02년 3회차

건포화증기의 엔탈피에서 포화수(포화액)의 엔탈피를 뺀 값은 물이 액체에서 증기로 상변화하는 데 필요한 열량, 즉 증발잠열이다.

액체의 현열은 포화수의 엔탈피 자체(물을 포화온도까지 데우는 데 드는 열량)를 가리키므로 이 문제의 차값과는 다르다.

1기압(atm) 하에서 물의 건포화증기 엔탈피는 약 639 kcal/kg이다.

이는 0℃ 물을 100℃까지 데우는 현열(약 100 kcal/kg)에 100℃에서의 증발잠열(약 539 kcal/kg)을 더한 값에 해당한다.

0℃, 1기압에서 물을 이론적으로 끌어올릴 수 있는 높이는 대기압을 수주(水柱)로 환산한 값으로, 약 10 m(정확히는 약 10.33 m)이다.

이는 수은주 760 mmHg에 해당하는 압력을 물기둥 높이로 바꾼 값이다.

노통 내부에 가로로 설치하는 갤로웨이관은 전열면적을 늘리면서 보일러수의 순환을 촉진하고, 동시에 노통의 강도를 보강하는 부속장치이다.

스테이는 평판부를 보강하는 버팀이고, 맨홀은 보일러 내부 점검용 출입구, 마구리판은 동체 양쪽 끝을 막는 판이므로 전열면적 증가나 순환 촉진과는 관계가 없다.

주철제 보일러는 섹션 단위로 조립되므로 섹션 수를 가감하여 용량을 쉽게 조절할 수 있다.

• 내식성이 좋아 부식에는 비교적 강한 편이다.
• 주철 재질 특성상 고압·대용량에는 적합하지 않다.
• 주철은 인장과 충격에는 취약한 재질이다.

공기예열기는 연소용 공기를 예열해 공급하는 장치로, 연도에 설치되어 통풍저항을 오히려 증가시키므로 통풍력을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 통풍저항이 감소해 통풍력이 커진다는 설명이 이점이 아닌 것에 해당한다.

연소실 온도 상승, 열효율 향상, 연소효율 증대는 모두 공기예열기 사용의 실제 이점이다.

터빈펌프는 고속회전에 적합한 원심펌프이므로, 저속회전에 적합하고 소형·경량이라는 설명은 터빈펌프의 특징과 맞지 않는다.

효율이 높고 안정된 성능, 간단한 구조로 취급이 쉬운 점, 토출 흐름이 고르고 조용한 운전 상태는 모두 터빈펌프의 실제 특징이다.

보일러에 가장 널리 쓰이는 안전밸브는 스프링식 안전밸브이다.

스프링의 탄성력으로 밸브를 눌러 두었다가 증기압력이 설정압을 넘으면 자동으로 열려 증기를 분출시키는 구조로, 구조가 간단하고 취급이 용이해 소형에서 대형 보일러까지 널리 적용된다.

유류용 보일러에서 배기가스 온도가 지나치게 낮으면 저온부식(황산 응축)이 발생하고, 지나치게 높으면 열손실이 커지므로 통상 210 ℃ ~ 300 ℃ 범위를 적정 온도로 본다.

150 ℃ 이하로 낮추면 저온부식 위험이 커지고, 350 ℃ 이상은 배기열 손실이 과다해져 열효율이 떨어진다.

인젝터는 증기의 분사력으로 급수를 밀어 넣는 장치로, 구조가 간단해 소형 저압 보일러의 예비 급수장치로 쓰이지만 양수 효율 자체는 높지 않다.

설치 공간을 적게 차지하고 급수를 예열하는 효과가 있으며 가격이 저렴한 것은 인젝터의 실제 장점이므로, 양수 효율이 높다는 설명이 틀린 내용이다.

1보일러마력(BHP)은 8,435 kcal/h에 해당한다.

이는 100 ℃ 물 15.65 kg을 1시간 동안 같은 온도의 증기로 증발시키는 데 필요한 열량을 기준으로 정의된 값이다.

보일러 열효율은 $\dfrac{\text{공급열량}-\text{손실열량}}{\text{공급열량}}\times100\%$로 계산한다.

연료가 가진 전체 공급열량 중에서 배기가스·방열 등으로 빠져나간 손실열량을 뺀 나머지가 유효하게 이용된 열량이며, 이를 공급열량 대비 비율로 나타낸 것이 열효율이다.

연료소비량은 실제증발량이 흡수한 열량을 보일러 효율과 연료 저위발열량으로 나누어 구한다.

$\text{연료소비량}=\dfrac{G_a(h_2-h_1)}{\eta \times H_l}$

발생증기 엔탈피 656 kcal/kg에서 급수온도에 해당하는 56 kcal/kg을 빼면 흡수열량은 kg당 600 kcal이므로, $\dfrac{5000\times600}{0.85\times9750}\approx362\ \mathrm{kg/h}$가 된다.

상당증발량은 실제증발량이 흡수한 전열량을 100 ℃ 포화수를 100 ℃ 증기로 바꾸는 데 필요한 열량으로 나눈 값으로 정의된다.

이는 서로 다른 온도·압력 조건에서 발생한 증기를 같은 기준으로 환산해 비교하기 위한 지표이다.

과잉공기량을 늘리면 연소에 쓰이고 남은 산소(O2)가 배기가스 중에 더 많이 남아 그 비율이 증가한다.

반면 CO2는 과잉공기가 많아질수록 배기가스가 희석되어 비율이 낮아지고, SO2 역시 연료 중 황분에 의해 생성량이 정해지므로 가스량이 늘면 농도는 오히려 묽어진다. 연소가 충분해지므로 불완전연소 생성물인 CO도 줄어드는 경향을 보인다.

연료의 고위발열량에서 저위발열량을 뺀 값은 연소 시 생성된 수증기가 응축될 때 방출하는 잠열에 해당한다.

고위발열량은 연소가스 중 수증기가 응축되어 물로 될 때의 잠열까지 포함한 값이고, 저위발열량은 이 잠열을 제외한 값이므로 두 값의 차가 곧 물의 증발잠열이다.

전기식 집진장치의 대표적인 예는 코트렐 집진기(전기집진기)이다.

스크루버·백필터·사이클론 집진기는 각각 세정식, 여과식, 원심력식 집진 방식으로 전기적인 힘을 이용하지 않는다.

실제공기량은 이론공기량에 공기비를 곱한 값으로 구한다.

$A=m\times A_0=1.4\times10.5=14.7\ \mathrm{Nm^3/kg}\text{-연료}$

편차가 변화하는 속도에 비례하여 조작량을 결정하는 제어동작은 미분동작(D동작)이다.

편차의 급격한 변화에 신속히 대응해 진동을 억제하는 데 효과적이며, 통상 비례동작·적분동작과 조합해 PID 제어로 사용된다.

제시된 물질 중 단위 중량당 발열량이 가장 큰 것은 수소이다.

수소는 분자량이 작고 연소 시 발생하는 열량이 커서 무게당 발열량이 메탄·에틸렌·일산화탄소보다 월등히 높다.

전열면적은 한쪽에는 연소가스(고온측)가 닿고 다른 한쪽에는 물이 닿는 면의 면적을 말한다.

이 면을 통해 연소가스의 열이 보일러수로 전달되므로, 전열면적이 클수록 열교환이 활발해져 증기 발생 능력이 커진다.

액체연료의 기화연소 방식에는 포트형, 심지형, 웰프레임형(월플레임식) 등이 있으며, 펌프형은 이에 해당하지 않는다.

펌프형은 연료를 가압하여 분사시키는 무화연소 방식에 속하므로, 연료를 미리 기화시켜 연소시키는 기화연소 방식과는 원리가 다르다.

제시된 기체연료 중 메탄(CH4) 함유 비율이 가장 높은 것은 천연가스이다.

천연가스는 대부분 메탄으로 구성되어 있는 반면, 프로판가스·부탄가스는 각각 프로판·부탄이 주성분이고 석탄가스는 수소·일산화탄소 등이 상당 비중을 차지한다.

게이지 압력은 대기압을 기준(0)으로 잰 압력이고, 절대압력은 완전진공을 기준으로 잰 압력이므로 두 압력의 차는 대기압이다.

$P_{abs}=P_{gauge}+P_{atm}$ 관계에서 알 수 있듯이, 절대압력에서 게이지압력을 빼면 대기압이 남는다.

수관보일러에 기수분리기를 설치하는 목적은 발생한 증기 속에 섞여 나오는 물방울을 제거해 증기의 건조도를 높이기 위해서이다.

습증기 상태로 증기가 배출되면 배관 부식이나 증기 사용설비의 효율 저하를 일으킬 수 있으므로, 기수분리기로 수분을 분리해 건조증기에 가깝게 만든다.

제어 결과가 다시 입력 쪽으로 돌아와 다음 동작에 영향을 주는, 즉 블록선도가 폐회로로 구성되는 자동제어 방식은 피드백제어이다.

시퀀스제어는 정해진 순서에 따라 개회로로 진행되는 제어이고, 인터록은 안전을 위해 조건이 맞지 않으면 다음 동작을 저지하는 장치이므로 결과가 원인이 되는 폐회로 구조와는 다르다.

공기식 신호전달은 압축공기를 매체로 사용하는 방식으로, 공기의 압축성 때문에 신호전달에 지연이 발생한다. 1번은 공기식이 전기식과 달리 폭발·화재 위험이 없다는 장점이 맞고, 2번은 배관 설치가 간단하고 경제적이라는 장점이 맞으며, 4번은 공기가 산화하지 않아 보존성이 우수하다는 장점이 맞다. 반면 3번은 공기가 압축·팽창되면서 응답시간이 느리고, 장거리 전달 시 신호지연이 발생하므로 공기식의 단점이다. 따라서 잘못된 것은 3번이다.

폐열회수장치가 없는 경우, 배기가스 온도는 보일러 전열면의 최종 출구에서 측정하는 것을 기준으로 한다.

연돌 출구나 연돌 내부는 외기 유입 등으로 온도가 낮아져 실제 보일러 성능을 반영하지 못하므로 측정 위치로 적절하지 않다.

이는 출제 당시(2002년) 보일러 설치·시공 및 검사기준에 따른 내용이다.

강철제 증기보일러의 수압시험압력은 최고사용압력이 0.43 MPa(약 4.3 kg/cm²) 이하인 경우 최고사용압력의 2배로 한다.

최고사용압력이 2.5 kg/cm²이므로 수압시험압력은 $2.5\times2=5\ \mathrm{kg/cm^2}$가 된다.

이는 출제 당시(2002년) 검사기준에 따른 수치이다.

전열면적 20 m² 이상인 온수발생 강철제 보일러는 방출관 안지름을 50 mm 이상으로 하는 것이 출제 당시(2002년) 검사기준이었다.

전열면적이 커질수록 팽창압력을 안전하게 방출할 수 있도록 방출관 지름도 커지도록 규정되어 있었다.

보온재 중 내열성과 절연 효과가 뛰어나지만 발암성(폐암·석면폐증 등) 문제로 사용이 규제된 것은 석면이다.

우레탄 폼, 펠트, 그라스 울은 모두 현재도 사용되는 보온재로, 석면과 같은 발암 위험으로 사용이 규제되지는 않는다.

보일러의 안전저수위는 유리수면계의 최하부 위치와 일치시킨다.

수위가 이 지점 아래로 내려가면 보일러 안전에 심각한 위험이 되므로, 유리관 최하부를 기준으로 저수위 경보·차단장치가 작동하도록 설정한다.

보일러 가동 중에는 화염 상태와 수위를 가장 빈번하게 점검해야 한다.

화염 이상이나 저수위는 곧바로 보일러 사고로 이어질 수 있는 위험 요소이므로 상시 감시가 필요한 반면, 급수의 pH·스케일 부착상태·연료유 예열상태는 상대적으로 주기적인 점검으로 충분하다.

버너가 2개 이상인 보일러에서는 동시에 점화하지 않고 순차적으로 점화해야 하므로, 동시 점화한다는 설명은 잘못된 내용이다.

노내 통풍압을 먼저 조절하고, 프리퍼지로 노내 가연성 가스를 배출한 뒤 점화하며, 점화 후 정상 연소 여부를 확인하는 것은 모두 올바른 점화 절차이다.

보일러수는 스케일 생성과 부식을 함께 억제할 수 있도록 약알칼리성으로 유지하는 것이 가장 적합하다.

산성이면 금속 부식이 촉진되고, 강알칼리성이면 가성취화 등 다른 부식 문제를 일으킬 수 있어 약알칼리 범위가 권장된다.

매연은 연료가 불완전연소할 때 생기므로, 연소실 과열은 오히려 완전연소를 돕는 조건이라 매연 발생 원인과는 거리가 멀다.

연소용 공기 공급 부족, 연소실 용적 과소, 연료 중 불순물 혼입은 모두 불완전연소를 유발해 매연 발생의 실제 원인이 된다.

매연 발생을 막으려면 연소실 온도를 높이고 연료·공기를 예열해 완전연소를 돕는 것이 중요하며, 배기가스 온도를 낮추는 것은 열손실을 줄이기 위한 조치일 뿐 매연 발생 방지와는 직접 관련이 없다.

연소실 내 온도 상승, 공기 예열, 연료 예열은 모두 연소를 원활하게 하여 매연을 줄이는 실제 방법이다.

기름 연소 보일러를 수동으로 점화할 때 5초 이내에 점화되지 않으면, 불씨를 제거하고 처음 단계부터 다시 점화 조작을 시작해야 한다.

연료나 분무용 증기·공기를 더 공급하며 억지로 점화를 시도하면 미연소 연료가 노내에 쌓여 폭발 위험이 커지므로, 일단 중단하고 재점화 절차를 새로 밟는 것이 안전하다.

보일러의 고온부식은 연료 중 바나듐 화합물 등이 전열면에 부착해 저융점 화합물을 만들면서 발생하므로, 첨가제로는 주로 산화마그네슘·알루미나 계열 물질을 사용해 부착물의 융점을 높이는 방법이 쓰인다.

황산나트륨을 사용해 부착물 상태를 바꾼다는 설명은 실제 고온부식 방지 방법과 맞지 않는다.

연료 전처리로 바나듐을 제거하고, 과잉공기를 줄이며, 전열면 표면온도가 지나치게 높아지지 않도록 하는 것은 모두 올바른 고온부식 방지 방법이다.

연소가스 성분 중 이산화탄소(CO₂)는 인체에 미치는 직접적인 독성이 가장 낮은 편에 속한다.

반면 SO₂·NO₂는 호흡기 점막을 자극하는 유해가스이고, CO(일산화탄소)는 헤모글로빈과 결합해 산소 운반을 방해하는 맹독성 가스이므로 인체 위해성이 CO₂보다 훨씬 크다.

고압보일러 내부의 압력은 액체(물)가 기체(증기)로 상변화하면서 부피가 급격히 팽창하기 때문에 발생한다.

수두, 연료 사용량, 화학변화 자체보다 이 상변화에 따른 부피 팽창이 압력 발생의 근본 원인이며, 이 때문에 고압보일러는 압력용기로 취급되어 엄격한 안전관리를 받는다.

보일러 수압시험에서는 시험수압이 규정된 압력의 6 % 이상을 초과하지 않도록 관리하여야 한다.

수압시험은 규정 압력을 정확히 유지한 상태에서 누설·변형 여부를 확인하는 시험이므로, 압력을 필요 이상으로 높이면 오히려 재료에 무리를 주어 시험 자체가 기기 손상의 원인이 될 수 있다.

보일러수 중 수산화나트륨(NaOH, 가성소다) 농도가 높아지면 금속 결정립계에 침투해 가성취화(caustic embrittlement)를 일으킨다.

염화나트륨·염화마그네슘·탄산마그네슘은 주로 스케일이나 부식의 원인이 될 뿐 가성취화의 직접적 원인은 아니다.

인젝터의 작동 불량은 급수온도 과다 상승, 증기 중 수분 과다, 흡입관로의 공기 누입 등으로 발생하며, 이런 경우 증기와 급수가 충분히 응축·혼합되지 못해 흡입력이 떨어진다.

반대로 인젝터가 냉각된 상태는 오히려 정상 작동에 유리한 조건이므로 작동 불량의 원인에 해당하지 않는다.

탄소(C)가 산소와 완전히 반응하면 $C + O_2 = CO_2$ 반응식에 따라 이산화탄소가 생성된다.

탄소 1분자가 산소 분자 1개와 결합해 이산화탄소 1분자를 만드는 것이 완전연소의 기본 반응식이며, 산소가 부족하면 CO(불완전연소)가 생성된다.

태양열 보일러(태양열 온수·난방 시스템)의 핵심 구성요소는 태양열을 모으는 집열기(집열부), 모은 열을 저장하는 축열부, 저장된 열을 실제로 쓰는 이용부의 세 가지이다.

부대설비는 배관·펌프·제어기기 등 보조적 설비를 통칭하는 개념으로, 태양열 시스템의 핵심 3대 구성요소에는 포함되지 않는다.

용수 중 탄산염은 가열 시 분해되어 슬러지를, 모래 등 부유물은 침전물·퇴적물을 만들며, 알칼리분이 과다하면 가성취화를 일으킨다 — 이 세 연결은 모두 옳은 설명이다.

반면 아질산가스는 관석(스케일) 생성과 직접 관련된 불순물이 아니며, 관석은 주로 칼슘·마그네슘 등 경도 성분이 원인이므로 이 연결이 잘못된 조합이다.

보일러에서 사용하는 대표적 압력계는 탄성식인 부르돈관 압력계, 벨로즈 압력계, 다이아프램 압력계이며, 각각 관·주름통·박판의 탄성변형을 이용해 압력을 지시한다.

'유니버셜 압력계'는 이러한 표준 압력계 분류에 속하지 않는 명칭이다.

보일러는 운전 중 진동·팽창에도 안전하도록 기초 위에 견고히 고정하여 설치해야 하므로, 바닥에 고정시키지 않는다는 설명은 옳지 않다.

• 기초가 약해 내려앉거나 갈라지지 않아야 한다는 것은 옳은 설치기준이다.
• 강 구조물의 접지 및 부식 방지 조치는 옳은 설치기준이다.
• 사용압력이 최고사용압력을 초과하지 않도록 설치한다는 것도 옳은 설치기준이다.

스케일 부착 방지에는 전처리된 용수 사용, 청관제 투입, 적절한 관수 분출(블로다운)이 효과적이다.

반면 응축수는 이미 불순물이 걸러진 순수한 물이므로 보일러수로 재사용하는 것이 오히려 스케일 방지와 열효율 향상에 유리하며, 재사용하지 않는다는 것은 스케일 방지 대책과는 거리가 멀다.

방열기의 방열량은 $Q = K \times (t_m - t_r)$ 로 구하며, 여기서 $t_m$은 온수의 평균온도, $t_r$은 실내온도, $K$는 방열계수이다.

온수의 평균온도는 $t_m = \dfrac{92+74}{2} = 83\ ^{\circ}\mathrm{C}$ 이므로, 방열량은 $Q = 7.26 \times (83-18) = 7.26 \times 65 = 471.9\ \mathrm{kcal/m^2 \cdot h}$ 로 계산된다.

보일러 가동을 정지한 뒤 연소실에 남은 미연소가스나 누설가스를 밖으로 배출시키는 작업을 포스트퍼지(post-purge)라 한다.

반대로 점화 전 노 내의 가연성가스를 미리 배출시키는 작업은 프리퍼지(pre-purge)이며, 페일 세이프와 풀 프루프는 안전설계 개념으로 이 작업과는 관계가 없다.

동관을 은납 등으로 접합하는 방법을 경납접합(brazing)이라 하며, 방사난방 코일과 같이 높은 접합강도와 내열성이 필요한 배관에 주로 사용된다.

연납접합은 상대적으로 낮은 온도에서 납땜하는 방식이고, 플레어접합·타이톤접합은 기계적 이음 방식으로 브레이징과는 다른 접합법이다.

보일러 건조 보존 시 내부에 넣는 건조제는 수분을 흡수하여 부식을 방지하는 물질이어야 한다. 1번 생석회(CaO)는 강한 흡습성으로 보일러 내부의 수분을 흡수하는 표준 건조제이고, 3번 실리카겔과 4번 활성알루미나는 모두 물리적 흡착을 통해 습기를 제거하는 대표적인 건조제다. 반면 2번 염화칼륨(KCl)은 흡습성 물질이 아니라 이미 습한 환경에서 자체가 수분을 흡수하여 결정수를 형성하는 특성이 있어, 건조제로서의 역할을 하지 못한다.

검사대상기기 조종자의 선임·해임·퇴직 신고는 에너지관리공단 이사장에게 하도록 되어 있었다(출제 당시 법령 기준).

당시 에너지이용 합리화법령상 검사대상기기 관련 행정 업무는 소관 위탁기관에서 처리되었으며, 산업자원부장관이나 건설교통부장관에게 직접 신고하는 사항이 아니었다.

검사대상기기의 설치자가 변경된 경우, 새로 설치자가 된 자는 변경된 날부터 15일 이내에 신고하여야 한다.

검사대상기기는 설치자가 바뀌면 검사와 관리의 책임 주체도 함께 바뀌므로, 짧은 기한 안에 신고하도록 정하여 관리 공백이 생기지 않게 한 것이다.

검사대상기기에는 보일러(용량 기준 이상), 압력용기(1종·2종), 철금속가열로 등이 포함되며, 이 중 제2종 압력용기가 검사대상기기에 해당한다.

태양열 집열기, 구멍탄용 온수보일러, 축열식 전기보일러는 소형·저압 기기로 분류되어 검사대상기기에서 제외되는 대표적인 예이다(출제 당시 법령 기준).

검사대상기기의 검사를 받지 아니한 자가 1년 이하의 징역 또는 1천만원 이하의 벌금에 해당한다.

나머지는 벌칙 수위가 다르다. 에너지사용의 제한·금지 조치 등에 위반한 자는 이보다 무거운 벌칙이 적용되고, 효율관리기자재의 소비효율 측정을 받지 않은 제조업자·수입업자는 벌금형만 규정되어 있으며, 검사대상기기 조종자를 선임하지 아니한 자도 징역형 없이 벌금형이 적용된다.

연간 에너지사용량이 2천 티오이(TOE) 이상인 자는 에너지다소비사업자로서 에너지사용량 등을 신고하여야 한다.

여기서 에너지사용량은 열·연료·전력량을 석유환산톤(TOE)으로 합산한 값이며, 이 기준 이상이면 매년 사용량과 사용시설 현황 등을 신고할 의무가 생긴다.