04년 2회차

외부와 열의 출입이 전혀 없이 이루어지는 열역학적 변화를 단열 변화라 한다.

등온 변화는 온도가 일정한 변화, 정압·정적 변화는 각각 압력·부피가 일정하게 유지되는 변화로, 열 출입 여부와는 별개의 기준이다.

수관보일러는 수질 관리(수처리)가 까다로워 급수 수질에 민감하며, 수질이 나쁘면 스케일 부착 등의 문제가 쉽게 발생한다.

보일러 내 수량이 적어 파열 시 피해가 적고, 고온·고압·대용량에 적합하며, 원통형 보일러보다 효율이 높다는 점은 수관보일러의 실제 장점이다.

따라서 급수 수질에 관계없이 사용할 수 있다는 설명은 수관보일러의 장점으로 옳지 않다.

펌프의 축동력은 $L=\dfrac{\gamma \, Q \, H}{\eta}$(단, $\gamma$는 물의 비중량, $Q$는 송출량, $H$는 전양정, $\eta$는 효율)로 구한다.

물의 비중량을 $9.8\,\mathrm{kN/m^3}$로 두면 $L=\dfrac{9.8 \times 0.5 \times 20}{0.7}=140\,\mathrm{kW}$가 된다.

따라서 이 펌프의 축동력은 약 140 kW이다.

두께 약 $2\,\mathrm{mm}$의 강관을 여러 개 세워 그 속으로 연소가스(열가스)를 통과시키고, 관 외부로는 공기를 통과시켜 열교환하는 방식의 공기예열기를 강관형 공기예열기라 한다.

강판형은 판을 겹쳐 만든 형태, 회전식은 축열체가 회전하며 열을 전달하는 방식, 증기식은 증기를 매개로 공기를 데우는 방식으로 각각 구조가 다르다.

전열량을 늘리려면 연소가스의 유동은 빠르게, 물의 순환은 촉진시켜야 열전달이 좋아진다.

연소가스 유동은 빠르게 하면서 수 순환을 오히려 느리게 하는 것은 전열을 저해하는 방향이므로 전열량 증대 방법이 될 수 없다.

• 전열면에 붙은 스케일을 제거하면 열저항이 줄어 전열이 잘 된다.
• 양질의 연료로 연소율을 높이는 것도 전열량 증대에 기여한다.
• 적정 공기비로 완전연소시키는 것 역시 전열 효율을 높인다.

방열장치는 난방계통(방열기 등)에 속하는 설비로, 보일러 자체의 부속설비로 보지 않는다.

보일러 부속설비는 증기·물을 만들고 다루는 데 필요한 장치로 급수장치·안전장치·통풍장치 등이 이에 해당한다.

보일러 효율은 보일러가 실제로 흡수한 열량과 연소한 연료가 가지는 전열량의 비로 정의한다.

$\eta = \dfrac{\text{실제 흡수 열량}}{\text{연료의 전열량}} \times 100$

노내 발생열량이나 이론상 발열량을 기준으로 하는 다른 정의들은 보일러 효율의 정의와 일치하지 않는다.

가정용 온수보일러는 난방수를 데우는 설비로 용량을 보일러 열출력(kcal/h 등)으로 나타낸다.

보일러 마력이나 전열면적은 증기보일러 쪽 용량 표시에 주로 쓰이고, 매시간당 출탕량은 급탕기기의 용량 표시 방식이라 온수보일러 용량 표시와는 구분된다.

로터리 버너는 분무컵(컵 모양의 회전체)을 고속으로 회전시켜 그 원심력으로 연료를 비산·무화시키는 방식이다.

건타입 버너는 압력분무와 송풍을 결합한 형태이고, 유압식 버너는 연료 자체에 압력을 가해 노즐로 무화하며, 기류분무식은 고압 공기·증기의 흐름으로 무화한다는 점에서 회전 컵 방식과 구분된다.

플레임 아이는 화염이 내는 빛, 즉 발광성을 광전관·CdS셀 등으로 감지하여 화염 유무를 검출하는 장치다.

화염의 온도차(스택 스위치)나 이온화 현상(플레임 로드)을 이용하는 다른 검출 방식과는 원리가 다르다.

코프식 자동급수조절장치는 온도에 따라 신축하는 금속관의 열팽창을 이용해 급수량을 조절하는 방식이다.

액체나 공기의 팽창, 증기압력 변화를 이용하는 다른 방식과 구분되는 코프식만의 특징이다.

물을 가열·가압해 가면 어느 지점에서 액체와 기체의 구별이 사라지고 증발잠열이 0이 되는데, 이 상태를 임계점이라 한다.

물의 임계점은 약 $225.65\ \mathrm{kg/cm^2}$, $374.15\ \mathrm{^\circ C}$ 부근이다.

삼중점은 고체·액체·기체가 함께 공존하는 지점으로 임계점과는 구분되는 개념이다.

터빈 펌프는 회전차의 원심력으로 유체를 이송하는 원심식(터보형) 펌프로, 왕복운동으로 유체를 밀어내는 왕복식 펌프와는 작동원리 자체가 다르다.

피스턴 펌프, 플런저 펌프, 위싱턴(워싱턴) 펌프는 모두 실린더 내 왕복운동으로 유체를 압송하는 왕복식 펌프에 속한다.

겔로웨이관은 노통보일러의 노통 내부를 가로질러 설치하는 관으로, 노통 보강과 물 순환 촉진을 동시에 목적으로 한다.

노통 강도를 높여 외압에 견디게 하면서 관 내부로 물이 흐르게 하여 전열면적도 늘리는 구조다.

여러 개의 섹션(section)을 조합하여 필요한 용량만큼 증감할 수 있게 만든 보일러는 주철제 보일러다.

섹션을 앞뒤로 붙여나가는 조립식 구조 덕분에 반입 공간이 좁아도 설치가 쉽고 용량 조절이 용이하다.

일정한 압력을 유지한 채 건포화증기를 계속 가열하면 온도는 상승하면서 비체적은 오히려 증가한다.

가열로 과열증기가 되면 분자운동이 활발해져 부피가 늘어나는 방향으로 변하므로, 압력을 유지하며 가열했는데 비체적이 감소한다는 설명은 증기의 성질과 맞지 않는다.

포화온도 이상으로 가열된 증기를 과열증기라 한다는 설명, 과열도(과열증기 온도와 그 압력에서의 포화온도 차)의 정의, 과열도가 높을수록 이상기체에 가까워진다는 설명은 모두 옳은 내용이다.

제시된 물질 중 물의 비열이 약 $1\ \mathrm{kcal/(kg\cdot^\circ C)}$로 가장 크다.

얼음(약 0.5), 공기(약 0.24), 알코올(약 0.58) 모두 물보다 비열이 작아 같은 열량을 받아도 온도 변화가 더 크게 나타난다.

버킷 트랩은 응축수가 고이면 부력에 의해 버킷(통)이 오르내리며 밸브를 여닫는 구조로, 부력 작용을 이용하는 기계적 트랩에 속한다.

열역학적 트랩(디스크형), 온도조절 트랩(바이메탈·벨로즈형), 금속 팽창형 트랩과는 작동 원리가 구분된다.

연소실 열부하는 연료가 단위 시간에 내는 열량을 연소실 체적으로 나눈 값이다.

$Q = \dfrac{m_f \times H_l}{V} = \dfrac{150\ \mathrm{kg/h} \times 9800\ \mathrm{kcal/kg}}{30\ \mathrm{m^3}}$

계산하면 $Q = 49000\ \mathrm{kcal/(m^3\cdot h)}$가 된다.

인화점은 가연성 액체 표면에서 발생한 증기가 작은 불씨(점화원)에 의해 순간적으로 불이 붙는 최저온도를 말한다.

점화원 없이 스스로 발화하는 최저온도는 발화점(착화점)이고, 혼합가스 농도 범위는 연소범위(폭발범위)를 가리켜 인화점의 정의와는 다르다.

보일러 마력은 발생 증기가 흡수한 열량을 $8435\ \mathrm{kcal/h}$(1보일러마력 기준)로 나누어 구한다.

발생 열량은 $Q = 500\ \mathrm{kg/h} \times (655.2 - 15)\ \mathrm{kcal/kg} = 320100\ \mathrm{kcal/h}$이다.

따라서 보일러 마력은 $\dfrac{320100}{8435} \approx 37.9$가 된다.

조절부는 검출부에서 받은 신호(동작신호)를 바탕으로 제어계가 목표대로 움직이도록 필요한 조작신호를 만들어 조작부로 보내는 부분이다.

검출부는 제어량을 측정하고, 비교부는 목표값과 검출값을 비교해 편차를 구하는 역할이라 조절부와는 기능이 구분된다.

배기가스와 외기의 밀도차로 인해 저절로 생기는 통풍을 자연통풍이라 한다.

연돌(굴뚝) 내 고온 배기가스가 외기보다 가벼워 상승하면서 발생하는 것으로, 송풍기를 쓰는 압입통풍·흡인통풍·평형통풍과는 구분된다.

출력 신호를 입력 신호로 계속 되돌려 목표값과 비교해가며 편차를 없애는 폐회로(閉回路) 제어 방식을 피드백 제어라 한다.

시퀀스 제어는 미리 정한 순서대로 진행되는 개회로 제어이며, 프로세스 제어와 서보 제어는 피드백 제어를 제어량 종류에 따라 다시 나눈 분류에 해당한다.

이론공기량보다 많은 과잉공기가 투입되면 연소에 쓰이지 못한 여분의 산소가 배기가스에 그대로 남아 O₂ 농도가 증가한다.

반대로 공기가 과도해지면 $\mathrm{CO_2}$ 농도는 희석되어 낮아지고, 완전연소 조건이므로 CO는 줄어드는 쪽이며, $\mathrm{SO_2}$는 연료 중 황분에 좌우되어 공기량 증가로 비율이 늘지 않는다.

연소온도는 산소농도, 연료의 저위발열량, 과잉공기량(공기비)처럼 연소 반응 조건에 좌우되지만, 연료의 단위 중량 자체는 연소온도를 결정짓는 요소가 아니다.

단위 중량이 달라지면 발생 열량의 총량은 달라져도, 온도(단위 부피·질량당 열적 상태)를 좌우하는 것은 발열량·공기비 등 연소 조건이다.

강판을 압연 제작하는 과정에서 판 내부에 함유된 가스 등으로 인해 판이 부분적으로 두 겹으로 분리되는 결함을 라미네이션이라 한다.

브리스터는 표면이 부풀어 오르는 결함, 그루빙은 홈 모양의 국부 부식, 크랙은 균열을 가리켜 라미네이션과는 양상이 다르다.

공급 주관을 수직으로 세워 최고부 천장에서 수평으로 배관한 뒤 그곳에서 아래쪽(하향)으로 수직관을 분기해 각 방열기에 연결하는 방식을 하향식 배관법이라 한다.

온수가 위에서 아래로 자연스럽게 흐르며 공급되는 구조로, 아래에서 위로 올려 보내는 상향식과 대비된다.

기둥형 주철제 방열기는 벽면 복사열을 고르게 확보하고 대류가 원활하도록 벽과 50~60 mm 정도의 간격을 두고 설치한다.

간격이 너무 좁으면 대류가 방해받고, 너무 넓으면 방열 효율과 공간 활용이 떨어진다.

보일러 설치검사기준상 보일러실 내에 연료를 저장할 때에는 화재 위험을 줄이기 위해 보일러 외측으로부터 2 m 이상 거리를 두거나 반격벽으로 격리하도록 하고 있다.

다만 세부 수치와 예외(소형보일러 등)는 개정될 수 있으므로, 실제 적용 시에는 현행 에너지이용 합리화법령 및 검사기준을 확인해야 한다.

유리수면계는 원칙적으로 2개 이상 설치해야 하지만, 소형 관류보일러는 구조상 예외적으로 1개만 설치해도 된다.

동체 안지름이나 사용압력에 따른 예외, 원격지시 수면계 병설에 따른 완화 규정은 소형 관류보일러의 경우와는 별개의 조건이다.

보일러 계속사용검사 중 운전성능 검사 시 각 측정값은 10분마다 1회 이상 측정하도록 정하고 있다.

다만 이는 이 문제가 출제될 당시 시행되던 검사기준을 전제로 한 수치이며, 현재 적용 여부는 최신 에너지이용 합리화법령 및 검사기준을 확인해야 한다.

강철제 증기보일러는 최고사용압력이 $0.43\ \mathrm{MPa}$를 초과하고 $1.5\ \mathrm{MPa}$ 이하인 경우, 수압시험압력을 최고사용압력의 1.3배에 0.3 MPa를 더한 값으로 정한다.

$0.6 \times 1.3 + 0.3 = 1.08\ \mathrm{MPa}$

따라서 수압시험 압력은 약 $1.08\ \mathrm{MPa}(10.8\ \mathrm{kg/cm^2})$가 된다.

압력계에 연결하는 증기관을 강관으로 시공할 때는 보일러 설치기준상 안지름 12.7 mm 이상으로 하도록 정하고 있다.

관이 너무 가늘면 응축수를 채워 두는 사이펀관 기능과 압력 전달이 불안정해질 수 있어 최소 안지름을 규정한다(동관·황동관을 쓰는 경우에는 더 작은 안지름이 허용된다).

급수량계, 수면계(수위계), 증기 드럼의 압력계는 보일러 운전 중 상시 확인해야 하는 계기들이다.

반면 매연 농도계는 배출가스의 매연 상태를 정기적으로 점검하는 항목으로, 운전 중 항상 지켜봐야 하는 작동상황 확인 사항과는 성격이 다르다.

저압보일러에서 관수 중 용존산소를 제거해 부식을 막기 위해 사용하는 대표적인 약품은 아황산나트륨이다.

고압보일러에서는 주로 히드라진을 탈산소제로 쓰지만, 저압보일러에서는 아황산나트륨이 널리 쓰인다는 점에서 구분된다.

탄닌, 인산나트륨, 전분은 각각 방청·경도 성분 처리·슬러지 조정 등 다른 목적의 청관제다.

유류연소 버너에서 연료(기름)의 예열온도가 지나치게 높으면 기름이 국부적으로 열분해되어 버너 화구(노즐 선단)에 탄화물이 축적되는 현상이 나타난다.

예열온도가 반대로 너무 낮으면 무화가 나빠져 점화불량·불완전연소가 생기므로, 점화불량은 과열이 아니라 저온 쪽에서 나타나는 증상이다.

염산(HCl)은 보일러 스케일 제거에 널리 사용되는 화학약품인데, 물에 대한 용해도가 매우 높다는 점이 오히려 큰 장점이다. 따라서 "물에 대한 용해도가 낮다"는 명백히 잘못된 설명이다.

염산은 물과 모든 비율로 혼합되며, 이러한 높은 용해도 덕분에 스케일 제거 용액을 균일하게 제조할 수 있고 농도 조절이 용이하다.

반면 위험성이 적고 취급이 용이한 점, 탁월한 스케일 용해 능력(특히 칼슘, 마그네슘 염 제거), 다양한 부식억제제 조합 가능성은 모두 염산 세관의 실제 특징이다.

보일러 세관작업 시 염산만으로는 잘 녹지 않는 규산염 스케일을 녹이기 위한 용해촉진제로 불화수소산(불산)을 사용한다.

탄산소다, 히드라진, 암모니아는 각각 알칼리 세정·탈산소·pH 조정 등 다른 용도로 쓰이는 약품이다.

보일러 급수는 부식과 스케일 생성을 함께 억제할 수 있도록 약알칼리성 수준으로 관리하는 것이 가장 적합하다.

강알칼리성이나 산성 쪽으로 치우치면 각각 가성취화나 부식을 촉진할 수 있어 피해야 한다.

수관이 파열되어 보일러 수위가 낮아지는 비상 상황에서는 연도 댐퍼를 오히려 열어 두어야 한다.

연료 공급 차단, 증기 취출 중단, 연소용 공기 공급 중단은 모두 노내 연소를 멈추고 보일러에 가해지는 열부하를 줄이기 위한 정상적인 긴급조치이다.

반면 댐퍼를 닫으면 노내에 잔류한 고온가스와 열기가 빠져나가지 못해 과열이 지속되므로, 잔열 배출을 위해 댐퍼는 열어 통풍을 유지해야 한다.

연소가스 성분 중 이산화탄소(CO₂)는 다른 성분에 비해 인체에 미치는 해독이 가장 적다.

• 아황산가스(SO₂)는 호흡기 점막을 자극하는 유독가스이다.
• 이산화질소(NO₂)는 폐 손상을 일으키는 유독가스이다.
• 일산화탄소(CO)는 헤모글로빈과 결합해 산소 운반을 막는 맹독성 가스이다.

CO₂는 다량 흡입 시 질식 위험은 있으나 위 세 가스와 같은 직접적인 독성은 상대적으로 작다.

수저분출장치는 보일러수 중의 슬러지·침전물을 배출해 수질을 관리하는 장치로, 이상 상태를 감지·차단하는 안전장치와는 목적이 다르다.

가용전, 고저수위경보기, 플레임 아이는 각각 이상고온, 저수위, 실화(불꽃 소멸)를 감지해 사고를 방지하는 대표적인 안전장치이다.

소다 끓이기(알칼리 세관)는 신설 보일러나 대수리 후 내부에 남은 유지분·녹을 제거하기 위한 작업으로, 장기간 정지 후 재가동 조치와는 무관하다.

장기간 정지 보일러를 재가동할 때는 본체 외부 점검, 수압시험, 부속품·부속장치 정비를 통해 그동안의 부식·손상 여부와 기밀 상태를 확인하는 것이 우선이다.

안전관리의 기본 목적은 인간 존중, 즉 인명과 신체의 안전을 최우선으로 지키는 데 있다.

생산성 향상이나 고용 증대, 사회복지 증진은 안전관리가 결과적으로 기여할 수 있는 부수적 효과일 뿐, 안전관리 자체의 근본 목적은 아니다.

분출량은 $\dfrac{\text{급수량} \times \text{급수 중 고형분 농도}}{\text{보일러수 허용 고형분 농도} - \text{급수 중 고형분 농도}}$로 구한다.

수치를 대입하면 $\dfrac{7000 \times 50}{450 - 50} = \dfrac{350000}{400} = 875$ 이다.

따라서 1일 분출량은 875 ℓ이다.

수면계 유리는 기계적 응력이 반복되거나 노화될 때 쉽게 파손된다.

• 유리관 상하 콕의 중심이 어긋나면 유리에 비틀림 응력이 가해져 파손된다.
• 장기간 사용으로 유리가 노화되면 내구성이 약해져 파손되기 쉽다.
• 상하 콕의 너트를 과도하게 조이면 유리에 국부적인 압박 응력이 걸려 파손된다.

이러한 기계적 응력·노화 요인들과 달리, 증기 압력을 갑자기 올린 것은 유리 파손 원인과 가장 거리가 먼 항목으로 구분된다.

온수난방은 물의 현열(감열)을 이용하는 방식이며, 온도조절이 오히려 용이하다는 점에서 위 설명은 틀렸다.

물의 잠열을 이용하는 것은 증기난방의 특징이고, 온수난방은 온수 온도를 조절해 방열량을 세밀하게 조정할 수 있다.

예열시간이 길고 열용량이 큰 점, 방열기 표면온도가 낮아 화상 위험이 적은 점은 온수난방의 실제 특징으로 옳다.

수압시험은 보일러 본체의 강도와 이음부의 기밀성을 확인하는 시험으로, 스케일 부착이나 침전물 퇴적 상황 조사와는 목적이 다르다.

구조상 검사가 곤란한 부분의 이상 유무 조사, 설계구조의 양부 판단, 이음부의 누설 유무 조사는 모두 수압시험의 실제 목적에 해당한다.

스케일·침전물 상황은 통상 개방 후 육안검사 등 다른 점검 방법으로 확인한다.

수격현상(water hammer)은 증기 속에 섞인 물방울이 고속으로 이송되다가 배관 내벽에 충돌하면서 충격음과 진동을 일으키는 현상이다.

배관 내 공기 정체나 이물질에 의한 부식은 수격현상과는 별개의 현상이며, 단순히 증기 중 수분 함량이 많은 상태 자체를 수격현상이라 부르지는 않는다.

보일러 강도 부족으로 인한 파열은 주로 재료·시공·부식 결함에서 비롯되며, 캐리오버는 이와 직접 관련이 없다.

캐리오버는 증기와 함께 보일러수의 물방울·불순물이 배관으로 넘어가는 현상으로, 프라이밍·포밍 등과 함께 수질·부하 관리 문제에 해당한다.

사용 중 부식, 재료 불량, 용접 불량은 모두 보일러 강도를 저하시켜 파열로 이어질 수 있는 직접적인 원인이다.

가스 연소용 보일러의 안전장치는 이상 연소나 실화를 감지해 연료 공급을 차단하는 장치로, 이젝터는 여기에 해당하지 않는다.

이젝터는 유체의 흐름을 이용해 다른 유체를 흡입·이송하는 장치로, 안전을 직접 감시·차단하는 기능이 없다.

압력스위치, 화염검출기, 안전 차단밸브는 각각 이상압력, 실화, 이상 시 연료 차단을 담당하는 실제 안전장치이다.

프레임 아이는 불꽃의 직사광을 직접 검출해야 화염 유무를 판단할 수 있으므로, 불꽃의 중심을 향하도록 설치해야 한다.

따라서 "불꽃의 중심을 향하지 않도록 설치한다"는 설명은 틀린 내용이다.

프레임 아이 주위 온도 관리, 광전관식 렌즈의 주기적 청소, 프레임 로드의 소손 주의·청소는 모두 실제 화염검출장치 보수·점검 요령으로 옳다.

보일러 산세관(산세정) 작업 시 금속 모재의 부식을 막기 위해 인히비터(부식억제제)를 산액에 첨가한다.

탄산소다·인산소다는 보일러수의 알칼리도 조정이나 경도 성분 처리에 쓰이는 청관제이고, 히드라진은 급수 중 용존산소를 제거하는 탈산소제로, 산세관의 부식억제제와는 용도가 다르다.

검사대상기기의 계속사용검사 신청서는 에너지이용 합리화법 시행규칙에 따라 검사유효기간 만료 10일 전까지 제출해야 한다.

계속사용검사는 검사유효기간이 끝난 뒤에도 기기를 계속 사용하려 할 때 받는 검사이므로, 기간이 끊기지 않도록 만료 전에 미리 신청하도록 정해 둔 것이다.

검사에 합격하지 않은 검사대상기기를 사용한 자는 에너지이용 합리화법 벌칙 규정에 따라 1년 이하의 징역 또는 1천만원 이하의 벌금에 처해진다.

검사대상기기는 검사에 합격해야 사용할 수 있고, 이를 어긴 사용 행위는 단순 과태료가 아니라 징역형까지 가능한 형사벌의 대상이라는 점이 핵심이다.

검사대상기기의 조종(취급) 자격은 보일러의 운전·취급 능력을 평가하는 자격 체계로 정해져 있으며, 열관리기사·열관리산업기사·보일러취급기능사가 여기에 속한다.

반면 보일러시공기능사는 보일러의 설치·배관 등 시공 기능을 평가하는 자격으로, 검사대상기기 조종 자격에는 포함되지 않는다.

참고로 같은 조종 자격이라도 기사·산업기사급과 기능사급은 조종할 수 있는 기기의 용량 범위에 차이가 있다.

특정열사용기자재 중에서도 온수를 발생시키는 대기 개방형 보일러, 축열식 전기보일러, 가스사용량이 기준 이하인 소형온수보일러는 검사대상기기에서 제외된다.

강철제·주철제 보일러도 최고사용압력이 0.1 MPa 이하이면서 전열면적이나 동체 치수가 작은 소용량인 경우에만 제외 대상이 된다.

따라서 최고사용압력 0.2 MPa인 주철제 보일러는 제외 기준을 벗어나므로 검사대상기기에 해당한다.

에너지사용량이 기준량 이상인 에너지 다소비 사업자는 매년 1월 31일까지 전년도 제품 생산량, 당해연도 에너지 사용예정량, 에너지사용기자재 현황 등을 신고해야 한다.

신고 대상은 에너지 사용 실태와 사용 계획을 파악하기 위한 항목들이며, 회사의 수입·지출을 나타내는 수지계산서는 여기에 포함되지 않는다.

에너지이용 합리화법의 목적은 에너지 수급 안정, 에너지의 효율적 이용 증진, 에너지 소비로 인한 환경피해 감소 등을 통해 국민경제의 건전한 발전과 국민복지 증진에 이바지하는 데 있다.

에너지원의 개발촉진은 신재생에너지 관련 법 등 다른 법의 목적 영역에 해당하며, 에너지이용 합리화법의 기본 목적과는 거리가 멀다.