에너지 18년기출C

1️⃣보일러의효율

시간당 증발랑이 400[kg]인 보일러가 저위발열량 10,000[kcaI/kg]인 연료를 사용하여 효율 80[%]로 운전되는 경우 연료소비량[kg/h]은 얼마인가? (단, 발생증기 엔탈피는 670[kcaI/kg], 급수온도는 20[°C]이다)

$$ \eta=\frac{G_a\times (h_2-h_1)}{G_f\times H_l}\times 100 $$

$$ G_f=\frac{G_a\times (h_2-h_1)}{\eta\times H_l}\times 100=\frac{400\times(670-20)}{1000\times0.8}=32.5[kg/h] $$

C4 보일러효율

$$ \eta=\frac{G_a\times (h_2-h_1)}{G_f\times H_l}\times 100 $$

$$ \eta=(1-\frac{손실열}{입열})\times 100 $$

2️⃣열전도계산

온도가 400[℃]인 배기가스가 시간당 2500[kg]이 연도로 배출되면서 연도에 설치된 급수가열기와 열교환하여 0[℃] 급수 180[kg/h]이 포화증기가 되면서 배기가스는 150[℃]로 낮아져 연돌로 배출되고 있다. 이 때 배기가스에서 회수하지 못하고 손실 되는 열량[kcal/h]은 얼마인가?

(단, 포화증기 엔탈피는 640[kcal/kg], 배기가스 평균비열은 0.24[kcal/kg·℃]이다.)

D7 열전도율계산

\[Q=K\cdot F\cdot\Delta T \\ =\frac{1}{R_1+\frac{b}{\lambda}+R_2}\times F\times\Delta T \]

b 벽의두께, λ 열전도율, F 표면적

$$ Q_1=K\times F\times \Delta t \\ =2500\times0.24\times(400-150)=150000[kcal/h] $$

$$ Q_2=G_a\times h”=180\times640=115200[kcal/h]$$

$$ Q=Q_1-Q_2=150000-115200=34800 $$

3️⃣랭킨사이클(열효율)

랭킨 사이클로 작동하는 증기원동소에서 과열증기 엔탈피 660[kcaI/kg], 습증기 엔탈피 530[kcal/kg], 포화수 엔탈피 80.87[kcal/kg]일 때 열효율[%]을 계산하시오.

N4 랭킨사이클(효율)

\[ \eta=\frac{W_T}{Q_1}\times 100=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_4}\times 100 \]

$$ \eta=\frac{W_T}{Q_1}\times 100=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_4}\times 100 $$

$$ =\frac{660-530}{660-80.87}\times 100=22.447 $$

4️⃣폐열회수장치

보일러 배기가스 여열(餘熱)을 이용하여 급수를 예열하면 보일러 열효율이 향상되고 연료가 절감되며, 급수와 관수의 온도차로 인한 열응력을 감소시키는 장치의 명칭을 쓰시오

B2 절탄기

과열기 → 재열기 → 절탄기 → 공기예열기

✲보일러 배기가스 현열을 이용하여 급수를 예열하는 장치를 (절탄기)라 하며, 공기를 예열는 장치를 (공기예열기)라 한다.

5️⃣복사전열량, 대류전열량

외기온도 25[°C]일 때 표면온도 230[°C]인 관 표면에서 방사에 의한 전열량은 자연대류에 의한 전열량의 몇 배가 되는지 계산하시오.

(단, 방사율은 0.9, 스테판-볼츠만 상수는 5.67×10-8[W/㎡·K], 대류 열전달률은 5.56[W/㎡·K]이다.)

D9 복사전열량

$$ Q_1=\epsilon \sigma(T_1^4-T_2^4) $$

$$ Q=\epsilon\cdot C_b\cdot\{(\frac{T_1}{100})^4\cdot (\frac{T_2}{100})^4\}\cdot F_1 $$

D9 대류전열량

$$ Q_2=\alpha\times (T_1-T_2) $$

● 관 표면적 1[㎡]당 방사 전열량 계산

$$ Q_1=\epsilon \sigma(T_1^4-T_2^4)\{복사전열량\} $$

$$ Q_1=\epsilon C_b\{(\frac{T_1}{100})^4-(\frac{T_2}{100})^4\}(방사전열량) $$

$$ =0.9\times(5.67\times10^{-8})\times\{(\frac{273+230}{100})^4-(\frac{273+25}{100})^4\} \\ =2864.181[W/m^2] $$

● 관표면적 1[㎡]단 대류 전열량 계산

$$ Q_2=\alpha\times(T_1-T_2) $$

$$ =5.56\times\{(273+230)-(273+25)\}=1139.8[W/m^2] $$

● 전열량비교

$$ =\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{2864.181}{1139.8}=2.512 $$

6️⃣

열수송 및 저장설비 평균 표면온도의 목표치는 주위온도에 몇[°C]를 더한 값 이하로 하여야 하는가?

30[°C]

7️⃣전도열계산(중공원통)

배관 외경이 30[mm]인 길이 15[m]의 증기관에 두께 15[mm]의 보온재를 시공하였다 관 표면온도 100[℃], 보온재 외부온도 20[℃]일 때 단위 시간당 손실열량은 몇[kJ]인가? (단, 보온재의 열전도율은 0.2093[kJ/m·h·℃]이다.)

D8 전도열계산(중공원통)

$$ F_m=\frac{2\pi L(r_o-r_i)}{\ln\frac{r_o}{r_i}} $$

보온재 피복 후 외측 반지름 및 강관 외측 반지름 계산

$$ r_o=\frac{0.03}{2}+0.015=0.03[m] \\ r_i=\frac{0.03}{2}=0.015[m] $$

보온관 표면적 계산(대수평균면적)

$$ F_m=\frac{2\pi L(r_o-r_i)}{\ln\frac{r_o}{r_i}} $$

$$ =\frac{2\pi\times15\times(0.03-0.015)}{\ln\frac{0.03}{0.015}}=2.039 $$

방열량 계산

$$ Q=K\times F\times \Delta t $$

$$ =\frac{1}{\frac{15}{0.2093}}\times 2.04\times (100-20)=2277.184[kJ/h] $$

8️⃣피토관

피토관(Pito tube)의 측정원리를 설명하시오.

I2 피토관

배관 내에 흐르는 유체의 전압과 정압을 측정하여 그 차이인 동압을 이용하여 베르누이 방정식에 의해 속도수두에서 유속을 구하고 그 값에 관로 단면적을 곱하여 유량을 측정하는 것이다.

9️⃣부식

부식의 분류 중 균열을 동반하지 않는 국부부식의 종류 5가지를 쓰시오.

점식, 틈새부식, 입계부식, 이종금속 접촉부식, 탈성분부식

최고압력 1400[kPa], 최고온도 350[°C], 배압이 100[kPa]로 작동되는 증기원동소 랭킨사이클의 증기소비량이 500[kg/h]일 때 터빈의 출력[kW]을 계산하시오. (단, 1400[kPa], 350[°C]의 과열증기 엔탈피는 3149.5[kJ/kg], 100[kPa]에서의 포화증기 엔탈피는 2675.5[kJ/kg], 포화수 엔탈피는 417.46[kJ/kg]이고, 터빈 출구 증기의 건도는 0.97 이다.)

👆N5 터빈출구의 습포화증기 엔탈피계산

$$ h_3=h’+x(h”-h’) $$

$$ =417.46+0.97\times(2675.5-417.46)=2607.758 $$

터빈 출력계산

$$ N_T=\frac{m(h_2-h_3)}{3600} \\ =\frac{500\times(3149.5-2607.76)}{3600}=75.241[kW] $$

N5 습증기엔탈피계산

$$ h_2=h’+(h”-h’)\cdot x \\ h’포화수엔탈피,\ h”건포화증기엔탈피,\ x건도 $$

✋N71️⃣1️⃣엔트로피의 변화

압력이 0.1[MPa], 온도가 27[°C]인 증기 1[kg]이 PVn=C(일정)이고 n=1.3인 폴리트로픽 변화를 거쳐 300[℃]가 되었을 때 엔트로피[kcal/K]변화를 계산하시오. (단, 비열비k=1.4, 정적비열 Cv=0.17[kcaI/kg K], 압력은 절대압력이다.)

$$ \frac{T_2}{T_1}=(\frac{V_1}{V_2})^{n-1}=(\frac{P_2}{P_1})^{\frac{n-1}{n}} $$

$$ \frac{T_2}{T_1}=\frac{273+300}{273+27}=1.91 $$

$$ (\frac{P_2}{P_1})^{\frac{n-1}{n}}=(\frac{P_2}{P_1})^{\frac{1.3-1}{1.3}}=(\frac{P_2}{P_1})^{0.230} $$

$$ 1.91=(\frac{P_2}{P_1})^{0.230} \\ \frac{P_2}{P_1}=^{0.230}\sqrt{1.91} \\ P_2=P_1\times^{0.230}\sqrt{1.91}=1.67[MPa] $$

1️⃣2️⃣리벳이음의 효율

강판 두께가 18[mm]이고, 리벳의 지름이 20[mm]이며, 피치 54[mm]로 한줄 겹치기 리벳 조인트에서 한 피치마다 하중이 800[kgf] 작용하면 이 강판에 생기는 인장응력[kgf/mm]과 리벳 이음효율[%]을 구하시오.

E9 리벳이음

인장응력계산

\[ \sigma_t=\frac{W}{t\times(P-d)} \]

\[ \eta=(1-\frac{d}{P})\times 100 \]

P : 리벳의피치, d : 리벳의지름

인장응력 계산

$$ \sigma_t=\frac{W}{t(P-d)} $$

$$ =\frac{800}{18(54-20)}=1.31[kgf/mm] $$

리벳 이음 효율 계산

$$ \eta=(1-\frac{d}{P})\times 100 $$

$$ =(1-\frac{20}{54})\times 100=62.96[\%] $$

1️⃣오르사트법

보일러 연도에서 배기가스 시료를 채취하여 분석기 내부의 성분 흡수제에 흡수시켜 체적변화를 측정하여 CO₂ – O₂ – CO 순서로 분석하는 분석기 명칭을 쓰시오. 오르사트(Orsat)법 분석기

I 오르사트법 분석기

보일러 연도에서 배기가스 시료를 채취하여 분석기 내부의 성분 흡수제에 흡수시켜 체적변화를 측정하여 CO₂ – O₂ – CO 순서로 분석하는 분석기 명칭을 쓰시오.

2️⃣판형열교환기(고조청압)

판형 열교환기의 장점 2가지를 쓰시오.

E1 판형열교환기(고조청압)

➕ 고난류 유동에 의한 열교환기 능력을 향상시킨다

➕ 판의 매수조절이 가능하여 전열면적증감이 용이하다

➕ 전열면의 청소나 조립이 간단하고, 고점도 유체에도 적용가능하다

➕ 높은 사용압력과 내식성, 내구성이 우수하다

3️⃣재생사이클 재열사이클

증기 원동소의 이상 사이클인 랭킨(Rankine)사이클을 개선한 재열 사이클과 재생 사이클을 각각 설명하시오

N6 재생사이클 재열사이클

● 재열사이클 : 증기의 초압을 높이면서 팽창후의 증기 건조도가 낮아지지 않도록한 것으로 효율증대보다는 터빈의 복수장해를 방지하여 수명연장에 주안점을 둔 사이클

● 재생사이클 : 팽창 도중의 증기를 터빈에서 추출하여 급수의 가열에 사용하는 사이클로 열효율이 랭킨 사이클에 비해 증가한다

스팀헤더 4️⃣

보일러 송기장치인 스팀 헤더(증기 헤더)의 사용 목적을 쓰시오.

보일러 주증기관과 사용 측 증기관 사이에 설치하여 사용처에 증기를 공급해 주는 압력용기이다

스팀헤더 (steam header) 장점 및 크기 (1) 장점 ® 증기 사용처에 증기 공급 및 차단이 용이하다. ® 증기 수요에 대응하기 쉽다. ® 불필요한 배관에 증기가 공급하지 않기 때문에 열 손실을 방지할 수 있댜 (2) 크기 : 증기 헤더에 부착되는 지름이 가장 큰 배관의 2배가 되도록 한다.

5️⃣대수온도차

대향류식 공기예열기에 240[℃]의 배기가스가 들어가서 160[℃]로 나오고, 연소용 공기는 20[℃]로 들어가서 90[℃]로 나올 때 이 공기예열기의 대수 평균은도차[℃]를계산하시오.

E3 대수온도차

\[\Delta t_m=\frac{\Delta t_1-\Delta t_2}{\ln(\frac{\Delta t_1}{\Delta t_2})} \]

$$ \Delta t_m=\frac{\Delta t_1-\Delta t_2}{\ln(\frac{\Delta t_1}{\Delta t_2})} $$

$$ =\frac{(240-90)-(160-20)}{\ln(\frac{150}{140})} \\ =144.94[℃] $$

6️⃣

액체 연료 배관 중에 설치하는 유수분리기의 기능에 대하여 설명하시오.

보일러액체 연료공급 배관중에 설치하여 액체 연료와 물과의 비중차이를 이용하여 액체 연료 중에 함유되어 있는 물을 분리하는 장치(기기)이다.

7️⃣J3 인터록

보일러에 적용하는 자동제어 중 인터록(interlock) 명칭을 쓰시오.

(1) 보일러 수위가 안전 저수위에 도달할 때 전자밸브를 닫아 보일러 기동을 정지시키는 역할을 한다
(2) 증기압력이 일정 압력에 도달할 때 전자밸브를 닫아 보일러의 가동을 정지시키는 역할을 한다
(3) 버너 착화 시 점화되지 않거나 운전 중 실화가 될 경우 전자밸브를 닫아 연료공급을 중지하여 보일러 가동을 정지시키는 역할을 한다.

저수위인터록, 압력초과인터록, 불착화인터록

8️⃣

내경 25[mm]인 원관에 20[℃]물이 임계레이놀즈수 2320으로 흐르고 있을 때 유속[m/s]은 얼마인가? (단, 20[℃] 물에서의 동점성계수는 1.5 X 10 -6[m/s]이다.)

$$ Re=\frac{\sigma DV}{\mu}=\frac{DV}{v} $$

$$ V=\frac{Rev}{D}=\frac{2320\times1.5\times10^{-6}}{0.025}=0.139[m/s] $$