기체연료의 연소시 공기비의 일반적인 값은?
- 0.8 – 1.0
- 1.1 - 1.3
- 1.3 – 1.6
- 1.8 - 2.0
정답과 해설 보기
정답 ② · 기체연료 연소 시 일반적인 공기비 값을 묻는 문제이다. 공기비는 실제 공기량을 이론 공기량으로 나눈 값으로, 기체연료는 공기와의 혼합이 균일하고 용이하여 이론치에 가까운 적은 과잉공기로도 완전연소가 가능하다.
기체연료 연소 시 이론 공기비보다 약간 많은 1.1~1.3배의 공기비가 일반적으로 사용된다.
개념 한 쪽
에너지관리기능장 연소가스량 계산 — 공기비·질량비·연소열
연소계산은 연료의 화학식과 질량비, 실제 공급 공기량과 이론 공기량의 관계, 배기가스 분석으로부터 공기비를 구하는 방법 등을 다룬다. 탄소의 완전연소 질량비와 이를 이용한 산소 필요량 계산, 공기비 정의와 O2 농도에서 공기비를 역산하는 공식, 연료 상태별 일반적 공기비 값, 그리고 탄소의 단위 질량당 연소열 계산이 핵심이다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「연소가스량 계산」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 산소 요구량 계산 | 1 | 탄소 질량으로부터 필요한 산소 질량을 비례 계산하기 |
| 탄소 질량 대비 산소량 판정 | 1 | 주어진 탄소 질량에 대한 산소 필요량을 질량비로 판정하기 |
| 기체연료 공기비 범위 확인 | 1 | 기체연료에 대한 일반적 공기비 범위를 고르기 |
뜻
탄소의 완전연소는 C + O2 → CO2 반응으로 나타내며, 몰수비는 1:1이나 질량비는 탄소 12g에 산소 32g이 결합하는 비율로 정해진다. 따라서 주어진 탄소 질량에 비례하여 필요한 산소량을 계산할 수 있다. 예를 들어 탄소 12kg에는 산소 32kg이 필요하며, 탄소 6kg에는 산소 16kg이 필요하다.
공기비(m, 또는 λ)는 실제로 공급된 공기량을 이론적으로 필요한 공기량(Ao)으로 나눈 값으로 정의된다. 식으로는 m = A / Ao가 성립한다. 공기비는 연소 효율과 불완전연소 여부를 결정하는 기본 지표이므로 분자와 분모의 의미를 정확히 이해해야 한다.
배기가스 중 남아 있는 산소 농도(O2)를 이용하면 공기비를 계산할 수 있는 간단한 관계식이 존재한다. 완전연소 가정하에서 공기비는 α = 21 / (21 - O2)로 계산할 수 있으며, 여기서 21은 공기 중 산소의 대략적 비율(%)이다.
연료 종류에 따라 통상 사용하는 공기비 범위가 다르다. 기체연료는 공기와의 혼합이 잘 되므로 일반적으로 1.1~1.3의 공기비를 사용한다. 이 값은 연소 효율과 미연소 가스 저감을 균형있게 유지하기 위한 실무적 권장 범위이다.
탄소의 연소열 문제에서는 몰당 또는 킬로몰당 열량을 질량 단위로 환산하는 과정이 필요하다. 예컨대 탄소 1kmol(12kg)의 연소열이 97,200kcal/kmol로 주어지면 1kg당 연소열은 97,200 ÷ 12 = 8,100kcal/kg으로 계산한다.
예제
1) 탄소 6kg을 완전히 태우는 경우 필요한 산소량을 계산한다 - 질량비 기준: C:O2 = 12:32 - 탄소 6kg은 12kg의 절반이므로 산소도 32kg의 절반 = 16kg 필요 - 결론: 산소 16kg 필요
2) 탄소 12kg을 모두 연소시킬 때 필요한 산소량을 계산한다 - 질량비 기준 적용: 12kg C에는 32kg O2 필요 - 결론: 산소 32kg 필요
3) 배기가스 O2 농도 3.5%에서 공기비 계산(완전연소 가정) - 공식: α = 21 / (21 - O2) - 계산: α = 21 / (21 - 3.5) = 21 / 17.5 = 1.2 - 결론: 공기비는 1.2
4) 탄소 1kg당 연소열 계산 - 주어진 값: C 1kmol(12kg) 연소열 = 97,200kcal/kmol - 계산: 97,200 ÷ 12 = 8,100kcal/kg - 결론: 탄소 1kg 연소열 = 8,100kcal
대표 기출 3문항
탄소(C) 6 kg 을 완전연소 시키는데 필요한 산소량은?
- 2 kg
- 6 kg
- 16 kg
- 32 kg
정답과 해설 보기
정답 ③ · 탄소 6kg을 완전연소시키는 데 필요한 산소량을 화학량론적 질량비로 계산하는 문제이다. 반응식 C + O2 → CO2에서 질량비는 탄소 12 : 산소 32이다.
탄소 완전연소 반응식 C+O2→CO2에서 질량비로 탄소 12g에 산소 32g이 필요하므로, 6kg 탄소에는 16kg 산소가 필요합니다.
탄소 12 kg 을 완전 연소시키기 위하여 필요한 산소량은?
- 16 kg
- 24 kg
- 32 kg
- 36 kg
정답과 해설 보기
정답 ③ · 탄소 완전연소에 필요한 산소량을 화학량론으로 계산하는 문제이다. 반응식은 C + O2 → CO2이며, 질량비는 탄소 12에 산소 32이다.
탄소 연소 반응식 C+O2=CO2에서 질량비는 12:32이므로 12kg 탄소에는 32kg 산소가 필요합니다.
자주 묻는 물음
- 산소 필요량은 어떻게 계산하나?
- 탄소 연소의 질량비 C:O2 = 12:32를 기준으로 주어진 탄소 질량에 비례하여 산소량을 계산한다. 예를 들어 탄소 6kg이면 산소 16kg이 필요하다.
- 공기비와 과잉공기 개념은 무엇인가?
- 공기비(m)는 실제 공급 공기량을 이론 공기량으로 나눈 값으로 m = A / Ao이다. 과잉공기는 공기비가 1보다 큰 상태를 의미하며 실제/이론의 비율 구조를 기억한다.
- 배기가스 O2로 공기비를 어떻게 구하나?
- 완전연소 가정하에서 배기가스 중 O2(%)를 이용하여 α = 21 / (21 - O2) 공식을 적용하면 공기비를 구할 수 있다. 예컨대 O2가 3.5%이면 α ≈ 1.2가 된다.
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