22-1
온도가 50 ℃인 덕트 안을 공기가 100 m³/min으로 흐르고 있다. 압력 등 다른 조건은 같고 같은 덕트에서 온도만 5 ℃로 변한다면 유량(m³/min)은 얼마가 되는지 구하시오.
86.07 m³/min
[해설]
압력이 일정하면 기체의 부피는 절대온도에 비례한다(샤를의 법칙). 체적유량도 같은 비율로 변한다.
Q2 = Q1 × (273 + t2) / (273 + t1)
= 100 × (273 + 5) / (273 + 50)
= 100 × 278 / 323 = 86.07 m3/min
혼동 주의: 섭씨온도를 그대로 넣지 말고 반드시 절대온도(K)로 바꿔 대입한다. 공기가 수축해 부피만 줄 뿐 질량유량은 변하지 않는다.
22-1
직경이 300 mm인 덕트에 표준공기가 50 m³/min으로 흐르고 있다. 이때의 속도압(mmH₂O)을 구하시오.
8.51 mmH₂O
[해설]
속도압은 VP = γV2 / 2g 로 구하며, 표준공기의 비중량 γ는 1.2 kgf/m3, g는 9.8 m/s2이다.
단면적과 유속을 먼저 구한다(유량은 분당이므로 60으로 나눈다).
A = π × 0.32 / 4 = 0.0707 m2
V = (50/60) / 0.0707 = 11.79 m/s
속도압에 대입한다.
VP = 1.2 × 11.792 / (2 × 9.8) = 166.78 / 19.6
VP = 8.51 mmH2O
혼동 주의: 유량을 초당으로 바꾸지 않으면 속도압이 3,600배로 커진다. 표준공기에서 속도압 1 mmH2O가 유속 약 4 m/s라는 점으로 검산할 수 있다.
22-1
생체의 열용량 변화를 나타내는 열평형방정식을 쓰고, 식을 이루는 각 요소를 설명하시오.
ΔS — 생체 내 열용량(축열량)의 변화
M — 대사에 의한 열 생산량
E — 증발에 의한 열 방출
R — 복사에 의한 열의 득실
C — 대류 및 전도에 의한 열의 득실
[해설]
인체의 열평형방정식은 대사로 만든 열과 주위와 주고받은 열을 합한 결과가 몸에 쌓이는 열(축열)이 된다는 식이다.
ΔS = M − E ± R ± C
- ΔS(축열량 변화) — 0이면 열평형, 양수면 체온 상승, 음수면 체온 하강이다.
- M(대사열) — 근육활동과 기초대사로 몸 안에서 생기는 열이라 늘 더해진다.
- E(증발) — 땀과 호흡의 수분이 증발하며 기화열을 빼앗으므로 늘 빠져나간다.
- R(복사) — 주위 물체가 피부보다 뜨거우면 열을 얻고 차가우면 잃으므로 ±로 쓴다.
- C(대류·전도) — 기온이 피부온도보다 높으면 열을 얻고 낮으면 잃으므로 ±로 쓴다.
외우는 요령: 부호가 한 방향으로 정해진 것은 M(+)과 E(−)뿐이다. 기온이 피부온도를 넘으면 몸이 열을 내보낼 길은 증발 하나만 남는다.
22-1
작업대 위에서 용접을 할 때 발생하는 흄을 포집하기 위해 플랜지가 부착된 외부식 후드를 설치하였다. 다음 조건을 기준으로 물음에 답하시오.
• 제어거리 : 30 cm
• 제어속도 : 0.5 m/sec
• 후드의 개구면적 : 0.8 m²
(1) 자유공간에 후드를 설치했을 때의 필요환기량(m³/min)을 구하시오.
(2) 후드를 작업대(작업면)에 부착했을 때의 필요환기량(m³/min)을 구하시오.
(3) 자유공간에 설치한 경우에 비해 작업대에 부착했을 때 필요환기량이 몇 % 감소하는지 구하시오.
(1) 38.25 m³/min
(2) 25.5 m³/min
(3) 33.33 % 감소
[해설]
플랜지 부착 외부식 후드의 필요환기량은 Q = k·Vc(10X2 + A)로 구한다. 계수 k는 자유공간이면 0.75, 작업면에 붙이면 0.5를 쓴다.
공통 항 계산
10X2 + A = 10 × 0.32 + 0.8 = 1.7 m2
(1) 자유공간
Q = 0.75 × 0.5 × 1.7 × 60
= 38.25 m3/min
(2) 작업대 부착
Q = 0.5 × 0.5 × 1.7 × 60
= 25.5 m3/min
(3) 감소율
(38.25 − 25.5) ÷ 38.25 × 100
= 33.33 %
혼동 주의: 분모는 기준인 자유공간 값(38.25)이다. 25.5로 나누면 50 %라는 틀린 값이 나온다.
22-1
외부식 후드에서 제어속도는 0.5 m/sec이고 후드의 개구면적은 0.9 m²이다. 오염원과 후드 사이의 거리가 0.5 m에서 1.0 m로 멀어진다면 필요환기량은 몇 배가 되는지 구하시오.
3.21배
[해설]
외부식 후드 필요환기량 공식(자유공간·플랜지 없음)으로 두 거리의 송풍량을 각각 구해 비를 낸다.
Q = Vc(10X2 + A)
Q1 = 0.5 × (10 × 0.52 + 0.9) = 1.7 m3/sec
Q2 = 0.5 × (10 × 1.02 + 0.9) = 5.45 m3/sec
Q2/Q1 = 5.45 ÷ 1.7 ≒ 3.21배
식에 거리가 제곱으로 들어가서 거리를 2배로 늘리면 필요환기량이 3배 넘게 는다. 개구면적 A가 함께 더해지므로 정확히 4배는 되지 않고, 제어속도는 나눌 때 약분되어 배수에 영향이 없다.
22-1
산소 농도가 18 %에 못 미치는 장소에서 착용하여야 하는 호흡용 보호구를 두 가지 쓰시오.
① 송기마스크
② 공기호흡기
[해설]
산소농도 18 % 미만은 산소결핍 장소다. 이런 곳에서는 바깥의 깨끗한 공기를 공급받는 공기공급식 보호구만 쓸 수 있다.
- 송기마스크 — 오염되지 않은 곳의 공기를 호스로 보내 주는 방식이다.
- 공기호흡기 — 압축공기 용기를 등에 메고 들어가는 자급식 보호구(SCBA)다.
혼동 주의: 방진·방독마스크는 공기를 걸러 줄 뿐 산소를 만들지 못하므로 산소결핍 장소에서 쓰면 안 된다.
22-1
덕트의 직경이 20 cm이고 그 안을 20 ℃의 공기가 23 m/sec로 흐르고 있다. 이때의 레이놀즈수(Re)를 구하시오.
(단, 20 ℃에서 공기의 점성계수는 , 공기의 밀도는 1.2 kg/m³로 한다.)
Re ≒ 306,666.67 (무차원)
[해설]
레이놀즈수는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원수다. 점성계수 μ가 주어졌으므로 밀도를 곱하는 식을 쓴다.
Re = ρVD / μ
Re = (1.2 × 23 × 0.2) / (1.8 × 10-5)
Re = 5.52 / (1.8 × 10-5) ≒ 306,666.67
직경 20 cm는 0.2 m로 바꿔 대입하며, Re가 4,000을 넘으므로 이 흐름은 난류다.
혼동 주의: 동점성계수 ν(m2/sec)가 주어지면 Re = VD/ν로 계산하고 밀도를 곱하지 않는다.
22-1
어느 옥외작업장에서 측정한 자연습구온도는 18 ℃, 흑구온도는 25 ℃, 건구온도는 21 ℃였다. 태양광선이 내리쬐지 않는 상황이라면 이 작업장의 WBGT(℃)는 얼마인지 구하시오.
20.1 ℃
[해설]
태양광선이 내리쬐지 않는 옥외는 옥내와 같은 WBGT 식을 쓴다. 이 식에는 건구온도가 들어가지 않는다.
WBGT = 0.7 × 자연습구온도 + 0.3 × 흑구온도
= 0.7 × 18 + 0.3 × 25
= 12.6 + 7.5
= 20.1 ℃
혼동 주의: 태양광선이 내리쬐는 옥외라야 0.7 × 자연습구 + 0.2 × 흑구 + 0.1 × 건구 식을 쓴다. 그래서 이 문항의 건구온도 21 ℃는 쓰지 않는 조건이다.
작업장을 환기할 때 국소배기보다 전체환기(희석환기)를 적용하는 것이 적절한 경우를 5가지 쓰시오.
① 유해물질의 독성이 비교적 낮을 것
② 유해물질의 발생량이 적을 것
③ 오염원이 작업장 안 여러 곳으로 분산되어 있을 것
④ 오염원이 근로자의 작업위치에서 멀리 떨어져 있을 것
⑤ 발생원이 이동하는 등 국소배기장치를 설치하기 곤란할 것
[해설]
전체환기(희석환기)는 오염공기를 신선한 공기로 묽혀 노출기준 아래로 낮추는 방식이다. 그래서 희석만으로 안전이 확보되는 조건에서만 쓴다.
- 독성이 낮아야 희석한 농도가 노출기준 이하로 유지된다.
- 발생량이 적어야 발생량에 비례하는 필요환기량이 감당할 만한 수준이 된다.
- 오염원이 여러 곳에 흩어져 있으면 발생원마다 후드를 달 수 없다.
- 오염원이 작업위치에서 멀면 근로자에게 닿기 전에 이미 희석된다.
- 발생원이 움직이면 후드를 고정해 설치하기 어렵다.
혼동 주의: 독성·발암성이 강한 물질이나 분진·흄 같은 입자상 물질은 공기와 고르게 섞이지 않으므로 국소배기가 원칙이다.
22-1
사업장에서 발생하는 입자상 물질을 PVC 막 여과지로 채취하였다. 다음 조건에서 이 작업장의 입자상 물질 농도(mg/m³)를 구하시오.
• 채취 시각 : 오전 8시 25분 ~ 오전 11시 55분
• 채취 유량 : 1.98 L/min
• 시료 여과지의 무게 : 채취 전 0.4230 mg, 채취 후 0.6712 mg
• 공시료 여과지의 무게 : 채취 전 0.3978 mg, 채취 후 0.3998 mg
0.59 mg/m³
[해설]
여과포집 농도는 시료 무게 증가분에서 공시료 무게 증가분을 뺀 값을 채취 공기량으로 나눈다.
채취 공기량(8:25~11:55 = 210분)
V = 1.98 L/min × 210 min = 415.8 L = 0.4158 m3
순 포집량
(0.6712 − 0.4230) − (0.3998 − 0.3978) = 0.2482 − 0.0020 = 0.2462 mg
농도
C = 0.2462 ÷ 0.4158
= 0.59 mg/m3
혼동 주의: 공기량은 L를 m3로(÷1,000) 바꿔야 한다. 공시료 증가분은 운반·습도로 생긴 무게 변화라 빼 준다.
22-1
「사무실 공기관리 지침」에서 정한 다음 오염물질의 관리기준을 단위를 포함하여 쓰시오.
(1) 이산화질소(NO₂)
(2) 일산화탄소(CO)
(3) 포름알데히드(HCHO)
(1) 0.1 ppm
(2) 10 ppm
(3) 100 µg/m³
[해설]
「사무실 공기관리 지침」 제2조는 사무실 공기의 오염물질별 관리기준을 정하고 있다. 문제에서 물은 세 가지는 이산화질소 0.1 ppm, 일산화탄소 10 ppm, 포름알데히드 100 µg/m³ 이다.
가스상 물질은 대체로 ppm으로, 입자상 물질과 휘발성유기화합물은 µg/m³로 기준을 정한다는 규칙을 잡아 두면 단위를 틀리지 않는다. 포름알데히드는 가스인데도 µg/m³로 관리하므로 이 문항에서 가장 자주 틀리는 항목이다. 단위를 함께 쓰라고 못박은 것도 그래서다.
지침이 정한 관리기준 전체를 함께 정리해 둔다.
| 미세먼지(PM10) | 100 µg/m³ |
| 초미세먼지(PM2.5) | 50 µg/m³ |
| 이산화탄소(CO₂) | 1,000 ppm |
| 일산화탄소(CO) | 10 ppm |
| 이산화질소(NO₂) | 0.1 ppm |
| 포름알데히드(HCHO) | 100 µg/m³ |
| 총휘발성유기화합물(TVOC) | 500 µg/m³ |
| 라돈(Radon) | 148 Bq/m³ |
| 총부유세균 | 800 CFU/m³ |
| 곰팡이 | 500 CFU/m³ |
오염물질이 어디서 나오는지와 함께 보면 값이 잘 붙는다. 이산화탄소는 재실자의 호흡에서 나와 환기 부족을 보여 주는 지표이고, 일산화탄소와 이산화질소는 연소기구나 주차장·도로에서 유입되는 연소 부산물이다. 포름알데히드와 총휘발성유기화합물은 건축자재·가구·접착제에서 방출되며 새 건물이나 리모델링 직후에 높게 나온다. 총부유세균과 곰팡이는 냉방기 응축수나 가습기처럼 습한 곳에서 번식한다.
22-1
공기 중 입자상 물질의 여과포집기전 가운데 확산에 영향을 주는 인자를 4가지 쓰시오.
① 입자의 크기(직경)
② 입자의 농도 차이
③ 여과지 기공의 크기
④ 여과지로의 면속도(여과속도)
[해설]
확산은 아주 작은 입자가 브라운 운동으로 무질서하게 움직이다 여과지 섬유에 닿아 잡히는 기전이다.
- 입자의 크기(직경) — 작을수록 브라운 운동이 활발해 잘 잡힌다.
- 입자의 농도 차이 — 기류와 여재 표면 사이의 농도차가 클수록 확산이 활발하다.
- 여과지 기공의 크기 — 기공이 작을수록 입자가 섬유와 만날 기회가 많다.
- 여과지로의 면속도 — 느릴수록 여재 부근에 오래 머물러 포집효율이 오른다.
혼동 주의: 면속도가 빠를수록 잘 잡히는 것은 관성충돌이다. 확산은 이와 반대로 느릴수록 유리하다.
22-1
MEK(메틸에틸케톤)을 8시간 동안 16 L 사용하는 작업장이 있다. 사용된 MEK이 모두 증기로 된다고 할 때 이 작업장의 필요환기량(m³/min)을 구하시오.
(단, MEK의 분자량은 72.1, 비중은 0.805이고, 21 ℃·1기압 기준이며, 안전계수는 6, 노출기준(TLV)은 200 ppm이다.)
269.33 m³/min
[해설]
희석환기 필요환기량은 시간당 발생하는 증기 부피를 노출기준으로 나누고 안전계수 K를 곱해 구한다.
사용량(질량) = 16 L ÷ 8 hr × 0.805 kg/L = 1.61 kg/hr = 1,610 g/hr
21 ℃ 몰부피 = 22.4 × (273 + 21) / 273 = 24.12 L
G = 1,610 × 24.12 / 72.1 = 538.67 L/hr = 538,670 mL/hr
Q = G / TLV × K = 538,670 / 200 × 6 = 16,160 m3/hr
Q = 16,160 ÷ 60 = 269.33 m3/min
ppm은 mL/m3와 같아서 mL/hr를 ppm으로 나누면 m3/hr가 된다. 21 ℃ 조건이므로 몰부피를 24.12 L로 보정해야 하며, 22.4 L를 그대로 쓰면 답이 작게 나온다.
22-1
고열 배출원이 아닌 탱크 위에 장변 2 m, 단변 1.5 m 크기의 외부식 캐노피형 후드를 설치하였다. 배출원에서 후드 개구면까지의 높이가 0.5 m이고 제어속도가 0.5 m/sec일 때 필요환기량(m³/min)을 구하시오. (단, Dalla Valle 식을 적용한다.)
147 m³/min
[해설]
Dalla Valle 식은 캐노피 후드가 배출원에 가까울 때(H/L ≤ 0.3) 쓴다. 이 문항은 0.5 ÷ 2 = 0.25라 적용할 수 있다.
후드 둘레
P = 2 × (2 + 1.5) = 7 m
필요환기량
Q = 1.4 × P × H × Vc
= 1.4 × 7 × 0.5 × 0.5 = 2.45 m3/sec
= 2.45 × 60 = 147 m3/min
둘레 × 높이는 후드와 탱크 사이의 옆면적이다. 그 면에서 제어속도를 확보해야 하고, 1.4는 기류가 고르지 않은 것을 보정하는 여유계수다.
22-1
국소배기시설에서 쓰이는 다음 후드 관련 용어가 각각 무엇을 뜻하는지 설명하시오.
(1) 후드 플랜지(flange)
(2) 개구면 속도(face velocity)
(3) 플래넘(plenum)
(4) 배플(baffle)
(1) 후드 플랜지 — 후드 개구부 둘레에 붙여 후드 뒤쪽에서 들어오는 불필요한 공기를 차단하는 판
(2) 개구면 속도 — 후드의 개구면(입구)에서 측정한 공기의 흡입속도
(3) 플래넘 — 후드와 덕트 사이에 두어 흡인기류의 압력과 속도를 고르게 만드는 공간(충만실)
(4) 배플 — 후드 주변에 설치해 방해기류를 막고 기류를 후드 쪽으로 유도하는 판
[해설]
국소배기장치 후드와 관련된 구조·측정 용어로, 모두 흡인기류를 오염원 쪽에 모으는 일과 관련된다.
- 후드 플랜지 — 개구부 테두리에 붙이는 판으로, 후드 뒤쪽의 깨끗한 공기가 빨려 들지 않게 막아 필요송풍량을 약 25% 줄인다.
- 개구면 속도 — 후드 입구 면에서 재는 흡입속도로, 후드 성능을 점검할 때 실측하는 값이다.
- 플래넘(충만실) — 후드와 덕트 사이의 넓은 공간으로, 압력을 고르게 해 개구면 전체에서 고르게 빨아들이게 한다.
- 배플 — 후드 주변에 세우는 칸막이판으로, 창문 바람 같은 방해기류를 막고 오염물질을 후드 쪽으로 이끈다.
혼동 주의: 제어속도는 발생원 위치의 오염물질을 끌어오는 데 필요한 최소 속도로, 후드 입구에서 재는 개구면 속도와 다르다.
22-1
전자부품 조립 작업장에서 다음과 같이 측정하였다. 이 작업장의 시간당 공기교환횟수(회/hr)를 구하시오.
• 근로자들이 모두 퇴근한 직후인 오후 6시 30분에 실내 공기를 측정한 결과 이산화탄소 농도가 1,500 ppm이었다.
• 작업장에 아무도 없는 상태로 두었다가 오후 8시 30분에 다시 측정한 결과 이산화탄소 농도가 500 ppm이었다.
• 외부 공기의 이산화탄소 농도는 330 ppm이다.
0.96 회/hr
[해설]
퇴근 뒤 발생원이 없으면 CO2는 외기 농도를 뺀 초과분만 지수적으로 줄어든다. 이 감소 속도로 공기교환횟수(ACH)를 구한다.
ACH = [ln(C1 − Co) − ln(C2 − Co)] ÷ t
= [ln(1,500 − 330) − ln(500 − 330)] ÷ 2
= (ln 1,170 − ln 170) ÷ 2
= 1.929 ÷ 2 = 0.96 회/hr
혼동 주의: 외기 330 ppm을 빼지 않으면 0.55 회/hr가 나온다. 경과시간은 분이 아닌 시간(2 hr)으로 넣는다.
22-1
송풍기의 흡입측 정압은 60 mmH₂O, 배출측 정압은 20 mmH₂O이고, 송풍기 입구의 평균유속은 20 m/sec이다. 이 송풍기의 정압(mmH₂O)을 구하시오.
55.51 mmH₂O
[해설]
송풍기 정압(FSP)은 송풍기 앞뒤의 정압 차에서 입구 속도압을 뺀 값이다. 흡입측 정압은 부압이므로 −60 mmH2O로 넣는다.
FSP = (SPout − SPin) − VPin
VPin = γV2/2g = 1.2 × 202 / (2 × 9.8) = 24.49 mmH2O
FSP = {20 − (−60)} − 24.49 = 55.51 mmH2O
혼동 주의: 흡입측을 +60으로 넣으면 음수가 나온다. 송풍기는 공기에 에너지를 더하는 장치라 송풍기 정압은 양수여야 한다.
22-1
원형 덕트에서 90° 곡관의 직경이 20 cm, 굴곡반경이 50 cm일 때 압력손실계수는 0.22이고 공기의 속도압은 20 mmH₂O였다. 다른 조건은 같고 45° 곡관이라면 압력손실(mmH₂O)은 얼마가 되는지 구하시오.
2.2 mmH₂O
[해설]
곡관의 압력손실은 압력손실계수 × 속도압이다. 계수는 90° 기준이라 다른 각도는 θ/90을 곱해 환산한다.
ΔP = ζ × (θ/90) × VP
= 0.22 × (45/90) × 20
= 0.11 × 20 = 2.2 mmH2O
직경 20 cm와 굴곡반경 50 cm(R/D = 2.5)는 계수 0.22가 나온 조건일 뿐이다. 계수가 주어졌으므로 계산에 다시 쓰지 않는다.
집진장치를 집진 원리에 따라 분류할 때, 그 종류를 5가지 쓰시오.
① 중력 집진장치
② 관성력 집진장치
③ 원심력 집진장치
④ 여과 집진장치
⑤ 전기 집진장치
[해설]
집진장치는 입자를 기류에서 떼어 내는 힘에 따라 이름이 붙는다.
- 중력 집진장치 — 유속을 낮춰 입자가 스스로 가라앉게 한다.
- 관성력 집진장치 — 기류 방향을 갑자기 꺾으면 관성으로 곧게 나아가는 입자가 충돌판에 부딪힌다.
- 원심력 집진장치 — 사이클론처럼 기류를 돌려 입자를 벽면으로 밀어낸다.
- 여과 집진장치 — 백필터 같은 여재로 입자를 걸러 낸다.
- 전기 집진장치 — 코로나 방전으로 입자에 전하를 띠게 해 집진극에 끌어붙인다.
혼동 주의: 물을 쓰는 세정 집진장치를 더해 6가지로 나누기도 한다. 벤투리스크러버는 세정식 안의 형식이므로 원리에 따른 분류의 답으로는 맞지 않는다.