개념 한 쪽
연료를 완전연소시키려면 일정량의 산소가 필요하고, 공기 중 산소 비율을 이용해 필요한 공기량을 계산한다는 점이 핵심이다. 이론공기량은 완전연소에 필요한 최소 공기량을 의미하고, 실제현장에서는 안전을 위해 이보다 많은 공기를 공급하므로 공기비를 곱해 실제공기량을 결정한다는 사실을 중심으로 학습한다.
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출제기준 단원 「공기량 및 공기비」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연료별 이론공기량 계산 | 1 | 반응식으로 산소 몰수를 구해 이론공기량을 산출하는 방법을 묻는다 |
| 황 연소 시 연소가스량 계산 | 1 | 황의 몰수로부터 공기와 질소를 합산해 연소가스량을 구하는 절차를 묻는다 |
| 매연 발생 원인 판별 | 1 | 매연의 원인과 과잉공기가 매연에 미치는 영향을 구분하도록 묻는다 |
이론공기량은 연료를 화학적으로 완전연소시키는 데 이론상 필요한 최소한의 공기량을 말한다. 반응식에서 필요한 산소량을 구하고, 공기 중 산소 분율(약 0.21)로 나누어 이론공기량을 얻는다는 원리를 따른다.
공기비는 실제공기량을 이론공기량으로 나눈 값으로 정의한다. 보통 실제공기량은 이론공기량보다 크게 설정하여 불완전연소를 방지하므로 공기비는 1 이상이 된다. 공기비가 클수록 과잉공기가 많아 연소실 온도는 하강하고 배기가스 열손실이 증가한다는 점을 유의한다.
연료별로 반응식에서 필요한 산소 몰수를 먼저 결정하고, 이를 이론공기량으로 환산한 뒤 필요에 따라 공기비를 곱해 실제공기량을 구하는 계산 패턴이 반복 출제된다. 건연소가스와 습연소가스의 구분에서 건가스는 수증기를 제외한 CO₂와 질소의 합임을 분명히 한다.
황과 같은 연소에서는 생성되는 SO₂와 공기 중 질소를 합해 연소가스량을 구해야 하며, 수소나 탄화수소의 경우에도 kg→kmol 환산, 계수 적용, 표준 몰부피(22.4 Nm³/kmol) 곱셈 순으로 계산한다.
1) 프로판 1 Nm³의 이론공기량 계산: 반응식 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 이므로 필요한 산소는 5 Nm³이다. 공기 중 산소 비율 0.21로 나누면 이론공기량 = 5 ÷ 0.21 ≈ 23.81 Nm³가 된다.
2) 산소 요구량 2.5 Nm³인 연료 1 kg을 공기비 1.2로 연소시킬 때 실제공기량 계산: 이론공기량 = 2.5 ÷ 0.21 ≈ 11.9 Nm³/kg, 실제공기량 = 11.9 × 1.2 ≈ 14.3 Nm³/kg이라는 순서로 계산한다.
3) 황 4 kg를 이론공기량으로 완전연소시 발생하는 건연소가스량 계산 요약: S + O2 → SO2에 따라 4 kg = 4 ÷ 32 = 0.125 kmol의 SO2가 생성된다. 이론공기량은 0.125 ÷ 0.21 = 0.595 kmol이며 이중 질소는 0.595 × 0.79 = 0.470 kmol이다. 건연소가스는 SO2 0.125 + N2 0.470 = 0.595 kmol이고 표준 몰부피 22.4를 곱하면 약 13.33 Nm³가 된다.
프로판가스 1 Nm3를 연소시키는데 필요한 이론공기량은 몇 Nm3인가?
정답 ③ · 프로판 가스(C3H8) 1Nm3를 완전연소시키기 위해 필요한 이론 산소량은 화학 반응식 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에 의해 5Nm3입니다. 공기 중 산소의 비율은 약 21%이므로 필요한 이론 공기량은 5 ÷ 0.21 = 약 23.8 Nm3입니다.
C3H8+5O2 반응에서 필요 산소 5Nm³ ÷ 0.21 ≈ 23.81Nm³가 프로판의 이론공기량이다.
황(S) 4kg을 이론공기량으로 완전연소시켰을 때 발생하는 연소가스량(Nm3)은?
정답 ④ · 황(S)의 연소 반응식은 S + O2 → SO2 입니다. 황 1kmol(32kg)이 연소하면 1kmol의 이산화황(SO2) 기체가 발생합니다.
S 4kg의 연소가스량 = (SO₂ 0.125 + N₂ 0.470) kmol × 22.4 ≈ 13.33 Nm³(SO₂가 소비 O₂를 대체).
매연발생 원인에 대한 설명으로 가장 부적절한 것은?
정답 ④ · 질문은 매연 발생 원인으로 가장 부적절한 설명을 찾는 것이다. 매연은 불완전연소로 생성된 탄소 입자에 의한 것으로 공기 부족, 연소실 내 혼합 불량, 연료의 부적합 등이 주요 원인이고 과잉공기는 산소를 충분히 공급해 매연을 오히려 감소시킨다.
매연의 원인은 공기 부족·혼합 불량·연료 부적합이며, 과잉공기는 매연을 줄인다.
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