에너지 22년기출B"

에너지 22년기출B

1️⃣리벳이음

두께가 16[㎜]인 강판에 지름 20[㎜]인 리벳으로 피치 54[㎜]의 1줄 겹치기 리벳이음을 할 때 1피치마다 8[kN]의 하중이 작용하면, 이 강판에 생기는 인장응력[MPa]과 효율을 각각구하시오.

E9 리벳이음

인장응력계산

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

이음효율[%]계산

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

P : 리벳의피치, d : 리벳의지름

⌾ 인장응력계산

\[=\frac{8,000}{16\times(54-20)}=14.705[N/mm^2]\] \[=17.71[MPa] \]

⌾ 이음효율[%]계산

\[ =(1-\frac{20}{54})\times 100=62.962[\%] \]

2️⃣상당증발량, 환산증발량

다음 물음에 답하시오

👍 (1) 보일러의 1마력이란 ( ❶ )시간에 ( ❷ )[℃]의 물 ( ❸ )[kg]을 같은 온도의 증기로 변환시킬수 있는 능력을 말한다

(2) 10[°C]의 물을 급수하여 압력 0.85[MPa]의 증기를 2400[kg/h] 발생시키는 보일러에서 발생증기 엔탈피는 2960[kJ/kg], 급수엔탈피는 42[kJ/kg]일 때 보일러 마력을 구하시오. (단, 소숫점 이하는 반올림하여 정수로 최종 답안을 작성하시오.)

C2 상당증발량, 환산증발량

\[G_e=\frac{G_a(h_2-h_1)}{539\times 4.1868}=\frac{G_a(h_2-h_1)}{100[℃]증발잠열}\] \[=\frac{G_a(h_2-h_1)}{\gamma}\]

$$ G_e=\frac{G_a(h_2-h_1)}{539\times 4.1868}=\frac{G_a(h_2-h_1)}{100[℃]증발잠열} $$

$$ 보일러마력=\frac{G_e}{15.65}=\frac{G_a(h_2-h_1)}{(539\times 4.1868)\times 15.65} $$

$$ =\frac{2400\times(2960-42)}{(539\times 4.1868)\times 15.65}=198.29[마력] $$

3️⃣압력계

증기 보일러에 부착하는 압력계에 대한 물음에 답하시오.

I1 압력계

►압력계의 최고눈금은 보일러 최고사용압력의 1.5배 이상, 3배이하이므로 압력계의 최고눈금은 1~3[MPa]이 되어야 하며, 압력계 바깥지름은 100[㎜]이상으로 하여야 한다.

►압력계를 증기보일러에 부착할 때 압력계 내부의 부르동관을 보호하기 위하여 안지름(6.5[㎜])이상의 (사이펀관)또는 동등한 작용을 하는 장치를 부착하여 증기가 직접 압력계에 들어가지 않도록 하여야 한다

(1) 최고사용압력이 1[MPa]인 증기 보일러에 부착하는 압력계를 [보기]중에서 선택하고 그 이유를 설명하시오

압력계의 최고눈금은 보일러 최고사용압력의 1.5배 이상, 3배이하이므로 압력계의 최고눈금은 1~3[MPa]이 되어야 하며, 압력계 바깥지름은 100[㎜]이상으로 하여야 한다.

(2) 압력계를 증기보일러에 부착할 때 압력계 내부의 부르동관을 보호하기 위하여 안지름(❶)이상의 (❷)또는 동등한 작용을 하는 장치를 부착하여 증기가 직접 압력계에 들어가지 않도록 하여야 한다

6.5[㎜], 사이펀관

4️⃣보일러 통풍방법

보일러 강제통풍 방법 설명에 해당되는 통풍방식의 명칭을 쓰시오

F5 보일러 통풍방법

평형통풍법 : 연소실 내의 압력이 정압이나 부압으로 조절이가능하고 강한 통풍력을 얻을수 있지만 초기 설비비와 유지비용이 많이 소요된다
압입통풍법 : 송풍기를 연소실 앞에 설치하여 연소용 공기를 대기압이상의 압력으로 연소실에 밀어 넣는 방식으로 연소실 압력이 정압으로 유지된다
흡입통풍법 : 송풍기를 연도 중에 설치하여 연소 배기가스를 배출시키는 방식으로 연소실 압력이 부압으로 유지된다

(1) 연소실 내의 압력이 정압이나 부압으로 조절이 가능하고 강한 통풍력을 얻을 수 있지만 초기 설비비와 유지비용이 많이 소요된다

(2) 송풍기를 연소실 앞에 설치하여 연소용 공기를 대기압 이상의 압력으로 연소실에 밀어 넣는 방식으로 연소실 압력이 정압으로 유지된다

(3) 송풍기를 연도 중에 설치하여 연소 배기가스를 배출시키는 방식으로 연소실 압력이 부압으로 유지된다

5️⃣청관제(피치연조탈밍)

보일러 급수 내처리제인 청관제의 기능 5가지를 쓰시오.

K1 청관제의 기능(피치연조탈밍)

보일러수의 pH조정
가성취화 방지
보일러수의 연화
슬러지조정
보일러수의 탈산소
포밍방지

6️⃣판형열교환기(고조청압)

판형 열교환기의 장점 3가지를 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

연료 중에 함유된 유황분이 연소되어 (아황산가스(SO₂))가 되고 이것이 다시 (오산화바나듐(V₂O₅))의 촉매작용에 의하여 과잉공기와 반응하여 일부분이 (무수황산(SO₃))이 되고 이것이 연소가스 중의 (수증기(H₂O))와 화합하여 (급수예열기나 공기예열기) 등과 같은 저온의 전열면에 응축되어 황산(H₂SO₄)이 되어서 심한 부식을 일으키는 것이다.

(1)부식 명칭을 쓰시오

저온부식

(2)방지대책 3가지를 쓰시오

P6 저온부식 방지대책

● 연소가스를 노점이상으로 유지한다 ● 연료중 황을 제거한다 ● 무수황산을 다른 생성물로 변경시킨다. ● 첨가제를 첨가하여 황산증기의 노점온도를 낮춘다 ● 과잉공기를 적게하여 배기가스중 산소를 감소시킨다.

8️⃣열의 이동

어느 공장에서 가동하고 있는 기계의 발생열을 제거하기 위하여 냉동기와 공조기를 이용하여 냉방을 하고 있다. 겨울철에 공조기의 외기(OA) 댐퍼를 40[％]에서 70[%]로 변경하여 외기도입을 증가시켰더니 [보기]와 같은조건으로되었을때 냉동기부하 감소량[kW]은 얼마인가?

공조기 송풍량 : 50000[㎥/h]
개선 전 : 실내온도 24[℃], 상대습도 60[%], 엔탈피 11.7[kJ/kg]
개선 후 : 실내온도 22[℃], 상대습도 60[%], 엔탈피 10.2[kJ/kg]
외기온도 : 20[℃]
공조기 년간 가동시간 : 3393[h]
공기의 밀도 : 1.24[kg/㎥]

D6 열의 이동

공조기 외부 급기 댑퍼를 40[%]에서 70[%]로 변경하면 외기 도입양은 공조기 동풍량의 30[%]에 해당 하는 양이 증가 하는 것 이고, 증가되는 공기량(단위:질량)에 개선 전후의 엔탈피 차에 해당하는양 만큼 냉동기의 부하가 감소된다

부하 감소량= 공기 질량 x 댐퍼개도 증가량 x 엔탈피 차 = (50000 X 1.24) X (0.7-0.41) / (11.7-10.2)=27900[kcal/h]

👍D 체크밸브

9️⃣ 급수펌프 설치 및 시공에 대한 물음에 답하시오.

(1) 펌프 토출측에 설치하여 물이 역류되는 것을 방지하는 밸브의 명칭을 쓰시오.

체크벨브

(2) 이 밸브의 종류 2가지를 쓰시오.

스윙식, 리프트식, 해머리스 체크벨브

👍B0 급수장치

🔟 보일러 급수펌프로 사용하는 원심펌프의 종류 2가지를 쓰시오.

볼류트, 터빈

1️⃣1️⃣보온재(전내흡비온)

보온재의구비조건 5가지를 쓰시오.

D4 보온재 구비조건(전내흡비온,두)

열전도율이 작을것
적당한 내구성을 가질것
흡습성 흡수성이 작을것
부피, 비중이 작을것
안전 사용온도 범위에 적합할것
시공성이 좋을것
내열성 내약성이 있을것

1️⃣2️⃣집진장치

배기가스 중의 분진입자의 표면에 이온에 의한 전하를 주어 (+)로 대전되도록 하고, 집진장치의 내부에 설치된 (+) (-)의 전극판에 전압 부가하면 (+)로 대전된 분진은 (+)극판으로 부터 반발되면서 (-)극판으로 흡인되어 부착된다. 이 때 분진은 전하를 잃어버리며 부착력이 상실되며 호퍼 등에 떨어지게 하여 처리하는 집진장치의 명칭을 쓰시오.

F9 집진장치(전기집진장치)

판상(板狀) 또는 관상(管狀)으로 이루어진 집진전극을 (양극+)으로 하고, 집진전극 중앙에 매달린 금속선으로 이루어진 (음극-)간에 직류 고전압을 가해서 (코로나방전)을 발생하게 하고, 이곳에 분진이 포함된 가스를 통과시키면 전극 주위의 함진가스는 (이온화)되면서 대전입자가 되어 정전기력에 의해 양극(+극)에 포집(捕集)되어 처리되는 집진장치이다.

1️⃣3️⃣이론공기량(A₀)

탄소 81[%], 수소 15[%], 황 4[%]와 같은 중랑비율을 갖는 액체연료가 완전연소되었을 때 물음에 답하시오.

(1)이론공기량[N㎥/kg]을 계산하시오

(2)이론 건배기가스량[N㎥/kg]을 계산하시오

(3)[CO2]max는 몇[%]인가 계산하시오

G0 이론공기량(A₀)

\[ A_{0}[Nm/kg]=\frac{22.4}{0.21}(\frac{C}{12} +\frac{H-\frac{O}{8}}{4}+\frac{S}{32}) \]

$$ A_0[Nm/kg]=\frac{O_0}{0.21}=8.89C+26.67(H-\frac{O}{8})+3.33S \\ A_0[kg/kg]=\frac{O_0}{0.232}=11.49C+34.5(H-\frac{O}{8})+4.31S $$

$$ A_0=8.89C+26.67(H-\frac{O}{8})+3.33S $$

$$ A_0=8.89\times 0.81+26.67(0.15-\frac{O}{8})+3.33\times0.04=11.3346 $$

G5 건연소가스량(Gd)

\[ G_{0d}=8.89C+21.1(H-\frac{O}{8})+3.33S+0.8N \]

\[ G_d=G+B=G+(m-1)A_0 \]

\[ G_d=(m-0.21)A_0+1.867C+0.7S+0.8N \]

$$ G_{0d}=8.89C+21.1(H-\frac{O}{8})+3.33S+0.8N $$

$$ =8.89\times0.81+21.1(0.15-\frac{O}{8})+3.33\times0.04+0.8N=10.4991 $$

G3 [CO₂]max

\[ [CO_2]{max}=\frac{CO_2}{G{0d}}\times 100=\frac{21(CO_2+CO)}{21-O_2+0.395CO} \]

$$ [CO_2]{max}=\frac{CO_2}{G{0d}}\times 100=\frac{1.867C+0.7S}{G_{0d}}\times 100 $$

$$ [CO_2]_{max}=\frac{1.867\times0.81+0.7\times0.04}{10.50}\times 100=14.6692[\%] $$

1️⃣4️⃣정압계산(피토관)

상온, 상압 상태에서 공기가 흐르고 있는 원형관 내부에 피토관을 설치하여 유속을 측정하였더니 동압이 980[Pa] 이었다. 공기를 비압축성 흐름으로 가정할때 속도[m/s]는 얼마인가? (단, 공기 비중량은 12.7[N/㎥]이다.）

I2 정압계산(피토관)

\[ V=\sqrt{2g\frac{P_t-P_s}{\gamma}} \]

\[V=\sqrt{2gh\frac{\gamma_m-\gamma}{\gamma}} \]

\[ \gamma(물의 비중량) : 1000[kgf/m^3] \]

\[ 1[atm]=760[mmHg]\] \[=10332[mmHO]=101.325[kPa] \]

Pt 전압 Ps정압 γ공기밀도

$$ V=C\sqrt{2\times \frac{P_t-P_s}{\rho}}=C\sqrt{2\times \frac{P_t-P_s}{\frac{\gamma}{g}}} $$

$$ =\sqrt{2\times \frac{980}{\frac{12.7}{9.8}}}=38.890[m/s] $$

1️⃣5️⃣카르노사이클

온도가 600[K]인 고온열원과 400[K]인 저온열원 사이에서 작동하는 카르노사이클에서 단열압축과정의 엔트로피 변화량이 100[J/K]으로 일정할 때 다음 물음에 답하시오.

(1) 공급받은 열량[J]은 얼마인가?
(2) 사이클이 한 일량[J]은 얼마인가?
(3) 단열팽창과정 중 엔트로피 변화량[J/K]은 얼마인가?
(4) 이 사이클의 효율[%］은 얼마인가?

N1 카르노사이클

$$ \eta=\frac{W}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1} $$

$$ \Delta S_1=\frac{Q_1}{T_1}(엔트로피) $$

$$ W_2=Q_2=\frac{T_2}{T_1}\times Q_1 $$

$$ Q_1=m\times P_3 \times v_3\times\ln\frac{v_3}{v_4}=m\times R \times T_H\times \ln\frac{P_3}{P_4} $$

$$ \Delta S_1=\frac{Q_1}{T_1} $$

$$ Q_1=T_1\times\Delta S_1=600\times 100=60,000[J] $$

$$ \eta=\frac{W}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1} $$

$$ (1-\eta)=\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{T_2}{T_1} $$

$$ Q_2=Q_1\times\frac{T_2}{T_1}=T_2\times\frac{Q_1}{T_1}=T_2\times\Delta S_1 $$

$$ Q_2=T_2\times\Delta S_1=400\times 100=40000[J] $$

$$ W=Q_1-Q_2=60000-40000=20000[J] $$

$$ \Delta S_2=\frac{Q_2}{T_2}=\frac{40000}{400}=100[J/K] $$

$$ \eta=\frac{W}{Q_1}\times 100=\frac{20000}{60000}\times 100=33.33 $$

❎ 1️⃣6️⃣

그림과 같이 설치된 피토관에 대한 물음에 답하시오.

(1) 액주계 높이 h를 로 나타내시오.
(2) 액주계 높이 h를 (1) 파베르누이 방정식을 이용하여 나타내시오.
(3) 액주계 높이 h를 (2)와 연속 방정식을 이용하여 나타내시오.

$$ P_1+\rho_1g(z+h)=P_2+\rho_1gz+\rho_2gh \\ P_1+\rho_1gz+\rho_1gh=P_2+\rho_1gz+\rho_2gh \\ P_1-P_2=\rho_1gz+\rho_2gh-\rho_1gz-\rho_1gh \\ P_1-P_2=(\rho_2g-\rho_1g)h $$

$$ h=\frac{P_1-P_2}{\rho_2g-\rho_1g} $$

$$ \frac{P_1}{\rho_1g}+\frac{V_1^2}{2g}=\frac{P_2}{\rho_1g}+\frac{V_2^2}{2g} \\ \frac{V_2^2}{2g}=\frac{P_1-P_2}{\rho_1g} \\ \frac{V_2^2}{2g}=\frac{(\rho_2g-\rho_1g)h}{\rho_1g}=\frac{(\rho_2g-\rho_1g)}{\rho_1g}h=(\frac{\rho_2g}{\rho_1g}-1)h $$

$$ h=\frac{V_2^2}{2g(\frac{\rho_2 g}{\rho_1 g}-1)} $$

$$ Q=A_1V_1=A_2V_2 \\ \frac{V_2}{V_1}=\frac{A_1}{A_2} \\ \frac{P_1-P_2}{\rho_1g}=\frac{V_2^2-V_1^2}{2g}=\frac{V_1^2}{2g}(\frac{V_2^2}{V_1^2}-1) \\ \frac{P_1-P_2}{\rho_1g}=\frac{V_1^2}{2g}((\frac{A_1}{A_2})^2-1) \\ \frac{P_1-P_2}{\rho_1g}=\frac{V_1^2}{2g}((\frac{D_2}{D_1})^4-1) \\ \frac{P_1-P_2}{\rho_1g}=\frac{(\rho_2g-\rho_1g)h}{\rho_1g}=(\frac{\rho_2g}{\rho_1g}-1)h \\ \frac{V_1^2}{2g}((\frac{D_1}{D_2})^4-1)=(\frac{\rho_2g}{\rho_1g}-1)h $$

$$ h=\frac{\frac{V_1^2}{2g}\{(\frac{D_1}{D_2})^4-1)\}}{\{\frac{\rho_2g}{\rho_1g}-1\}} $$

1️⃣7️⃣보일러효율

[보기]와 같은 조건으로 운전되는 보일러에 대한 물음에 답하시오.

증기발생량 : 1200[kg/h]
보일러 압력 : 400[kPa]
연료 소비량 : 10.5[N㎥/min]
연료의 저위발열량 : 5800[kJ/Nm]
연료 공급압력 : 40[kPa]
연료의 공급온도 : 10[℃]
발생증기 엔탈피 : 2796[kJ/kg]
급수 엔탈피 : 49[kJ/kg]

C4 보일러효율

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

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

(1) 연료의 발열량[kJ/㎥]을 구하시오.

\[V_1=\frac{P_0\times V_0\times T_1}{P_1 \times T_0} \]

\[ =\frac{101.325\times 1\times (273+10)}{(101.325+40) \times 273}=0.743[m^3] \]

\[H’=H_l\times V_1=5800\times \frac{1}{0.74}=7837.837[kJ/m^3] \]

(2) 보일러 효율[%]을 구하시오.

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

\[=\frac{1200\times (2796-49)}{(10.5\times 60)\times 7837.84}\times 100 \]

1️⃣8️⃣전도열계산(다층벽)

내부온도가 1,000[℃]인 곳에 열전도율 1.1[W/m·℃]인 내화벽돌로 두께 220[㎜] 내벽을 설치하고, 열전도율 0.8[W/m°C]인 붉은 벽돌로 두께 200[㎜]의 외벽을 설치하는 것으로 설계했을 때 외벽의 표면온도가 680[°C]로 예상되었다.

이 상태에서는 열손실이 많이 발생하는 것으로 판단되어 내벽과 외벽 사이 중간에 열전도율이 0.12[W/m·℃]인 단열벽돌을 90[㎜] 보강하는 것으로 설계를 변경하였을 때 외벽의 표면온도는 몇 [℃]가 되겠는가?

(단, 처음 상태와 나중상태의 벽체에서 전열량은 동일하고 내외벽의 표면 열전달율은 무시하고, 기타 손실은 없고 열은 한 쪽 방항으로만 흐른다고 가정한다.)

D8 다층벽 열전도열 계산

\[Q=\frac{1}{\frac{b_1}{\lambda_1}+\frac{b_2}{\lambda_2}+\frac{b_3}{\lambda_3}}\cdot F\cdot\Delta t\]

\[Q=K\times F\times \Delta t \]

\[Q_1=\frac{1}{\frac{b_1}{\lambda_1}+\frac{b_2}{\lambda_2}}\times F\times \Delta t \]

\[ =\frac{1}{\frac{0.22}{1.1}+\frac{0.2}{0.8}}\times 1\times (1000-680)=711.111[W] \]

\[ Q_2=\frac{1}{\frac{b_1}{\lambda_1}+\frac{b_2}{\lambda_2}+\frac{b_3}{\lambda_3}}\cdot F\cdot (t_2-t_1) \]

\[ 711.11=\frac{1}{\frac{0.22}{1.1}+\frac{0.09}{0.12}+\frac{0.2}{0.8}}\cdot 1\cdot (1000-t_1) \]

\[t_1=146.668\]

에너지 22년기출B”