2020년 산업위생관리기사실기(필답형) 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

0.7 mg/m³

[해설]

안전흡수량 총량과 호흡으로 들어오는 양을 같게 놓는 SHD × 체중 = C × T × V × R에서 공기 중 농도를 거꾸로 구한다.

허용 총량 = 0.1 mg/kg × 70 kg = 7 mg
C = 7 ÷ (8 × 1.25 × 1.0) = 0.7 mg/m³

작업시간이 길거나 폐환기율이 크면 같은 농도에서도 더 많이 흡입되므로 관리해야 할 농도는 낮아진다.

① 흡착장치의 처리능력

② 처리하려는 가스상 오염물질이 흡착으로 제거 가능한지 여부

③ 흡착제의 체류시간과 충진량

[해설]

흡착장치는 활성탄 같은 다공성 고체의 표면에 가스상 오염물질을 붙잡아 처리하는 설비다.

• 흡착장치의 처리능력 — 처리할 풍량과 오염물질 농도를 감당할 용량이어야 흡착제가 금세 포화되지 않는다.
• 흡착 제거 가능 여부 — 메탄처럼 작고 가벼운 분자는 잘 붙지 않으므로, 대상 물질이 흡착으로 제거되는지 먼저 확인한다.
• 체류시간과 충진량 — 공기가 흡착층에 충분히 머물러야 분자가 표면에 붙을 시간이 생긴다.

흡착제가 포화되어 오염물질이 새어 나가기 시작하는 파과점이 흡착제의 교체·재생 주기를 정한다.

$\overline{M}=28\times0.78+32\times0.21+40\times0.009+44\times0.0003=28.9332\ \mathrm{g/mol}$

$\rho=\dfrac{28.9332}{24.45}=1.183\ \mathrm{g/L}$

1.18 kg/m³

[해설]

기체 밀도는 평균분자량 ÷ 몰부피로 구하며, 공기는 부피분율(=몰분율)로 가중평균한 평균분자량을 쓴다.

M = 28 × 0.78 + 32 × 0.21 + 40 × 0.009 + 44 × 0.0003 = 28.9332 g/mol
몰부피 = 22.4 × (273 + 25)/273 = 24.45 L/mol
ρ = 28.9332 ÷ 24.45 = 1.183 g/L = 1.18 kg/m³

g/L와 kg/m³는 수치가 같아 그대로 옮기면 된다. 혼동 주의: 0.9 %는 0.009, 0.03 %는 0.0003으로 바꿔야 한다.

1.5 회/hr

[해설]

필요환기량 공식 Q = M ÷ (C_s − C_o)으로 환기량을 구하고, 이를 실내 체적으로 나누면 ACH가 된다.

M = 40 L/hr × 30명 = 1,200 L/hr = 1.2 m³/hr
Q = 1.2 ÷ ((800 − 400) × 10⁻⁶) = 3,000 m³/hr
ACH = 3,000 ÷ 2,000 = 1.5 회/hr

혼동 주의: 외기 농도 400 ppm을 빼지 않으면 ACH가 0.75로 절반이 된다.

① 중력 집진장치

② 관성력 집진장치

③ 원심력 집진장치

④ 여과 집진장치

⑤ 전기 집진장치

[해설]

집진 원리, 곧 어떤 힘으로 입자를 기류에서 떼어 내는지에 따라 5가지로 나눈다.

• 중력 집진장치 — 유속을 크게 줄여 입자가 스스로 가라앉게 한다.
• 관성력 집진장치 — 기류 방향을 급히 꺾으면 무거운 입자가 관성으로 계속 나아가 충돌판에 부딪힌다.
• 원심력 집진장치 — 사이클론 안에서 기류를 돌려 입자를 벽 쪽으로 밀어낸다.
• 여과 집진장치 — 백필터 같은 여재에 가스를 통과시켜 입자를 걸러 낸다.
• 전기 집진장치 — 코로나 방전으로 입자에 전하를 띠게 한 뒤 집진극에 끌어붙인다.

외우는 요령: 뒤로 갈수록 대체로 더 작은 입자까지 잡으며, 전기 집진장치는 0.01 µm급 미세입자까지 처리한다. 물을 쓰는 세정 집진장치를 더해 6가지로 나누기도 하지만, 벤투리스크러버는 세정식 안의 한 형식일 뿐이어서 이 분류의 답이 아니다.

(1) 36.00 m³/min

(2) 28.80 mmH₂O

(3) 0.86 kW

[해설]

송풍기 상사법칙에 따라 풍량은 회전수에 비례하고, 정압은 회전수의 제곱에, 동력은 세제곱에 비례한다.

회전수비 = 1,200 ÷ 1,000 = 1.2
Q₂ = 30 × 1.2 = 36.00 m³/min
P₂ = 20 × 1.2² = 20 × 1.44 = 28.80 mmH₂O
kW₂ = 0.5 × 1.2³ = 0.864 ≈ 0.86 kW

혼동 주의: 회전수가 아니라 공기 밀도가 바뀌면 풍량은 그대로이고, 정압과 동력만 밀도에 비례한다.

② 필요환기량은 최소가 되도록 해야 한다.

⑥ 후드를 덕트보다 두꺼운 재질로 선택한다.

⑦ 후드 개구면적은 완전한 흡입이 이루어지는 범위에서 되도록 작게 한다.

[해설]

국소배기시설은 가장 적은 공기로 오염물질을 확실하게 잡는 것이 설계 원칙이다. 이 원칙에 어긋나는 세 진술이 틀린 것이다.

• 필요환기량은 제어속도를 확보하는 선에서 최소로 잡아야 송풍기 동력, 덕트 크기, 냉난방 손실이 줄어든다.
• 후드는 발생원 바로 앞에서 열·입자·부식성 가스와 충격을 가장 먼저 받으므로 덕트보다 두꺼운 재질로 만든다.
• 필요송풍량은 개구면적에 비례하므로 완전한 흡입이 이루어지는 범위 안에서 개구면적을 작게 한다.

발생원 가까이 설치, 공정을 많이 포위, 개구면 기류를 고르게, 호흡영역 보호는 모두 옳은 진술이다. 개구면적을 지나치게 좁히면 발생원을 놓치므로 '완전한 흡입 범위'라는 단서가 붙는다.

$C=\dfrac{50\ \mathrm{ppm}\times 131.39}{24.45}=268.69\ \mathrm{mg/m^3}$

$V=\dfrac{0.5\ \mathrm{mg}}{268.69\ \mathrm{mg/m^3}}=1.861\times 10^{-3}\ \mathrm{m^3}=1.861\ \mathrm{L}$

$t=\dfrac{1.861\ \mathrm{L}}{0.15\ \mathrm{L/min}}=$ $12.41\ \mathrm{min}$

[해설]

최소 채취시간은 정량한계(LOQ)만큼의 물질을 모으는 데 걸리는 시간이다. 예상농도를 mg/m³로 바꾼 뒤, LOQ를 채우는 데 필요한 공기량을 채취유량으로 나눈다.

C = 50 × 131.39 ÷ 24.45 = 268.69 mg/m³
V = 0.5 ÷ 268.69 = 1.861 × 10⁻³ m³ = 1.861 L
t = 1.861 ÷ 0.15 = 12.41 min

25 ℃·1기압의 몰부피는 24.45 L이고, 21 ℃ 조건이면 24.1 L를 쓴다.

① 전압 : -10 mmH₂O

② 정압 : -20 mmH₂O

③ 속도압 : 10 mmH₂O

[해설]

피토관은 연결한 구멍에 따라 읽는 압력이 다르고, 송풍기 흡인측은 대기압보다 낮아 전압·정압이 음(−)이 된다.

• 전압 — 기류를 정면으로 받는 선단(충격공)만 연결했으므로 −10 mmH₂O이다.
• 정압 — 기류와 직각인 측공만 연결해 벽을 미는 압력만 읽으므로 −20 mmH₂O이다.
• 속도압 — 선단과 측공을 U자관 양쪽에 걸어 두 압력의 차를 읽으므로 10 mmH₂O이다.

세 값은 전압 = 정압 + 속도압 관계로 맞물린다.
−10 = (−20) + 10

혼동 주의: 절댓값은 정압이 더 크지만 음수끼리는 전압이 속도압만큼 높고, 속도압은 흐름이 있는 한 항상 양(+)이다.

(1) 테이퍼

(2) 분리날개

[해설]

둘 다 후드의 압력손실과 기류 분포를 개선하려고 두는 구조다.

테이퍼는 후드에서 덕트로 넘어가는 목 부분을 서서히 좁힌 경사 접합부다. 단면이 갑자기 줄면 기류가 벽에서 떨어져 나가며(박리) 손실이 커지는데, 테이퍼는 이 변화를 완만하게 해 손실을 줄인다.

분리날개(splitter vane)는 개구면에 날개를 세워 개구부를 여러 갈래로 나누고, 이렇게 해서 흡인속도를 고르게 만든다. 날개 표면에 유해물질이 쌓이거나 부식되기 쉬운 것이 단점이다.

혼동 주의: 개구면 속도를 고르게 하는 수단으로 충만실·슬롯도 있지만, 개구부를 여러 개로 나누는 형식은 분리날개다.

$Q_{21}=\dfrac{24.1\times S\times W\times C\times 10^{2}}{M\times \mathrm{LEL}\times B}=\dfrac{24.1\times 0.88\times 1.5\times 5\times 10^{2}}{106\times 1\times 0.7}=214.37\ \mathrm{m^3/hr}=3.57\ \mathrm{m^3/min}$

$Q_{150}=3.57\times\dfrac{273+150}{273+21}=3.57\times 1.4388=$ $5.14\ \mathrm{m^3/min}$

[해설]

폭발방지 환기량은 LEL을 기준으로 먼저 21 ℃ 환기량을 구한 뒤, 절대온도비로 실제 온도에 맞게 보정한다.

Q₂₁ = (24.1 × S × W × C × 10²) ÷ (M × LEL × B)
= (24.1 × 0.88 × 1.5 × 5 × 10²) ÷ (106 × 1 × 0.7)
= 214.37 m³/hr = 3.57 m³/min
Q₁₅₀ = 3.57 × (273 + 150) ÷ (273 + 21)
= 5.14 m³/min

식 분자의 몰부피는 21 ℃·1기압 값이라서 계산 결과가 21 ℃ 기준 환기량이 된다.

보정상수 B는 고온에서 폭발하한 자체가 낮아지는 것을 반영하는 값으로, 120 ℃ 이상에서 적용한다.

절대온도비는 공기 부피의 팽창을 반영하므로 B와 별개로 반드시 함께 적용한다.

안전계수 5는 증기가 고르게 섞이지 않아 국부적으로 폭발범위에 드는 것을 감안한 여유분이다.

① 15

② 4

[해설]

고용노동부 고시 화학물질 및 물리적 인자의 노출기준은 단시간 노출기준(STEL)을 15분간의 시간가중평균노출값으로 정의한다.

TWA를 넘고 STEL 이하인 노출은 1회 15분 미만, 1일 4회 이하, 노출 간격 60분 이상을 모두 지켜야 한다. 노출은 짧게, 드물게 하고 사이에 회복할 시간을 두라는 뜻이다.

혼동 주의: 최고노출기준(C)은 잠시라도 넘으면 안 되는 값이어서 15분 평균조차 허용하지 않는다.

$V=\dfrac{2\times1{,}000\times0.879}{78.11}\times24.45=\dfrac{1{,}758}{78.11}\times24.45=22.507\times24.45$

550.29 L

[해설]

액체 부피 → 질량 → 몰수 → 기체 부피 순서로 계산하며, 25 ℃·1기압의 몰부피는 24.45 L/mol이다.

질량 = 2 × 1,000 mL × 0.879 g/mL = 1,758 g
몰수 = 1,758 ÷ 78.11 = 22.507 mol
V = 22.507 × 24.45 = 550.29 L

혼동 주의: 21 ℃ 조건이면 몰부피 24.1 L를 써서 542.41 L가 된다.

24.06 mmH₂O

[해설]

직관의 압력손실은 달시-바이스바흐 식으로 구하며, 속도압에 λL/D를 곱한 값이다.

ΔP = λ × (L/D) × (γV²/2g)
속도압 = 1.203 × 14² ÷ (2 × 9.8) = 12.03 mmH₂O
ΔP = 0.02 × (30/0.3) × 12.03 = 24.06 mmH₂O

압력손실은 유속의 제곱에 비례하므로 유속을 두 배로 올리면 손실은 네 배가 된다.

① 유해물질의 독성이 비교적 낮을 것

② 유해물질의 발생량이 적을 것

③ 오염원이 작업장 안 여러 곳으로 분산되어 있을 것

④ 오염원이 근로자의 작업위치에서 멀리 떨어져 있을 것

⑤ 발생원이 이동하는 등 국소배기장치를 설치하기 곤란할 것

[해설]

전체환기(희석환기)는 오염공기를 신선한 공기로 노출기준 이하로 희석하는 방식이므로, 희석만으로 감당할 수 있는 조건에서만 쓴다.

• 독성이 비교적 낮은 물질은 희석된 농도로 흡입해도 위험이 적다.
• 발생량이 적어야 필요환기량(발생량에 비례)이 현실적인 크기에 머문다.
• 오염원이 여러 곳으로 분산되어 있으면 발생원마다 후드를 달기 어렵다.
• 오염원이 작업위치에서 멀면 근로자에게 닿기 전에 충분히 희석된다.
• 발생원이 이동하면 고정된 국소배기 후드로 포집할 수 없다.

혼동 주의: 독성·발암성이 강한 물질이나 분진·흄 같은 입자상 물질에는 전체환기가 아니라 국소배기를 적용한다.

0.67

[해설]

유입손실계수 F와 유입계수 C_e는 F = 1/C_e² − 1 관계에 있다.

C_e = √(1/(1+F))
C_e = √(1/(1+1.25)) = √(1/2.25)
C_e = 0.67

유입계수는 실제 유량을 이론 유량으로 나눈 비여서 1을 넘을 수 없다. 이 후드는 이론 유량의 약 67 %만 받아들이며, 후드 압력손실은 F × 속도압으로 계산한다.

(1) 30 cm

(2) 25 % 감소한다.

[해설]

플랜지의 최소 폭은 후드 개구면적의 제곱근이고, 플랜지를 붙이면 필요송풍량이 0.75배로 줄어든다.

W = √(45 × 20) = √900 = 30 cm
감소율 = (Q − 0.75Q) ÷ Q × 100 = 25 %

플랜지는 후드 뒤쪽에서 빨려 드는 쓸모없는 공기를 막아, 같은 제어속도를 더 적은 풍량으로 얻게 해 준다. 덕트 직경 20 cm는 이 문항의 계산에 쓰이지 않는다.

① 로타미터

② 습식 테스트미터

③ 건식 가스미터

④ 오리피스미터

⑤ 열선기류계

[해설]

2차 표준기구는 압력차·부력처럼 유량에 따라 달라지는 다른 물리량을 읽어 유량으로 환산하므로, 1차 표준기구로 교정한 뒤에 쓴다.

• 로타미터 — 위로 넓어지는 관 속에서 부자가 떠오른 높이로 유량을 읽는다.
• 습식 테스트미터 — 물이 든 통 안에서 회전하는 드럼이 지나간 기체 부피를 적산한다.
• 건식 가스미터 — 격막이 왕복 운동하는 횟수로 부피를 적산한다.
• 오리피스미터 — 관 속 구멍 앞뒤의 압력차로 유량을 환산한다.
• 열선기류계 — 가열된 선이 기류에 식는 정도로 풍속을 재어 유량으로 환산한다.

혼동 주의: 비누거품미터·폐활량계·가스치환병·유리피스톤미터·피토튜브는 치수를 직접 재는 1차 표준기구다.