개념 한 쪽
연료 성분으로 이론 저위발열량과 이론공기량을 계산하고, 연소효율을 반영해 실제 이용 가능한 발열량을 구하거나 연소 후 배기가스 성분을 계산하는 유형이 주요 시험 범위다라고 정리한다.
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출제기준 단원 「연소효율」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 듀롱식으로 저위발열량과 효율 반영 | 1 | 연료 성분으로 이론 저위발열량을 계산하고 연소효율을 곱해 유효 발열량 구하기 |
| 성분으로 이론공기량 계산 | 1 | 연료 조성으로 각 원소의 산소요구량 합산 후 공기로 환산해 이론공기량 구하기 |
| 가스 연소 시 건연소가스 계산 | 1 | 반응식과 과잉공기계수를 이용해 습가스와 건가스를 구하는 절차 적용하기 |
연소효율은 연료가 이론적으로 가지는 발열량 중 실제로 이용 가능한 비율을 나타낸다라고 이해한다. 이론 저위발열량은 수증기가 응축하지 않는 조건을 기준으로 한 발열량이며, 연료의 원소 성분비로 듀롱(Dulong) 식을 이용해 추정할 수 있다라고 기술한다.
듀롱식은 Hl = 8100×C + 29000×(H - O/8) + 2500×S (kcal/kg) 형태로 C, H, O, S의 비율만으로 이론 저위발열량을 산출한다고 설명한다. 식의 계수는 참고치에 따라 약간 차이가 있을 수 있으므로 계수 차이에 따른 소수점 오차는 보기에 가장 가까운 값을 고르면 된다고 안내한다.
연료 성분으로부터 이론공기량을 구할 때는 각 원소가 1kg당 필요로 하는 산소 부피를 더한 뒤 공기 중 산소비(0.21)로 나누어 공기량을 구한다고 설명한다. 탄소·수소·황 등의 단위 산소량은 문제풀이에서 고정 상수로 사용되며(예: C 1.87Nm3/kg, H 5.6Nm3/kg, S 0.7Nm3/kg) 이를 이용해 이론공기량을 얻는 절차를 반드시 거쳐야 한다고 강조한다.
연소가스량 계산은 반응식을 통해 생성되는 CO2와 H2O의 몰수(또는 부피)를 구하고, 공기에서 온 N2와 잔여 O2를 더해 습연소가스 총량을 구한 뒤 필요시 수증기를 제외해 건연소가스를 구하는 방식으로 일관된 패턴을 적용한다고 정리한다.
듀롱식을 이용한 대표 계산을 보인다. C 86%, H 12%, O 0.4%, S 1.2%인 중유의 저위발열량을 듀롱식에 대입하면 Hl = 8100×0.86 + 29000×(0.12 - 0.004/8) + 2500×0.012 ≈ 10438 kcal/kg이 산출된다라고 설명한다. 연소효율이 95%이면 실제 이용 가능한 발열량은 10438 × 0.95 ≈ 9916 kcal/kg이 되어 효율을 곱하는 단계를 반드시 수행해야 한다고 보인다.
연료 성분으로 이론공기량을 구하는 계산 예를 보인다. C 87%, H 12%, S 1%인 중유 1kg의 경우 각 원소의 산소 요구량을 합하면 O2 약 2.30Nm3가 되고 공기 중 산소 0.21로 나누면 이론공기량 ≈ 11.0Nm3/kg이 된다고 보인다.
메탄 1Nm3의 건연소가스 계산 예를 보인다. 반응식 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에서 이론공기량은 2 ÷ 0.21 ≈ 9.52Nm3이고 과잉공기계수 1.05를 곱해 실제공기 10Nm3이 되면 습가스는 CO2 1 + H2O 2 + N2 7.9 + 잔여O2 0.1 = 11Nm3이 되고 건가스는 수증기 2를 뺀 9Nm3가 되는 계산 절차를 제시한다.
아래 조건의 성분을 가진 중유가 있다. 연소효율이 95%라 한다면 중유 1kg당의 저위발열량은 얼마인가? (단, C : 86%, H : 12%, O : 0.4%, S : 1.2%, ash :0.4%)
정답 ② · 듀롱(Dulong)의 식을 이용하면 연료의 원소 성분으로 저위 또는 고위 발열량을 추정할 수 있습니다. 탄소(C) 86%, 수소(H) 12%, 산소(O) 0.4%, 황(S) 1.2%인 중유의 이론적 저위발열량(Hl)은 8100×C + 2900×(H - O/8) + 2500×S 로 구할 수 있습니다.
듀롱 식으로 이론 저위발열량을 구한 뒤 연소효율 0.95를 곱해 유효 발열량을 낸다.
C 87%, h 12%, S 1%의 조성을 가진 중유 1kg을 연소시키는데 필요한 이론공기량은?
정답 ④ · 중유 1kg의 성분인 탄소(C) 0.87kg, 수소(H) 0.12kg, 황(S) 0.01kg이 각각 연소하는 데 필요한 산소량을 계산하여 합칩니다. C는 1kg당 22.4/12 * (1/0.21) ≈ 8.89Nm3, H는 22.4/4 * (1/0.21) ≈ 26.67Nm3, S는 22.4/32 * (1/0.21) ≈ 3.33Nm3의 공기가 필요합니다.
성분별 O2 합(1.62+0.67+0.01≈2.30Nm3)을 0.21로 나누면 이론공기량 약 11.0Nm3/kg이 된다.
메탄 1Nm3를 공기과잉계수 1.05의 공기량으로 완전연소시켰다고 하면 건연소가스량은 몇 Nm3인가?
정답 ③ · 메탄(CH4)의 연소 반응식은 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O입니다. 공기 중 산소 비율은 21%이므로 이론 산소량 2Nm3에 해당하는 이론 공기량은 2 ÷ 0.21 ≈ 9.52Nm3입니다.
CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O이고 실제공기 10Nm³일 때 건가스 = 습가스 11 − 수증기 2 = 9Nm³.
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