에너지관리기사 실기 · 통풍력과 연돌 설계 계산

Draft Force and Stack Design

연돌은 뜨거운 배기가스와 찬 바깥 공기의 밀도 차이(부력)로 통풍력을 만들고, 그 크기는 Z = 273·H·(γa/(273 + ta) - γg/(273 + tg)) mmH₂O로 계산한다. 연돌 상부 단면적은 연속의 식 A = Q ÷ v로 정하고, 원형이면 지름 D = √(4A/π)이다. 그림은 연돌 모식도와 왼쪽 위의 이론통풍력 Z, 오른쪽 위의 단면적 A · 지름 D예요. 연돌 높이 · 배기가스 온도 · 외기 온도 슬라이더는 연돌 높이와 Z를, 아래 배기가스량 · 배기 유속 슬라이더는 A · D를 바꿔요.

문제: 연돌로 바람길을 만든다

연돌은 뜨거운 배기가스와 찬 바깥 공기의 밀도 차이(부력)로 통풍력을 만든다. 연돌 높이 H와 두 기체의 온도가 주어지면 이론통풍력 Z를 계산하고, 배기가스량과 알맞은 유속으로 상부 단면적 A를 정한다. 통풍력의 단위는 물기둥 높이 mmH₂O다.

📋 주어진 조건(예제)

①연돌 높이 H = 30 m, 배기가스 온도 250°C, 외기 온도 20°C

②비중량(0°C 기준): 외기 γa = 1.293, 배기가스 γg = 1.354 kgf/m³

③배기가스량 Q = 15 m³/s, 알맞은 유속 v = 6 m/s

④구할 것: 이론통풍력 Z, 연돌 상부 단면적 A와 지름 D

풀이 1: 이론통풍력 Z

연돌 높이 H30 m

배기가스 온도 t_g250 °C

외기 온도 t_a20 °C

이론통풍력

Z = 273 · H · (γ_a273 + t_a - γ_g273 + t_g)

γa = 1.293, γg = 1.354 kgf/m³ · H = 연돌 높이 m · 결과 단위 mmH₂O

지금 조건의 통풍력

Z = 14.94 mmH₂O

H=30 m, t_g=250°C, t_a=20°C 기준

💡 통풍력을 키우는 두 손잡이

①연돌 높이 H를 높이면 부력을 받는 가스 기둥이 길어져 통풍력이 커진다

②배기가스가 뜨거울수록 밀도가 작아져 바깥 공기와의 밀도 차이가 커진다

③괄호 안은 바깥 공기와 배기가스의 실제 비중량 차이예요

④실제통풍력 = 이론통풍력 - 통풍 저항(마찰 · 굴곡 손실)

풀이 2: 연돌 상부 단면적 A

배기가스량 Q15 m³/s

배기 유속 v6 m/s

① 상부 단면적

A = 2.50 m²

Q 15 ÷ v 6.0

② 원형 지름

D = 1.78 m

√(4A/π)

연돌 상부 단면적

A = Qv

Q = 배기가스량(m³/s) · v = 배기 유속(m/s) · 연속의 식

원형 단면 지름

D = √(4Aπ)

단면적 A로 구한 원형 연돌의 안지름

🔑 단면적 설계 감각

①연속의 식: 배기가스량 Q = 단면적 A × 유속 v

②따라서 A = Q / v다(유량을 유속으로 나눔)

③유속을 크게 잡으면 단면적은 작아지지만 통풍 저항이 늘어요

④알맞은 배기 유속은 대략 3 ~ 6 m/s 범위에서 정해요

검산: 예제 숫자 되짚기

H 30, t_g 250, t_a 20을 넣으면 Z = 273×30×(1.293/293 - 1.354/523) = 8190×(0.004413 - 0.002589) ≒ 14.94 mmH₂O이고, 단면적은 A = 15÷6 = 2.5 m², 지름은 D = √(4×2.5/π) ≒ 1.78 m가 된다.

핵심 관계식