[가스기능사 필기] 07년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

도시가스 사용시설의 월사용예정량 산출식은 $Q = \dfrac{(A \times 240) + (B \times 90)}{11000}$이다.
여기서 A는 산업용 연소기 가스소비량 합계(kcal/h), B는 산업용이 아닌 연소기 가스소비량 합계(kcal/h)를 의미하며, 각각 표준 가동일수 개념을 반영한 계수(240일·90일)가 곱해진다.

방폭 전기기기의 구조 표시기호 중 "e"는 안전증 방폭구조를 나타낸다.
이 밖에 내압방폭구조는 "d", 압력방폭구조는 "p", 유입방폭구조는 "o"로 표시되어, 기호마다 서로 다른 방폭 원리를 나타낸다.

가연성가스 제조시설의 고압가스설비는 그 외면으로부터 산소제조시설의 고압가스설비와 10m 이상의 거리를 유지해야 한다.
이는 가연성가스와 조연성가스인 산소가 가까이 있을 때 발생할 수 있는 화재·폭발 위험을 줄이기 위한 안전거리 기준이다.

차량에 고정된 탱크 중 산소 탱크의 내용적은 18,000ℓ를 초과할 수 없다.
이는 가연성가스(액화암모니아는 제외) 탱크에도 동일하게 적용되는 기준이며, 독성가스(액화암모니아 제외) 탱크는 이보다 낮은 12,000ℓ를 초과할 수 없도록 별도로 정해져 있다.

암모니아(NH₃)는 가연성이면서 독성을 동시에 갖는 대표적인 가스이다.
수소와 탄화수소 계열 가스는 가연성이지만 독성가스로 분류되지 않고, 질소는 불연성·불활성 가스이므로 해당하지 않는다.

공기액화분리장치에 아세틸렌이 혼입되면 액화산소 속에 녹아 축적되었다가 산소와 반응해 폭발을 일으킬 위험이 있기 때문이다.
단순한 순도 저하나 배관 막힘, 질소·산소 분리 방해 같은 공정상의 문제가 아니라 폭발이라는 안전상의 이유가 핵심이다.

초저온용기의 단열성능시험에는 비점이 일정한 액화질소·액화산소·액화아르곤이 사용된다.
액화공기는 질소·산소 등 여러 성분의 혼합물이어서 끓는점이 일정하지 않고 조성도 변하므로 단열성능시험용 가스로 쓰지 않는다.

액화암모니아 용기의 도색은 백색이 옳다.
수소 용기는 회색이 아니라 주황색으로 도색한다.
아세틸렌 용기는 흑색이 아니라 황색으로 도색한다.
액화염소 용기는 황색이 아니라 갈색으로 도색한다.

기체 연료는 별도의 증발이나 분해 과정 없이 공기와 섞이면서 반응하는 확산연소 형태로 타는 것이 특징이다.
증발연소는 액체 연료, 표면연소와 분해연소는 고체 연료에서 나타나는 연소 형태에 해당한다.

특정고압가스는 법령상 수소, 산소, 액화암모니아, 아세틸렌, 액화염소, 천연가스 등으로 열거되어 있으며 이산화탄소는 여기에 포함되지 않는다.
수소·산소·천연가스는 모두 특정고압가스에 해당한다.

공기 중 산소농도가 높아지면 반응물질 간 충돌 빈도가 늘어 연소속도는 빨라지고, 착화에 필요한 문턱이 낮아져 발화온도는 낮아진다.
산소가 많을수록 연소는 더 쉽고 더 격렬하게 일어나므로, 연소속도가 느려진다거나 발화온도가 높아진다는 설명은 맞지 않는다.

도시가스 사용시설의 기밀시험은 최고사용압력의 1.1배 또는 $8.4~\mathrm{kPa}$ 중 높은 압력으로 실시한다.
이는 실제 사용압력이 매우 낮은 저압 사용시설에서도 최소한의 기밀 확인 압력을 확보하기 위한 기준이다.

액화석유가스의 안전관리 및 사업법령상 저장탱크는 지상 또는 지하에 고정 설치되고 저장능력이 3톤 이상인 것을 말한다.
저장능력이 3톤 미만인 고정 설치 탱크는 저장탱크가 아니라 소형저장탱크로 따로 구분한다.

LPG 사용시설의 배관은 원칙적으로 상용압력의 1.5배 이상으로 내압시험을 하되, 저압배관은 $0.8~\mathrm{MPa}$ 이상의 압력으로 실시하도록 정하고 있다.
이 압력에서 누출이나 이상이 없어야 시공이 적합한 것으로 인정된다.

도시가스 매설배관 보호포에는 가스명, 사용압력, 공급자명을 표시하도록 정해져 있다.
배관매설년도는 보호포의 표시 항목에 해당하지 않는다.

가스사용자의 토지 경계에서 그 사용자가 점유하는 건축물 외벽에 설치된 계량기의 전단밸브까지 이르는 배관을 사용자 공급관이라 한다.
본관은 도시가스제조사업소의 부지 경계에서 정압기까지 이르는 배관을, 내관은 토지 경계(공동주택 등은 계량기 전단밸브)에서 연소기까지 이르는 배관을 가리킨다.

밸브가 돌출된 충전용기를 운반할 때는 밸브 손상을 막기 위해 프로텍터 또는 캡을 씌워야 한다.
고무판이나 스커트, 목재칸막이는 밸브 보호를 위한 규정된 방법이 아니다.

용기 1개의 충전량: $G=\frac{V}{C}=\frac{50}{0.86}\approx58.14\,\text{kg}$
필요 용기 수: $\frac{500}{58.14}\approx8.6$개이며, 용기는 소수점 이하를 올려 계산하므로 9개가 필요하다.

LPG는 탄소수 3, 4의 저급 탄화수소를 주성분으로 하는 혼합물이며, 고급탄화수소의 혼합물이라는 설명은 옳지 않다.
액화석유가스의 약자라는 점, 탄소수 3·4 화합물이 주성분이라는 점, 무색·투명하며 물에 잘 녹지 않는다는 점은 모두 옳은 설명이다.

암모니아는 자극성 냄새로 알 수 있고, 적색 리트머스지를 청색으로 변화시키며, 진한 염산에 접촉하면 흰 연기(염화암모늄)를 낸다.
네슬러시약은 암모니아와 반응하면 백색이 아니라 소량일 때 황색, 다량일 때 갈색으로 변하므로, 백색으로 변한다는 설명이 틀린 것이다.

충전용기와 잔가스용기는 서로 결속시키는 것이 아니라 넘어짐 방지 조치를 각각 취한 상태로 서로 구분하여 보관하도록 정해져 있다.
충전용기의 전도·충격 방지, 가연성가스 저장실의 체류 방지, 방폭형 손전등 외 등화 휴대 금지는 모두 옳은 저장 기준이다.

"충전 중 엔진정지" 표지는 위험 주의를 환기하는 표지판으로 황색바탕에 흑색 글씨로 설치하도록 정해져 있다.
이는 위험 경고를 명확히 인식시키기 위한 색상 조합이다.

아세틸렌 제조설비의 충전용 지관은 탄소 함유량 0.1% 이하인 강을 사용하도록 규정되어 있다.
탄소량이 높아질수록 강은 단단해지는 대신 취성이 커지고 용접성이 나빠지므로, 충격이나 진동을 받는 아세틸렌 충전 배관에는 탄소량이 낮은 연강을 쓰도록 기준값을 낮게 정한 것이다.

액화석유가스 용기에는 반복 사용이 가능하고 설정압력에서 자동 복귀되는 스프링식 안전밸브가 가장 적합하다.
가용전식·중추식·파열판식은 각각 다른 특정 용도에 쓰이며 일반 LPG 용기의 표준 방식은 아니다.

긴급차단장치는 저장탱크 주밸브의 외측에 설치하되, 주밸브와 겸용하지 않아야 신속하고 확실하게 차단할 수 있다.
따라서 주밸브와 겸용으로 하여 차단한다는 설명은 옳지 않다. 저장탱크에서 5m 이상 떨어진 곳에서 조작 가능해야 한다는 것과 동력원으로 액압·기압·전기·스프링을 쓸 수 있다는 것은 옳은 내용이다.

고압산소 배관이나 압축기의 내산화성 재료로는 니켈-구리 합금인 모넬(Monel)메탈 등이 주로 쓰이며, 납(Pb)은 해당되지 않는다.
고압 산소와 유지류의 접촉이 위험하다는 점, 과잉산소가 인체에 해롭다는 점, 산소의 화학반응에서 생성되는 과산화물이 위험하다는 점은 모두 옳은 설명이다.

아세틸렌이 통하는 설비 부분은 구리(동)와 반응해 폭발성 아세틸라이드를 만드는 것을 막기 위해 동 함유량 62% 이하인 재료를 사용해야 한다.
이는 아세틸렌 취급설비 재질 선정에서 반복적으로 출제되는 기준값이다.

도시가스로 공급되는 천연가스의 주성분은 메탄(CH₄)이다.
에탄·부탄 등은 천연가스에 소량 섞여 있는 부성분일 뿐 주성분이 아니며, 프로필렌은 천연가스의 성분으로 보지 않는다.

지하매설 도시가스배관의 전기방식법에는 희생양극법, 외부전원법, 배류법이 있다.
"직류법"이라는 명칭의 전기방식 방법은 존재하지 않으므로 해당되지 않는다.

LPG 자동차 충전소에서 저장탱크와 탱크로리를 연결해 이·충전 작업을 수행하는 설비는 로딩암이다.
역화방지장치, 퀵카플러, 긴급차단밸브는 각각 다른 목적의 안전장치·연결구로, 탱크로리 연결용 주설비를 가리키는 명칭이 아니다.

용기 원통에서 길이방향으로 시험편을 잘라내어 탄성한도, 연신율, 항복점, 단면수축률을 측정하는 검사는 인장시험이다.
외관시험은 육안 검사, 충격시험은 저온 취성 파괴 저항을, 내압시험은 내압 성능을 확인하는 것으로 목적이 다르다.

펌프의 특성곡선에는 양정, 축동력, 토출량이 유량 변화에 따라 어떻게 달라지는지가 표시된다.
임펠러 재질은 성능곡선이 아니라 펌프 사양(재질표)에서 별도로 제시되는 정보이다.

공기 중 성분가스의 끓는점은 산소(약 -183℃)가 질소(약 -196℃), 아르곤(약 -186℃), 헬륨(약 -269℃)보다 높다.
따라서 공기를 냉각해 액화분리할 때 끓는점이 가장 높은 산소가 가장 먼저 액화된다.

고압식 액체산소 분리장치는 공기압축기, 저온열교환기, 팽창기, 액화산소탱크 등으로 구성된다.
기화기는 액화된 가스를 다시 기체로 되돌리는 장치로, 공기를 냉각·액화·분리하는 이 장치의 주요 구성요소에는 해당하지 않는다.

헴펠법(Hempel's method)은 기체혼합물을 순차적으로 화학흡수하여 각 성분을 정량 분석하는 방법으로, 흡수 순서는 화학적 친화력이 강한 순서를 따른다. CO2는 수산화칼륨(KOH) 용액에 의해 가장 먼저 흡수되며, 이후 산소는 알칼리성 피로갤롤(pyrogallol) 용액에, 일산화탄소는 암모니아성 염화제이철(FeCl3) 용액에 흡수되고, 에탄가스는 흡수되지 않는다. 따라서 흡수 용액의 선택적 반응성에 의해 CO2가 가장 먼저 제거된다.

LP가스 용기는 내압성과 가공성, 경제성을 갖춘 탄소강을 재질로 사용하는 것이 가장 적절하다.
주철은 취성이 커서 압력용기에 부적합하고, 내산강이나 두랄루민은 특수 목적의 재질로 일반 LPG 용기에는 쓰이지 않는다.

암모니아는 부식성이 강한 물질로, 많은 금속을 침식한다. 황동(1번)과 청동(3번)은 구리 합금으로 암모니아에 의해 응력부식균열이 발생하는 취성파괴 위험이 있고, Al강(2번)은 알루미늄 합금으로 암모니아 환경에서 부식이 진행된다. 반면 연강(연질강)은 암모니아에 대한 부식 저항성이 상대적으로 우수하고 기계적 강도도 적절하여 암모니아용 부르돈관 재질의 국제 표준으로 지정되어 있다.

캐피자(Kapitza) 공기액화 사이클은 축냉기와 터빈 팽창기를 이용해 상대적으로 낮은 압력에서 작동하는 방식으로, 공기 압축압력이 약 $7~\mathrm{atm}$ 수준이다.
이는 고압으로 운전하는 린데식이나 약 40atm의 클로드식보다 훨씬 낮은 압력으로, 이 저압 운전이 캐피자 사이클의 특징이다.

냉동기의 성적계수(COP)는 이론적으로 저온부(증발온도)와 고온부(응축온도)의 절대온도로 구할 수 있다.
$T_1 = -25+273 = 248~\mathrm{K}$, $T_2 = 30+273 = 303~\mathrm{K}$
$\mathrm{COP} = \dfrac{T_1}{T_2-T_1} = \dfrac{248}{303-248} = \dfrac{248}{55} \approx 4.51$

오리피스미터, 벤투리미터, 플로노즐은 관로의 조리개 전후 차압으로 유량을 구하는 차압식 유량계다. 피토관은 전압과 정압의 차이인 동압으로 유속을 측정하는 유속식 계측기로 분류한다.

4단 압축기의 전체 압축비는 최종 절대압력을 흡입 절대압력으로 나눈 값이다.
최종압력은 게이지압 $15~\mathrm{kgf/cm^2}$에 대기압 $1~\mathrm{kgf/cm^2}$을 더한 절대압 $16~\mathrm{kgf/cm^2}$이고, 흡입 절대압력은 $1~\mathrm{kgf/cm^2}$이므로 전체 압축비는 16이다.
각 단의 압축비를 동일하게 나누면 $a = \sqrt[4]{16} = 2$로, 단당 압축비는 2가 된다.

아세틸렌 제조시설의 가스발생기는 카바이드와 물의 접촉 방식에 따라 주수식, 침지식, 투입식으로 구분된다.
"사관식"이라는 발생기 형식은 존재하지 않으므로 해당되지 않는다.

유량특성은 정압기 메인밸브의 열림(스트로크)과 유량과의 관계를 나타내는 것이지 점도와의 관계가 아니다.
정특성이 정상상태에서 유량과 2차압력의 관계를 나타낸다는 것, 동특성이 부하변동에 대한 응답성·안정성을 요구한다는 것, 사용최대차압이 실용범위에서 최대가 되는 차압을 뜻한다는 것은 모두 옳은 설명이다.

부취제 주입방식은 크게 액체주입식과 증발식으로 나뉘며, 액체주입식에는 펌프주입식·적하주입식·미터연결바이패스식이 있다.
위크(wick) 증발식은 부취제를 심지에 흡수시켜 가스 흐름에 자연 증발시키는 방식으로 증발식에 해당하며 액체를 직접 주입하는 방식이 아니다.

터보형 펌프는 회전날개의 원심력으로 유체에 에너지를 전달하는 펌프로 원심펌프·사류펌프·축류펌프가 이에 해당한다.
반면 플런저 펌프는 실린더 내 왕복운동으로 유체를 밀어내는 용적형(왕복동) 펌프이므로 터보형으로 분류되지 않는다.

질소와 수소로 암모니아를 합성하는 반응식은 $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$이므로 수소와 암모니아는 3:2의 몰비로 반응한다.
표준상태 수소 5m³의 몰수는 $\dfrac{5}{22.4} = 0.223\ \mathrm{kmol}$이다.
생성되는 암모니아는 $0.223 \times \dfrac{2}{3} \times 17 = 2.53\ \mathrm{kg}$으로 계산된다.

천연고무에 대한 용해성은 LPG가 LNG보다 크다 — LPG는 주성분인 프로판·부탄이 천연고무를 팽윤·용해시키는 성질이 있어 배관 자재 선정에 주의해야 하지만, LNG(메탄 주성분)는 이러한 용해성이 크지 않다.
따라서 'LNG는 천연고무에 대한 용해성이 있으나 LPG(+Air)는 없다'는 설명은 사실관계가 뒤바뀐 것이다.
냄새 첨가제(부취제)를 넣는 것은 LNG·LPG(+Air) 모두 해당하는 옳은 설명이다.
LNG는 저온 액화가스여서 기화 시 냉열이용이 가능하지만 LPG(+Air)는 그렇지 않다는 것도 옳은 설명이다.
메탄이 주성분인 LNG는 프로판·부탄이 주성분인 LPG보다 완전연소에 필요한 이론공기량이 적다는 것도 옳은 설명이다.

카르노사이클은 2개의 등온과정과 2개의 단열(등엔트로피)과정으로 구성되며, 등압과정은 포함되지 않는다.
1J이 1N·m와 같다는 것, 등엔트로피 과정이 가역단열과정이라는 것, 1kcal가 약 427kg·m의 일에 해당한다는 것은 모두 옳은 설명이다.

프로판($C_3H_8$)의 완전연소 반응식은 탄소와 수소가 각각 $CO_2$와 $H_2O$로 완전히 산화되도록 계수를 맞춰야 한다.
탄소 3개는 $3CO_2$, 수소 8개는 $4H_2O$로 생성되고 이때 필요한 산소는 원자 수 기준으로 $5O_2$이다.
따라서 반응식은 $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$로 완결된다.

임계온도는 아무리 압력을 높여도 그 온도를 넘으면 기체를 액화할 수 없는, 즉 기체를 액화할 수 있는 최고의 온도를 말한다.
임계온도 이하에서는 충분한 압력(임계압력 이상)을 가하면 액화가 가능하지만, 임계온도를 초과하면 어떤 압력을 가해도 액화되지 않는다.

표준대기압 1atm은 $760\ \mathrm{mmHg}$, $1.013\ \mathrm{bar}$, 약 $101300\ \mathrm{N/m^2}$(엄밀하게는 101,325N/m²)과 같고, psi 단위로는 약 $14.7\ \mathrm{psi}$에 해당한다.
10.332라는 수치는 1atm을 수주(mAq)로 환산한 값(10.332mH₂O)이지 psi 값이 아니므로, psi로 표기된 값은 1atm과 일치하지 않는다.

암모니아(NH₃)는 자극성 냄새를 가진 무색의 기체이다.
물에는 매우 잘 녹으며, 수용액은 산성이 아니라 염기성(알칼리성)을 띤다.
또한 상온·상압에서는 비교적 안정한 기체이며 쉽게 분해되지 않는다.

비교를 위해 모든 온도를 절대온도(K)로 환산하면 $25^\circ\!C = 298\ \mathrm{K}$, $250\ \mathrm{K}$, $41^\circ\!F = 278\ \mathrm{K}$, $460^\circ\!R = 255.6\ \mathrm{K}$이다.
따라서 이 중 절대온도가 가장 높은 것은 25℃이다.

물을 전기분해하여 수소를 얻을 때는 순수한 물의 전기전도도가 낮아 전해질을 첨가해야 하며, 일반적으로 수산화나트륨(NaOH) 20% 정도의 수용액을 전해액으로 사용한다.
수산화나트륨은 전기분해 과정에서 소모되지 않고 이온화되어 전류가 잘 흐르도록 돕는 역할을 한다.

각 화합물의 탄소 질량비를 분자량으로 비교하면 $CO_2$는 $\dfrac{12}{44}\approx27\%$, $CH_4$는 $\dfrac{12}{16}=75\%$, $C_2H_4$는 $\dfrac{24}{28}\approx86\%$, $CO$는 $\dfrac{12}{28}\approx43\%$이다.
따라서 탄소 함유량(질량 비율)이 가장 큰 것은 에틸렌(C₂H₄)이다.

수성가스(water gas)는 고온의 코크스에 수증기를 반응시켜 얻는 가스로, 주성분은 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)이다.
반응식은 $C + H_2O \rightarrow CO + H_2$로 나타낼 수 있다.

헨리의 법칙은 물에 대한 용해도가 비교적 작은 기체에서 잘 성립하며, 물에 매우 잘 녹는 기체에는 적용하기 어렵다.
암모니아는 물에 대한 용해도가 매우 커서 헨리의 법칙이 잘 적용되지 않는 대표적인 기체이며, 수소·산소·이산화탄소는 상대적으로 용해도가 작아 헨리의 법칙이 잘 적용된다.

이상기체에서 정압비열과 정적비열의 관계는 $C_p - C_v = R$, 비열비는 $k = \dfrac{C_p}{C_v}$로 정의된다.
이 두 식을 연립하면 정적비열은 $C_v = \dfrac{R}{k-1}$, 정압비열은 $C_p = \dfrac{kR}{k-1}$로 표현되어야 한다.
따라서 정압비열을 $\dfrac{k-1}{k}$로 나타낸 설명은 R이 빠져 있고 식도 뒤바뀐 틀린 표현이다.

완전연소 반응식으로 비교하면 $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$, $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$이므로 연료 1몰당 필요한 산소량은 메탄(2몰)이 프로판(5몰)보다 적다.
따라서 '메탄이 프로판보다 연소에 필요한 산소량이 많다'는 설명은 사실과 반대이다.
메탄의 폭발하한농도는 약 5%로 프로판(약 2.1%)보다 높다는 설명은 옳다.
메탄은 무색·무취의 가스라는 설명도 옳다.
메탄의 폭발상한농도는 약 15%로 부탄(약 8.4%)보다 높다는 설명도 옳다.

1Btu는 상온의 물 1lb(파운드)를 1℉ 올리는 데 필요한 열량으로 정의된다.
참고로 1cal는 물 1g을 1℃, 1Chu는 물 1lb를 1℃ 올리는 데 필요한 열량이다.