02년 2회차

습포화증기의 건조도(X)는 전체 증기 중 실제 기체(증기) 상태의 질량비를 나타내며, $X=1$일 때는 수분이 전혀 섞이지 않은 완전한 건포화증기 상태를 의미한다.

X값이 0에 가까울수록 액체(물)의 비율이 높아 습도가 큰 증기이므로, 건조도가 가장 높은 것은 $X=1$인 경우이다.

보일러 드럼을 원통형으로 만드는 가장 큰 이유는 내부 압력에 대한 강도 확보이다.

원통 형상은 동일한 두께의 재료로 내부 압력을 균등하게 분산시켜 응력 집중을 줄이므로, 사각형 등 다른 형상보다 압력용기로서 구조적으로 유리하다.

노통연관식 보일러는 연소실(노통)이 보일러 동체(드럼) 내부에 위치하는 내분식 보일러의 대표적인 형식이다.

바브콕 보일러는 수관식 보일러에 속하며, 노통연관식은 연소실을 내화벽돌로 별도로 쌓지 않고 강판으로 만든 노통을 동체 안에 넣는 구조이다.

공기예열기는 배기가스의 폐열을 회수해 연소용 공기를 예열함으로써 열효율을 향상시키고, 적은 공기비로도 완전연소가 가능하게 하며, 연소실 온도도 높이는 효과가 있다.

다만 가스 통로와 전열면이 늘어나 오히려 통풍저항이 커지는 단점이 있으므로, 통풍저항이 작아진다는 설명은 옳지 않다.

인젝터는 증기의 운동에너지로 급수를 밀어 넣는 장치로, 급수 온도가 높으면 증기와 급수가 만나 응축되는 힘이 약해져 기능이 저하된다.

• 수면계 고장으로 보일러 물이 낮아진 것은 인젝터 자체의 작동원리와는 별개의 문제다.
• 급수 처리를 하지 않은 것은 수질 문제로 스케일·부식에 영향을 줄 뿐 인젝터 기능저하의 직접 원인은 아니다.
• 증기가 건조할수록 오히려 인젝터 작동에는 유리하다.

안전밸브에 작용하는 힘은 압력 × 단면적으로 구한다.

$F = P \times A = 8\ \mathrm{kgf/cm^2} \times 20\ \mathrm{cm^2} = 160\ \mathrm{kgf}$

증기보일러의 효율은 상당증발량을 기준으로 계산하며, 상당증발량에 물의 증발잠열(538.8 kcal/kg)을 곱한 값을 연료소비량과 저위발열량의 곱으로 나누어 백분율로 나타낸다.

$\eta(\%) = \dfrac{\text{상당증발량} \times 538.8}{\text{연료소비량} \times \text{연료의 저위발열량}} \times 100$

연도 및 연돌은 청소·점검이 쉽고 관통부의 절연이 확실해야 하지만, 열량을 많이 흡수하는 구조는 바람직하지 않다.

연도에서 열을 과도하게 흡수하면 배기가스 온도가 낮아져 통풍력이 저하되고 저온부식이나 결로가 발생하기 쉬우므로, 열 흡수가 많은 구조는 오히려 부적합한 조건이다.

통풍력을 크게 하려면 연돌의 높이를 높이거나 단면적을 키우고, 송풍기 용량을 늘리는 방법이 효과적이다.

반면 배기가스 온도를 낮추면 연돌 내외의 온도차(밀도차)가 줄어들어 오히려 통풍력이 약해지므로, 이는 통풍력을 크게 하는 방법이 아니다.

유압분무식 버너의 분무각도는 일반적으로 40°~90° 범위로 설계된다.

분사압력과 노즐 형상에 따라 각도가 달라지지만, 대체로 넓은 범위의 분무각을 형성해 연료를 미립화·확산시키는 것이 특징이다.

보일러 운전 시 발생하는 열손실 중 배기가스에 의한 열손실이 전체 손실 가운데 가장 큰 비중을 차지한다.

미연 탄소분, 복사·전도, 발생증기의 보유열에 의한 손실도 존재하지만, 고온의 배기가스가 그대로 대기로 방출되며 잃는 열량이 가장 크다.

열평형 관계식 $500 \times (90-40) = x \times (40-5)$ 를 이용해 5℃ 물의 양 $x$를 구한다.

$500 \times 50 = x \times 35$
$x = \dfrac{25000}{35} = 714\ \mathrm{kg}$

상당증발량은 실제증발량과 급수·증기의 엔탈피 차를 이용해, 100℃ 포화수를 100℃ 건포화증기로 만드는 데 필요한 열량(539 kcal/kg)으로 환산한 값이다.

$G_e = \dfrac{G(i_2 - i_1)}{539}$ 로 계산하며, 여기서 $G$는 실제증발량, $i_1$·$i_2$는 각각 급수와 발생증기의 엔탈피이다.

건조공기 1kg에 포함된 수증기의 중량(kg)을 절대습도라 한다.

상대습도는 포화 수증기량 대비 실제 수증기량의 비율(%)을 나타내는 개념으로 절대습도와는 다른 지표이다.

보일러 자동제어의 목적은 안전성 확보, 경제성 향상, 운전 편의성 증대에 있다. 1번은 효율적 운전으로 경제적인 증기 생산, 2번은 압력·수위·온도 등을 자동으로 제어하여 안전성 확보, 4번은 운전원 감소로 인건비 절감이라는 자동제어의 목적과 모두 부합한다. 반면 3번은 효율적 운전으로 연료비를 증가시킨다는 표현으로, 자동제어의 진정한 목적인 연료비 절감과 정반대이므로 관계 없는 것이다.

1보일러마력(BHP)을 시간당 발생 열량으로 환산하면 $8435\ \mathrm{kcal/h}$ 에 해당한다.

이는 100℃의 포화수 15.65kg을 100℃ 증기로 증발시키는 데 필요한 열량을 기준으로 정의된 값이다.

기체연료는 공기와의 혼합이 균일하여 적은 과잉공기율로도 완전연소가 가능하다는 점이 특징이다.

따라서 과잉공기가 많아야 완전연소된다는 설명은 기체연료의 특성과 반대되는 잘못된 내용이다.

기체연료는 이 밖에도 연소효율이 높고 매연 발생이 적으며, 점화·소화·연소조절이 쉬운 장점을 가진다.

절대압력은 대기압에 게이지압(압력계 지시압)을 더한 값이다.

$P_{abs} = P_{gauge} + P_{atm} = 13 + 1 = 14$ 기압이 된다.

감압밸브 고압측(1차측)에는 유지보수와 안전을 위해 정지밸브, 압력계, 여과기를 부착한다.

• 정지밸브는 감압밸브 전후 차단을 위해 고압측에 설치한다.
• 압력계는 1차측 압력 확인을 위해 고압측에 부착한다.
• 여과기는 이물질이 감압밸브로 유입되지 않도록 고압측에 설치한다.

반면 안전밸브는 감압 후 저압측 배관의 압력이 이상 상승할 때 이를 방출하기 위한 것이므로 저압측에 설치한다.

흡입통풍(유인통풍)은 연도 끝이나 연돌(굴뚝) 하부에 송풍기(배풍기)를 설치하여 연소가스를 빨아들이는 방식이다.

이 방식은 노 내부가 부압(음압) 상태가 되어 화염이 노 밖으로 새어 나오지 않는 장점이 있다.

완전연소를 위해서는 연료와 공기의 예열, 적정 공기비로의 혼합, 충분한 연소시간 확보가 필요하다.

그러나 연소실 용적을 작게 하면 연소가스의 체류시간이 줄어들어 오히려 불완전연소가 발생하기 쉬우므로, 연소실 용적은 충분히 확보해야 한다.

공기비 m에서 1을 빼고 100을 곱한 $(m-1)\times 100\ \%$ 는 과잉 공기율을 나타낸다.

공기비는 실제공기량을 이론공기량으로 나눈 값 $m=\dfrac{A}{A_0}$ 이므로, m−1은 이론공기량에 대한 남는 공기의 비가 된다. 여기에 100을 곱하면 백분율, 곧 과잉 공기율이다.

과잉 공기량은 비율이 아니라 부피이므로 $A-A_0=(m-1)A_0$ 처럼 이론공기량을 곱해야 얻어진다. 백분율을 만드는 이 식과는 차원 자체가 다르다.

이론공기율이나 실제공기율이라는 표현은 남는 공기의 몫을 가리키는 이 식과 맞지 않는다. 출제 당시(2002년) 기준의 용어다.

가정용 온수보일러의 버너 주안전 제어장치 중 고온차단, 저온점화, 순환펌프 회로 기능이 하나의 제어기에 통합된 것은 컴비네이션 릴레이이다.

스택릴레이는 배기가스 열로 화염 유무를 감지하는 장치이고, 인터널 서모스탯이나 프로텍터 릴레이는 각각 단일 기능(온도감지·이상보호)만을 담당한다는 점에서 여러 기능이 결합된 컴비네이션 릴레이와 구분된다.

과열기에서 증기와 연소가스(열가스)의 흐름 방향이 서로 반대인 형식을 대향류형이라 한다.

흐름 방향이 같은 경우는 병향류형이며, 대향류형은 전열효과가 크지만 국부적인 열응력이 발생하기 쉽다는 특징이 있다.

대기압 하에서 물의 끓는점은 100 ℃이다.

절대온도(켈빈)로 환산하면 $T(\mathrm{K}) = 100 + 273 = 373\ \mathrm{K}$이 된다.

윈드박스, 보염기, 버너타일은 화염을 안정적으로 유지시키는 연소 안정장치에 해당한다.

반면 슈트 블로워는 전열면에 부착된 그을음(매연)을 증기나 공기로 제거하는 매연 제거장치로, 연소 안정과는 직접 관련이 없다.

출력 신호를 입력 측으로 되돌려 비교·수정하는 폐회로 방식의 제어를 피드백 제어라 한다.

시퀀스 제어는 정해진 순서대로 진행되는 개회로 제어이고, 프로세스 제어와 서보 제어는 피드백 제어를 제어량의 종류에 따라 다시 분류한 하위 개념이다.

하트포드 접속법은 저압 증기보일러에서 보일러의 증기관과 환수관 사이를 접속하는 배관법이다.

환수관을 보일러의 안전저수위보다 약간 낮은 위치에서 증기관(균형관)에 연결함으로써, 보일러수가 환수관 쪽으로 빠져나가 저수위 사고가 발생하는 것을 방지한다.

강철제 증기보일러의 수압시험은 규정된 시험수압에 도달한 후 30분이 경과한 다음 검사를 실시한다.

이는 압력을 일정 시간 유지시켜 누설이나 변형 등 이상 유무를 충분히 확인하기 위함이다.

보일러를 옥외에 설치할 때는 빗물 침투 방지, 절연재 방수처리, 강제통풍팬 입구의 빗물방지판 설치 등이 요구된다.

다만 보일러 외부의 증기관은 열손실과 동파·부식 방지를 위해 보온(단열) 처리해야 하므로, 이를 나관(裸管)으로 그대로 두어야 한다는 설명은 잘못되었다.

사용온도가 120 ℃ 이상인 고온수 보일러는 온수 온도가 최고사용온도를 넘지 않도록 온도-연소 제어장치를 설치해야 한다.

이는 온수 온도를 감지해 일정 온도를 초과하면 연소를 제어(차단)하는 장치로, 압력을 대상으로 하는 압력조절기나 연소용 공기량을 다루는 공기유량 자동조절기와는 제어 대상이 다르다.

보일러 급수장치는 원칙적으로 주펌프 세트와 보조펌프 세트를 모두 갖추어야 하지만, 규모가 작거나 구조상 보유 수량이 적은 다음의 보일러는 보조펌프 세트를 생략하고 주펌프 세트만으로 할 수 있다.

• 전열면적 12 m² 이하의 보일러
• 전열면적 14 m² 이하의 가스용 온수보일러
• 전열면적 100 m² 이하의 관류보일러

따라서 전열면적 10 m²의 관류보일러는 100 m² 이하이므로 주펌프 세트만으로 충족된다.

나머지 보기는 강철제 증기보일러 14 m²·주철제 증기보일러 13 m²가 12 m² 기준을, 가스용 온수보일러 15 m²가 14 m² 기준을 각각 넘으므로 보조펌프 세트가 필요하다.

보일러의 압력계로 연결되는 증기관이 강관인 경우 안지름은 12.7 mm 이상이어야 한다.

참고로 동관을 사용하는 경우에는 6.5 mm 이상이면 되며, 이는 압력계를 보호하고 압력을 정확히 전달하기 위한 설치기준이다.

급수 중 염류분(칼슘·마그네슘 등 경도 성분)은 보일러 내부에서 농축되어 전열면에 스케일을 형성하고, 스케일은 열전달을 방해하여 과열의 원인이 된다.

산분은 부식, 알칼리분은 가성취화, 유지분은 포밍의 주된 원인이 되는 것과 구분된다.

수면계는 프라이밍·포밍 발생 시, 두 수면계의 수위가 서로 다를 때, 보일러 점화 후 압력이 올라가기 시작할 때 등 수위 이상이 의심되는 상황에서 반드시 시험한다.

반면 수위의 움직임이 예민(민감)하게 잘 나타나는 것은 수면계가 정상적으로 기능하고 있다는 뜻이므로, 별도로 시험할 필요가 없는 경우에 해당한다. 오히려 수위의 움직임이 둔할 때가 시험 대상이다.

보일러의 화학세관은 염산 등의 세관제와, 금속 부식을 막는 억제제, 반응을 빠르게 하는 촉진제를 사용해 스케일을 화학적으로 용해·제거하는 작업이다.

슈트 블로워는 증기나 공기를 분사해 전열면 외측의 그을음을 제거하는 기계적 청소장치로, 화학세관과는 무관하다.

점화 전 점검사항은 보일러 수위(상용수위) 확인, 수면계 기능 점검, 프리퍼지 여부 확인 등 점화 안전을 위한 사전 확인 절차이다.

반면 고형물을 측정하여 블로우량을 결정하는 것은 보일러수 수질관리(분출관리)에 해당하는 업무로, 점화 직전 점검사항과는 성격이 다르다.

보일러 정상운전 시 수위는 수면계의 중앙(상용수위)에 위치하도록 유지·관리한다.

수위가 너무 높으면 프라이밍·포밍의 원인이 되고, 너무 낮으면 저수위 사고로 이어질 수 있다.

보일러수의 외처리 중 기폭법은 물을 공기와 접촉시켜 용존가스(산소, 탄산가스 등)를 제거하는 방법이다.

여과법·응집법·침강법은 주로 부유물이나 콜로이드성 불순물을 제거하는 방법으로, 용존가스 제거와는 원리가 다르다.

포밍은 보일러수 표면에 거품이 발생하는 현상으로, 급수 성분 중 유지(油脂) 성분과 관련이 가장 크다. 유지분은 물의 표면장력을 떨어뜨려 거품이 쉽게 생기고 잘 꺼지지 않게 만든다.

나머지 성분은 다른 장해와 더 밀접하다. 경도 성분은 스케일, 용존산소는 점식(부식)의 주된 원인이 되며, pH가 지나치게 높은 경우는 가성취화와 관련된다.

보일러 휴지기간이 6개월 이상인 장기 보존에는 석회 건조 보존법이 가장 적합하다.

이는 보일러 내부를 완전히 건조시킨 후 생석회 등의 흡습제를 넣어 밀폐함으로써 습기에 의한 부식을 방지하는 방법이다.

보일러 과열은 보일러수의 순환 불량, 수의 농축, 전열면 스케일 부착 등으로 열이 제대로 전달되지 못할 때 발생한다.

반대로 보일러수 수위가 높은 경우는 전열면이 충분히 물에 잠겨 있는 상태이므로 과열의 원인이 되지 않으며, 오히려 수위가 낮을 때 과열 위험이 커진다.

캐리오버는 보일러수 중의 물방울이나 고형물이 증기와 함께 배관으로 넘어가는 현상이다.

이로 인해 증기배관 내에 드레인이 생성되어 워터해머를 일으키고, 과열기·엔진·터빈 등의 부식을 유발하는 직접적인 원인이 된다.

중앙식 난방법은 열매체와 전달 방식에 따라 크게 직접난방, 간접난방, 복사난방 세 가지로 구분한다.

복식 난방법이라는 분류는 존재하지 않으므로, 중앙식 난방의 세 가지 구분에 해당하지 않는다.

진동연소(맥동연소)는 연소실 내 압력과 화염이 주기적으로 흔들리는 현상으로, 버너타일의 형상이 연소실·화염 조건과 맞지 않을 때 화염이 안정되게 자리 잡지 못해 발생하기 쉽다.

연료의 인화점이 낮은 경우는 역화, 발열량이 낮은 경우는 연소 불량이나 열량 부족과 더 관련이 크며, 예열온도 역시 분무 상태에 영향을 주는 요소로 진동연소의 대표적인 원인으로 꼽히지는 않는다.

방열기의 방열량은 방열계수 K와 방열기 평균온도와 실내온도의 차를 곱하여 구한다.

방열기 평균온도 $t_m = \dfrac{85 + 65}{2} = 75\ \mathrm{^{\circ}\mathrm{C}}$

방열량 $Q = K(t_m - t_i) = 7 \times (75 - 18) = 7 \times 57 = 399\ \mathrm{kcal/h}$

분출량은 급수량과 급수·보일러수의 고형분 농도를 이용해 구한다.

$\text{분출량} = \text{급수량} \times \dfrac{\text{급수 고형분}}{\text{허용 고형분} - \text{급수 고형분}}$

$= 7000 \times \dfrac{50}{450 - 50} = 7000 \times \dfrac{50}{400} = 875\ \mathrm{ℓ}$

구식(grooving)은 노통 등의 만곡부에서 열팽창 반복에 의한 응력 집중으로 발생하는 부식이다.

• 재료의 온도가 급격히 변화하지 않도록 하면 열응력 집중을 줄여 구식을 예방할 수 있다.
• 노통 플랜지 둥근 부분의 굽힘반경을 크게 하면 응력 집중이 완화된다.
• 열응력을 크게 받지 않도록 관리하는 것도 구식 방지에 도움이 된다.

반면 브리딩 스페이스는 노통이 신축할 수 있는 여유 공간으로, 이를 적게 하면 오히려 신축이 원활하지 못해 응력이 집중되므로 구식을 방지하려면 브리딩 스페이스를 충분히 두어야 한다.

점식(pitting)은 용존산소 등에 의한 국부 부식으로, 물이 정체되기 쉬운 보일러 동(드럼) 저부에서 많이 발생한다.

동 저부는 슬러지나 불순물이 가라앉아 쌓이기 쉬워 국부적으로 부식이 집중되는 취약 부위이다.

온수보일러의 순환펌프는 모터축을 수평으로 설치하고 환수주관에 설치하는 것을 원칙으로 하며, 전원콘센트와의 거리를 최소화해 누전 등의 위험을 줄이도록 설치한다.

순환펌프의 바이패스 회로는 펌프 점검·고장 시에도 온수 공급을 이어갈 수 있도록 설치하는 것이 바람직하며, 특정 배관 구조(하향식)에서만 반드시 설치해야 하는 것은 아니다.

고온의 화염을 받는 전열면이 외부 압력에 의해 안쪽으로 오목하게 찌그러지는 현상을 압궤라 한다.

반대로 전열면이 내부 압력에 의해 바깥쪽으로 볼록하게 튀어나오는 현상은 팽출이라 하며, 균열이나 라미네이션은 각각 금속 표면의 갈라짐, 재료 내부의 층상 결함을 가리킨다.

전극식 수위검출기는 보일러수가 전기를 통하는 성질을 이용해 전극봉과 물의 접촉 여부로 수위를 검출한다.

전극봉 표면에 스케일이 끼면 절연층이 생겨 물에 잠겨 있어도 통전되지 않아 수위를 잘못 읽게 되므로, 3개월에 한 번 정도 전극봉을 꺼내어 샌드페이퍼로 표면을 닦아 스케일을 제거해 주어야 한다.

이때 전극봉의 길이와 절연 상태도 함께 점검하면 저수위 사고를 예방하는 데 도움이 된다.

온수보일러 설치 시공기준상 연도는 방이나 마루 밑을 통과해서는 안 되며, 최단거리로 옥외까지 연결하는 것이 원칙이다.

따라서 연도가 방이나 마루 밑으로 통과하도록 시공해야 한다는 설명은 기준에 어긋난다.

• 연도의 굽힘부 수를 3개소 이내로 제한하는 것은 통풍 저항을 줄이기 위한 정상적인 기준이다.
• 수평부의 기울기를 $1/10$ 이상으로 하는 것도 응축수 정체와 역류를 막기 위한 정상적인 기준이다.
• 가연물과의 접촉을 피하는 것 역시 화재 예방을 위한 당연한 기준이다.

효율관리기자재의 에너지소비효율이나 사용량 등을 실제로 측정·평가하는 기관은 시험기관이다.

진단기관은 에너지사용시설의 에너지진단을, 검사기관은 검사대상기기 등의 검사를 담당하는 등 역할이 서로 구분된다.

검사대상기기의 설치자가 조종자를 선임 또는 해임할 때는 에너지관리공단이사장에게 신고하도록 되어 있었다(2002년 출제 당시 에너지이용 합리화법 기준).

이는 검사대상기기 조종자 제도의 관리 주체가 한국에너지공단(당시 에너지관리공단)이었기 때문이며, 이후 법령 개정으로 신고 절차나 소관 기관이 달라졌을 수 있으므로 현재는 최신 법령을 따라야 한다.

검사대상기기 조종자가 해임되거나 퇴직하는 경우, 원칙적으로는 해임 또는 퇴직이 이루어지기 전에 다른 조종자를 미리 선임해 두어야 한다.

이는 보일러 등 검사대상기기가 조종자 공백 없이 항상 관리되도록 하기 위한 것으로, 부득이한 경우에만 일정 기간 내 사후 선임이 허용된다(2002년 출제 당시 기준).

보일러의 검사대상기기 검사 중 계속사용검사는 유효기간이 1년으로, 매년 정기적으로 받아야 하는 검사이다(출제 당시 에너지이용 합리화법 기준).

구조검사·용접검사는 제작 단계에서 받는 검사이고, 개조검사는 구조를 변경할 때 받는 검사로, 매년 반복되는 검사가 아니라는 점에서 계속사용검사와 차이가 있다.

국가 에너지기본계획의 정책목표는 에너지의 안정적 수급, 환경 피해의 최소화, 에너지 관련 기술 개발 촉진 등 에너지 정책 전반의 방향을 제시하는 데 있다.

반면 에너지 가격의 인하 자체는 시장 가격 정책의 영역이지, 국가 에너지기본계획이 직접 추구하는 정책목표로 제시되지는 않는다.