[가스기사 필기] 15년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

그림의 U자관은 왼쪽 관 위쪽에 비중 0.9 액체가 높이 $a=30\ \mathrm{cm}$ 만큼 들어 있고, 그 아래 $b=15\ \mathrm{cm}$ 구간은 비중 $S$ 인 액체이며, 오른쪽 관에는 밀도 1.2 g/cm³(비중 1.2) 액체가 높이 $c=40\ \mathrm{cm}$ 로 채워져 있다.
왼쪽 $b$ 구간의 아래 끝과 오른쪽 $c$ 구간의 아래 끝이 같은 높이이므로, 이 공통 수평면에서 좌우 압력이 같아야 평형이 된다.
비중으로 압력을 나타내면 $0.9\times 30 + S\times 15 = 1.2\times 40$ 이므로 $27+15S=48$, 즉 $S=\dfrac{21}{15}=1.4$ 이다.
이때 좌우 액주 길이의 단위(cm)와 $\rho_w g$ 는 양변에서 그대로 소거되므로, 비중 × 액주높이의 합만 맞추면 되는 것이 U자관 평형 문제의 요령이다.

배출압력차(토출압-흡입압) 기준으로 팬(fan)은 통상 0.1kgf/cm² 이하의 매우 작은 압력차를 내는 저압 송풍장치이고, 송풍기(blower)는 0.1~1kgf/cm² 정도의 중간 압력차를, 압축기(compressor)는 1kgf/cm²를 초과하는 큰 압력차를 발생시킨다.
따라서 압력차가 작은 것부터 큰 순서로 나열하면 팬, 송풍기, 압축기 순이 된다.

이상기체에서 음속은 $c=\sqrt{kRT}$로 구해진다. 공기의 기체상수는 $R=\dfrac{8314}{29}\approx286.7\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)}$이고, 절대온도는 $T=25+273=298\text{K}$이다.
따라서 $c=\sqrt{1.4\times286.7\times298}\approx345.9\ \text{m/s}$가 되고, 마하수는 $M=\dfrac{V}{c}=\dfrac{458}{345.9}\approx1.32$로 계산된다.

등엔트로피 과정은 엔트로피 변화가 없는 과정으로, 가역이면서 동시에 단열(열출입 없음)인 과정에서만 성립한다.
비가역 과정은 엔트로피가 항상 증가하고, 마찰이 있는 과정 역시 비가역이므로 등엔트로피가 될 수 없다. 따라서 가역 단열 과정이 이에 해당한다.

음속은 $c=\sqrt{kRT}$로 주어지므로, 온도는 $T=\dfrac{c^2}{kR}$로 구할 수 있다.
$T=\dfrac{400^2}{1.2\times200}=\dfrac{160000}{240}\approx666.7\text{K}$이며, 섭씨온도로 환산하면 $666.7-273\approx394^\circ\text{C}$가 된다. 계산된 666.7은 절대온도이므로 그대로 답으로 삼지 않도록 주의해야 한다.

절대압력은 대기압에 게이지압(수심에 의한 정수압)을 더한 값이다. 수심 2m에서의 정수압은 $P=\gamma h=1000\ \text{kgf/m}^3\times2\text{m}=2000\ \text{kgf/m}^2=0.2\ \text{kgf/cm}^2$이다.
대기압을 $1.033\ \text{kgf/cm}^2$로 두면, 절대압력은 $1.033+0.2\approx1.23\ \text{kgf/cm}^2$이 된다.

곡면에 작용하는 전압력의 수평분력은, 그 곡면을 수평분력 방향에 수직인 연직 평면에 투영했을 때 생기는 투영면에 작용하는 정수압력과 같다.
이때 투영면에 작용하는 힘은 투영면 도심에서의 압력에 투영면의 면적을 곱한 값으로 구해진다. 압력중심이 아니라 도심에서의 압력을 쓴다는 점, 그리고 곡면 자체의 면적이 아니라 투영면의 면적을 쓴다는 점이 핵심이다.

정상유동 에너지방정식은 $\dot{Q}-\dot{W}_{out}=\dot{m}\left[(h_2-h_1)+\dfrac{V_2^2-V_1^2}{2}\right]$로 쓸 수 있다. 압축기에 가해진 동력이 450kW이므로 $\dot{W}_{out}=-450\text{kW}$이다.
엔탈피 변화는 $\Delta h=C_p\Delta T=1000\times(38.6-21)=17600\ \text{J/kg}=17.6\ \text{kJ/kg}$이고, 운동에너지 변화는 $\dfrac{30^2-0}{2}=450\ \text{J/kg}=0.45\ \text{kJ/kg}$이다.
따라서 $\dot{Q}=\dot{m}(\Delta h+\Delta ke)+\dot{W}_{out}=10\times(17.6+0.45)-450\approx180.5-450=-269.5\ \text{kW}$로, 약 270kW의 열이 압축기로부터 방출되는 것으로 계산된다.

제시된 두 설명 중 정상류에 관한 설명은 옳다. 정상류(steady flow)는 유동장의 모든 점에서 속도·압력·밀도 등 흐름 특성이 시간에 따라 변하지 않는 흐름이며, 수식으로는 $\dfrac{\partial}{\partial t}(\ )=0$ 으로 표현된다.
반면 유맥선을 '한 개의 유체입자에 대한 순간궤적'이라고 한 설명은 틀렸다. 유맥선(streak line)은 유동장의 어느 한 점을 지나간 모든 입자들이 어느 순간에 이루는 선으로, 굴뚝에서 나오는 연기 줄기가 그 예이다.
한 개의 유체입자가 시간에 따라 지나간 자취는 유적선(path line)이고, 어느 순간의 속도벡터에 접하는 선은 유선(stream line)이다. 정상류에서는 유선·유적선·유맥선이 모두 일치하지만, 비정상류에서는 서로 다르다.
따라서 옳은 설명은 정상류의 정의에 관한 것 하나뿐이다.

등엔트로피 유동에서 단면적 변화에 따른 속도 변화는 $\dfrac{dV}{V}=-\dfrac{1}{1-M^2}\dfrac{dA}{A}$의 관계를 따른다. 아음속($M<1$)에서는 $1-M^2>0$이므로, 단면적이 확대되는 구간($dA>0$)에서는 속도가 감소한다($dV<0$).
속도가 감소하면 베르누이 관계에 따라 압력은 증가하므로, 확대부에서는 압력이 증가하고 속도는 감소한다.

점성계수(μ)는 전단응력 $\tau=\mu\dfrac{dV}{dy}$의 관계로 정의된다. 전단응력의 차원은 $ML^{-1}T^{-2}$이고, 속도구배($dV/dy$)의 차원은 $T^{-1}$이다.
따라서 점성계수의 차원은 $\dfrac{ML^{-1}T^{-2}}{T^{-1}}=ML^{-1}T^{-1}$이 된다.

초음속(M>1) 등엔트로피 흐름에서 확대관은 노즐로 작용하여, 유동이 가속되면서 압력, 밀도, 온도가 모두 감소한다.
단면적 변화식 $\dfrac{dV}{V}=-\dfrac{1}{1-M^2}\dfrac{dA}{A}$에서 $M>1$이면 $1-M^2<0$이 되어, 확대($dA>0$)될 때 속도가 오히려 증가한다. 따라서 감소하지 않고 증가하는 것은 속도이다.

연속방정식(continuity equation)은 검사체적에 대해 질량이 새로 생기거나 사라지지 않는다는 질량보존의 법칙을 유체유동에 적용하여 유도된다.
오일러 방정식과 운동량 방정식은 운동량(뉴턴의 제2법칙) 보존을, 달시 방정식은 손실수두 계산에 관계된 식으로 질량보존과는 직접 관련이 없다.

원형관의 손실수두 $h_L=f\dfrac{L}{d}\dfrac{V^2}{2g}$, 돌연확대관의 손실수두 $h_L=\left(1-\dfrac{A_1}{A_2}\right)^2\dfrac{V_1^2}{2g}$, 돌연축소관의 손실수두 $h_L=\left(\dfrac{1}{C_c}-1\right)^2\dfrac{V_2^2}{2g}$는 모두 표준적으로 쓰이는 옳은 식이다.
비원형관은 상당지름(수력직경) $D_h=4R_h$를 사용하여 $h_L=f\dfrac{L}{4R_h}\dfrac{V^2}{2g}$로 나타내야 한다. 그런데 이 식에서는 $L$과 $4R_h$의 위치가 뒤바뀌어 있어, 이 식이 틀린 설명이 된다.

수직충격파는 초음속 흐름이 갑자기 아음속으로 바뀌는 비가역 과정으로, 충격파를 지나면 압력, 밀도, 온도는 모두 증가하고 속도는 오히려 감소한다.
따라서 속도가 증가한다는 설명은 모두 옳지 않다. 또한 질량유량이 일정한 상태에서 속도가 줄어들므로 단위시간당 운동량($\dot{m}V$)도 함께 감소한다. 결국 압력, 밀도, 온도가 증가한다는 설명이 옳다.

공동현상(캐비테이션)은 펌프 흡입측 압력이 유체의 포화증기압보다 낮아질 때 발생한다. 유량 과다, 흡입양정 과다, 유체 온도 상승(포화증기압 상승) 등은 모두 흡입측 압력을 낮추거나 증기압을 높여 공동현상을 촉진하는 원인이 된다.
반면 흡입배관의 마찰저항이 감소하면 흡입측 압력손실이 줄어들어 흡입압력이 오히려 높게 유지되므로, 공동현상 발생과는 거리가 멀다.

층류는 유체입자가 층을 이루며 질서정연하게 흐르고, 원관 내 층류에서 전단응력은 중심에서 0이고 관벽에서 최대가 된다.
난류는 유체입자의 불규칙한 혼합운동(와류) 때문에 운동량 전달이 활발해져, 같은 조건에서 층류보다 전단응력이 더 크게 나타난다. 따라서 난류의 전단응력이 층류보다 작다는 설명은 옳지 않다.

관마찰계수 f는 무디선도(Moody diagram)에서 알 수 있듯이 레이놀즈수와 관 내벽의 상대조도의 함수로 나타난다.
층류 영역에서는 상대조도와 무관하게 레이놀즈수만의 함수($f=64/Re$)이지만, 난류 영역에서는 상대조도의 영향도 함께 받는다. 마하수나 관성력만의 함수라는 설명은 해당하지 않는다.

유적선(path line)은 한 유체입자가 주어진 시간 동안 실제로 지나간 경로, 즉 특정 입자를 추적했을 때 그리는 궤적을 말한다.
곡선의 접선방향과 속도방향이 일치하는 선, 속도벡터 방향을 갖는 연속적인 가상의 선은 모두 유선(streamline)에 대한 설명이므로 유적선과는 구분해야 한다.

펌프 흡입측 압력이 유체의 포화증기압보다 낮아지면 유체 내부에서 기포가 발생하는데, 이를 캐비테이션(공동현상)이라 한다.
수격현상은 유동의 급격한 정지·변화로 압력파가 발생하는 현상이고, 서징은 유량·압력이 주기적으로 진동하는 현상, 에어바인딩은 배관 내 공기가 갇혀 유동을 방해하는 현상으로 각각 다른 개념이다.

프로판과 부탄의 완전연소 반응식은 각각 $C_3H_8+5O_2\rightarrow3CO_2+4H_2O$, $C_4H_{10}+6.5O_2\rightarrow4CO_2+5H_2O$이다.
혼합가스 10$m^3$ 중 프로판이 4$m^3$, 부탄이 6$m^3$이므로, 이론산소량은 $4\times5+6\times6.5=20+39=59\ m^3$이다.
공기 중 산소 비율이 21%이므로, 이론공기량은 $\dfrac{59}{0.21}\approx281\ m^3$로 계산된다.

등온과정이므로 $P_1V_1=P_2V_2$가 성립한다. 먼저 기체상수는 $R=C_p-C_v=0.8-0.5=0.3\ \text{kJ/(kg}\cdot\text{K)}$이고, 초기 체적은 이상기체 상태방정식으로 $V_1=\dfrac{mRT}{P_1}=\dfrac{2.5\times0.3\times288}{150}\approx1.44\ m^3$이다(압력 단위 kPa 기준).
따라서 압축 후 압력은 $P_2=\dfrac{P_1V_1}{V_2}=\dfrac{0.15\times1.44}{0.2}\approx1.08\ \text{MPa}$로, 약 1.1MPa 수준으로 계산된다.

제시된 두 반응식은 $\mathrm{C(s)}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O_2}\rightarrow \mathrm{CO}+122\ \mathrm{MJ/kmol}$ 과 $\mathrm{CO}+\tfrac{1}{2}\mathrm{O_2}\rightarrow \mathrm{CO_2}+285\ \mathrm{MJ/kmol}$ 이다.
구하려는 반응은 $\mathrm{C(s)}+\mathrm{O_2}\rightarrow \mathrm{CO_2}$ 이므로, 두 식을 그대로 더하면 중간생성물인 CO가 양변에서 소거되어 목적 반응식이 된다.
헤스의 법칙에 따라 반응열도 그대로 더해지므로 $122+285=407\ \mathrm{MJ/kmol}$ 이 탄소의 완전연소열이다.
즉 반응 경로가 한 단계든 두 단계든 처음과 끝 상태가 같으면 총 발열량은 동일하다는 것이 이 계산의 근거이다.

기체연료는 공기와 미리 섞인 상태로 연소하는 예혼합연소와, 연료와 공기가 확산에 의해 섞이면서 연소하는 확산연소의 두 가지 형태로 연소한다.
증발연소나 분해연소는 액체연료나 고체연료의 연소형태에 해당하므로 기체연료와는 관계가 적다.

액체연료가 표면에서 증발해 만들어진 증기가 공기와 섞이며 타는 과정은 증발연소로, 액체연료에서 나타나는 대표적인 연소형태이다.
이때 연료의 증발속도가 실제 연소(반응)속도보다 빠르면, 미처 연소되지 못한 증기가 남게 되어 불완전연소로 이어진다.

점화원은 정전기 불꽃, 압축열, 마찰열과 같이 가연성 혼합기에 에너지를 공급하여 발화시키는 열원을 말한다.
반면 기화열은 액체가 기체로 상변화할 때 오히려 주위로부터 열을 흡수하는 양이므로, 점화원으로 작용하지 않는다.

소화안전장치(화염감시장치)는 화염의 존재를 감지하는 방식에 따라 열전대식, 플레임로드식, 자외선 광전관식 등으로 구분된다.
방사선식은 방사선 계측이나 두께·밀도 측정 등에 쓰이는 방식으로, 일반적인 화염감시장치의 종류에는 포함되지 않는다.

오토사이클은 단열압축→정적가열→단열팽창→정적방열의 순으로 구성된 이론 사이클이다.
1→2는 단열압축, 2→3은 실린더 내 정적 상태에서 열을 가하는 정적가열, 3→4는 단열팽창, 4→1은 정적방열 과정에 해당한다.

배기가스 배출 불량, 공기와의 혼합 부족, 필요 공기량 대비 과다한 연료량은 모두 실제 연소에서 흔히 나타나는 불완전연소의 원인이다.
다만 불꽃이 저온의 물체에 닿아 온도가 낮아지는(식는) 경우가 불완전연소의 원인이 되는 것이며, 불꽃 접촉으로 온도가 오히려 올라가는 경우는 불완전연소의 원인으로 보기 어렵다.

산소농도가 높을수록, 발열량이 클수록, 화학반응 활성도가 클수록 발화가 쉬워져 착화온도는 낮아지는 경향이 있다.
반대로 분자구조가 복잡해질수록(탄소수가 많거나 불포화도가 클수록) 착화온도가 낮아지는 경향이 있어, 분자구조가 간단할수록 착화온도가 낮아진다는 설명은 옳지 않다.

열역학 제0법칙은 온도가 서로 다른 두 물체를 접촉시키면 열이 고온체에서 저온체로 이동하여, 결국 두 물체가 같은 온도(열평형)에 도달한다는 원리이다.
저온체에서 고온체로 열이 스스로 이동할 수 없다는 것은 열역학 제2법칙(클라우지우스 표현), 절대영도에서 완전결정의 엔트로피가 0이라는 것은 제3법칙, 에너지를 소비하지 않고 계속 일하는 기계가 없다는 것은 제1·2법칙과 관련된 표현에 해당한다.

일반적으로 압력이 높아지면 가연성가스의 폭발(연소)범위는 넓어지는 경향을 보인다.
그러나 일산화탄소는 예외적으로, 압력이 높아질수록 오히려 폭발범위가 좁아지는 특이한 성질을 갖는다.

이론연소온도는 연료가 낸 총 발열량을 연소가스의 열용량으로 나누어 구한다. 연료 3kg이 낸 열량은 $41860\times3=125580\ \text{kJ}$이다.
따라서 온도는 $t=\dfrac{125580}{62.8}\approx2000^\circ\text{C}$로 계산된다.

가연성가스는 공기와 아무 비율로나 섞인다고 연소하는 것이 아니라, 혼합비가 연소(폭발)범위 내에 있을 때에만 점화되어 연소가 진행된다.
혼합공기가 지나치게 적거나(농후) 많으면(희박) 연소범위를 벗어나 연소가 일어나지 않으므로, 혼합비가 연소범위 안에 들 때 연소가 잘 된다는 설명이 옳다.

고발열량과 저발열량의 차이는 연료 중 수소 성분이 연소하며 생성되는 수증기의 잠열에서 비롯된다. 따라서 수소 함량이 적을수록 두 발열량의 차이는 작아진다.
목탄(숯)은 대부분 탄소로 이루어져 수소 함량이 매우 낮으므로, 제시된 연료들 중 고발열량과 저발열량의 값이 가장 가깝다.

화격자 연소에서 화염이 층 내부로 번져나가는 속도는 연료의 반응성에 크게 좌우된다. 석탄화도(탄화도)가 낮은 석탄일수록 휘발분 함량이 많아 착화와 반응이 빨라지므로 화염이동속도가 커진다.
반대로 발열량이 낮거나, 입자의 직경이 크거나, 1차 공기온도가 낮으면 모두 연소 반응을 늦추는 방향으로 작용하여 화염이동속도는 오히려 감소한다.

실제 가스의 엔탈피 $h$는 $h = u + pv$로 정의되며, 내부에너지 $u$와 유동일 $pv$의 합으로 온도·압력(또는 온도·비체적)에 따라 값이 정해진다.
따라서 엔탈피는 온도와 비체적의 함수, 압력과 비체적의 함수, 온도·질량·압력의 함수로 표현될 수 있지만, 엔트로피만의 함수라는 설명은 성립하지 않는다.

전1차식은 연소에 필요한 공기를 거의 100% 1차 공기로 미리 혼합해 공급하는 방식이라 혼합기의 연소속도가 빨라, 불꽃이 버너 내부로 거슬러 타 들어가는 역화가 가장 발생하기 쉽다.
분젠식과 세미분젠식은 1차 공기 비율이 낮아 역화 위험이 상대적으로 작고, 1차 공기를 전혀 쓰지 않는 적화식은 역화 가능성이 가장 낮다.

화학적 폭발은 물질 자체의 화학반응(분해, 연소, 산화 등)으로 열과 압력이 급격히 발생하는 현상이다.
반면 파열은 용기나 배관 내부 압력이 강도를 초과해 물리적으로 터지는 현상으로, 화학반응을 수반하지 않는 물리적 폭발에 해당한다.

가연성가스의 폭발등급은 최대안전틈새(안전간극)의 크기로 구분하며, 등급 A는 $0.9$mm 이상, 등급 B는 $0.5$mm 초과 $0.9$mm 미만, 등급 C는 $0.5$mm 이하로 분류된다.
최대안전틈새가 클수록 좁은 틈을 통해 화염이 밖으로 전파(화염일주)되기 어려운 가스이므로, 가장 넓은 틈새 범위를 갖는 등급 A가 상대적으로 위험도가 낮은 가스에 해당한다.

대표적인 가스 액화 사이클로는 린데식, 클라우드식, 필립스식, 캐스케이드식, 캐피자식 등이 있으며, 각각 단열팽창이나 팽창기를 이용해 저온을 얻는다.
핸리식이라는 액화 사이클은 존재하지 않으므로 액화 사이클의 종류에 해당하지 않는다.

산소는 오일과 접촉하면 발화·폭발 위험이 매우 크므로 압축기 윤활에 유지류(오일 계열)를 사용해서는 안 되며, 물이나 묽은 글리세린수 등을 사용해야 한다.
수소는 순광물유, 메틸클로라이드는 화이트유, 이산화황은 정제된 용제 터빈유를 사용하는 것이 적합한 조합이다.

그림은 타원형 케이싱 아래쪽에 흡입구, 위쪽에 토출구가 있고, 그 안에서 두 개의 2엽(누에고치·땅콩 모양) 회전자가 서로 90° 어긋난 채 맞물려 반대 방향으로 도는 구조를 보여 준다. 그림에서 왼쪽 회전자는 좌우로, 오른쪽 회전자는 상하로 엽이 향해 있다.
이런 형상은 루트식(Roots) 압축기의 대표적인 단면도이다. 두 회전자가 서로 접촉하지 않고 미세한 틈을 유지하며 회전하여, 케이싱 벽과 회전자 사이 공간(그림의 A·B·C 부분)에 갇힌 가스를 흡입 쪽에서 토출 쪽으로 밀어 보낸다.
루트식은 회전자 내부에서 체적이 줄어들지 않는 무내부압축형이어서 토출측 압력에 의해서만 압축이 이루어지고, 윤활유 없이 운전할 수 있어 오일프리 송풍·저압 압축용으로 쓰인다.
참고로 가동날개식은 편심 로터에 판 모양 날개가 드나드는 구조, 플런저식은 왕복하는 피스톤과 흡입·토출 밸브가 있는 구조, 나사식은 길게 비틀린 수·암 스크루가 축방향으로 맞물리는 구조로 그림과 다르다.

가스미터는 전기계량기·전기개폐기로부터 $60$cm 이상, 절연조치를 하지 않은 전선으로부터 $15$cm 이상 떨어뜨려 설치하고, 설치 높이는 바닥으로부터 $1.6$m 이상 $2$m 이내로 한다.
화기와의 이격거리 규정은 그 시설에서 사용하는 자체 화기는 적용 대상에서 제외되므로, 자체 화기에 대해서도 2m 이상 이격과 차열판 설치를 요구한다는 설명은 옳지 않다.

웨베지수(Wobbe Index)는 가스의 발열량을 비중의 제곱근으로 나눈 값으로, 조성이 다른 가스가 같은 연소기에서 유사한 연소 특성을 낼 수 있는지 즉 가스의 호환성을 판정하는 지표로 사용된다.
레이놀즈수, 넛셀수, 마하수는 각각 유동의 층류·난류 여부, 열전달, 압축성 유동을 다루는 무차원수로 가스 호환성 판정과는 관련이 없다.

압력용기는 설계압력(MPa)과 내용적(m³)을 곱한 수치가 $0.004$를 초과하는 용기를 말한다. 곱한 수치가 $0.03$인 용기는 이 기준을 넘으므로 압력용기에 해당한다.
반면 완충기·완충장치에 속하는 용기와 자동차 에어백용 가스충전용기, 안지름·폭·길이 또는 단면의 지름이 150mm 이하인 용기, 펌프·압축장치 및 축압기의 본체와 분리되지 않는 일체형 용기는 모두 압력용기에서 제외된다.

같은 압력비에서 압축에 필요한 이론일은 단열압축이 가장 크고 등온압축이 가장 작으며, 폴리트로픽압축은 그 중간에 위치한다.
등온압축은 압축 중 발생한 열을 계속 방출해 온도 상승을 억제하는 반면, 단열압축은 열 출입이 없어 온도가 크게 올라가면서 압축일이 더 많이 필요해지기 때문이다.

고압가스 기화장치는 가열 방식에 따라 온수식·증기식 등으로, 구조와 설치형태에 따라 코일식·다관식·캐비닛형 등으로 구분한다.
따라서 온수식, 코일식, 캐비닛형은 모두 실제 사용되는 기화장치 형식이지만, "단관식"은 고압가스 기화장치의 형식 구분에 포함되지 않는다.

제시된 조건은 최고충전압력 $P=4.5\ \mathrm{MPa}$, 동체의 내경 $D=200\ \mathrm{mm}$, 재료의 허용응력 $S=200\ \mathrm{N/mm^2}$, 용접효율 $\eta=1.00$ 이다.
아세틸렌·액화석유가스 용기가 아닌 고압가스용 용접용기 동판의 두께는 $t=\dfrac{PD}{2S\eta-1.2P}+C$ 로 구하며, 부식여유 $C$는 고려하지 않는다.
대입하면 $t=\dfrac{4.5\times 200}{2\times 200\times 1.00-1.2\times 4.5}=\dfrac{900}{400-5.4}=\dfrac{900}{394.6}\approx 2.28\ \mathrm{mm}$ 이다.
분모의 $1.2P$ 항을 빼먹으면 $900/400=2.25\ \mathrm{mm}$ 가 나오므로, 식을 정확히 외워 두는 것이 중요하다.

하나의 건축물에 여러 사용자가 함께 가스를 사용하거나 여러 층에 걸쳐 가스를 사용하는 경우에는 누출된 가스를 신속히 차단하기 위해 주배관에 가스누출자동차단장치를 설치하도록 하고 있다.
다만 체육관, 수영장, 농수산물시장처럼 건물 구조가 개방되어 있어 가스가 새더라도 쉽게 확산·환기되는 시설은 이러한 자동차단장치의 설치 대상에서 제외된다.

배관의 스케줄 번호는 $SCH = 1000 \times \dfrac{P}{S}$로 구하며, $P$는 최고사용압력, $S$는 안전율을 반영한 허용응력이다.
주어진 응력 500 N/mm²에 안전율 4를 적용하면 $S = \dfrac{500}{4} = 125$ N/mm²이고, 압력은 $P = 5$ MPa $= 5$ N/mm²이므로 $SCH = 1000 \times \dfrac{5}{125} = 40$이 된다.

부취제를 액체 상태 그대로 주입하는 액체주입식에는 펌프주입식, 적하주입식, 미터연결 바이패스식 등이 있다.
위크식은 부취제를 심지 등에 흡수시켜 가스와 접촉시켜 증발시키는 증발식 주입방식으로, 액체 상태 그대로 주입하는 방식과는 원리가 다르다.

밀폐된 용기에서는 액체가 증발해도 발생한 증기가 빠져나가지 못하고 용기 안에 갇혀 내부 압력이 계속 올라간다.
압력이 높아지면 그만큼 액체 분자가 기화하는 데 필요한 에너지도 커지므로, 비등점(끓는점)은 상승한다.

공기액화분리장치에서는 탄산가스와 수분이 저온에서 고체화되어 배관이나 밸브를 막을 수 있고, 아세틸렌은 액체산소와 만나면 폭발 위험이 있어 반드시 사전에 제거해야 한다.
질소는 불순물이 아니라 산소와 함께 공기를 이루는 주성분이자 분리·회수의 목적물이므로 제거 대상이 아니다.

액화석유가스 판매사업의 용기보관실은 저장능력에 따라 별도로 마련해야 하며, 그 바닥면적은 $19$m² 이상이 되어야 한다.
이는 사무실 면적 기준(9m² 이상)과는 별개로 정해진 용기보관실 고유의 면적 기준이다.

베이퍼록은 펌프 흡입측에서 액체 일부가 기화해 펌프 작동을 방해하는 현상으로, 흡입배관 단열, 흡입관경 확대, 실린더 라이너 외부 냉각 등을 통해 흡입측 액체의 온도 상승과 기화를 억제해 방지한다.
저장탱크와 펌프 사이의 액면차는 오히려 충분히 크게 확보해 펌프 흡입측에 충분한 압력(헤드)을 걸어주어야 베이퍼록을 막을 수 있으므로, 액면차를 작게 하는 것은 방지책이 되지 못한다.

흡수식 냉동기의 냉매로는 암모니아와 물이 사용된다. 암모니아를 냉매로 쓸 때는 물이 흡수제가 되고, 물을 냉매로 쓸 때는 리튬브로마이드가 흡수제가 된다.
프레온 22나 메틸클로라이드는 압축식 냉동기에서 주로 쓰이는 냉매로, 흡수식 냉동기의 냉매로는 사용되지 않는다.

고압가스 저장탱크에 부착하는 유리제 게이지는 파손 시 내용물이 급격히 유출될 위험이 있으므로, 이를 연결하는 상하 배관에는 자동식과 수동식 스톱밸브를 함께 설치하도록 하고 있다.
자동식 밸브만으로는 오작동 시 대응이 어렵고 수동식 밸브만으로는 신속한 초기 차단이 어렵기 때문에, 두 가지를 함께 갖추도록 한 것이다.

탱크로리에서 저장탱크로 액화석유가스를 옮기는 방법에는 탱크 자체의 압력차를 이용하는 방법, 액송펌프를 이용하는 방법, 압축기로 가스를 이동시켜 압력차를 만드는 방법이 있다.
압축가스 용기를 이용해 이송한다는 방법은 실제 사용되는 이송 방식에 해당하지 않는다.

오토클레이브는 교반 방식에 따라 교반형, 가스교반형, 진탕형, 회전형 등으로 구분된다.
피스톤형은 오토클레이브의 분류에 포함되지 않는다.

차량에 고정된 저장탱크의 폭발방지장치는 탱크 외벽이 화염에 국부적으로 가열되더라도 열을 신속히 분산시켜 강판의 국부 파열을 막아야 하므로, 열전도도가 우수한 알루미늄 재질(합금 박판)로 만든다.
아연, 주철, 스테인리스는 열전도성이나 가공성 면에서 폭발방지장치의 재료로 사용되지 않는다.

두 가연성가스 저장탱크 사이에 유지해야 할 안전거리는 두 탱크 최대지름을 더한 값의 $\dfrac{1}{4}$, 즉 $\dfrac{D_1+D_2}{4}$로 계산하며, 이 값이 1m 미만이면 1m로 한다.
두 탱크의 최대지름이 모두 8m이므로 $\dfrac{8+8}{4} = 4$m가 유지해야 할 안전거리가 된다.

용기 각인기호 중 V는 내용적, TW는 용기의 질량, FP는 최고충전압력을 나타낸다.
TP는 내압시험압력을 의미하는 기호이며 검사일을 나타내는 기호가 아니므로, 이 연결은 잘못되었다.

충전용기를 적재한 차량은 사고 발생 시 피해를 줄이기 위해 제1종 보호시설로부터 $15$m 이상 떨어진 곳에 주차하도록 하고 있다.
고정식 프로텍터가 부착된 용기는 별도의 보호캡을 부착할 필요가 없고, 2단 적재는 내용적 30L 미만의 액화석유가스 충전용기에만 허용되며, 운반차량 뒷면 범퍼는 두께 3mm 이상·폭 100mm 이상이어야 하므로 나머지 설명은 기준에 맞지 않는다.

산소와 수소는 임계온도가 상온보다 훨씬 낮아 가압만으로는 액화되지 않으므로 기체 상태로 압축해 저장하는 압축가스에 해당한다.
염소·암모니아·LPG는 상온에서도 비교적 낮은 압력으로 액화되는 액화가스이고 아세틸렌은 용해가스이므로, 이들이 포함된 조합은 압축가스로만 이루어진 것이 아니다. 메탄은 압축가스이지만 함께 묶인 LPG가 액화가스라는 점에서 역시 해당되지 않는다.

독성가스 관련 시설에서는 시설 전체의 경계를 나타내는 경계표지와 별도로, 가스가 누출될 우려가 있는 밸브나 배관 연결부 등에는 위험표지를 설치하도록 하고 있다.
이는 작업자나 외부인이 해당 지점에 접근할 때 누출 위험을 즉시 인지하고 주의할 수 있도록 하기 위함이다.

제시문은 초저온 용기의 충격시험 합격 기준을 묻고 있다. 3개의 시험편을 시험할 때 시험편 온도는 섭씨 -150℃ 이하로 유지해야 한다.
초저온 용기는 액화산소·액화질소·액화아르곤 등 $-50\ ^\circ\mathrm{C}$ 이하의 액화가스를 담으므로, 실제 사용 환경과 같은 극저온에서 재료가 취성 파괴를 일으키지 않는지 확인해야 하기 때문이다.
이때 충격치는 3개 시험편의 최저값이 20 J/cm² 이상이고 평균값이 30 J/cm² 이상이어야 적합한 것으로 본다. 즉 빈칸에 들어갈 수치는 차례로 -150, 20, 30 이다.
최저값과 평균값을 함께 규정하는 이유는, 세 개 중 하나라도 지나치게 낮으면 재질이 국부적으로 취약하다는 뜻이므로 평균만으로는 안전을 보장할 수 없기 때문이다.

산소나 독성가스 운반 중 누출부위를 수리할 수 없는 사고가 발생하면, 안전한 장소로 이동시키고 주변 사람을 대피시키며 교통을 통제하는 등 확산 방지 조치를 취해야 한다.
화재가 발생한 경우에는 소화하지 않고 즉시 대피하는 것이 아니라, 화재 확대를 막기 위한 소화 및 방지 조치를 취해야 한다. 또한 독성가스가 누출된 경우에는 제독 조치를 실시해야 한다.

아세틸렌 충전설비 중 충전용 지관에는 탄소 함유량이 $0.1\%$ 이하인 강을 사용하도록 규정하고 있다.
탄소 함유량이 높아지면 재질이 단단해지는 대신 취성이 커지고 용접부 균열이 생기기 쉬워, 아세틸렌의 분해폭발 등으로 충격이나 압력이 가해질 때 파손 위험이 커지기 때문이다.

차량에 고정된 탱크를 수리할 때는 누출된 가스가 정체되어 위험해질 수 있으므로 밀폐된 장소가 아니라 통풍이 잘되는 장소에서 실시해야 한다.
화기를 사용하는 수리 시에는 반드시 가스를 완전히 제거하고 질소 등 불활성가스로 치환한 뒤 진행해야 하며, 운행 중이나 정차 시에도 허용된 장소 외에서는 흡연이나 화기 사용을 금지한다.

가연성가스가 폭발할 때 압력 상승 속도와 파괴력이 가장 커지는 지점은 연료와 공기가 화학양론(이론공기비) 비율로 혼합된 지점이다.
프로판(C3H8)의 완전연소 반응식은 $C_3H_8 + 5O_2 \to 3CO_2 + 4H_2O$이며, 공기 중 산소 비율(약 21%)을 고려해 계산하면 화학양론 혼합비는 약 4% 부근이 된다.
이 농도에서 연소가 가장 완전하게 일어나 발열량이 최대가 되므로, 폭발(연소)범위 2.1~9.5% 중에서도 이 부근에서 폭발압력과 격렬함이 최대가 된다.

고압가스를 차량으로 운반할 때 적재량이 일정 기준 이상이면 운반자 외에 별도의 운반책임자를 동승시켜야 한다. 압축가스는 가연성 300m³ 이상, 조연성 600m³ 이상, 독성 100m³ 이상에서, 액화가스는 가연성 3000kg 이상, 조연성 6000kg 이상, 독성 1000kg 이상에서 동승 대상이 된다.
수소(가연성) 400m³은 300m³ 기준을 넘고, 액화석유가스(가연성) 3500kg과 암모니아(독성·가연성) 3500kg도 각각 3000kg, 1000kg 기준을 넘으므로 모두 운반책임자 동승이 필요하다.
반면 산소(조연성) 400m³은 조연성가스의 동승 기준인 600m³에 미달하므로 운반책임자를 동승시키지 않아도 된다.

용접용기의 내압시험 중 팽창측정시험은 용기 내부에 물을 채우고 압력을 가하여 용기가 팽창한 부피(항구증가율 등)를 측정하는 방법이다.
이때 시험압력을 가한 후 용기가 완전히 팽창한 상태에서 적어도 30초 이상 압력을 유지하여 팽창량이 안정된 값을 나타내도록 하여야 한다.

특정설비의 재검사 주기는 설비 종류에 따라 다르게 정해져 있다. 저장탱크는 5년마다(재검사에 불합격되어 수리한 것은 3년마다), 차량에 고정된 탱크는 신규검사 후 경과연수가 15년 미만인 경우 5년마다(경과연수가 늘어날수록 주기가 짧아짐), 안전밸브는 검사 후 2년을 경과하여 해당 안전밸브가 설치된 저장탱크의 재검사 시마다로 정해져 있다.
반면 압력용기는 재검사 주기가 저장탱크보다 짧은 4년마다로 정해져 있으므로, "압력용기 - 5년마다"라는 설명은 재검사 주기 기준으로 옳지 않다.

이음매 없는 용기는 제조 시 압궤시험을, 용접용기는 용접부의 안내 굽힘시험과 측면 굽힘시험을 실시하여 용접부의 건전성을 확인한다. 측면 굽힘시험에서는 시험편을 180도로 굽혔을 때 3mm 이상의 균열이 생기지 않아야 한다.
용접용기의 용접부는 방사선투과시험도 실시하는데, 이때 판정기준은 3급이 아니라 2급 이상을 합격으로 하므로, "3급 이상을 합격으로 한다"는 설명은 옳지 않다.

차량에 고정된 탱크에서 후부취출식 탱크는 탱크 후면과 뒷범퍼의 수평거리가 40cm 이상이어야 하고, 후부취출식 외의 탱크는 이보다 완화되어 30cm 이상의 수평거리를 확보하면 된다.
이는 후면 충돌 시 탱크와 그 부속품이 직접 손상되는 것을 방지하기 위한 기준이다.

고압반응기 플랜지부에서 가연성가스 누출이 확인되면 즉시 화기 사용을 금지하고, 가스공급을 일시 정지하며, 장치 내부를 불활성가스로 치환하여 위험 요인을 제거하는 것이 표준적인 조치이다.
이러한 비상상황에서 설비를 정지하지 않고 일상점검 및 운전을 계속하는 것은 누출 확산과 폭발 위험을 방치하는 것이므로 가장 부적당한 대책이다.

압축기 최종단에 설치된 안전장치는 1년에 1회 이상 작동시험을 하고, 독성가스가 통하는 안전밸브에는 가스방출관을 설치하며, 내압성능 확보 대상은 원칙적으로 냉매설비로 한다는 것은 모두 옳은 설명이다.
다만 상용압력을 초과할 때 압축기 운전을 정지시키는 고압차단장치는 수동복귀방식으로 하여야 한다. 원인을 확인하지 않은 채 자동으로 재기동되면 안전상 위험하므로, "자동복귀방식으로 한다"는 설명은 옳지 않다.

방호벽으로 인정되는 재료 기준은 철근콘크리트제 12cm 이상, 콘크리트블록제 15cm 이상, 후강판(두께 6mm 이상)이며, 박강판을 사용할 경우에는 앵글강 등으로 보강하더라도 두께 3.2mm 이상이어야 한다.
두께 2.3mm인 강판은 앵글강으로 보강하더라도 이 기준에 미달하므로 방호벽으로 부적합하다.

아세틸렌은 압축 시 자체적으로 분해폭발할 위험이 있어, 순수한 상태로 고압 압축하는 것은 금지된다. 다만 질소·메탄·일산화탄소·에틸렌 등 희석제를 첨가하면 분해폭발 위험이 줄어들어 압축이 가능해진다.
이 경우에도 온도에 관계없이 압축할 수 있는 최고 압력은 2.5MPa 이하로 제한된다.

오르자트(Orsat)법은 배기가스 중 CO2, O2, CO를 순차적으로 각각의 흡수제에 흡수시켜 부피 감소량으로 성분을 정량하는 화학적 가스분석법이다.
흡수 순서는 CO2 → O2 → CO 순으로 진행하며, CO2는 KOH 용액에, O2는 알칼리성 피로갈롤 용액에, CO는 암모니아성 염화제일구리 용액에 흡수시킨다.

피토관에서 유속은 전압과 정압의 차이인 동압(속도수두)으로부터 구할 수 있다. 동압 수두는 $h = 20 - 10 = 10\text{ mH}_2O$이다.
유속 공식 $v = \sqrt{2gh}$에 $g \approx 9.8\text{ m/s}^2$, $h=10\text{ m}$을 대입하면 $v = \sqrt{2 \times 9.8 \times 10} = \sqrt{196} = 14\text{ m/s}$가 된다.

탱크가 대기에 개방되어 있지 않은 밀폐탱크에서는 액면 위 기체의 압력이 액면계 지시값에 영향을 주므로, 액면 위·아래의 압력 차이를 이용해 액위를 측정하는 차압식 액면계가 주로 사용된다.
편위식이나 부자식은 주로 개방탱크에, 기포식은 상압 계통 측정에 더 적합하여 고압 밀폐탱크에는 부적당하다.

가스계량기는 습도가 낮고 진동이 적은 장소에, 화기와는 2m 이상 떨어뜨려 설치하는 것이 원칙이다.
다만 설치 높이는 바닥으로부터 1.6m 이상 2m 이내에 수직·수평으로 설치하도록 되어 있으므로, "바닥으로부터 2.5m 이상"이라는 설명은 옳지 않다.

가스(액체)압력식 온도계는 밀폐된 감온부에 액체를 봉입하고 온도에 따른 팽창압력 변화를 측정하는 방식으로, 봉입액으로는 프레온, 에틸에테르, 아닐린 등 열팽창특성이 우수한 액체가 사용된다.
벤젠은 이러한 용도로 일반적으로 사용되지 않아 봉입액으로 가장 부적당하다.

흡광도(빛의 흡수 정도)의 원리를 이용해 가스 농도를 정량하는 방법은 적외선 흡수법이다. 특정 파장의 적외선이 가스 분자에 흡수되는 정도가 농도에 비례한다는 원리를 이용한다.
저온분류법은 비등점 차이를, 질량분석법은 이온의 질량/전하비를, 가스크로마토그래피법은 성분별 체류시간 차이를 이용하는 방법으로 흡광도 원리와는 무관하다.

산소는 다른 가스에 비해 강한 상자성체로서 자장에 끌리는 특성이 있으며, 이 성질을 이용해 산소 농도를 측정하는 장치가 자기식 O2계이다.
세라믹식은 지르코니아를 이용한 전기화학적 방식, 연소식은 촉매연소열을, 밀도식은 가스의 밀도차를 이용하는 방식으로 자기적 성질과는 원리가 다르다.

루트미터(roots meter)는 케이싱 안에서 맞물려 도는 회전자의 회전수로 유량을 측정하는 방식으로, 대유량 가스 측정에 적합하고 용량에 비해 설치면적이 작아 대수용가에 주로 사용된다.
반면 막식 가스미터는 값은 싸지만 대용량에서는 용량에 비해 설치면적이 커지고, 습식 가스미터는 계량이 정확하고 사용 중 기차 변동이 적은 대신 설치면적이 크고 취급이 번거롭다. 따라서 나머지 설명들은 옳지 않다.

가스크로마토그래피의 이론단수(N)는 머무른 부피(체류거리) $t_R$과 봉우리 폭(띠나비) $W$를 이용해 $N = 16\left(\dfrac{t_R}{W}\right)^2$로 구한다.
$t_R = 82.2\text{ mm}$, $W = 9.2\text{ mm}$을 대입하면 $N = 16 \times \left(\dfrac{82.2}{9.2}\right)^2 \approx 16 \times 79.83 \approx 1277$이 된다.

가스미터의 기차(오차율) $E$는 지시량 $I$와 실제(기준)유량 $Q$에 대해 $E = \dfrac{I - Q}{I} \times 100$으로 정의된다.
기차가 4%이고 기준기로 측정된 실제유량이 $Q=150\text{ m}^3/h$이므로 $I - 150 = 0.04I$에서 $I = \dfrac{150}{0.96} \approx 156.25\text{ m}^3/h$가 지시량이 된다.

비례(P)·적분(I)·미분(D) 동작을 조합한 PID 제어는 출력을 측정하여 목표값과 비교해 지속적으로 보정하는 피드백 제어에서 사용되는 대표적인 제어 방식이다.
수동제어나 ON-OFF 제어, 불연속 동작 제어는 편차에 비례·적분·미분 연산을 연속적으로 수행하는 방식이 아니므로 PID 제어와는 구분된다.

과열증기와 같이 고온의 유체가 직접 부르동관에 유입되면 탄성소자가 열화되어 압력계의 정확도가 떨어지고 손상될 수 있다.
이를 막기 위해 압력계 앞단에 사이펀(siphon)관을 설치하여 관 내부에 응축수를 고이게 하고, 이 응축수를 통해 압력이 전달되도록 함으로써 고온의 증기가 직접 부르동관에 닿지 않도록 한다.

가스크로마토그래피의 캐리어가스는 시료와 반응하지 않고 검출기에 방해를 주지 않아야 하며, 일반적으로 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등이 사용된다.
이산화탄소(CO2)는 캐리어가스로 통상 사용되지 않으므로 캐리어가스에 해당하지 않는다.

도시가스 공급관의 기밀시험 최소 유지시간은 사용하는 압력계의 종류와 배관 내용적에 따라 구간별로 정해져 있다. 전기식 다이어프램형 압력계를 사용하는 경우 내용적 1m³ 미만은 4분, 1m³ 이상 10m³ 미만은 40분, 10m³ 이상 300m³ 미만은 $4 \times V$분(최대 240분)이다.
내용적이 8m³이면 1m³ 이상 10m³ 미만 구간에 해당하므로, 비례식이 아니라 구간에 정해진 값이 그대로 적용되어 최소 유지시간은 40분이 된다.

탄성압력계(부르동관, 다이어프램 등)는 탄성소자의 물리적 변형을 이용하므로 마찰에 의한 오차, 히스테리시스 오차, 탄성요소와 지시기 사이의 비직진성(비선형) 오차 등이 대표적인 오차 원인으로 꼽힌다.
반면 디지털식 탄성압력계의 측정오차는 이러한 아날로그 탄성기구 고유의 오차 요인과는 성격이 다르므로 탄성압력계의 전형적인 오차유발요인과는 가장 거리가 멀다.

다이어프램식 압력계의 격막은 압력에 따라 유연하게 변형되면서도 내식성을 갖추어야 하므로, 인청동, 스테인리스강, 고무 등 탄성과 내식성이 좋은 재료가 사용된다.
연강판은 탄성 회복력과 내식성이 상대적으로 떨어져 다이어프램 격막재료로는 부적합하다.

차압식 유량계의 1차 장치는 유체가 흐르는 관 내부에 조리개를 설치해 전후 차압을 발생시키는 장치로, 오리피스 플레이트, 벤투리 노즐, 노즐 등이 이에 해당한다.
써모 웰(thermo well)은 온도계를 배관에 삽입할 때 보호관 역할을 하는 부속품일 뿐, 차압을 발생시키는 유량 측정용 1차 장치가 아니다.

수소이온화검출기(FID)는 시료가 수소 불꽃 속에서 연소될 때 생성되는 이온을 검출하는 방식으로, 탄화수소(C-H 결합을 가진 유기화합물)에 대한 감도가 매우 높다.
메탄(CH4), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10)과 같은 탄화수소는 잘 검출되지만, 일산화탄소(CO)는 탄화수소가 아니어서 이온화가 거의 일어나지 않아 FID로 검출할 수 없다.

미리 정해 놓은 순서에 따라 각 제어 단계가 차례로 진행되는 제어방식을 시퀀스제어라고 한다.
피드백제어는 출력을 목표값과 비교해 되먹임하는 방식이고, 서보제어와 프로세스제어는 각각 위치 추종과 공정변수 제어에 특화된 방식으로 순차적 진행 자체가 핵심인 시퀀스제어와는 개념이 다르다.

입력 $x$와 출력 $y$가 $y = kx$의 관계로 나타나면, 출력이 입력에 상수배로 비례하는 비례요소에 해당한다.
적분요소는 입력의 시간적분에, 미분요소는 입력의 시간미분에 비례하는 응답을 보이므로 단순 비례식과는 구분된다.