대기환경기사 발열량의 정의와 종류 — 고위·저위발열량과 이론연소온도

고위발열량은 연소로 생긴 수증기가 액체로 돌아와 증발 잠열까지 회수된 상태의 열량이고, 저위발열량은 수증기가 기체로 남은 상태의 열량이다. 두 값의 구분은 어디에서 측정했는지가 아니라 수증기의 상태로 정해진다. 실제 보일러에서는 배기가스가 높은 온도로 빠져나가 잠열을 회수하지 못하므로 저위발열량을 쓴다. 단위는 고체·액체연료가 1kg당, 기체연료가 1Sm³당이다.

저위발열량은 고위발열량에서 6과 (9H + W)의 곱을 빼서 구한다. 수소는 연소해 자기 무게의 9배에 해당하는 물을 만들고, 여기에 연료에 든 수분을 더한 만큼이 수증기로 날아가므로, 그 양에 잠열 약 600kcal/kg을 곱한 계수 6을 빼는 것이다. 고위발열량 10,000kcal/kg에 수소 12%, 수분 0.3%인 문항이라면 수소가 만드는 물이 수소량의 9배이므로 생성 수분은 9와 0.12의 곱에 0.003을 더한 1.083kg이 되고, 여기에 잠열 약 600kcal/kg을 곱한 약 650kcal을 빼어 약 9,350kcal/kg이 된다. 재료의 식 표기는 잠열 계수 6을 그대로 곱하는 방식과 백분율을 대입하는 방식이 섞여 같은 차감을 두 가지로 적고 있으므로, 표기보다 차감의 뜻으로 확인하는 편이 안전하다. 수소 20%와 수분 20%에 고위발열량 15,000kcal/kg인 문항에서는 수소가 만드는 1.8kg에 연료의 수분 0.2kg을 더해 생성 수분이 2.0kg이 되고, 여기에 580~600kcal/kg을 곱한 약 1,200kcal을 빼어 약 13,800kcal/kg이 된다.

Dulong 식은 연료의 성분 비율에서 발열량을 만든다. 탄소 비율에 8080을, (수소 비율 − 산소 비율÷8)에 34400을, 황 비율에 2250을 곱해 더한다. 수소 항에서 산소를 8로 나누어 빼는 까닭은 그 산소가 이미 수소와 결합해 연소 열을 내지 못하기 때문이다. 탄소 84%, 수소 11%, 황 2.4%, 산소 1.3%인 문항이라면 약 10,569kcal/kg이 계산된다. 탄소 79%, 수소 14%, 황 3.5%, 산소 2.2%, 수분 1.3%인 문항은 약 10,253kcal/kg이 계산되는데, 재료는 계산값과 보기 값이 정확히 맞지는 않는다고 적으므로 성분을 항에 넣는 순서를 익히는 데 쓴다.

이론연소온도는 열량 평형식에서 나온다. 저위발열량을 연소가스량과 평균정압비열의 곱으로 나눈 값에 기준온도를 더한다. 저위발열량 5,000kcal/Sm³, 이론연소가스량 15Sm³/Sm³, 평균정압비열 0.35kcal/Sm³·℃, 기준온도 0℃인 문항이라면 5,000을 5.25로 나눈 약 952℃가 된다. 저위발열량 3,500kcal/Nm³, 연소가스량 10Nm³/Nm³, 비열 0.35kcal/Nm³·℃, 기준온도 15℃인 문항이라면 상승분 1,000℃에 기준온도 15℃를 더해 1,015℃가 된다. 비열을 되짚을 때는 식을 뒤집어 발열량을 연소가스량과 온도차의 곱으로 나눈다. 저위발열량 9,000kcal/Sm³, 연소가스량 25Sm³/Sm³, 온도차 2,485℃인 문항이라면 약 0.145kcal/Sm³·℃가 된다.