연소가스 중 CO2와 CO의 합은 원료 기체 속 탄소량과 같으므로 8+2=10 Nm³이 되어, 원료 10 Nm³ 안의 분자당 탄소원자 수는 1개가 된다.

수증기 20 Nm³이 생기려면 원료 속 수소가 H2 기준으로 20 Nm³ 들어 있어야 하므로, 원료 10 Nm³당 H2가 20 Nm³, 즉 분자 1개당 H2 2개(수소원자 4개)가 된다. 따라서 이 기체연료는 탄소 1개, 수소 4개로 이루어진 메탄(CH4)이다.

제시된 조건 — 유량 조절범위 1:10, 연소 시 소음 발생, 점도가 커도 무화 가능, 분무각 30° 정도로 좁음 — 은 모두 고압기류식 버너의 특징이다.

고압기류식은 약 0.2~0.7MPa의 고압 공기나 증기를 무화매체로 사용해 기름을 잘게 부수므로, 조절범위가 1:10으로 여러 형식 중 가장 넓어 부하변동이 심한 설비에 적합하고 점도가 높은 중유도 무화된다. 다만 분무각이 20~30°로 좁아 화염이 가늘고 길며, 무화매체의 분출 때문에 소음이 크다.

비교하면 저압기류식은 무화용 공기압이 약 5~20kPa(0.05~0.2kg/cm²)에 그쳐 조절범위가 1:5, 분무각은 30~60°로 넓고, 유압식은 기름 자체의 압력으로 무화해 조절범위가 1:2(환류식 1:3) 정도라 부하변동 대응이 어렵다. 회전(로터리)식은 회전컵의 원심력으로 무화하는 방식이라 '공기로 무화시킨다'는 조건 자체에 맞지 않으며 조절범위도 1:5 정도다.

고체·액체연료의 이론산소량은 성분의 중량비를 이용해 $O_o = 1.867C + 5.6H + 0.7S\ (\mathrm{Nm^3/kg})$로 구한다. 탄소 0.84, 수소 0.13, 유황 0.02를 대입하면 다음과 같다.

$O_o = 1.867(0.84) + 5.6(0.13) + 0.7(0.02) \approx 2.31\ \mathrm{Nm^3/kg}$

공기 중 산소 비율 0.21로 나눈 이론공기량은 $A_o = \dfrac{O_o}{0.21} \approx \dfrac{2.31}{0.21} \approx 11.0\ \mathrm{Nm^3/kg}$이 된다.

산포식(살포식) 스토커는 석탄을 화격자 위 공간으로 뿌려 미세한 입자는 부유 상태로 타고 굵은 입자는 화격자 위에 떨어져 타는 방식이라 다른 스토커 형식보다 연소 강도가 높은 편이며, 강제통풍을 적용할 때 일반적인 화격자 부하(화상부하)는 150~200 kg/m²·h 수준으로 본다.

기체연료 각 성분의 완전연소 반응식에서 필요한 산소량은 H2가 0.5배, CO가 0.5배, CH4가 2배이므로, 연료 1m³당 이론산소량은 다음과 같다.

$O_o = 0.5(0.45) + 0.5(0.40) + 2(0.15) = 0.225+0.20+0.30 = 0.725\ \mathrm{m^3}$

공기 중 산소:질소 체적비가 1:3.77이므로 공기는 산소의 4.77배이며, 이론공기량은 $A_o = 0.725 \times 4.77 \approx 3.46\ \mathrm{m^3}$가 된다.

이론(단열)연소온도는 연료가 지닌 열량(저위발열량)이 얼마나 되는지, 연소에 관여하는 공기 중 산소농도가 얼마나 높은지, 그리고 공기비(과잉공기량)에 따라 생성되는 연소가스량과 방출열이 어떻게 배분되는지에 따라 직접 결정된다.

연소실의 크기는 연소가스의 체류시간이나 열손실 등 설비 운전 특성에는 영향을 주지만, 연소온도 자체를 구하는 이론식에 직접 들어가는 인자는 아니어서 가장 거리가 먼 요소가 된다.

공기나 연료를 예열하면 연소실 내 온도가 높아지고 착화에 필요한 열량(착화열)이 줄어들어 연료가 절약되며, 연소가 활발해져 연소효율과 연소상태의 안정성도 좋아진다.

다만 이론공기량은 연료의 화학양론적 조성만으로 정해지는 값이라 공기·연료를 예열한다고 해서 줄어드는 것이 아니므로, '이론공기량이 감소함'이라는 설명은 옳지 않다.

1차 연소가 연소실 내에서 정상적으로 이루어지는 연소라면, 2차 연소는 연료 공급 과다나 공기 부족 등으로 불완전연소가 일어나 생긴 미연소 가스가 연소실을 빠져나가 연도(굴뚝으로 가는 통로) 안에서 나머지 공기와 뒤늦게 만나 다시 연소하는 현상을 말한다.

연소(폭발)범위는 가연성 증기 농도가 지나치게 낮아 점화·화염전파가 일어나지 못하는 하한계 아래에서는 성립하지 않는다. 즉 연소하한계 이하에서는 가연성 증기의 농도가 너무 낮은 것이 원인이다.

반대로 상한계를 넘으면 가연성 증기 농도가 지나치게 높아(상대적으로 산소가 부족해) 연소가 유지되지 못하는 것이지 산소농도가 높은 것이 아니며, 일반적으로 온도나 압력이 높아지면 분자운동과 반응성이 커져 연소범위는 오히려 넓어지는 경향을 보이므로 좁아진다는 설명들은 옳지 않다.

중유는 원소 조성상 탄소(C) 비율이 가장 크고 비중도 0.85~0.99 수준으로 무거운 편이어서, 수소 함량이 가장 크다거나 비중이 0.72~0.76이라는 설명은 실제와 맞지 않는다.

반면 중유의 인화점은 대체로 60~150℃ 범위에 있는 것으로 알려져 있어 이 설명이 타당하다.

폭연(디플러그레이션)은 열전도와 미연소 물질의 확산에 지배되어 화염이 서서히 전파되는 반응인 반면, 폭굉(데토네이션)은 반응으로 생긴 충격파가 미반응 혼합물을 압축·가열해 스스로 반응을 유지·전파시키는 기체역학적 현상으로 전파속도가 음속보다 빠르다는 점이 특징이다.

따라서 '확산이나 열전도의 영향을 주로 받는다'는 설명은 폭연의 특성을 폭굉에 잘못 적용한 것으로 옳지 않다.

세이볼트 점도계는 액체연료의 점도, 톰슨 열량계는 발열량, 펜스키마텐스 장치는 인화점을 측정하는 데 쓰이는 액체(또는 고체) 연료용 시험기기이다.

반면 오르잣(Orsat) 분석장치는 연소가스나 기체연료 속 CO2, O2, CO 등의 성분을 흡수법으로 분석하는 대표적인 기체 시험 장치이다.

중유 첨가제에는 회분·슬러지 성분을 미세하게 분산시켜 침전을 막는 슬러지 분산제, 연소를 돕는 조연제, 연소가스나 저온부식으로부터 설비를 보호하는 부식방지제 등이 있다.

안티녹제(옥탄가 향상제)는 가솔린 기관에서 노킹을 방지하기 위해 쓰이는 첨가제로 중유 연소·보일러 설비와는 관련이 없어 중유 첨가제 종류에 포함되지 않는다.

전기식 집진장치(전기집진기)는 마주 놓인 두 전극 사이에 고압의 직류 전장을 걸어 코로나 방전으로 분진 입자를 하전시킨 뒤, 쿨롱력으로 집진극에 끌어붙여 포집하는 장치이다. 고압의 교류 전장을 가한다는 설명은 전기집진기의 작동 원리와 맞지 않아 옳지 않다.

사이클론 집진기는 함진가스를 선회운동시켜 원심력으로 입자를 분리하는 방식이고, 벤투리 스크러버는 가스흡입부에 벤투리관을 조합해 목부에서 물을 미립화시켜 먼지와 접촉·세정하는 습식 집진 방식으로 두 설명 모두 타당하다.

백필터(여과 집진장치)는 백의 상부를 매달아 걸고 하부에서 백 내부로 함진가스를 불어 넣어, 여재를 통과시키면서 먼지를 걸러내는 방식이므로 이에 대한 설명 역시 무리가 없다.

연소가스 100mol을 기준으로 질소수지를 이용하면 공급 공기 중 산소량은 $N_2 \times \dfrac{21}{79} = 82 \times \dfrac{21}{79} \approx 21.80\ \mathrm{mol}$이다.

탄소가 CO2와 CO로 전환되며 소비한 산소는 $9\times1 + 1\times0.5 = 9.5\ \mathrm{mol}$이고, 배기가스 중 남은 산소(과잉산소)가 8mol이므로 수소가 물로 전환되며 소비한 산소는 $21.80 - 9.5 - 8 \approx 4.30\ \mathrm{mol}$이다.

이 산소로 생성된 수증기는 $4.30 \div 0.5 \approx 8.59\ \mathrm{mol}$이며 수소원자 수는 그 2배인 약 17.19mol, 탄소원자 수는 CO2와 CO의 합인 10mol이므로 $\dfrac{y}{x} = \dfrac{17.19}{10} \approx 1.72$가 된다.

중유 1kg의 무게조성은 C 84%, H 13%, O 0.5%, S 2%, W(수분) 0.5%이다. 고위발열량은 뒤롱(Dulong)식 $H_h = 8100\mathrm{C} + 34000\left(\mathrm{H} - \dfrac{\mathrm{O}}{8}\right) + 2500\mathrm{S}$ 로 구한다.

$H_h = 8100 \times 0.84 + 34000 \times \left(0.13 - \dfrac{0.005}{8}\right) + 2500 \times 0.02 = 6804 + 4398.8 + 50 \fallingdotseq 11253\ \mathrm{kcal/kg}$

저위발열량은 연소가스 속 수증기가 가지고 나가는 증발잠열을 뺀 값이므로 $H_l = H_h - 600(9\mathrm{H} + \mathrm{W})$ 를 적용한다. $H_l = 11253 - 600 \times (9 \times 0.13 + 0.005) = 11253 - 705 \fallingdotseq 10548\ \mathrm{kcal/kg}$

수소분 13%가 만들어내는 수증기 잠열만 705 kcal/kg이나 빠져나간다는 점이 이 문제의 핵심이다. 계산값 약 10,550 kcal/kg은 약 10,590 kcal/kg과 사실상 같은 값이며(발열량 상수를 어느 판본으로 쓰느냐에 따라 수십 kcal 차이가 난다), 나머지 값들은 수천 kcal씩 벌어져 후보가 되지 못한다.

메탄의 완전연소 반응식 $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$은 좌우의 탄소 1개, 수소 4개, 산소 4개가 모두 균형을 이루므로 옳은 반응식이다.

에탄의 완전연소는 $C_2H_6 + \dfrac{7}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$이 되어야 하므로, 산소 3몰에 물 4몰로 적힌 식은 수소·산소 원자수가 맞지 않는다.

탄소가 3개인 탄화수소가 산소 5몰과 반응한다면 이산화탄소는 3몰이 나와야 하므로(프로판이라면 $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$) 이산화탄소 2몰·물 6몰로 적힌 식은 성립하지 않는다. 부탄도 $C_4H_{10} + \dfrac{13}{2}O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$이어야 하므로 산소 6몰로 적힌 식은 산소 원자수가 부족하다.

최대탄산가스율과 실제 연소가스 성분 사이의 관계식 $CO_{2max} = \dfrac{21(CO_2+CO)}{21-O_2+0.395\,CO}$에 주어진 값을 대입하면 $24.0 = \dfrac{21\times(14.2+3.0)}{21-O_2+0.395\times3.0}$이 된다.

분모를 정리하면 $21-O_2+1.185 = \dfrac{21\times17.2}{24.0} \approx 15.05$이므로, $O_2 \approx 22.185-15.05 \approx 7.1\%$가 산출된다.

백필터(여과집진장치, bag filter)는 직물·섬유 여재에 함진가스를 통과시켜 건식으로 먼지를 걸러내는 장치이므로 습식집진장치에 해당하지 않는다.

충진탑, 벤츄리 스크러버, 사이클론 스크러버는 모두 세정액(물)을 이용해 분진과 접촉·포집하는 습식집진 방식이다.

메탄은 천연가스의 주성분으로 착화온도가 약 650℃ 내외에 이른다. 분자 구조가 단순해 결합을 끊는 데 큰 에너지가 필요하므로, 제시된 연료 가운데 착화온도가 가장 높다.

반면 갈탄은 250~300℃, 목탄은 300~400℃ 정도이며 중유도 500℃대 수준으로, 고체·액체 연료들은 모두 메탄보다 낮은 온도에서 착화한다.

체적팽창계수 β는 압력을 일정하게 유지한 채 온도를 1℃ 올렸을 때 부피가 원래 부피에 대해 몇 배 비율로 늘어나는가를 나타내는 물성값이다. 정의식은 $\beta = \dfrac{1}{V}\left(\dfrac{\partial V}{\partial T}\right)_P$ 이다.

따라서 옳은 식은 세 조건을 모두 만족해야 한다. 첫째, 미분 대상은 압력이 아니라 부피 V여야 한다. 둘째, 고정해 두는 변수(편미분의 아래첨자)는 압력 P여야 한다. 셋째, 온도가 오르면 부피가 늘어나므로 부호는 양(+)이어야 한다.

압력을 온도로 미분한 $-\dfrac{1}{V}\left(\dfrac{\partial P}{\partial T}\right)$ 는 부피 변화가 아니라 압력 변화를 나타내는 양이고, 온도로 미분하면서 아래첨자마저 온도로 붙인 $-\dfrac{1}{V}\left(\dfrac{\partial V}{\partial T}\right)_T$ 는 고정해 둔 변수로 다시 미분하는 모순된 형태인 데다 부호까지 음수다. 온도를 압력으로 미분한 $\dfrac{1}{T}\left(\dfrac{\partial T}{\partial P}\right)_V$ 는 부피와 아무 관계가 없다.

참고로 부피를 압력으로 미분하고 음(−)부호를 붙여 온도를 고정한 $-\dfrac{1}{V}\left(\dfrac{\partial V}{\partial P}\right)_T$ 는 등온압축률로, 이름이 비슷해도 체적팽창계수와는 전혀 다른 물성값이다.

카르노 사이클은 2개의 등온과정과 2개의 단열(가역단열)과정으로 이루어진 이상적인 가역 사이클로, 주어진 두 열원 사이에서 얻을 수 있는 최대 효율을 나타내는 기준 사이클이다.

정압과정을 포함하는 조합이거나 비가역 과정으로 구성된다는 설명은 카르노 사이클의 정의와 맞지 않는다.

A→C→B 과정에서 계로 110J의 열이 들어오고 계가 외부에 50J의 일을 했으므로, 내부에너지 변화는 $\Delta U_{A \to B} = Q-W = 110-50 = 60\ \mathrm{J}$이다.

내부에너지는 상태함수이므로 되돌아오는 경로에서는 경로에 관계없이 $\Delta U_{B \to A} = -60\ \mathrm{J}$이 된다. 이 과정에서 계가 40J의 일을 받았다는 것은 계가 외부에 한 일이 -40J이라는 뜻이다.

따라서 $Q_{B \to A} = \Delta U_{B \to A} + W_{B \to A} = -60 + (-40) = -100\ \mathrm{J}$로, 계는 이 과정에서 100J의 열을 방출한다.

랭킨 사이클은 물을 보일러에서 증기로 만들어 터빈을 돌리고 복수기에서 다시 물로 응축시키는, 수증기를 작동유체로 사용하는 대표적인 증기동력 사이클이다.

오토·디젤 사이클은 내연기관에서 공기(연소가스)를 작동유체로 사용하는 사이클이고, 브레이턴 사이클은 가스터빈에서 공기를 작동유체로 사용하는 사이클로 수증기를 사용하지 않는다.

위쪽 P-V 선도에서는 한 점에서 네 방향으로 과정이 뻗어 있다. 오른쪽으로 곧게 뻗은 수평선(a)은 압력이 변하지 않는 등압과정, 아래로 곧게 내려가는 수직선(d)은 부피가 변하지 않는 등적과정이다. 오른쪽 아래로 내려가는 두 선 중 기울기가 완만한 파선(b)이 $PV = C$인 등온과정, 더 가파른 실선(c)이 $PV^k = C$인 단열과정이다.

아래쪽 T-S 선도에서는 오른쪽으로 곧게 뻗은 수평선(3)이 온도가 일정한 등온과정, 아래로 곧게 내려가는 수직선(4)이 엔트로피가 변하지 않는 가역단열(등엔트로피)과정이다. 오른쪽 위로 올라가는 두 선은 기울기가 $\dfrac{dT}{ds} = \dfrac{T}{c_v}$로 더 가파른 쪽(1)이 등적, $\dfrac{dT}{ds} = \dfrac{T}{c_p}$로 완만한 쪽(2)이 등압이다($c_v < c_p$이므로 등적선이 더 서 있다).

정리하면 P-V 선도의 수직선 d가 등적과정, T-S 선도의 수직선 4가 가역단열과정이라는 설명이 옳다. P-V의 수평선 a는 등압이지 등적이 아니고, T-S의 수평선 3은 가역단열이 아니라 등온이며, P-V에서 비스듬히 내려가는 c는 등적이 아니라 단열이다.

1MPa 포화증기의 포화온도는 약 179.9℃인데, 이 온도를 그대로 유지한 채 압력만 700kPa까지 낮추면 700kPa에서의 포화온도(약 165℃)보다 실제 온도가 더 높아진다.

주어진 압력에서 포화온도보다 높은 온도 상태는 곧 과열증기 영역이므로, 등온으로 감압된 최종 상태는 과열증기가 된다.

정압비열은 정적비열과 기체상수의 합이므로 $C_p = C_v + R = 3.1 + 2.1 = 5.2\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$이다.

정압과정의 가열량은 $Q = mC_p\Delta T = 2 \times 5.2 \times (150-50) = 1040\ \mathrm{kJ}$이다.

클라시우스(Clausius) 적분은 사이클 한 바퀴를 돌면서 열량을 그때의 절대온도로 나눈 값을 모두 더한 것으로, $\oint \dfrac{\delta Q}{T} \le 0$ 라는 부등식이 성립한다. 여기서 등호는 오직 가역 사이클일 때만 성립한다.

따라서 모든 과정이 가역이면 $\oint \dfrac{\delta Q}{T} = 0$ 이고, 마찰·유한온도차 열전달 등 비가역성이 하나라도 있으면 그 값은 0보다 작아져 $\oint \dfrac{\delta Q}{T} < 0$ 이 된다. 이는 비가역 과정에서 엔트로피가 추가로 생성되기 때문이며, 열역학 제2법칙을 정량적으로 표현한 것이다.

적분값이 0보다 크게 나오는 사이클은 제2법칙을 어기므로 실현될 수 없고, 0 이상(≥ 0)이라는 표현 역시 등호가 성립하지 않는 비가역 사이클에는 맞지 않는다.

열역학 제1법칙은 에너지보존법칙으로, 열을 일로 또는 일을 열로 변환하더라도 계 전체의 에너지 총량은 변하지 않고 일정하게 보존된다는 것을 말한다.

제3의 물체와 열평형을 이루는 두 물체가 서로도 열평형이라는 설명은 열역학 제0법칙, 흡수한 열을 전부 일로 바꿀 수 없다는 설명은 제2법칙(켈빈-플랑크 표현), 절대영도에 도달할 수 없다는 설명은 제3법칙에 해당한다.

암모니아, 프레온(CFC 계열), 이산화탄소는 모두 실제 냉동사이클에서 사용되어 온 대표적인 냉매이다.

오산화인(P2O5)은 강한 흡습성을 가진 건조제(제습제)로 쓰이는 물질일 뿐 냉매로 사용되지 않는다.

과열증기는 주어진 압력에서 포화온도보다 높은 온도, 주어진 온도에서 포화증기 엔탈피보다 높은 엔탈피를 가지며, 주어진 비체적에서는 포화증기 압력보다 높은 압력을 갖는 상태이다.

다만 같은 온도에서 비교하면 과열증기는 포화증기보다 압력이 낮고 밀도가 작아 비체적이 오히려 크다. 따라서 주어진 온도에서 포화증기 비체적보다 낮은 비체적이라는 설명은 실제와 반대이므로 과열증기의 상태를 나타내지 않는다.

연료가 공급하는 열량은 $40000\ \mathrm{kJ/kg} \times 20\ \mathrm{kg/h} = 800000\ \mathrm{kJ/h}$이며, 이 열이 전부 일로 바뀐다고 하였으므로 발생 동력도 같은 값이다.

이를 kW로 환산하면 $\dfrac{800000}{3600} \approx 222\ \mathrm{kW}$가 된다.

혼합기체의 기체상수는 각 성분의 질량비로 가중평균하여 구하며, $R_{mix} = \dfrac{m_{N_2}R_{N_2}+m_{O_2}R_{O_2}}{m_{N_2}+m_{O_2}} = \dfrac{0.7\times0.297+0.3\times0.260}{1.0}$이다.

계산하면 $R_{mix} \approx \dfrac{0.2079+0.078}{1.0} \approx 0.286\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$가 된다.

밀폐계 등온과정에서 이상기체는 내부에너지 변화가 $\Delta u = c_v \Delta T = 0$ 이므로, 공급된 열이 전부 일로 바뀐다. 단위 질량당 일은 $w = \int_1^2 P\,dv = RT \ln\dfrac{V_2}{V_1}$ 이다.

등온이므로 보일의 법칙 $P_1 V_1 = P_2 V_2$ 에서 $\dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{P_1}{P_2}$ 이고, 이를 대입하면 $w = RT \ln\dfrac{P_1}{P_2}$ 가 된다. 팽창($P_1 > P_2$)이면 로그값이 양수라 계가 일을 하는 방향과 부호도 맞는다.

앞에 아무것도 붙지 않은 로그식은 무차원이라 일이 될 수 없고, $R \ln\dfrac{P_1}{P_2}$ 처럼 R만 있고 T가 빠지면 단위가 kJ/kg·K가 되어 역시 일(kJ/kg)이 되지 못한다. 압력차와 부피차를 그냥 곱한 형태는 등온곡선이 아니라 P-V 선도에서 직선 경로를 지날 때나 나오는 값이므로 옳지 않다.

성능계수 정의로부터 냉매 단위 질량당 냉동효과는 $q_e = COP \times w = 5.0 \times 200 = 1000\ \mathrm{kJ/kg}$이다.

냉동능력 1kW는 시간당 $1\ \mathrm{kJ/s} \times 3600 = 3600\ \mathrm{kJ/h}$에 해당하므로, 필요한 냉매 순환량은 $\dfrac{3600}{1000} = 3.6\ \mathrm{kg/h}$이다.

디젤 사이클의 열효율은 $\eta = 1-\dfrac{1}{\varepsilon^{k-1}}\left[\dfrac{\sigma^{k}-1}{k(\sigma-1)}\right]$이며, 압축비 $\varepsilon=20$, 단절비 $\sigma=1.7$, 비열비 $k=1.4$를 대입한다.

$\varepsilon^{k-1}=20^{0.4}\approx3.31$, $\sigma^{k}=1.7^{1.4}\approx2.10$이므로 $\eta \approx 1-\dfrac{1}{3.31}\times\dfrac{2.10-1}{1.4\times0.7} \approx 1-0.339 \approx 0.66$, 즉 약 66%가 된다.

랭킨 사이클의 열효율을 높이려면 복수기(응축기) 압력을 낮추어 터빈 출구 배압을 떨어뜨려야 팽창일이 늘어난다. 복수기 압력을 상승시키면 오히려 효율이 떨어지므로 이는 효율을 높이는 방법이 아니다.

반대로 사이클 최고 온도를 높이거나 보일러 압력을 상승시키는 것, 재열기를 사용해 재열 사이클로 운전하는 것은 모두 실제로 랭킨 사이클의 열효율을 향상시키는 방법이다.

섭씨 0℃는 절대온도로 273.15K에 해당하므로, 0℃에서 10℃로 변화하면 절대온도는 273.15K에서 283.15K로 변화한다. 시작점을 0K로 적은 설명은 옳지 않다.

온도 측정의 타당성 근거가 열역학 제0법칙이라는 것, 섭씨온도가 물의 어는점·끓는점을 기준으로 삼는다는 것, SI단위계의 온도 단위가 켈빈이라는 것은 모두 옳은 설명이다.

정적과정(100→200kPa)에서는 $\dfrac{T_2}{T_1}=\dfrac{P_2}{P_1}=2$이므로 엔트로피 변화는 $\Delta s_1 = C_v\ln\dfrac{T_2}{T_1} = 0.7\ln2 \approx 0.485\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$이다.

이어지는 정압과정(비체적 1→2m³/kg)에서는 $\dfrac{T_3}{T_2}=\dfrac{v_3}{v_2}=\dfrac{2}{1}=2$이므로 $\Delta s_2 = C_p\ln\dfrac{T_3}{T_2} = 1.0\ln2 \approx 0.693\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$이다.

따라서 총 엔트로피 변화는 $\Delta s_1+\Delta s_2 \approx 0.485+0.693 \approx 1.18\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$가 된다.

역카르노 냉동사이클의 성능계수는 절대온도로 $COP=\dfrac{T_L}{T_H-T_L}$이다. A상태는 저온부 -10℃, 고온부 40℃이므로 $COP_A=\dfrac{263.15}{313.15-263.15}\approx5.26$이다.

B상태는 저온부 0℃, 고온부 50℃이므로 $COP_B=\dfrac{273.15}{323.15-273.15}\approx5.46$이다.

두 사이클 모두 고온부와 저온부의 온도차는 50K로 같지만, 저온부 절대온도가 높은 B상태가 더 유리하다. 차이는 $5.46-5.26\approx0.2$로, B상태의 사이클이 약 0.2만큼 성능계수가 더 높다.

오르사트법, 적외선 흡수법, 가스크로마토그래피법은 모두 배기가스의 성분(CO2, O2, CO 등) 농도를 분석하는 가스분석 방법이다.

플로우 노즐법은 노즐 전후의 압력차를 이용해 유체의 유량을 측정하는 차압식 유량측정법으로, 가스 성분 분석과는 목적이 다르다.

차압(differential) 마노미터는 두 지점의 압력차를 잴 때 양쪽 다리에 같은 공정유체가 같은 높이로 채워지므로, 압력차 식에서 공정유체의 밀도 항이 서로 상쇄되고 마노미터 봉입액의 밀도와 액주차만 결과에 남는다.

반면 open-end 마노미터는 대기압을 기준으로 한 게이지압을, sealed-end 마노미터는 밀폐단의 진공을 기준으로 한 절대압을 측정하는 방식이다. 이들은 한쪽 다리에만 측정 유체가 차 있어 그 유체의 밀도(정수압 보정)가 측정 결과에 영향을 준다.

바이메탈 온도계는 열팽창계수가 다른 두 금속판을 접합해 온도변화에 따른 휨을 지침 회전으로 변환하는 접촉식 온도계로, 통상 약 -50℃~500℃ 범위에서 사용된다.

구조가 간단하고 취급이 쉬워 공업용 지시온도계로 널리 쓰이지만, 정밀도는 열전대나 저항온도계에 비해 낮은 편이다.

그림에서 압력계 $P_x$가 달린 관에는 비중 0.9인 기름이 차 있고, 압력계가 붙은 관 중심선에서 U자관 왼쪽 수은면까지의 높이가 3 m, U자관 좌우 수은면의 높이차가 20 cm, 수은의 비중은 13.55이다.

왼쪽 수은면을 기준면으로 잡고 좌우 압력을 같다고 놓으면 $P_x + \gamma_{\text{기름}} \times 3 = \gamma_{\text{수은}} \times 0.2$ 이다. 비중량은 각각 $900\ \mathrm{kgf/m^3}$, $13550\ \mathrm{kgf/m^3}$ 이다.

$P_x = 13550 \times 0.2 - 900 \times 3 = 2710 - 2700 = 10\ \mathrm{kgf/m^2}$

$1\ \mathrm{kgf/cm^2} = 10^4\ \mathrm{kgf/m^2}$ 이므로 압력계 지시값은 0.001 kgf/cm²이다. 수은주가 만드는 2,710과 기름주가 만드는 2,700이 거의 상쇄되어 아주 작은 값만 남는 것이 이 문제의 핵심이다.

미연소가스계는 불완전연소로 생기는 미연소 성분인 CO와 H2의 농도를 측정하여 연소상태를 판단하는 가스분석계이다.

탄산가스계는 CO2 농도, 과잉공기계·질소가스계는 각각 과잉공기량이나 질소 농도를 통해 연소상태를 파악하는 계기로, CO·H2 측정이 주목적인 계기와는 구분된다.

열전대(열전온도계)는 두 이종금속의 접합부에서 발생하는 열기전력(제벡효과)을 이용하는 접촉식 온도계로, 접촉식 가운데 비교적 높은 온도까지 측정할 수 있다는 것이 큰 특징이다(백금계 열전대는 1600℃ 안팎까지 사용). 따라서 비교적 낮은 온도 측정에 사용한다는 설명은 열전온도계의 특성과 맞지 않는다.

열기전력이 크고 온도 상승에 따라 연속적으로 증가해야 한다는 점, 기준접점 온도를 일정하게 유지해야 한다는 점, 소자를 보호관 속에 넣어 사용한다는 점은 모두 열전온도계의 실제 특성과 일치한다.

동-콘스탄탄, 크로멜-알루멜, 철-콘스탄탄은 각각 T형, K형, J형으로 널리 쓰이는 표준 열전대 조합이다.

알루미늄-철 조합은 열전대 온도계에서 규격화되어 사용되는 조합이 아니다.

시퀀스 제어는 제어 결과를 되먹임(피드백)받지 않고, 미리 정해진 순서와 조건에 따라 각 단계를 차례로 진행시키는 제어방식이다.

피드백 제어는 출력을 검출해 목표값과의 편차를 줄이는 방식, 피드포워드 제어는 외란을 미리 검출해 보정하는 방식이며, 적분 제어는 편차의 누적(적분)에 비례해 조작량을 정하는 연속 제어 동작으로, 정해진 순서대로 진행한다는 개념과는 다르다.

보상법은 측정하고자 하는 양과 거의 같은 크기의 기지량(분동 등)을 준비해 두고, 그 기지량과 측정량의 작은 차이만을 재어 측정량을 구하는 방식이다.

편위법은 지침의 편위(눈금)로 측정량을 직접 읽는 방식이고, 치환법은 측정량을 기지량으로 바꿔 놓아 같은 지시를 얻도록 비교하는 방식이며, 영위법은 기지량을 조절해 차이가 완전히 0이 되도록 평형시키는 방식으로 각각 원리가 다르다.

동작신호(편차)에 비례하는 양과 그 미분값(변화 속도)에 비례하는 양을 더해 조작량을 내보내는 제어동작은 비례미분(PD) 동작이다. 식으로는 $y = K_p\left(e + T_d \dfrac{de}{dt}\right)$ 로 쓴다.

그림의 조작량 파형이 이를 그대로 보여 준다. 편차가 일정한 속도로 커지는 구간에서는 비례항 때문에 조작량이 직선으로 상승하고, 여기에 변화 속도에 비례하는 미분항이 일정한 크기만큼 얹혀 처음부터 한 단 올라간 상태로 출발한다. 편차의 변화가 멈추는 순간 미분항이 0이 되므로 조작량은 계단 모양으로 뚝 떨어진 뒤 비례항 몫만 남아 수평을 유지한다.

미분 동작만 있다면 편차가 일정해진 뒤 조작량이 0으로 돌아가 수평 잔류구간이 생기지 않고, 비례 동작만 있다면 미분항이 만드는 계단형 상승·하강이 나타나지 않는다. 또 적분항이 없으므로 편차를 완전히 없애지 못해 잔류편차(오프셋)는 남는다.

베크만 온도계는 모세관 상부에 별도의 수은 봉입부를 두어, 측정하려는 온도범위에 맞게 남는 수은량을 가감함으로써 그 온도 구간에서의 미세한 온도차를 0.01℃까지 정밀하게 측정할 수 있는 차동식 정밀온도계이다.

빠른 응답성을 갖는다거나 -100℃까지의 저온용이라는 설명, -60~350℃의 넓은 측정범위를 갖는다는 설명은 베크만 온도계의 실제 용도(좁은 범위의 정밀 온도차 측정)와 맞지 않는다.

차압식 유량계는 유량이 압력차의 제곱근에 비례하므로, 유량이 절반으로 줄면 압력차는 1/4로 급격히 작아진다. 그 결과 저유량 영역에서 오차가 커져 정도가 뛰어난 편이 못 되고 측정범위(레인지어빌리티)도 좁으므로, 정도가 좋다는 설명은 실제 특성과 어긋난다.

관로에 오리피스·플로우 노즐 등이 설치된다는 점, 유량이 압력차의 평방근에 비례한다는 점, 레이놀즈수가 $10^5$ 이상인 영역에서 유량계수가 거의 일정하게 유지된다는 점은 차압식 유량계의 일반적인 특성으로 옳다.

오리피스미터, 플로우 노즐, 벤투리미터는 모두 유로를 좁히는 스로틀 기구로 압력차를 만들어 그 값으로부터 유량을 산출하는 차압식 유량계이다.

오벌미터는 한 쌍의 타원형 회전자가 도는 횟수를 세어 통과 체적을 직접 적산하는 용적식 유량계로, 압력차를 이용하는 스로틀 방식과는 원리가 다르다.

피토관으로 측정한 유속은 동압을 수주 높이로 환산한 값으로부터 $v=\sqrt{2gh}$ 식으로 구할 수 있다.

수주 높이 30cm를 미터 단위로 고쳐 $h=0.3\ \mathrm{m}$를 대입하면 $v=\sqrt{2\times9.8\times0.3}\approx\sqrt{5.88}\approx2.42\ \mathrm{m/s}$가 된다.

기체는 온도·압력에 따라 부피가 쉽게 변하는 압축성 유체이므로, 기체 유량계의 교정에는 알려진 표준 체적을 정확하게 형성해 주는 기준 체적관을 이용해 실제 통과 체적과 비교하는 방법이 가장 적합하다.

밸런스(저울)나 기준 탱크를 이용한 방법은 질량이나 부피를 직접 받아 재는 방식이라 주로 액체 유량계 교정에 사용되며, 기준 유량계와의 비교 교정은 그 기준 유량계 자체의 정확도에 의존하는 간접적인 방법이다.

전열기(저항체)에서 소비되는 전력은 $P = \dfrac{V^2}{R}$ 로 구할 수 있으며, 이 전력이 1초 동안 저항에서 발생하는 열량(=W)에 해당한다.

주어진 전압 220V, 저항 2.2kΩ(=2200Ω)을 대입하면 $P = \dfrac{220^2}{2200} = \dfrac{48400}{2200} = 22\ \mathrm{W}$ 이므로 1초당 발생하는 열량은 22W이다.

저항 단위를 Ω으로 환산하지 않고 kΩ 그대로 계산하거나 전압을 제곱하지 않으면 다른 값이 나오므로 단위 환산에 유의해야 한다.

자기법(자기식 가스분석계)은 산소(O2)가 상자성체로서 자기장에 끌리는 성질을 이용해 산소 농도를 측정하는 방식으로, 반자성체인 이산화탄소(CO2)의 농도 측정에는 적용할 수 없다.

반면 적외선법은 CO2가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 성질을, 열전도율(열도전율)법은 CO2와 공기의 열전도도 차이를, 도전율법은 CO2를 흡수시킨 용액의 전기전도도 변화를 이용하므로 모두 CO2 농도 측정에 쓰인다.

조작량이 편차의 부호에 따라 미리 정해진 두 값(예: 전개/전폐, ON/OFF) 중 하나만 취하는 방식이 온오프(2위치) 동작이다. 중간 크기의 조작량을 낼 수 없다는 점이 연속동작과 결정적으로 다르다.

그림의 제어결과가 바로 그 특징이다. 제어량이 목표값을 나타내는 수평 기준선을 위아래로 계속 넘나들며 진폭이 줄지 않는 파형(사이클링, 헌팅)을 그린다. 목표값을 넘으면 조작량이 즉시 최소값으로, 아래로 내려가면 즉시 최대값으로 바뀌기 때문에 제어량은 한 값에 정착하지 못하고 일정한 진폭으로 진동한다.

비례·적분·미분 동작은 편차의 크기에 따라 조작량을 연속적으로 조절하므로 응답이 목표값으로 수렴해 가며, 이처럼 진폭이 유지되는 규칙적인 진동 파형으로는 나타나지 않는다. 온오프 동작은 구조가 간단해 전기히터·온수기 등 부하 변화가 작고 응답이 느린 계에 주로 쓴다.

벨로우즈(bellows)는 얇은 금속판을 주름 형태로 성형한 탄성체로, 반복 사용 시 소성변형이 남아 압력을 올릴 때와 내릴 때의 지시값이 어긋나는 히스테리시스 오차가 발생하기 쉽다.

이를 보완하기 위해 별도의 코일스프링을 벨로우즈와 조합해 탄성 특성을 보조함으로써 히스테리시스 현상을 줄이고 지시의 재현성을 높이는 것이 코일스프링을 병용하는 주된 목적이다.

봄브(통열량계)식 열량계는 시료를 고압 산소 분위기의 밀폐 용기(봄브) 안에서 완전연소시키고 그 열을 주위 물의 온도 상승으로 환산하는 방식으로, 고체·액체 연료의 발열량 측정에 널리 쓰인다.

융커스식은 가스연료 전용 유수형 열량계이며, 클리브랜드식(개방식)과 태그식(밀폐식)은 발열량이 아니라 인화점을 측정하는 시험법이므로 목적이 다르다.

4번이 정답입니다. 스폴링 시험은 내화물의 급격한 온도 변화에 대한 저항성을 평가하는 시험으로, 수냉법(water-cooling method)의 절차에서 오류가 있습니다. 수냉법은 노 내에서 시험편을 꺼낸 후 "재빠르게"가 아니라 일정 시간(보통 1~2분) 실온에서 냉각한 후 물에 잠그는 것이 표준 절차입니다. 또한 물에 잠그는 시간은 약 10분이 맞으나, 그 전 단계의 표현이 부정확합니다. 1번의 건조 온도(110±5℃), 2번의 공랕법 적용 조건(전 기공율 45% 이상), 3번의 소정 온도 도달 후 약 15분 가열은 모두 내화물 스폴링 시험 표준에 부합하므로, 수냉법 절차의 오류를 담은 4번이 틀린 설명입니다.

고효율에너지 인증대상기자재는 에너지이용 합리화법에 근거한 산업통상자원부 고시로 품목이 지정되며, 펌프·무정전 전원장치(UPS)·조명기기·산업용 및 건물용 보일러 등 산업 현장에서 쓰이는 기자재가 대상이 된다(대상 품목은 고시 개정에 따라 달라진다).

가정용 가스보일러는 이 인증제도가 아니라 에너지소비효율등급을 표시하는 효율관리기자재로 관리되므로, 나열된 기자재 중 가정용 가스보일러만 고효율에너지 인증대상에 해당하지 않는다.

내화물은 원료를 잘게 부수는 분쇄 공정을 거친 뒤, 물이나 결합제를 넣고 고르게 반죽하는 혼련, 원하는 형태로 만드는 성형, 수분을 제거하는 건조, 마지막으로 고온에서 구워 강도와 내화성을 완성하는 소성의 순서로 제조된다.

혼련을 분쇄보다 먼저 하거나 소성을 건조보다 먼저 배치하는 순서는 원료 입도 조절과 수분 제거가 선행되어야 하는 제조 원리에 맞지 않는다.

에너지이용 합리화법령의 열사용기자재 구분에서 2종 압력용기는 최고사용압력이 0.2MPa를 초과하는 기체를 그 안에 보유하는 용기로서, 내부 부피가 0.04m³ 이상인 것 또는 동체의 안지름이 일정 크기(200mm) 이상이면서 길이가 1,000mm 이상인 것을 말한다.

1종 압력용기는 최고사용압력(MPa)과 내용적(m³)을 곱한 수치가 0.004를 초과하는 가열·화학반응·성분분리용 용기 등을 대상으로 하는 별도의 기준이므로, 압력 기준을 0.1MPa로 잡거나 부피 기준을 0.02~0.03m³로 제시한 서술은 2종 압력용기의 적용범위와 맞지 않는다.

에너지이용 합리화에 관한 기본계획에는 에너지 절약형 경제구조로의 전환, 에너지이용 합리화를 위한 기술개발, 열사용기자재의 안전관리 등 법이 구체적으로 열거한 사항들이 포함된다.

또한 법은 그 밖에 필요한 사항을 "산업통상자원부령으로 정하는 사항"으로 위임하고 있으므로, 국가에너지정책목표 달성을 위하여 대통령령으로 정하는 사항이라는 표현은 기본계획에 포함되는 사항으로 규정된 바가 없다.

전로법 제강은 용선(쇳물) 속에 남아 있는 규소(Si), 망간(Mn), 탄소(C), 인(P) 등 불순원소를 산소와 반응시켜 제거하는 과정으로, 이때 발생하는 산화반응열이 별도의 연료 투입 없이도 용강 온도를 유지·상승시키는 열원이 된다.

가스나 코크스의 연소열을 외부에서 공급하는 다른 제강법과 달리, 전로는 불순물 자체의 산화열만으로 조업이 이루어지는 것이 특징이다.

요로(가마)는 재료를 가열하여 물리적·화학적 성질을 변화시키는 장치이며 연료·전력 등 에너지를 대량으로 소비하는 설비라는 점, 조업 방식에 따라 불연속식·반연속식·연속식으로 나뉜다는 점은 모두 옳은 설명이다.

그러나 "연료를 가열하여 수증기를 만들기 위함"이라는 목적은 보일러의 기능이며, 요로는 소성·용융 등 재료 자체를 가공하기 위한 설비이므로 이 설명은 틀린 내용이다.

에너지이용 합리화법은 에너지관리기준을 "에너지다소비사업자가 에너지를 효율적으로 관리하기 위하여 필요한 기준"으로 규정하고, 산업통상자원부장관이 이를 정하여 고시하도록 하고 있다.

에너지관리 현황 조사 자체를 위한 기준이나, 생산량에 맞춰 에너지를 소비하도록 만든 기준, 진단 결과의 손실요인 저감 기준을 뜻하는 것이 아니라는 점에서 다른 선택지들과 구분된다.

에너지이용 합리화법은 에너지 수급에 중대한 차질이 발생할 우려가 있을 때 산업통상자원부장관이 취할 수 있는 조치로 에너지의 배급, 비축과 저장, 양도·양수의 제한 또는 금지 등을 구체적으로 열거하고, 그 밖의 사항은 대통령령으로 정하도록 위임하고 있다.

"산업통상자원부령으로 정하는 사항"은 법이 실제로 위임한 하위법령의 형식과 다르므로, 나열된 조치 중 이 항목만 법에서 정한 수급안정 조치사항에 해당하지 않는다.

규산칼슘 보온재는 규산질 원료에 석회 및 석면 등의 섬유를 섞어 성형한 뒤 고온·고압의 수증기로 처리(양생)하여 만드는 무기질 다공성 보온재로, 가볍고 단열성·내열성이 우수하며 압축강도도 커서 탑조류·가열로·배관 등 플랜트 설비의 보온공사에 널리 쓰이고 최고 안전사용온도는 약 650℃ 정도이다.

그런데 규산칼슘 보온재는 오히려 내산성이 크고 끓는 물에 담가도 쉽게 붕괴되지 않을 만큼 물과 산에 안정적인 편이므로, 내산성이 적고 끓는 물에 쉽게 붕괴된다고 서술한 내용이 실제 특성과 가장 거리가 멀다.

에너지이용 합리화법에 따른 자발적 협약의 평가는 계획 대비 달성률 및 투자실적, 자원·에너지의 재활용 노력, 에너지 절감량 또는 온실가스 배출 감축량 등 실제 이행 성과를 확인하는 지표를 기준으로 한다.

"에너지 절약을 위한 연구개발 및 보급촉진"은 국가 차원의 에너지이용 합리화 시책이나 기본계획에 포함되는 정책 항목에 가까우며, 개별 사업장의 자발적 협약 이행 여부를 평가하는 지표로는 열거되지 않는다.

보온재를 두껍게 할수록 열손실에 따른 방산열량(Q) 비용은 줄어드는 대신 보온재 자체의 재료·시공비용(P)은 늘어난다.

따라서 연간 총비용을 방산열손실비용과 보온재비용의 합, 즉 $Q + P$ 로 놓고 이 합이 최소가 되는 두께를 구하는 것이 경제적 보온두께 결정의 기본 원리이며, 이 최소점이 최적(경제) 보온두께가 된다.

고알루미나질 내화물은 알루미나(Al2O3) 함량이 높은 중성 내화물로, 하중을 받은 상태에서도 연화가 일어나는 온도(하중연화온도)가 높아 고온 구조체에 적합하다.

또한 급열·급냉에 대한 저항성이 크고 고온에서의 부피변화가 작으며 내마모성도 우수한 편이므로, 저항성이 적다거나 부피변화가 크다거나 내마모성이 적다고 설명한 나머지 선택지들은 실제 특성과 반대로 서술된 것이다.

에너지이용 합리화법령에 따라 검사대상기기의 설치자가 변경된 경우, 새로운 설치자는 검사대상기기 설치자 변경신고서를 그 변경일로부터 15일 이내에 관할 기관에 제출하여야 한다.

이는 검사대상기기의 안전관리 책임 주체를 신속히 파악하기 위한 절차로, 설치신고나 검사신청 등 다른 신고 기한과 혼동하지 않도록 유의해야 한다.

배관 내 유동에서 레이놀즈수(Re)는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원수로, 이 값이 작을수록 점성력이 지배적이어서 유체가 규칙적인 층을 이루며 흐르는 층류가 된다.

일반적으로 원형관 유동에서 임계 레이놀즈수는 약 2100 정도이며, 이보다 작은 $Re < 2100$ 범위에서는 층류, 그 이상에서는 천이 및 난류 영역으로 구분한다.

배관의 호칭 두께를 나타내는 스케줄 번호(Sch. No.)는 $\mathrm{Sch.\ No.} = 1000 \times \dfrac{P}{S}$ (P: 사용압력, S: 허용응력)로 산출되며, 이 식에서 허용응력이 스케줄 번호를 직접 결정하는 핵심 변수이다.

관의 외경, 사용온도, 열팽창계수는 배관 설계에서 함께 고려되는 요소이지만 스케줄 번호 자체를 산출하는 식에는 직접 들어가지 않는다는 점에서 허용응력과 차이가 있다.

보온·단열 재료는 사용 가능한 최고 온도에 따라 보냉재(약 100℃ 이하), 보온재(약 100~800℃), 단열재(약 850~1200℃), 내화단열재(약 1300℃ 이상)로 구분한다.

제시된 약 850~1200℃ 범위는 보온재가 견디는 온도보다 높고 내화단열재 수준에는 이르지 않는 구간으로, 이 범위에서 열손실을 줄이기 위해 사용되는 재료를 단열재로 분류한다.

터널가마는 대차에 실린 제품이 길게 이어진 터널을 따라 이동하며 예열·소성·냉각 구간을 순차적으로 통과하는 연속식 가마로, 소성이 균일하여 제품 품질이 좋고 온도조절 자동화가 쉬우며 배가스의 열을 예열에 활용할 수 있어 열효율이 좋고 연료비가 절감되는 장점이 있다.

다만 대차 운반을 위한 구동설비 등으로 전력소비가 있고 사용 가능한 연료나 조업 조건에도 일정한 제약이 따르므로, "연료 제한이 없고 전력소비가 적다"는 설명은 터널가마의 실제 특성과 맞지 않는다.

견요(샤프트 가마)는 수직 원통형 노 내부에서 상부로부터 원료와 연료를 교대로 층층이 장입하고 이를 자중으로 서서히 하강시키면서 소성하는 이동 화상식 연속요로, 석회석을 구워 클링커나 생석회를 만드는 데 널리 사용되며 하강하면서 냉각되는 제품이 상승하는 연소용 공기를 예열시키는 효과를 낸다.

연료는 노의 하부가 아니라 원료와 함께 상부에서 장입되는 방식이므로, "하부에서 연료를 장입하는 형식"이라는 설명은 견요의 실제 구조와 다르다.

에너지이용 합리화법상 에너지다소비사업자는 연료·열 및 전력의 연간 사용량 합계가 2,000티오이(TOE) 이상인 자를 말한다.

이에 해당하는 사업자는 매년 에너지사용량 등을 신고하여야 하고 에너지진단 대상이 되는 등 법이 정한 관리 의무를 지게 되므로, 기준 수치를 1천·3천·5천 티오이로 혼동하지 않도록 정확히 기억해 두어야 한다.

수관보일러의 수냉노벽은 고온의 화염이 직접 내화벽돌에 닿아 연화·변형되는 것을 막고, 복사열을 물이 흡수하도록 하여 열손실을 줄이며, 동시에 전열면적을 늘려 보일러 효율을 높이는 역할을 한다.

반면 "물의 순환을 좋게 하고 수관의 변형을 방지"하는 것은 수냉노벽 고유의 설치 목적이라기보다 보일러 전체 순환계통 설계에서 다뤄지는 사항이므로, 수냉노벽의 설치 목적으로 보기에는 가장 거리가 멀다.

보일러에 부착하는 압력계는 지시 오차를 줄이고 눈금을 읽기 쉽게 하기 위해 최고눈금이 보일러 최고사용압력의 1.5배 이상 3.0배 이하가 되는 것을 사용하도록 정하고 있다.

따라서 압력계 최고눈금은 최고사용압력의 최대 3.0배 이하여야 하며, 이보다 훨씬 큰 눈금판을 쓰면 실제 운전압력이 눈금 저구간에 몰려 정밀한 지시가 어려워진다.

코르니시 보일러는 노통이 1개인 노통보일러로, 이 노통을 동체 중심에서 한쪽으로 치우치게(편심) 부착하면 노통 좌우의 물 공간 크기가 달라져 가열된 물이 넓은 쪽으로 활발히 돌아 흐르게 되므로 보일러수의 순환이 좋아진다.

노통을 동체 중앙에 두면 좌우 수공간이 대칭이 되어 순환력이 약해지므로, 편심 배치는 강도 보강이나 청소 편의보다 순환 촉진에 초점을 둔 설계이다.

누셀트수(Nu)는 대류 열전달계수와 관계된 무차원수이고, 프란틀수(Pr)는 동점성계수와 열확산계수의 비로 정의되며, 레이놀즈수(Re)는 유동이 층류인지 난류인지를 구분하는 기준이 되므로 이 세 설명은 모두 옳다.

스탠턴수(St)는 $St = \dfrac{Nu}{Re \cdot Pr}$ 로 정의되어 대류 열전달계수와 밀접한 무차원수이지 물질의 확산계수와 직접 관계되는 값이 아니므로, 이 설명이 틀린 내용이다.

갤로웨이관은 노통보일러의 노통 내부를 가로질러 설치하는 관으로, 전열면적을 늘리고 노통 내 물의 순환을 촉진하며 동시에 노통 자체의 구조적 강도를 보강하는 역할을 한다.

이 관은 노통 내부에 돌출된 형태로 설치되어 오히려 화염과 가스 흐름에 저항 요소로 작용할 수 있으므로, 유동저항을 줄이기 위한 목적으로 설치하는 것은 아니다.

맞대기 이음에서 루트 간격이 6mm 이하이면 한쪽 또는 양쪽에 덧붙이 용접(육성)을 하고 깎아내어 간격을 맞추며, 간격이 16mm 이상으로 크게 벌어지면 판의 전부 또는 일부를 교체하고, 필릿 용접에서 간격이 1.5mm 이하이면 그대로 용접해도 무방하다는 설명은 모두 옳은 보수 방법이다.

다만 필릿 용접에서 간격이 1.5~4.5mm로 벌어졌을 때는 그대로 용접하되 벌어진 만큼 각장(다리길이)을 더 크게 하여 강도를 보완해야 하므로, 각장을 작게 한다고 설명한 것은 보수 방법으로 틀린 내용이다.

유량과 유속, 관 단면적 사이에는 $Q = A \cdot V$ 의 관계가 성립하므로 필요한 단면적은 $A = \dfrac{Q}{V} = \dfrac{7}{3} \approx 2.33\ \mathrm{m^2}$ 이다.

원형 단면적 $A = \dfrac{\pi D^2}{4}$ 로부터 지름을 구하면 $D = \sqrt{\dfrac{4A}{\pi}} = \sqrt{\dfrac{4 \times 2.33}{\pi}} \approx 1.72\ \mathrm{m} = 1723\ \mathrm{mm}$ 로 계산되어, 관의 지름은 약 1723mm이다.

중력에 의한 응축수 회수가 원활히 이루어지려면 응축수가 낮은 곳으로 자연스럽게 흘러 모이도록 탱크를 배치해야 하므로, 응축수 탱크는 응축수를 모아 오는 회수배관보다 낮은 위치에 설치하는 것이 가장 적절하다.

탱크를 배관보다 높게 두거나 증기관과 같은 높이에 두면 응축수가 중력만으로 탱크까지 흘러들지 못해 정체나 역류가 발생하기 쉽다.

보일러 분출은 가동 전 정지된 관수의 농축된 찌꺼기를 배출할 때, 연속운전 중 부하가 가벼워 관수 농도가 높아졌을 때, 프라이밍이나 포밍이 발생하여 관수 상태가 불안정할 때 등 관수의 농도나 상태를 조정할 필요가 있을 때 실시한다.

반대로 수위가 지나치게 낮아졌을 때 분출을 하면 보일러수가 더 줄어들어 저수위 사고로 이어질 위험이 있으므로, 이때는 분출이 아니라 급수를 통해 수위를 회복시켜야 하는 시점이다.

Na형 양이온교환수지를 이용한 경수연화는 수지가 원래 가지고 있던 나트륨이온(Na+)을 물속으로 내보내는 대신, 물속의 경도 성분인 칼슘이온(Ca2+)·마그네슘이온(Mg2+) 등의 양이온이 수지 성분과 결합하도록 하는 이온교환 반응으로 경도를 제거한다.

이 과정은 양이온만을 대상으로 하는 반응이므로 산소 원자가 수지와 결합한다거나, 음이온까지 함께 결합한다거나, 물속의 모든 이물질을 제거한다는 설명은 실제 연화 원리와 다르다.

증발량 2ton/h(=2000kg/h)를 최대 증발률 25kg/m²·h로 나누면 이 보일러의 전열면적은 $A = \dfrac{2000}{25} = 80\ \mathrm{m^2}$ 로 산출된다.

평균 증발률을 최대 증발률의 90%로 하면 $25 \times 0.9 = 22.5\ \mathrm{kg/(m^2\cdot h)}$ 이므로, 평균 증발량은 $80 \times 22.5 = 1800\ \mathrm{kg/h}$ 가 된다.

원통형 동체의 두께는 $t = \dfrac{P \cdot D}{2 \cdot \sigma_a \cdot \eta} + C$ (P: 최고사용압력, D: 안지름, σa: 허용응력, η: 이음효율, C: 부식여유)로 구하며, 허용응력은 인장강도를 안전율로 나눈 값이다.

허용응력은 $\sigma_a = \dfrac{40}{4.5} \approx 8.89\ \mathrm{kg/mm^2}$, 최고사용압력은 $12\ \mathrm{kg/cm^2} = 0.12\ \mathrm{kg/mm^2}$ 이므로 $t = \dfrac{0.12 \times 2000}{2 \times 8.89 \times 0.71} + 2 \approx 19.0 + 2 = 21.0\ \mathrm{mm}$ 로 계산되어, 동판 두께는 약 21mm가 된다.

그림의 벽체는 내측에서 외측 방향으로 콘크리트 200mm(λ=1.4) → 글라스울 75mm(λ=0.033) → 석고보드 20mm(λ=0.21 kcal/h·m·℃) 순으로 구성되고, 여기에 내측 표면열저항 0.05, 외측 표면열저항 0.13 m²·h·℃/kcal이 더해진다.

열관류율은 각 층의 열저항을 모두 더한 전열저항의 역수로 구한다. 각 재료층의 저항은 두께를 열전도율로 나눈 값이다.

$R = 0.05 + \dfrac{0.2}{1.4} + \dfrac{0.075}{0.033} + \dfrac{0.02}{0.21} + 0.13 = 0.05 + 0.143 + 2.273 + 0.095 + 0.13 \fallingdotseq 2.69\ \mathrm{m^2 \cdot h \cdot ℃/kcal}$

$K = \dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{2.69} \fallingdotseq 0.37\ \mathrm{kcal/h \cdot m^2 \cdot ℃}$ 이다. 두께가 75mm에 불과한 글라스울의 저항 2.27이 전체 저항의 약 85%를 차지하고, 두께가 가장 두꺼운 콘크리트는 열전도율이 커서 저항이 0.14밖에 되지 않는다는 점이 단열재의 역할을 잘 보여 준다.

압궤(Collapse)는 노통이나 화실천장, 연관과 같이 외압(내부는 저압, 외부는 고온의 화염·가스압)을 받는 원통·평판형 부재가 국부적으로 눌려 찌그러지는 파손 형태로, 주로 두께 부족이나 과열로 발생한다.

노통 상부, 화실천장판, 연관은 모두 외압을 직접 받는 구조이므로 압궤의 대표적 발생 부위에 해당한다.

반면 가셋스테이는 경판과 동체를 연결해 인장응력을 지지하는 버팀대로, 이 부위는 반복 응력에 의한 균열(crack)이 주된 손상 형태이며 압궤와는 파손 기구가 다르다.

보일러 설치검사 기준에서는 보일러 동체 최상부로부터 상부 건축구조물(천장, 보 등)까지 최소 1.2m 이상의 여유 공간을 확보하도록 하고 있다. 이는 점검·정비 작업 공간과 안전거리를 확보하기 위함이다.

동체 최상부까지의 높이가 4.4m이므로, 필요한 최소 천장고는 $4.4\,\mathrm{m} + 1.2\,\mathrm{m} = 5.6\,\mathrm{m}$이다.

풀림(annealing)은 재료를 적정 온도로 가열한 후 서서히 냉각시켜 결정조직을 조정·연화시키고 내부 잔류응력을 제거하는 열처리 방법이다. 용접부는 급격한 가열·냉각으로 조직이 불균일해지고 응력이 남기 쉬운데, 풀림 처리로 이를 완화한다.

뜨임은 담금질로 경화된 조직의 인성을 보완하기 위한 저온 재가열이고, 담금질은 급랭으로 경도를 높이는 처리이며, 불림은 결정립을 미세화하여 표준 조직으로 만드는 처리로 각각 목적이 다르다.

파형노통과 같이 곡면 형상으로 보강된 노통의 최소 두께는 $t = \dfrac{10 P D}{C}$ ($t$: mm, $P$: 최고사용압력 MPa, $D$: 노통 평균지름 mm, $C$: 파형 형상에 따른 정수)로 구한다.

주어진 값을 대입하면 $t = \dfrac{10 \times 1.5 \times 1100}{1100} = 15\,\mathrm{mm}$이므로 최소 두께는 15mm 이상이어야 한다.

상향 버킷식 증기트랩은 응축수가 유입되어 버킷 내부의 부력 변화로 밸브를 개폐하는 구조이므로, 정상적으로 배출되려면 유입구와 유출구 사이에 일정한 차압이 반드시 존재해야 작동한다. 차압이 없으면 버킷의 부력 변화가 일어나지 않아 배출이 이루어지지 않는다.

가동 시 공기빼기가 필요하고 겨울철 동결 우려가 있는 점, 배관계통에 설치되어 응축수 배출용으로 쓰이는 점, 수평 설치가 원칙이라는 점은 상향 버킷식 트랩의 일반적 특징으로 옳은 설명이다.

NaOH의 분자량은 40 g/mol이므로, 8 g에 포함된 몰 수는 $\frac{8}{40} = 0.2 \text{ mol}$이다. 200 L 수용액에 녹인 NaOH의 농도는 $\frac{0.2}{200} = 0.001 \text{ M} = 1 \times 10^{-3} \text{ M}$이다. NaOH는 강염기로 완전히 이온화되므로 $[\text{OH}^-] = 1 \times 10^{-3} \text{ M}$이고, $\text{pOH} = -\log(1 \times 10^{-3}) = 3$이다. pH와 pOH의 관계식 $\text{pH} + \text{pOH} = 14$를 이용하면 $\text{pH} = 14 - 3 = 11$이다.

프라이밍·포밍이 발생하면 관수가 증기와 함께 다량으로 넘어가 배관과 부속기기에 수격작용·손상을 일으킬 수 있으므로, 증기밸브를 즉시 닫아 증기 송출을 중단하고 압력과 수위를 안정시킨 뒤 원인을 제거해야 한다.

압력을 규정치로 유지하고 보일러수 일부를 분출한 뒤 새 물을 보급하는 조치, 안전밸브·수면계·압력계 연락관을 점검하는 조치는 프라이밍·포밍 대응으로 옳다.