개념 한 쪽
연소 계산 문제는 연료의 조성에서 필요한 산소량을 산출하고, 이를 공기 중 산소 비율로 환산하여 이론공기량을 구하는 절차를 따른다. 탄화수소의 일반식 CmHn에서의 산소 필요식, 연료 성분별 질량백분율을 이용한 산소 질량 계산, 그리고 연료에 포함된 산소를 차감하는 과정이 핵심이다.
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출제기준 단원 「연소의 정의」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 탄화수소 일반식 이론산소 계산 | 1 | CmHn에서 이론산소량과 이론공기량을 유도하는 방법을 묻는다 |
| 연료 성분비로 이론공기량 산출 | 1 | 중량조성으로 성분별 산소질량 합산 후 공기량 환산을 묻는다 |
| 연료 조성 포함 산소 차감 및 공기량 계산 | 1 | 연료 내 포함 산소 차감 후 최종 이론공기량을 구하는 절차를 묻는다 |
탄화수소 CmHn가 완전연소하려면 반응식 CmHn + (m + n/4)O2 → mCO2 + (n/2)H2O에 따라 필요한 이론산소량은 m + 0.25n으로 계산한다. 기체 부피비의 경우 몰수와 기체 부피비가 비례하므로 이 비를 그대로 적용한다.
연료의 중량조성이 주어졌을 때는 각 원소별 산소 필요 질량을 계산하여 합산한다. 예를 들어 탄소는 1kg당 약 2.67kg의 산소가 필요하고, 수소는 1kg당 약 8kg의 산소가 필요하며, 황은 1kg당 약 1kg의 산소가 필요하다는 관계를 적용한다. 연료 자체에 포함된 산소는 이미 결합된 산소이므로 필요 산소량에서 차감해야 한다는 점을 고려한다.
이론공기량은 필요산소량을 공기 중 산소질량분율로 나누어 구한다. 기체 부피 기준 문제에서는 공기 중 산소 부피분율(약 21%)을 사용하여 필요 공기부피를 얻고, 고형·액체 연료의 질량 기준 문제에서는 산소 질량분율(문제에서 사용된 값, 예: 약 23.2%)을 적용한 뒤 표준상태 부피로 환산하는 절차를 따른다.
동일 부피의 여러 기체를 비교할 때는 각 기체의 연소반응식에서 요구하는 산소몰수를 비교하면 이론공기량의 대소를 판별할 수 있다. 또한 배기가스 중 질소 비율을 이용하면 공급된 실제 공기량을 역산할 수 있다는 점을 기억한다.
1) CmHn의 이론산소량 산출 예시: 분자식이 CmHn인 탄화수소 1Nm3의 이론산소량은 반응식으로부터 m + 0.25n이므로 정답은 m+0.25n이라는 식으로 표현한다. 이 값을 공기 중 산소비 0.21로 나누면 이론공기량을 얻는다.
2) 중유의 성분비로 이론공기량을 구하는 예시: 탄소가 86.4%이고 수소가 12%이며 황이 1.6%인 연료 1kg에 대해 성분별 산소질량을 계산하면 탄소에서 2.304kg, 수소에서 0.96kg, 황에서 0.016kg의 산소가 필요하여 총 3.28kg의 산소가 필요하다. 이를 공기 중 산소질량분율 0.232로 나누면 약 14.14kg의 공기가 필요하고, 표준상태 부피로 환산하면 약 10.9 Sm3/kg 수준이 나온다.
분자식이 CmHn인 탄화수소가스 1Sm3의 완전연소에 필요한 이론산소량(Sm3)은?
정답 ① · 문항은 탄화수소 CmHn의 완전연소에 필요한 이론적 산소량을 묻고 있다. 연소식 CmHn + (m + n/4) O2 → m CO2 + (n/2) H2O로부터 산소 요구량은 m + 0.25 n이므로 기체 부피 기준에서도 동일하게 적용된다.
탄화수소 CmHn의 완전연소 이론산소량은 탄소 1몰당 1, 수소 4개당 1이므로 m+0.25n이 정답이다.
탄소 86.4%, 수소 12%, 황 1.6% 되는 중유 1kg을 완전 연소시키는데 필요한 이론공기량은 ?
정답 ② · 문제는 주어진 원소조성의 연료 1 kg을 완전연소시키는 데 필요한 이론공기량을 계산하는 것이다. 각 원소의 산소 요구량을 질량비로 환산하면 탄소는 CO2 생성에 필요한 산소량, 수소는 H2O 생성에 필요한 산소량을 합산한다(탄소 86.4% → 산소 필요량 86.4×(32/12)=230.4g, 수소 12% → 산소 필요량 12×(16/2)=96g, 황 1.6% → 산소 필요량 1.6×(32/32)=1.6g; 총 산소 약 328g).
연소 성분별 필요 산소량을 합산한 후 공기 중 산소 비율로 나누어 이론 공기량을 계산한다.
탄소, 수소, 산소, 황의 중량 % 가 86%, 4%, 8%, 2%인 중유의 연소에 필요한 이론공기량(Sm3/kg)은?
정답 ④ · 문제는 연료의 원소 조성으로부터 이론공기량을 구하는 계산 문제이다. 탄소·수소·산소·황의 중량비를 이용해 필요한 산소량을 원소별로 합산하고, 이를 공기 중 산소비율로 나눈 뒤 체적 단위로 환산하면 이론공기량이 나온다.
연료 성분의 중량%를 이용해 이론산소량을 계산하고 이를 공기량으로 환산한다.
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