10^6을 곱해 구한다. 보일러수 5ton은 5,000,000g이고 여기서 불순물 40g이 검출되었으므로 다음과 같이 계산된다.

$\mathrm{ppm} = \dfrac{40\ \mathrm{g}}{5{,}000{,}000\ \mathrm{g}} \times 10^6 = 8$

2중관 열교환기에서 열은 내관 내면의 유체 → 관벽 → 내관 외면의 유체 순으로 차례차례 지나가므로, 각 경막의 열저항은 직렬로 이어진다.

내면 쪽 열저항은 $\dfrac{1}{\alpha_i F_i}$, 외면 쪽 열저항은 $\dfrac{1}{\alpha_o F_o}$이다. 직렬이므로 두 저항을 더한 값이 전체 열저항이고, 열관류율은 그 역수이므로 $K=\dfrac{1}{\dfrac{1}{\alpha_i F_i}+\dfrac{1}{\alpha_o F_o}}$가 된다.

이 식은 관벽 자체의 전도저항을 무시하고, 내면적과 외면적의 차이를 기준면으로 엄밀히 환산하지 않은 채 각 면적을 그대로 대입한 단순화된 형태이기 때문에 근사식이라고 부른다.

석탄이 시간당 공급해야 하는 열량은 출력을 열효율로 나눠 구한다. 24500kW를 kcal/h로 환산하면 24500×860=21,070,000 kcal/h이고, 열효율 23%를 감안한 필요 입열량은 다음과 같다.

$Q_{in} = \dfrac{21{,}070{,}000}{0.23} \approx 91{,}608{,}700\ \mathrm{kcal/h}$

이를 석탄의 저위발열량 7200 kcal/kg으로 나누면 시간당 석탄 소요량은 $\dfrac{91{,}608{,}700}{7200} \approx 12{,}724\ \mathrm{kg/h} \approx 12.7\ \mathrm{ton/h}$가 된다.

증기관의 관경을 결정할 때는 배관 재료·시공에 드는 가격, 관 표면을 통한 열손실, 유동 저항에 따른 압력강하 등을 종합적으로 고려해 유속과 관경을 정한다.

증기의 온도는 사용 조건으로 주어지는 입력 값일 뿐 관경을 산정할 때 직접 고려하는 설계 변수는 아니므로, 이 중 가장 거리가 먼 항목에 해당한다.