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 연료의 발열량 계산 — 공기비·연소온도·배기가스 산소측정
연소와 발열량 계산은 연료량과 공기 공급 상태, 생성가스 조성이 서로 연관되어 에너지 운용에 영향을 준다. 공기비의 정의와 배기가스 중 산소 측정 방식은 연소 상태 판단의 기초 지표가 된다. 과잉공기의 증가는 연소온도와 생성가스의 조성에 영향을 미치므로 이 관계를 이해하고 계산할 수 있어야 한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「연료의 발열량 계산」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기체연료 공기비 범위 판단 | 1 | 기체연료의 일반적인 공기비 범위를 고르는 능력을 묻는다 |
| 과잉공기 영향 판별 | 1 | 과잉공기가 연소온도와 CO2 농도에 미치는 방향을 판별하게 한다 |
| 배기가스 O2로 공기비 계산 | 1 | 배기가스 중 산소 농도를 이용한 공기비 수치 계산 과정을 묻는다 |
뜻
공기비(m)는 연료 연소에 있어서 실제 공급된 공기량(A)이 연소에 이론적으로 필요한 최소 공기량(Ao)에 대해 얼마나 많은지를 나타내는 비율이다. 정의식은 m = A / Ao로 나타내며, 분자는 실제량, 분모는 기준량임을 혼동하지 않아야 한다. 이 정의는 연소 제어와 효율 평가의 기본 지표가 된다.
과잉공기(공기비가 1보다 큰 상태)는 연소가스의 총량과 열용량을 증가시켜 동일한 연료량에서 노내 온도를 낮추는 효과를 낸다. 또한 연소로 생성되는 CO2의 절대량은 연료량에 의해 결정되지만 전체 가스량이 증가하면 CO2의 몰분율(%)은 감소한다. 이로 인해 과잉공기 증가는 온도 하강과 CO2 농도 희석이라는 두 가지 결과를 동시에 초래한다.
배기가스 중 산소 농도를 이용해 공기비를 산정할 때는 수증기로 인한 변동을 배제하기 위해 건배기 가스의 산소 체적%를 사용한다. 기체 농도는 체적 백분율로 표현하는 것이 표준이므로 측정값을 건배기 체적%로 취급하여 공기비 계산식에 적용해야 한다.
연료의 발열량 계산과 관련된 단위 변환 문제에서는 몰 질량과 주어진 연소열 값을 이용해 1kg당 열량을 계산한다. 예를 들어 탄소의 경우 1kmol(12kg)이 완전 연소할 때 주어진 연소열을 그 질량으로 나누어 1kg당 열량을 구한다. 이러한 계산은 연료별 발열량 산정과 연소열 수지 계산에 직접 적용된다.
예제
배기가스 중 O2가 3.5%일 때 공기비를 계산하는 방법은 건배기 체적% 기준의 공기비 공식 α = 21 / (21 - O2)를 사용한다. O2 = 3.5를 대입하면 분모는 21 - 3.5 = 17.5가 되고, 21 ÷ 17.5 ≈ 1.2가 되어 공기비는 약 1.2가 된다.
탄소 1kg이 완전 연소했을 때의 발열량을 구하는 방법은 주어진 1kmol(12kg) 연소열을 질량으로 나누는 것이다. 예컨대 1kmol당 연소열이 97,200 kcal이면 1kg당 열량은 97,200 ÷ 12 = 8,100 kcal/kg가 된다.
대표 기출 3문항
과잉공기와 연소 노내온도 및 연소가스 중의 (CO2)% 관계를 옳게 설명한 것은?
- 과잉공기가 증가하면 연소온도는 내려가고, 연소가스 중의 (CO2)%는 증가한다.
- 과잉공기가 증가하면 연소온도는 높아지고, 연소가스 중의 (CO2)%는 증가한다.
- 과잉공기가 증가하면 연소온도는 내려가고, 연소가스 중의 (CO2)%는 감소한다.
- 과잉공기가 증가하면 연소온도는 높아지고, 연소가스 중의 (CO2)%는 감소한다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 과잉공기량 변화가 연소 온도와 배가스 중 CO2 농도에 미치는 영향을 묻는 문제이다. 과잉공기가 증가하면 연소에 기여하지 않는 질소 등 불활성 가스가 늘어나 연소가스량이 증가하고, 같은 발열량으로 더 많은 가스를 가열해야 하므로 단열 연소 온도가 낮아진다.
과잉공기 증가는 불연소 가스 증가로 CO2 농도 희석 및 열용량 증가로 온도를 하강시킨다.
배기가스 중의 산소 농도를 측정하여 공기비를 측정하는 경우 일반적으로 공기비=21/(21 (산소농도))의 식을 이용하고 있다. 이식에서 (산소농도)에 대한 설명으로 옳은 것은?
- 습배기 가스 중의 산소 중량 %
- 습배기 가스 중의 산소 체적 %
- 건배기 가스 중의 산소 중량 %
- 건배기 가스 중의 산소 체적 %
정답과 해설 보기
정답 ④ · 공기비를 산출할 때 사용되는 산소 농도는 연소 과정에서 생성된 수증기를 제외한 건조한 상태의 배기가스(건배기가스)를 기준으로 하며, 체적 백분율(%)로 나타냅니다. 수증기가 포함된 습배기가스를 사용할 경우 연소 상태에 따라 수증기량이 달라지므로 정확한 공기비 산정이 어렵기 때문입니다.
공기비 산정 시 수증기 영향을 배제하기 위해 건배기 가스의 산소 체적%를 사용한다.
자주 묻는 물음
- 공기비는 무엇을 뜻하나?
- 공기비는 실제 공급된 공기량(A)을 이론적으로 필요한 최소 공기량(Ao)으로 나눈 값으로 정의되며 식으로는 m = A / Ao가 된다.
- 과잉공기가 연소온도와 CO2%에 미치는 영향은 무엇인가?
- 과잉공기의 증가는 연소가스의 열용량을 증가시켜 노내 온도를 낮추고, 전체 가스량 증가로 생성된 CO2의 몰분율(%)을 희석하여 낮추는 효과를 낸다.
- 배기가스 산소 측정 시 주의할 점은 무엇인가?
- 수증기 변동에 의한 오차를 피하기 위해 건배기 가스의 산소 체적%를 사용하여 공기비를 산정해야 한다.
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