개념 한 쪽
연료별 연소반응식과 구성비를 이용해 이론공기량과 연소가스 부피를 계산한다는 핵심을 다룬다. 기체·액체 연료의 몰수·질량 기준 환산 규칙과 습연소가스·건조가스의 구분을 명확히 이해해야 문제를 맞힌다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「연료의 종류 및 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 완전연소 조건 판정 | 1 | 완전연소를 위한 설비·공기공급 조건 중 잘못된 설명을 고르기 |
| 액체연료 이론공기량 계산 | 1 | 연료 조성 수치 대입으로 Nm3/kg 단위의 이론공기량 구하기 |
| 기체 연료 습연소가스 부피계산 | 1 | 반응식과 공기 중 질소를 반영해 습연소가스의 Nm3 부피 구하기 |
연료의 완전연소를 다룰 때 반응식을 세우는 것이 출발점이다. 탄화수소 연료는 화학식에 따라 필요한 O2의 몰수를 반응식 계수에서 바로 읽어낼 수 있으므로, 몰비가 곧 부피비라는 기체의 성질을 이용해 부피 기준 계산을 진행한다는 원리를 적용한다.
공기량 계산에서는 공기 중 산소의 비율을 구분해서 적용해야 한다. 부피 기준 문제는 산소 21%를 사용해 O2 필요량을 나누고, 질량 기준 문제는 산소의 질량분율(예: 23.15 wt%)을 사용해 나누는 방식으로 공기량을 구한다는 점을 구분해야 한다.
액체연료의 이론공기량은 성분조성(탄소 C, 수소 H, 산소 O의 백분율)을 이용한 계수식으로 바로 계산한다. 공식 Lo = (8.89C + 26.7H − 3.33O)/100 Nm3/kg 형태를 사용해 백분율을 소수로 환산해 대입하면 이론공기량을 얻는다는 점을 기억한다.
연소생성가스는 습연소가스(증기 포함)와 건조연소가스(증기 제외)로 구분된다. 습연소가스는 반응생성물에 공기 중 질소를 포함한 항을 더해 몰수를 구한 뒤 표준몰부피 22.4 Nm3를 곱해 부피를 계산하며, 건조가스는 H2O를 제외하고 계산한다는 차이가 핵심이다.
프로판(C3H8) 11kg를 습연소가스로 계산하는 대표 풀이를 소개한다. 반응식 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에서 공기 중 질소는 O2 필요량의 3.76배로 보아 습연소가스 몰수는 3 + 4 + 5×3.76 = 25.8 kmol이다. 프로판 분자량 44이므로 11kg는 11/44 = 0.25 kmol이고, 부피는 0.25 × 25.8 × 22.4 = 144.5 Nm3가 된다는 계산 절차를 따른다.
프로판가스 1 Nm3의 이론공기량은 반응식의 O2 계수 5를 이용해 산소량을 구한 뒤 공기 중 산소 0.21로 나누어 구한다. 즉 필요한 공기량은 5 ÷ 0.21 ≈ 23.81 Nm3가 되며, 반응식에서 O2 계수를 확인한 뒤 ÷0.21만 수행하면 푼다는 요령을 적용한다.
액체연료(탄소 80%, 수소 15%, 산소 5%)의 이론공기량 예시는 공식을 그대로 대입해 계산한다. Lo = (8.89×80 + 26.7×15 − 3.33×5)/100 = 10.95 Nm3/kg로 계산되므로, 백분율을 소수로 바꾸거나 계수를 잘못 쓰지 않도록 주의해야 한다는 실무 요령을 따른다.
연소실내 가스를 완전 연소시키기 위한 조건으로 잘못된 것은?
정답 ④ · 연소실 내 가스를 완전 연소시키기 위해서는 착화온도 이상의 충분한 온도 유지, 충분한 연소실 체적 확보, 기밀 구조 유지가 필수적입니다. 특히 연소를 위해서는 이론공기량보다 많은 과량 공기(여유 공기)를 공급해야 완전연소가 이루어집니다.
완전연소 조건은 착화온도 이상·연소실 크기 충분·기밀 유지이며, 공기는 이론공기량보다 많은 과잉공기를 줘야 한다.
액체연료를 분석한 결과 그 성분이 다음과 같았다. 이 연료의 연소에 필요한 이론공기량은? (단, 탄소 : 80%, 수소 : 15%, 산소 : 5%)
정답 ① · 액체연료의 이론공기량은 공식 Lo = (8.89C + 26.7H - 3.33O) / 100 (Nm3/kg)을 이용하여 계산합니다. 주어진 조성인 탄소 80%, 수소 15%, 산소 5%를 대입하면 Lo = (8.89*80 + 26.7*15 - 3.33*5) / 100 = (711.2 + 400.5 - 16.65) / 100 = 1095.05 / 100 = 약 10.95 Nm3/kg이 됩니다.
액체연료 이론공기량 Lo=(8.89C+26.7H−3.33O)/100, 대입하면 10.95 Nm³/kg이다.
프로판(C3H8) 11kg을 이론공기량으로 완전연소시켰을 때의 습연소가스의 부피(Nm3)를 계산하면? (단, 탄소와 수소의 원자량을 각각 12와 1로 계산한다.)
정답 ④ · 문제는 프로판 11 kg을 이론공기량으로 완전연소시켰을 때 생성되는 습연소가스의 부피를 묻고 있다. 질량을 몰수로 환산하면 11/44 = 0.25 kmol이고 프로판 연소의 습가스 몰수는 3CO2+4H2O+18.8N2로 총 25.8 kmol이다.
C3H8 1kmol당 습가스 25.8kmol(3CO2+4H2O+18.8N2), 11kg=0.25kmol×22.4 → 144.5Nm³.
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