05년 4회차

보일러 효율은 연료가 가진 열량 중 실제로 증기 발생에 쓰인 열량의 비율로, 이 조건에서는 80.8%이다.

보일러 효율은 $\eta = \dfrac{G_s (h_2 - h_1)}{G_f \times H_l}$로 구하며, $G_s$는 시간당 증발량, $h_1,h_2$는 급수와 발생증기의 엔탈피, $G_f$는 연료소비량, $H_l$은 발열량이다.

급수 온도 20℃의 엔탈피는 약 $20\ \mathrm{kcal/kg}$이므로 증기 1kg이 얻는 열량은 $740-20=720\ \mathrm{kcal/kg}$이다.

따라서 $\eta = \dfrac{11{,}000 \times 720}{1{,}000 \times 9{,}800} = \dfrac{7{,}920{,}000}{9{,}800{,}000} \approx 0.808$, 즉 80.8%가 된다.

증기의 건조도가 0이라는 것은 증발이 전혀 일어나지 않고 수분만 있는 상태, 즉 포화수를 의미한다.

건조도 1은 수분이 전혀 없는 건포화증기, 건조도가 0과 1 사이는 습증기, 포화온도보다 높은 온도의 증기는 과열증기로 구분된다.

연료의 연소 온도는 연료가 연소할 때 발생하는 열량, 즉 발열량에 가장 크게 좌우된다.

발열량이 클수록 단위 연료당 발생하는 열량이 많아져 연소가스 온도가 높아지며, 발화점이나 인화점은 착화의 용이성을, 회분은 연소 후 남는 재의 양을 나타내는 지표일 뿐 연소온도 자체를 결정하지는 않는다.

자동제어계에서 조작량은 제어량을 목표값에 맞추기 위해 제어대상에 실제로 가해지는 양을 말한다.

• 제어량은 제어의 결과로 나타나는 대상 자체의 물리량이다.
• 제어편차는 목표값과 제어량의 차이를 뜻한다.
• 제어동작신호는 편차를 바탕으로 조작부에 보내는 신호이다.

1 보일러 마력은 100℃의 물 15.65kg을 1시간 동안 같은 온도(100℃)의 증기로 증발시킬 수 있는 능력으로 정의된다.

이는 물의 증발잠열 $539\ \mathrm{kcal/kg}$을 기준으로 $15.65 \times 539 \approx 8{,}435\ \mathrm{kcal/h}$에 해당하는 값이다.

임펠러의 회전력으로 유체에 원심력을 가해 이송하는 터빈 펌프는 원심펌프의 대표적인 종류이다.

• 워싱턴 펌프와 플런저 펌프는 피스톤·플런저의 왕복운동으로 유체를 밀어내는 왕복펌프이다.
• 웨어 펌프도 왕복동 방식의 펌프이다.

상당증발량은 실제 증발량을 100℃ 물을 100℃ 증기로 바꾸는 기준으로 환산한 값으로, $G_e = \dfrac{G(i_2-i_1)}{539}$로 계산한다.

여기서 $G$는 실제증발량, $i_1,i_2$는 급수와 발생증기의 엔탈피이며, 분모의 $539\ \mathrm{kcal/kg}$은 100℃ 물의 증발잠열이다.

스코치 보일러는 노통과 다수의 연관을 함께 갖춘 대표적인 노통연관식 보일러이다.

• 코르니시 보일러는 노통 1개짜리 원통형 노통보일러이다.
• 랭커셔 보일러는 노통 2개짜리 원통형 노통보일러이다.
• 다쿠마 보일러는 자연순환식 수관식 보일러에 속한다.

전기 집진기는 고전압으로 분진 입자를 대전시켜 집진극에 포집하는 방식으로, 배기가스의 압력손실이 작으면서도 집진 효율이 가장 높은 집진장치이다.

원심력·세정·여과 집진기는 상대적으로 압력손실이 크거나 집진 효율이 낮은 편이다.

가정용 온수보일러의 팽창탱크는 물이 가열되어 부피가 늘어날 때 그 팽창분을 흡수함으로써 배관과 기기가 허용압력을 초과하지 않도록 하는 안전장치 역할을 한다.

보일러 자동급수조절장치는 플로트의 상하운동, 금속관의 열팽창(신축), 전극을 이용하는 방식이 대표적이며, 단순히 전기저항을 이용하는 방식은 이러한 작동 기구에 해당하지 않는다.

고정탄소 함유량이 많은 연료는 상대적으로 휘발분이 적어 연소 시 화염이 짧아지는 특성을 갖는다.

또한 고정탄소가 많은 연료는 발열량이 크고 연소효과도 양호한 편이므로, 발열량이 감소하거나 연소효과가 나빠진다고 보기는 어렵다.

보일러 효율은 연소 효율과 전열 효율의 곱으로 구하며, $0.95 \times 0.85 = 0.8075$이므로 약 81%가 된다.

주철제 보일러는 여러 개의 섹션(주철 조각)을 조합해 만들므로 조립·분해와 운반이 편리하다는 점이 큰 장점이다.

반면 주철은 압축강도는 크지만 인장강도가 낮고 충격에 약해 열에 의한 부동팽창에 취약하며, 섹션 내부가 좁고 복잡해 내부 청소와 검사는 오히려 어렵다.

보일러 전열면 열부하는 전열면적 1㎡당 시간당 발생하는 열량을 나타내는 지표로, 단위는 $\mathrm{kcal/m^2 \cdot h}$이다.

오일 프리히터는 유류의 점도를 낮추어 버너에서의 무화(미립화)를 좋게 하기 위해 연료유를 예열하는 장치이다.

두께 2mm 정도의 강관 여러 개를 세워 그 안으로 배기가스를, 외부로 공기를 통과시켜 열을 교환하는 방식은 강관형 공기예열기의 구조이다.

자연통풍은 가열된 기체의 체적이 늘어나면서 밀도(비중)가 작아져 가벼워지는 원리를 이용해 굴뚝 내외의 밀도차로 통풍력을 얻는 방식이다.

제시된 유류 중 가솔린이 인화점이 가장 낮아 상온에서도 쉽게 인화된다.

인화점은 가솔린, 등유, 경유, 중유 순으로 점점 높아진다.

30℃의 물 20kg을 100℃ 증기로 만드는 데 필요한 열량은 현열과 잠열의 합인 12,180kcal이다.

현열은 $20 \times (100-30) \times 1 = 1{,}400\ \mathrm{kcal}$이고, 잠열은 $20 \times 539 = 10{,}780\ \mathrm{kcal}$이다.

두 값을 더하면 $1{,}400 + 10{,}780 = 12{,}180\ \mathrm{kcal}$가 된다.

시퀀스 제어는 제어의 각 단계를 미리 정해진 순서에 따라 차례로 진행해 나가는 제어 방식이다.

• 결과가 원인이 되어 되돌아가는 방식은 피드백 제어에 해당한다.
• 목표값이 시간에 따라 변하는 것은 추종제어 등 서보기구의 특징이다.
• 목표값이 일정한 것은 정치제어의 정의이다.

고온의 물체에서 나온 열이 중간 매질을 거치지 않고 직접 다른 물체로 전달되는 현상은 복사이다.

대류와 전도는 유체의 흐름이나 물체 내부(접촉)를 통해 열이 전달되는 방식이라는 점에서 복사와 구분된다.

수관식 보일러는 보유수량이 적어 부하변동 시 수위 변동이 크고 수위 조절이 오히려 까다롭다는 특징을 갖는다.

고압·대용량에 적합하고 보유수량이 적어 파열 시 피해가 적으며 증기 발생 소요시간이 짧다는 점은 수관식 보일러의 장점으로 옳은 설명이다.

슈트 블로워를 사용할 때는 댐퍼를 열어 통풍력을 강하게 유지해야 떨어져 나온 그을음과 재가 연도 밖으로 배출된다. 댐퍼를 완전히 닫으면 통풍 자체가 막혀 통풍력을 강하게 할 수 없으므로, 댐퍼를 완전히 닫는다는 설명은 잘못되었다.

압축공기나 증기를 분사해 전열면 외측의 그을음·재를 제거하며 작업 전 관 내 응축수를 제거한다는 나머지 설명은 옳다.

제시된 금속 중에서는 동(구리)의 열전도율이 가장 크다.

일반적으로 금속의 열전도율은 은, 동, 금, 알루미늄, 황동 순으로 낮아진다.

도시가스와 같은 기체연료는 연소용 공기와의 혼합이 균일하여 연소의 자동제어가 오히려 용이하므로, 자동제어가 불가능하다는 설명은 잘못되었다.

기체연료는 적은 과잉공기로도 완전연소가 가능하고 매연 발생이 적으며, 연소용 공기나 연료 자체의 예열도 가능하다.

사이폰관은 고온의 증기가 직접 압력계 내부에 닿지 않도록 응축수를 채워 완충 역할을 하는 관으로, 부르돈관 압력계와 함께 사용된다.

2차 연소를 방지하려면 연소실에서 완전연소를 시키고 가스 포켓이 생기지 않도록 하며 통풍을 적절히 조절해야 하는데, 2차 공기를 충분히 사용해 진동연소를 시키는 것은 오히려 이상연소를 유발하므로 방지대책으로 적합하지 않다.

전열면에 유지분이 많이 부착된 경우에는 부식성이 강한 염산이 아니라 소다회(탄산소다) 등 알칼리성 세정제를 사용해 끓인 뒤 분출하는 것이 원칙이므로, 염산을 사용한다는 설명은 잘못되었다.

화염 상태, 보일러 수위, 증기압력은 운전 중 수시로 직접 확인해야 하는 항목이지만, 화염검출기는 화염 유무를 자동으로 감지하는 장치 자체이므로 운전자가 수시로 별도 확인해야 하는 점검 항목으로 보기는 어렵다.

강철제 또는 주철제 증기보일러의 분출밸브는 설치 기준상 원칙적으로 호칭 25A 이상이어야 한다.

다만 전열면적이 작은 소용량 보일러에 대해서는 호칭 20A 이상으로 완화하는 예외가 적용된다.

가스를 사용하는 보일러의 연료배관은 원칙적으로 노출 배관으로 시공하고, 부득이한 경우에 한해 이음매 없는 동관·스테인레스강관 등 일부 재질에 대해서만 매몰 시공을 허용한다.

따라서 매몰 시공을 원칙으로 한다는 설명은 원칙과 예외가 뒤바뀐 잘못된 내용이다.

그을음 불어내기(슈트 블로워)는 응축수를 충분히 제거하고 건조한 증기나 압축공기를 사용하며 한 곳에 오래 사용하지 않는 것이 원칙이다.

이때 그을음과 재의 배출을 돕기 위해 통풍력을 적절히 강화해야 하므로, 통풍력을 최대한 약하게 하여 불어낸다는 설명은 잘못되었다.

라미네이션은 보일러 강판이나 관이 제조 과정의 결함 등으로 인해 두 개의 층(2매)으로 분리되어 형성된 상태를 말한다.

보일러수에 유지분 등 불순물이 많이 섞여 있을 때, 비등과 함께 수면 부근에 거품층이 생겨 수위가 불안정해지는 현상을 포밍(foaming)이라 한다.

프라이밍은 격심한 비등으로 수면의 물방울이 증기와 함께 튀어오르는 현상이고, 캐리오버는 프라이밍·포밍 등으로 수분이 증기와 함께 배관으로 넘어가는 현상을 말한다.

보일러를 장기간 정지할 때 사용하는 건식 보존법은 보일러 내부의 물을 완전히 빼고 건조한 상태로 유지하면서 흡습제를 넣어 습기와 부식을 막는 방법이다.

이때 넣는 약품은 흡습성이 강한 염화칼슘, 생석회, 실리카겔 등이며, 흡습제가 습기를 흡수해 보일러 내부 금속면의 산화·부식을 방지한다.

탄산칼슘, 염화나트륨, 탄산나트륨은 흡습 작용이 없거나 오히려 부식성 물질에 해당해 보존용 약품으로 쓰이지 않는다.

온수보일러에서 팽창관은 보일러 본체(또는 환수주관)와 팽창탱크를 연결해 온수가 가열·팽창할 때 늘어난 부피를 팽창탱크로 도피시키는 관이다.

팽창관에는 절대로 밸브를 설치하지 않아 팽창수의 흐름이 막히지 않도록 하는 것이 원칙이다.

• 도피관은 안전밸브 등에서 배출되는 유체를 안전하게 유도하는 관으로 팽창탱크 연결관과는 다르다.
• 송수주관은 보일러에서 가열된 온수를 방열기 쪽으로 보내는 주배관이다.
• 급수관은 보일러에 물을 보급하는 관이다.

보일러 급수 중 산분(산성 성분)은 pH를 낮추어 보일러 금속을 부식시키는 원인이 되며, pH를 증가시키거나 팽출(과열로 인한 동체 변형)을 직접 일으키는 것이 아니다.

따라서 산분이 pH를 증가시켜 팽출을 일으킨다는 설명은 사실과 반대되어 틀린 내용이다.

• 염류는 관 벽에 달라붙어 스케일을 만드는 주요 원인이 맞다.
• 유지분은 보일러수 표면에 거품을 일으켜 포밍을 유발하는 것이 맞다.
• 용존산소 등 가스체는 금속을 산화시켜 점식(부식)을 일으키는 것이 맞다.

화재는 가연물의 종류에 따라 등급을 구분하는데, D급 화재는 마그네슘·나트륨·칼륨 등 금속이 연소하는 화재를 말한다.

전기화재는 C급, 보통화재(일반 가연물)는 A급, 가스화재는 일반적으로 유류화재(B급)에 준하여 분류되므로 D급과는 구분된다.

보일러 급수처리는 크게 보일러 밖에서 미리 불순물을 제거하는 외처리와, 보일러 안에 약품을 넣어 처리하는 내처리로 나뉜다.

청관제 투입법은 보일러수 내에 약품(청관제)을 직접 넣어 스케일 생성 억제, pH 조정, 슬러지 분산 등을 하는 대표적인 내처리 방법이다.

• 이온교환수지법과 여과법, 증류법은 모두 보일러에 급수하기 전 단계에서 불순물을 제거하는 외처리 방법이다.

보일러를 설치할 때 보일러 동체 최상부에서 천장·배관이나 그 밖의 구조물까지의 거리는 검사·점검 작업 공간 확보를 위해 1.2m 이상 확보하도록 정해져 있다(출제 당시 기준).

이는 안전밸브 등 부속장치의 점검·정비를 위한 최소 작업 공간을 확보하기 위한 규정이다.

유리수면계는 열충격과 기계적 압박에 약해 파손되는데, 유리가 고온으로 열화되었거나 상하 콕의 중심선이 어긋나 무리한 힘이 걸리는 경우, 콕의 너트를 지나치게 조인 경우에 균열·파손이 발생한다.

반면 단순히 수위가 높은 상태 자체는 유리관에 무리한 응력을 주지 않으므로 파손의 직접적인 원인으로 보지 않는다.

방열기의 방열량은 방열계수에 방열기 내 온수 평균온도와 실내온도의 차를 곱해 구한다.

$Q = K \times (t_w - t_a)$, 여기서 $K = 7.2\ \mathrm{kcal/m^2 \cdot h \cdot ^\circ C}$, $t_w = 85^\circ C$, $t_a = 15^\circ C$

$Q = 7.2 \times (85-15) = 7.2 \times 70 = 504\ \mathrm{kcal/m^2 \cdot h}$

따라서 방열기의 방열량은 504kcal/m²·h이다.

강제순환식 온수난방은 순환펌프로 온수를 강제로 순환시키므로, 자연 대류에 의존하는 중력순환식보다 배관 직경을 오히려 더 작게 설계할 수 있다.

따라서 중력순환식에 비해 배관 직경이 커야 한다는 설명은 사실과 반대되어 틀린 내용이다.

• 순환펌프가 필요하다는 것은 강제순환식의 기본 특징으로 옳다.
• 온수를 신속하고 고르게 순환시킬 수 있다는 것도 옳다.
• 팽창탱크를 밀폐형으로 하면 대기에 개방하지 않아도 되므로 탱크의 설치 높이가 문제되지 않는다는 것도 옳다.

보일러수에 녹아 있는 탄산가스(CO₂)는 물과 반응해 탄산을 생성하고 이는 보일러 금속을 서서히 산화·용해시켜 부식을 일으키는 주된 원인이 된다.

크랙, 가성취화, 스케일 생성은 각각 응력 집중, 알칼리 농축, 경도 성분 석출 등 다른 원인으로 발생하는 장해이다.

보일러 점화 실패 시에는 연소실 내에 미연소 가스가 남아 있을 수 있으므로, 반드시 충분한 시간 동안 프리퍼지(환기)를 하여 잔류 가스를 배출한 뒤에 재점화해야 한다.

따라서 1차 점화 실패 후 즉시 2차 점화를 시도하는 것은 잔류 가스에 의한 가스폭발을 유발할 수 있어 부적합한 대책이다.

• 점화 전 잔존가스 배출, 급유·송풍량 조절과 정화, 가동 종료 후 포스트 퍼지는 모두 정상적인 폭발 방지 대책이다.

보일러수는 스케일 생성과 부식을 동시에 억제하기 위해 약알칼리성으로 유지하는 것이 가장 적합하다.

산성이나 약산성이면 금속 부식이 촉진되고, 중성 근처에서는 방청 효과가 부족해지므로 적절하지 않다.

보일러 과열은 전열면에 스케일이 쌓여 열전달이 방해되거나, 저수위로 운전되어 수관·노통이 물에 잠기지 않거나, 화염이 국부적으로 한쪽에 집중될 때 주로 발생한다.

반대로 보일러수의 순환이 빠를수록 열이 고르게 전달되어 국부 과열이 줄어들므로, 순환이 너무 빠른 것은 과열의 원인이 아니라 오히려 과열을 억제하는 요인이다.

보일러수 분출은 관수 중의 슬러지·농축 불순물을 배출하는 작업으로, 부하가 가장 낮을 때(수위 변동이 적고 증기 사용이 적을 때) 실시하는 것이 원칙이다.

부하가 가장 클 때 분출을 하면 수위가 급격히 낮아져 저수위 사고로 이어질 수 있으므로 부하가 가장 클 때 분출한다는 설명은 틀린 내용이다.

• 2대의 보일러를 동시에 분출하지 않는다는 것, 불을 때지 않던 보일러는 불 때기 직전에 분출한다는 것, 야간에 쉬던 보일러는 조업 직전에 분출한다는 것은 모두 옳은 설명이다.

난방 배관이나 방열기 내부에 공기가 고이면 온수 순환을 방해하므로, 배관계통 중 가장 높은 위치에 공기빼기 밸브(에어벤트)를 설치해 공기를 배출시킨다.

• 안전밸브는 보일러 본체 등 압력이 걸리는 곳에 설치하는 것이지 배관 최고점의 공기 제거용이 아니다.
• 전자밸브와 플로트 밸브는 자동 개폐·수위 제어용 밸브로 설치 목적이 다르다.

수면계 점검(시험)은 먼저 물콕과 증기콕을 모두 닫아 수면계를 보일러 본체와 차단한 뒤, 드레인 콕을 열어 유리관 내부의 물을 빼내는 것으로 시작한다.

이후 순서대로 증기콕과 물콕을 각각 열어 통기·통수 상태를 확인하므로, 물콕 및 증기콕을 닫고 드레인 콕을 여는 것이 가장 먼저 수행하는 절차이다.

수면계 시험은 2개의 수면계 지시 수위가 서로 다를 때, 프라이밍·포밍 등 이상 현상이 발생했을 때, 유리관을 새로 교체했을 때와 같이 수위 지시의 정확성이 의심되는 상황에서 실시한다.

단순히 압력이 높을 때는 수면계 시험을 해야 하는 통상적인 기준으로 보지 않는다.

보일러 정상 운전 중 수위는 수면계 유효 길이의 중앙(약 1/2 지점)에서 일정하게 유지되는 상태가 가장 적합하다.

수위가 1/4처럼 낮은 위치에 치우치거나, 상하로 크게 흔들리거나, 유리관 전체가 물로 가득 차는 것은 모두 저수위·프라이밍 등 비정상 운전 신호에 해당한다.

증기보일러는 원칙적으로 안전밸브를 2개 이상 설치해야 하지만, 전열면적 50m² 이하인 보일러는 안전밸브 1개 이상만 설치해도 되도록 완화되어 있다(출제 당시 기준).

전열면적이 작을수록 발생 증기량과 위험도가 낮아지므로 안전밸브 개수 요건도 함께 완화되는 것이다.

검사대상기기의 계속사용검사를 받으려는 자는 검사 유효기간이 끝나기 전 정해진 기한까지 검사 신청서를 제출해야 하며, 출제 당시 에너지이용합리화법 시행규칙 기준으로는 유효기간 만료 10일 전까지 제출하도록 정해져 있었다.

다만 관련 수치는 이후 법령 개정으로 바뀌었을 수 있으므로 현재 실무에 적용할 때에는 최신 법령을 확인해야 한다.

에너지이용합리화법상 에너지 효율관리기자재의 에너지 소비효율이나 사용량 등을 실제로 측정하는 업무는 시험기관이 담당한다.

• 진단기관은 에너지 사용 시설에 대한 에너지진단(에너지절감 방안 도출)을 수행하는 기관이다.
• 절약전문기관은 에너지절약사업 등을 지원·수행하는 기관이다.
• 평가기관은 효율 측정 업무를 맡는 기관 명칭으로 법에 규정되어 있지 않다.

에너지이용합리화법령의 특정열사용기자재는 크게 기관(보일러류), 압력용기, 요업요로·금속요로 등으로 구분된다.

기관 구분에는 강철제·주철제 보일러, 온수보일러, 구멍탄용 온수보일러, 축열식 전기보일러, 태양열 집열기 등이 속한다.

반면 1종 압력용기는 2종 압력용기와 함께 압력용기 구분에 속하는 기자재이므로 기관 구분에는 포함되지 않는다.

다만 구분 명칭과 품목은 이후 법령 개정으로 조정되었으므로 현행 기준은 최신 시행규칙 별표를 확인해야 한다.

보일러 등 특정열사용기자재를 설치·시공하는 시공업의 등록은 건설산업기본법에 따라 이루어진다.

에너지이용합리화법은 특정열사용기자재의 검사·효율관리 등을 규정하는 법이며, 시공업체 자체의 등록·자격 요건은 건설산업기본법이 별도로 규율한다.

검사에 합격하지 못한 검사대상기기를 사용하는 것은 단순한 행정상 의무 위반을 넘어 보일러 폭발 등 중대한 안전사고로 이어질 수 있는 행위이므로, 에너지이용합리화법은 이를 과태료가 아닌 형사 처벌(징역 또는 벌금) 대상으로 정하고 있다.

출제 당시 기준으로 그 벌칙은 1년 이하의 징역 또는 1천만원 이하의 벌금이며, 이는 이후 법령 개정으로 조정되었을 수 있다.

효율관리기자재는 에너지이용합리화법에 따라 에너지 소비효율·사용량을 측정하고 등급이나 소비효율을 표시하도록 지정된 기자재로, 출제 당시에는 전기냉장고·전기세탁기·전기냉방기·자동차·조명기기 등이 지정되어 있었다.

텔레비전은 출제 당시 지정 목록에 포함되어 있지 않았으므로 효율관리기자재가 아닌 것으로 분류된다.

다만 지정 품목은 시행규칙 별표 개정으로 계속 확대되어 왔으므로, 현행 기준의 지정 품목은 최신 고시·별표에서 확인해야 한다.