2017년 산업위생관리기사실기(필답형) 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) 16.88 m³/min

(2) 33.75 m³/min

[해설]

외부식 후드의 필요환기량은 Dalla Valle 식으로 구한다. 포착점까지의 거리 $X$가 후드 지름의 1.5배 이내인 범위에서 쓰는 식이다.

$Q = C \cdot V_c\,(10X^2 + A)$

여기서 $V_c$는 제어속도(m/sec), $X$는 후드 개구면에서 포착점까지의 거리(m), $A$는 후드 개구면적(m²), $C$는 설치 조건에 따른 계수다. 계수는 후드 뒤쪽·아래쪽에서 헛되이 빨려 드는 공기를 얼마나 막아 주느냐로 정해진다.

두 물음에서 $X$·$V_c$·$A$가 모두 같으므로 괄호 안의 값은 한 번만 계산해 두면 된다.

$10X^2 + A = 10\times 0.25^2 + 0.5 = 0.625 + 0.5 = 1.125\ \mathrm{m^2}$

(1) 플랜지 부착 + 작업면 위 — 계수 0.5를 쓴다. 초 단위로 나온 값에 60을 곱해 분 단위로 바꾼다.

$Q = 0.5\times 0.5\times 1.125 \times 60 = \mathbf{16.88\ \mathrm{m^3/min}}$

(2) 자유공간 + 플랜지 없음 — 계수 1을 쓴다.

$Q = 1\times 0.5\times 1.125 \times 60 = \mathbf{33.75\ \mathrm{m^3/min}}$

(2)가 (1)의 정확히 두 배인 것은 계수만 1과 0.5로 다르기 때문이다. 플랜지를 붙이고 작업면 위에 놓으면 후드 뒤쪽과 아래쪽에서 들어오던 공기가 차단되어, 같은 제어속도를 같은 거리에서 얻는 데 필요한 송풍량이 절반으로 줄어든다. 후드 개조로 얻는 이득이 이만큼 크다는 것이 이 문제의 요지다.

① 오염물질의 사용량을 조사하여 필요환기량을 정확히 산출한 뒤 설계한다

② 배출한 양만큼의 공기를 청정한 공기로 보충해 준다

③ 배출구는 가능한 한 오염원 가까이에 설치한다

④ 오염원이 배출구와 근로자의 작업위치 사이에 놓이도록 배치한다

[해설]

전체환기(희석환기)는 작업장 공기 전체를 희석해 농도를 낮추는 방식이다. 그래서 설치 원칙은 환기량과 기류 방향에 모인다.

• 필요환기량 산출 — 오염물질 사용량을 알아야 목표 농도까지 희석할 환기량이 정해진다.
• 청정공기 보충 — 배출한 만큼 급기하지 않으면 실내가 음압이 되어 배기 성능이 떨어지고 틈새로 오염공기가 역류한다.
• 배출구는 오염원 가까이 — 오염공기가 작업장을 가로지르는 거리가 짧아져 확산 범위가 좁아진다.
• 오염원을 배출구와 근로자 사이에 — 기류가 근로자 → 오염원 → 배출구 순으로 흘러 오염공기가 호흡기를 지나지 않는다.

혼동 주의: 독성이 낮음·발생량이 적음·오염원이 분산됨 등은 전체환기의 적용조건이다. 설치 원칙과는 다른 물음이다.

$A=\dfrac{\pi}{4}\times 0.088^{2}=0.006082\ \mathrm{m^2},\qquad V=\dfrac{0.12}{0.006082}=19.73\ \mathrm{m/sec}$

$VP=\dfrac{1.2\times 19.73^{2}}{2\times 9.8}=23.83\ \mathrm{mmH_2O}$

$SP_h=23.83\times(1+0.27)=$ $30.27\ \mathrm{mmH_2O}$

[해설]

후드 정압은 속도압과 유입손실의 합이므로 SP_h = VP(1 + F)로 구한다.

$A=\dfrac{\pi}{4}\times0.088^{2}=0.006082\ \mathrm{m^2}$
$V=\dfrac{Q}{A}=\dfrac{0.12}{0.006082}=19.73\ \mathrm{m/sec}$
$VP=\dfrac{\gamma V^{2}}{2g}=\dfrac{1.2\times19.73^{2}}{2\times9.8}=23.83\ \mathrm{mmH_2O}$
$SP_h=23.83\times(1+0.27)=30.27\ \mathrm{mmH_2O}$

답은 30.27 mmH₂O이다. 후드 안은 부압이므로 부호까지 붙이면 −30.27이다.

혼동 주의: 0.27은 유입손실계수 F이며 유입계수 C_e가 아니다. 두 값은 C_e = √(1/(1+F)) 관계다.

① 4

② 2

③ 10

[해설]

사무실 공기관리 지침이 정한 환기·시료채취 기준값이다.

• 환기횟수 — 공기정화시설이 있어도 가스상 오염물질은 걸러지지 않으므로 외기로 시간당 4회 이상 환기한다.
• 시료채취 지점 — 평균 지점이 아니라 공기질이 가장 나쁠 것으로 예상되는 2곳 이상에서, 호흡위치 높이(0.9~1.5 m)로 채취한다.
• 일산화탄소 채취시간 — 농도가 수시로 변하므로 업무 시작 후와 종료 전 1시간 전후에 각각 10분간 측정한다.

혼동 주의: 관리기준은 일산화탄소 10 ppm 이하, 이산화탄소 1,000 ppm 이하로 따로 외운다.

(1) 0.9

(2) 3

[해설]

작업환경 측정값은 로그정규분포를 따르므로 누적분포에서 GM과 GSD를 읽는다.

기하평균은 누적 50%에 해당하는 값이라 표에서 바로 0.9를 읽는다.

기하표준편차는 84.1% 값을 50% 값으로 나눈 비(또는 50% 값을 15.9% 값으로 나눈 비)이다.

$GSD=\dfrac{2.7}{0.9}=3$
$GSD=\dfrac{0.9}{0.3}=3$

혼동 주의: GSD는 항상 1 이상이며, 1 미만이 나왔다면 분자와 분모를 뒤집은 것이다.

① 마틴직경 — 입자의 투영면적을 이등분하는 선의 길이

② 페렛직경 — 입자 투영상의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 이은 선 가운데 가장 긴 길이

③ 등면적직경(헤이우드직경) — 입자의 투영면적과 같은 면적을 갖는 원의 직경

[해설]

기하학적(물리적) 직경은 현미경으로 본 입자의 투영상을 자로 재어 정하는 크기다. 입자는 구형이 아니어서 어디를 재느냐에 따라 값이 달라지므로, 재는 규칙을 정해 둔 것이 위 세 가지다.

마틴직경 — 투영면적을 이등분하는 선의 길이. 재는 방향을 하나로 고정해 놓고 여러 입자를 같은 방향으로 재며, 실제 크기보다 작게 평가되는 경향이 있다.

페렛직경 — 투영상의 양 끝을 이은 최대 길이. 가장 긴 축을 잡게 되므로 크게 평가되는 경향이 있다.

등면적직경 — 투영면적 $A$ 와 같은 넓이를 갖는 원으로 환산한 직경으로 $D=\sqrt{\dfrac{4A}{\pi}}$ 이다. 방향에 따라 값이 흔들리지 않아 셋 중 가장 정확하지만 면적을 일일이 재야 해서 번거롭다. 헤이우드직경과 같은 것이므로 두 이름을 따로 적어 3가지를 채우면 안 된다.

같은 입자라도 값은 대체로 페렛 > 등면적 > 마틴 순으로 나오므로, 입경을 비교할 때는 어느 직경으로 쟀는지 밝혀야 한다. 세 직경은 모두 형상만 반영하고 밀도나 공기 중 거동은 담지 못하므로, 호흡기 침착이나 집진을 다룰 때는 밀도 1 g/cm³의 구형 입자로 환산한 공기역학적 직경을 따로 쓴다.

(1) 375 m³/min

(2) 125 mmH₂O

(3) 12.11 kW

[해설]

회전수만 바꿀 때는 송풍기 상사법칙을 쓴다. 송풍량은 회전수에, 풍압은 그 제곱에, 동력은 그 세제곱에 비례한다.

$\dfrac{N_2}{N_1}=\dfrac{500}{400}=1.25$
$Q_2=300\times1.25=375\ \mathrm{m^3/min}$
$P_2=80\times1.25^{2}=125\ \mathrm{mmH_2O}$
$kW_2=6.2\times1.25^{3}=12.11\ \mathrm{kW}$

회전수는 25%만 올렸지만 동력은 세제곱에 비례해 거의 두 배가 된다. 그래서 회전수를 올릴 때는 전동기 용량도 함께 확인해야 한다.

(1) 백석면

(2) 갈석면

(3) 청석면

(4) ① 석면해체·제거작업의 절차와 방법
② 석면 흩날림 방지 및 폐기방법
③ 근로자 보호조치

[해설]

(1)~(3)은 화학식으로 구분한다. 철이 없는 백석면(크리소타일)만 사문석계라 섬유가 부드럽고 인장강도가 크며, 철이 든 Si₈O₂₂(OH)₂ 골격의 석면은 곧고 잘 부러지는 각섬석계다.

• 갈석면(아모사이트) — 철이 많아 내열성이 높다.
• 청석면(크로시돌라이트) — 나트륨(Na)이 든 각섬석으로, 가장 강하고 가늘어 발암성도 가장 크다.

(4)는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제489조에 따라 일반석면조사 또는 기관석면조사 결과를 확인한 뒤 세우는 작업계획의 필수 사항이다. 해체·제거 절차와 방법, 석면 흩날림 방지 및 폐기방법, 근로자 보호조치를 담고 이 계획을 근로자에게 알려야 한다.

(1) 1.25

(2) 노출지수가 1을 초과하므로 노출기준을 초과한다

[해설]

소음 크기가 여러 단계로 바뀌는 작업에서는 각 단계의 실제 노출시간을 그 크기에서 허용되는 시간으로 나눈 값을 모두 더해 판정한다. 이 합이 노출지수다.

$EI = \dfrac{C_1}{T_1} + \dfrac{C_2}{T_2} + \cdots + \dfrac{C_n}{T_n}$

「화학물질 및 물리적 인자의 노출기준」이 정한 소음의 허용노출시간은 90 dB(A)에서 8시간이고, 소음이 5 dB 커질 때마다 허용시간이 절반으로 줄어든다.

(1) 노출지수

$EI = \dfrac{4}{8} + \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{2} = 0.5 + 0.25 + 0.5 = \mathbf{1.25}$

(2) 판정 — 노출지수가 1을 넘으면 노출기준을 초과한 것으로 본다. 여기서는 1.25이므로 노출기준 초과다.

노출시간을 다 더해도 6시간뿐인데 기준을 넘는다는 점이 이 문제의 요지다. 90 dB(A)에 4시간 있었을 때의 몫이 0.5인 반면, 100 dB(A)에 1시간만 있어도 몫이 똑같이 0.5다. 시간이 아니라 크기가 판정을 좌우하므로, 개선을 한다면 노출시간이 긴 90 dB(A) 공정보다 100 dB(A) 공정을 먼저 손대는 편이 효과가 크다.

실내 공기의 온도·습도·기류·청정도를 목적에 맞게 조절하여 유지하는 설비로, 난방·냉방·환기·가습·감습·공기정화 기능을 하나로 묶은 것

[해설]

HVAC은 Heating(난방)·Ventilating(환기)·Air Conditioning(공기조화)의 머리글자다. 실내 공기의 온도·습도·기류·청정도를 목적에 맞게 함께 조절하는 설비를 가리킨다.

쾌적함은 온도 하나가 아니라 이 네 요소의 조합으로 정해지므로 난방·냉방·환기·가습·감습·공기정화를 한 계통으로 묶는다. 실내 공기질 면에서는 외기 도입량을 이 설비가 정하고, 관리가 소홀하면 코일·필터가 곰팡이·세균의 오염원이 된다는 점이 중요하다.

$t=\dfrac{V}{Q}\ln\dfrac{C_0}{C_t}=\dfrac{400}{56.6}\times\ln\dfrac{100}{25}=7.067\times1.3863$

9.80 min

[해설]

발생이 멈춘 뒤에는 들어온 깨끗한 공기가 남은 오염물질을 희석해 내보내기만 한다. 단위시간에 빠져나가는 양이 그 순간의 농도에 비례하므로 1차 반응, 곧 지수적 감소가 된다.

$V\dfrac{dC}{dt}=-Q\,C\quad\Rightarrow\quad C_t=C_0e^{-\frac{Q}{V}t}\quad\Rightarrow\quad t=\dfrac{V}{Q}\ln\dfrac{C_0}{C_t}$

여기서 $V$는 작업장 부피(m³), $Q$는 환기량(m³/min), $C_0$·$C_t$는 처음과 나중의 농도다. 농도가 비(比)로만 들어가므로 단위를 맞출 필요가 없다.

$t=\dfrac{400}{56.6}\times\ln 4=7.067\times1.3863=\mathbf{9.80\ \mathrm{min}}$

주의할 점은 상용로그가 아니라 자연로그를 써야 한다는 것이다. $\log$를 쓰면 0.602가 나와 4.26분으로 틀린다. 굳이 상용로그로 풀려면 $t=2.303\dfrac{V}{Q}\log\dfrac{C_0}{C_t}$로 바꿔야 한다.

검산해 보면 농도가 절반이 되는 데 걸리는 시간은 $7.067\times\ln 2=4.9$분이고, 100→25는 절반이 두 번 일어난 것이므로 그 두 배인 9.8분이 맞다. $V/Q=7.07$분은 공기가 한 번 갈리는 데 걸리는 시간이다. 이 식은 작업 종료 후 언제 다시 들어가도 되는지를 판단하는 근거로 쓴다.

(1) 격렬한 작업으로 산소 공급이 수요를 따라가지 못해 생긴 산소 부족분을, 작업이 끝난 뒤 회복기에 안정 시보다 많은 산소를 계속 소비하여 갚는 현상

(2) ① ATP(아데노신삼인산)
② 크레아틴인산(CP)

[해설]

(1) 작업 초기에는 호흡과 순환이 산소 수요를 바로 따라가지 못해 모자란 산소를 빚처럼 지게 되며, 이것이 산소부채다.

작업이 끝난 뒤에도 한동안 호흡이 가쁜 것은 안정 시보다 많은 산소를 소비하며 이 빚을 갚기 때문이다.

(2) 산소가 부족한 동안에는 산소 없이 쓸 수 있는 에너지원이 동원된다.

• ATP — 근육에 저장된 즉시 에너지원으로, 몇 초 만에 바닥난다.
• 크레아틴인산(CP) — ADP에 인산을 넘겨 ATP를 빠르게 재생한다.

이 둘이 바닥나면 글리코겐의 혐기성 해당작용이 이어지면서 젖산이 쌓인다.

회복기에 더 쓰는 산소는 젖산을 처리하고 ATP·CP를 다시 채우는 데 쓰인다.

(1) $C_s=\dfrac{25}{760}\times 10^{6}$ = 32,894.74 ppm

(2) $VHI=\log\dfrac{32{,}894.74}{100}=\log 328.95$ = 2.52

(3) $C_s=\dfrac{100}{760}\times 10^{6}$ = 131,578.95 ppm

(4) $VHI=\log\dfrac{131{,}578.95}{350}=\log 375.94=2.5751$ → 2.58

[해설]

증기포화농도는 포화증기압 ÷ 대기압 × 10⁶으로 구한다. VHI는 증기포화농도가 TLV의 몇 배인지에 상용로그를 취한 값이다.

$C_{s,A}=\dfrac{25}{760}\times10^{6}=32{,}894.74\ \mathrm{ppm}$
$VHI_A=\log\dfrac{32{,}894.74}{100}=\log328.95=2.52$
$C_{s,B}=\dfrac{100}{760}\times10^{6}=131{,}578.95\ \mathrm{ppm}$
$VHI_B=\log\dfrac{131{,}578.95}{350}=\log375.94=2.5751\approx2.58$

B는 TLV가 A의 3.5배로 느슨하지만 증기압이 4배라 VHI가 더 크게 나온다. 위험도는 독성과 휘발성의 비로 정해진다.

① 정확도

② 정밀도

③ 단위작업장소

④ 지역시료채취

⑤ 정도관리

[해설]

작업환경측정 및 정도관리 등에 관한 고시의 정의 조항에 나오는 용어다.

• 정확도 — 분석치가 참값에 얼마나 가까운지를 뜻한다.
• 정밀도 — 반복해서 측정한 값들이 얼마나 덜 흩어지는지를 뜻한다.
• 단위작업장소 — 동일 노출집단 근로자가 작업하는 장소로, 측정 지점과 시료 수를 정하는 기준 구역이다.
• 지역시료채취 — 호흡기 높이에 채취기를 고정해 두는 방식으로, 근로자 몸에 부착하는 개인시료채취와 다르다.
• 정도관리 — 개별 측정값이 아니라 측정기관의 능력을 확인하고 지도·교육하는 관리 수단 전체다.

혼동 주의: 과녁에 비유하면 정확도는 탄착점이 중심에 가까운 정도이고, 정밀도는 탄착점끼리 모여 있는 정도다.

0.41 m³/sec

[해설]

덕트 안에서는 전압 = 정압 + 속도압이다. 속도압에서 유속을 구하고, 유속에 단면적을 곱해 유량을 구한다.

$VP=TP-SP=(-30)-(-63)=33\ \mathrm{mmH_2O}$
$V=\sqrt{\dfrac{2g\,VP}{\gamma}}=\sqrt{\dfrac{2\times9.8\times33}{1.2}}=23.22\ \mathrm{m/sec}$
$A=\dfrac{\pi}{4}\times0.15^{2}=0.01767\ \mathrm{m^2}$
$Q=0.01767\times23.22=0.41\ \mathrm{m^3/sec}$

혼동 주의: 흡입측이라 정압과 전압이 음수여도 속도압은 항상 양수다.

$VP = \dfrac{\gamma V^2}{2g}$

$V = 4.04\sqrt{VP}$

[해설]

베르누이 정리에서 속도에 해당하는 항이 속도압으로, 단위 부피 공기의 운동에너지를 수주(mmH₂O)로 나타낸 값이다.

$VP = \dfrac{\gamma V^2}{2g}$
$V = \sqrt{\dfrac{2g\,VP}{\gamma}} = \sqrt{\dfrac{2\times 9.8}{1.2}}\,\sqrt{VP}$
$V = \mathbf{4.04\sqrt{VP}}$ (m/sec)

피토관으로 속도압만 재면 유속을 구할 수 있는 근거가 이 식이다.

계수 4.04는 비중량 1.2 kgf/m³인 표준공기를 기준으로 한 값이어서, 공기 온도가 달라지면 계수도 달라진다.

① 15 — 배출구는 공기 유입구(흡입구)로부터 수평으로 15 m 이상 떨어뜨린다

② 3 — 배출구는 지붕 꼭대기나 공기 유입구보다 3 m 이상 높게 세운다

③ 15 — 배출되는 공기의 속도를 15 m/sec 이상으로 유지한다

[해설]

15-3-15 규칙은 국소배기장치가 뽑아낸 오염공기가 공기 유입구로 재유입되지 않도록 배출구를 설치하는 경험적 지침이다.

• 수평 15 m 이상 — 배출구를 공기 유입구에서 멀리 떨어뜨려 그 사이에서 희석되게 한다.
• 높이 3 m 이상 — 지붕 꼭대기나 유입구보다 높여 지붕 위 와류 구역을 벗어나게 한다.
• 배출속도 15 m/sec 이상 — 빠르게 뿜어 올려 상승력을 주고 주변 공기와 잘 섞이게 한다.

세 숫자는 차례로 수평거리·수직높이·배출속도를 뜻한다. 같은 취지로 배출구에는 상승 기류를 꺾는 빗물덮개를 씌우지 않는 것이 원칙이다.

① 흡착장치의 처리능력

② 처리 대상 가스상 오염물질의 흡착 가능성 검토

③ 흡착제의 체류시간과 충진량

[해설]

흡착장치는 가스상 오염물질을 활성탄 같은 고체 흡착제 표면에 붙잡아 제거한다. 그래서 무엇을, 얼마나, 얼마 동안 붙잡을 수 있는지가 설계의 핵심이다.

• 흡착장치의 처리능력 — 배기량과 오염물질 농도에 맞는 처리량을 확보해야 하며, 이를 넘으면 오염물질이 그대로 빠져나간다.
• 흡착 가능성 검토 — 활성탄은 무극성이라 유기용제 증기에 강하고 실리카겔은 극성 물질에 강하므로, 대상 물질에 맞는 흡착제를 고른다.
• 체류시간과 충진량 — 공기가 흡착층에 머무는 시간이 짧으면 오염물질이 붙을 겨를이 없고, 충진량을 늘리면 체류시간은 길어지지만 압력손실도 커진다.

실무에서는 흡착층이 포화되어 출구 농도가 급증하는 파과점도 함께 따진다. 파과점이 흡착제 교체·재생 주기의 기준이 되기 때문이다.

1.29 kg/m³

[해설]

혼합기체의 밀도는 평균분자량 ÷ 몰부피로 구하고, 기체에서는 부피분율이 곧 몰분율이다.

평균분자량 = 28×0.784 + 32×0.21 + 44×0.003 + 18×0.003
= 21.952 + 6.72 + 0.132 + 0.054 = 28.858 g/mol
ρ = 28.858 ÷ 22.4 = 1.29 kg/m³

0 ℃·1기압에서는 몰부피 22.4 L를 쓰며, g/L는 kg/m³와 같아 단위를 따로 환산할 필요가 없다. 혼동 주의: 25 ℃라면 몰부피 24.45 L를 써서 약 1.18 kg/m³가 된다.

(1) 후드 뒤에 두는 넓은 공간 — 유입 공기의 압력을 고르게 만들어 개구면 전체의 흡입속도를 균일하게 한다

(2) 오염물질을 후드 안으로 확실히 끌어들이는 데 필요한 최소한의 공기속도

(3) 후드 개구면 둘레에 붙이는 판 — 후드 뒤쪽에서 헛되이 빨려 드는 공기를 차단한다

[해설]

후드 설계의 목표는 오염물질을 최소한의 송풍량으로 확실히 끌어들이는 것이다. 세 용어는 모두 이 목표와 연결된다.

• 충만실(plenum) — 후드와 덕트 사이의 넓은 공간으로, 이 안에서 유속이 떨어져 압력이 고르게 되므로 개구면 전체의 흡입속도가 균일해진다.
• 제어속도 — 주변 방해기류를 이기고 오염물질을 후드로 끌어들이는 최소 속도로, 이보다 느리면 오염물질이 새어 나가고 빠르면 동력만 낭비된다.
• 플랜지(flange) — 개구면 둘레에 붙인 판으로, 후드 뒤쪽에서 빨려 드는 쓸모없는 공기를 막아 흡인 기류를 앞쪽 발생원으로 모아 준다.

외우는 요령: 플랜지를 달면 같은 제어속도를 내는 데 필요한 송풍량이 약 25% 줄어든다. 그래서 필요환기량 식에 0.75를 곱한다.