개념 한 쪽
보일러의 에너지 진단은 입력된 열과 출력된 열을 비교하여 손실을 파악하고 효율을 산정하는 과정이다. 주요 항목은 입열과 출열의 구분, 배기가스 손실의 크기 평가, 전열면 증발율과 분출율 같은 성능 지표 계산, 그리고 연료소비량 산정이다. 문제 유형은 개념적 구분 문제와 단위 환산·열수지 계산 문제로 나뉜다.
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출제기준 단원 「에너지 진단」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 분출율 계산 | 1 | 급수·배수 고형분으로 보일러 분출율을 구하는 법칙을 적용하여 비율을 계산하기 |
| 면적 및 출력 환산 계산 | 1 | 출력·효율·단위면적 흡수량 관계로 필요한 전열면적을 구하는 계산을 묻기 |
| 연료소비량 산정 | 1 | 증발량·증기엔탈피·급수엔탈피·효율·발열량을 이용해 연료 소모량을 계산하기 |
보일러의 열정산은 시스템에 들어오는 열(입열)과 나가는 열(출열)을 정리하여 효율을 평가하는 절차이다. 입열에는 연료의 현열 등이 포함되고, 출열에는 발생증기가 보유하는 열 즉 발생증기 보유열이 주요 항목으로 포함된다. 외기온도는 보일러 성능을 평가할 때 보일러실 외부의 입구 온도를 기준으로 측정해야 하며, 공기 예열기 출구 온도를 외기온도로 삼아서는 안 된다.
보일러 열손실 중 가장 큰 비중을 차지하는 항목은 배기가스 손실이다. 배기가스 손실은 배기가스의 온도와 양, 비열에 비례하여 계산하며 효율 향상을 위해서는 배기가스 온도를 낮추는 것이 핵심이다. 불완전연소 손실, 방열 손실 등은 관리로 감소시킬 수 있으나 일반적으로 배기가스 손실이 최대 손실이 된다.
성능 지표로는 전열면 증발율과 분출율이 중요하다. 전열면 증발율은 전열면적 1m²당 시간당 발생하는 증기량을 나타내며 증기발생량을 전열면적으로 나누어 계산한다. 분출율은 급수 중 고형분과 배수 허용 고형분을 이용한 물질수지식으로 계산하며 표준 공식은 B = (C_feed / (C_blowdown - C_feed)) × 100이다.
연료소비량은 증발열량과 보일러 효율, 연료의 발열량을 연결하여 구한다. 기본 식은 연료소비량 = (증발량 × (증기엔탈피 - 급수엔탈피)) ÷ (효율 × 발열량)이다. 이 식을 통해 연료 공급열량과 실제 증발열량의 관계를 명확히 이해할 수 있다.
예1 — 1마력에 상당하는 상당증발량 계산: 보일러 1마력은 시간당 1000kcal의 열량을 의미하고, 표준 증발잠열은 약 640kcal/kg이다. 따라서 1마력의 상당증발량은 1000 ÷ 640 × 10 = 15.625kg/h로 계산된다. 실전에서는 15.625kg/h(약 15.65kg/h)를 기억한다.
예2 — 연료소비량 계산(대표 문제): 실제 증발량 4 ton/h(4,000kg/h), 효율 85%, 급수온도 40℃(급수엔탈피 약 40kcal/kg으로 간주), 발생증기 엔탈피 650kcal/kg, 연료 저위발열량 9,800kcal/kg일 때 계산은 다음과 같다. 1) 1kg당 증발에 필요한 열량 = 650 - 40 = 610kcal/kg. 2) 시간당 총 증발열량 = 4,000 × 610 = 2,440,000kcal/h. 3) 필요한 연료공급열량 = 2,440,000 ÷ 0.85 ≈ 2,870,588kcal/h. 4) 연료소비량 = 2,870,588 ÷ 9,800 ≈ 292.9kg/h, 즉 약 293kg/h가 된다.
어떤 보일러의 급수량이 2,000ℓ/h, 관수 중의 허용 고형분이 1,100 ppm, 급수 중의 고형분이 200 ppm 일 때 분출율은?
정답 ② · 보일러 급수와 관수의 고형분 농도를 이용해 분출율을 계산하는 문제이다. 물질수지에서 급수 고형분과 배출되는 관수 고형분의 비로 분출율을 구하며, 200/1100 × 100 ≈ 18.2%가 계산된다.
분출율은 (급수고형분÷배수고형분)×100으로 계산하며, 주어진 수치를 대입하면 약 18.18%가 되어 가장 가까운 22.2%를 선택한다.
태양열 보일러가 80 W/m²의 비율로 열을 흡수한다. 열효율이 75 % 인 장치로 10 kW 의 동력을 얻으려면 전열면적은 몇 m² 가 되어야 하는가?
정답 ① · 태양열 흡수량과 열효율로부터 필요 전열면적을 계산하는 문제이다. 필요한 면적은 출력을 효율과 단위면적당 흡수량의 곱으로 나누어 구한다.
필요 전열면적은 출력/효율/단위면적열흡수량 순으로 계산하여 166.7m²가 된다.
실제 증발량 4 ton/h 인 보일러의 효율이 85% 이고, 급수온도가 40℃, 발생증기 엔탈피가 650 kcal/kg 이다. 이 보일러의 연료소비량은? (단, 연료의 저위발열량은 9,800 kcal/kg 이다.)
정답 ② · 보일러의 효율과 발열량으로부터 연료소비량을 계산하는 문제이다. 먼저 증기가 흡수하는 열량은 증발량 4000 kg/h × (650-40) kcal/kg = 2,440,000 kcal/h이다.
보일러 효율은 '증발열량÷연료공급열량'이므로, 연료소비량은 발생증기 엔탈피와 급수온도 차이를 효율과 발열량으로 나누어 구한다.
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