발열량

왜 배우는가: 발열량은 연료의 에너지 크기를 나타내는 기본 값이라 화재하중, 열방출률, 설비 효율 계산의 출발점이 된다. 고위발열량과 저위발열량을 혼동하면 같은 연료라도 계산 결과가 달라져 감점이 생긴다. 시험에서는 정의, 두 발열량의 차이, 측정 방법을 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제130회 1교시 6번, 제128회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 발열량은 단위 질량(또는 부피)의 연료가 완전연소할 때 발생하는 열량이며, 물의 응축 여부에 따라 고위와 저위로 나뉜다.

연료의 발열량은 연료가 가진 화학에너지의 크기를 열량 단위로 나타낸 값이다. 같은 무게의 연료라도 수소 함량이 높으면 연소 때 생기는 물이 많아 기준을 정하기가 까다롭다. 그래서 답안에는 정의와 함께 두 기준을 같이 적어야 한다.

핵심 키워드: 발열량, 고위발열량(HHV), 저위발열량(LHV), 완전연소, 연소열, 물의 증발잠열, 열량계, 봄베 열량계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 발열량은 연료 한 덩이를 완전히 태웠을 때 나오는 열의 총량이다. 같은 무게라도 성분 구성에 따라 값이 달라지므로, 연료를 비교하는 기준 값으로 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 발열량은 단위 중량(고체·액체는 kg, 기체는 Nm³)의 연료가 완전연소할 때 발생하는 열량이다. 값의 단위는 kJ/kg 또는 kJ/Nm³를 쓴다. 기체 연료는 0℃, 1atm, 건조 상태 환산 기준으로 표시하는 것이 원칙이다.

연료가 탈 때 수소가 있으면 물이 생긴다. 이 물이 액체로 응축되면 증발잠열이 열로 회수되고, 수증기로 배출되면 그 열은 굴뚝으로 빠져나간다. 이 차이 때문에 발열량을 두 가지로 구분한다.

첫째 고위발열량(HHV) 은 연소 생성물의 수증기를 다시 응축시켜 얻는 열까지 포함한 값이다. 연료 중 수분과 연소로 생긴 수분의 응축열을 모두 더한다. 열량계로 직접 측정하므로 총발열량이라고도 부른다.

둘째 저위발열량(LHV) 은 생성된 물이 수증기 상태로 빠져나간다고 보고 응축열을 뺀 값이다. 실제 연소에서 배기가스 속 수증기는 응축되지 않고 배출되므로, 보일러나 엔진의 실제 열 이용 계산에는 저위발열량이 더 가깝다.

두 값의 관계는 다음 식으로 정리한다.

$H_l = H_h - r H_v$

H_l은 저위발열량(kJ/kg), H_h는 고위발열량(kJ/kg), r은 연료 1kg 연소 시 생기는 수증기 질량(kg/kg), H_v는 물의 증발잠열(2260kJ/kg)이다. 수소를 포함하지 않는 탄소 연료나 일산화탄소는 생성수가 없으므로 두 값이 같다. 메탄처럼 수소가 많은 연료는 차이가 크다. 계산 예는 8절에서 다룬다.

저위발열량은 고위발열량에서 생성수의 증발잠열을 뺀 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

연료를 비교하고 설비를 설계하려면 단위 질량당 열량을 기준 값으로 정해야 했다. 그런데 수소를 포함한 탄화수소 연료는 연소할 때 물이 생겨, 같은 연료라도 값이 두 가지로 나온다. 그래서 물의 상태를 기준으로 고위와 저위 두 값을 구분하는 체계가 자리 잡았다.

측정 측면에서는 봄베 열량계 같은 장치로 고위발열량을 직접 측정한다. 저위발열량은 측정된 고위값에서 생성수의 증발잠열을 빼서 계산한다. 따라서 연료 분석값에 수소와 수분 성분이 있어야 저위값을 구할 수 있다.

소방 측면에서는 화재하중 산정과 열방출량 추정에 발열량이 쓰인다. 가연물의 발열량이 크면 같은 질량이라도 화재 규모와 열방출이 커진다. 그래서 가연물 종류별 발열량을 알아야 화재 가혹도와 구조 내화 성능을 평가할 수 있다.

천연가스의 주성분인 메탄은 고위발열량을 갖는 연료다. 고체 석탄이나 목재보다 질량당 열량이 훨씬 크다. 이 값을 기준으로 두 발열량 기준을 혼용하면 효율이나 열량 계산 결과가 달라지므로, 답안에는 어느 기준인지 반드시 밝혀야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

발열량 측정은 연료 시료, 산소 공급, 연소 생성물, 열 흡수 매체의 네 요소로 이루어진다. 각 요소의 역할과 HHV·LHV 구분에 미치는 영향을 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 설명을 덧붙이면, 연료 시료는 단위량 기준을 정하는 출발점이다. 산소 공급은 불완전 연소를 막아 완전 연소 조건을 만든다. 연소 생성물 중 수분의 상태가 HHV와 LHV를 가르는 핵심이다. 열 흡수 매체는 연소열이 전달되는 경로로, 온도 변화로 열량을 역산한다.

발열량은 단위량의 연료가 완전 연소할 때 발생하는 열량이다. 수소를 포함한 연료는 연소하면서 물을 만든다. 생성된 물이 응축되어 액체가 되면 응축열이 포함된 고위발열량이 된다. 물이 수증기 상태로 배출되면 응축열은 회수되지 않으므로 저위발열량이 된다. 따라서 두 값의 차이는 물의 증발잠열에 생성된 수증기의 양을 곱한 값과 같다.

$H_L = H_H - h_{fg}\cdot\frac{m_{H_2O}}{m_{fuel}}$

여기서 H_L은 저위발열량(kJ/kg), H_H는 고위발열량(kJ/kg), h_{fg}는 물의 증발잠열(kJ/kg), m_{H_2O}는 연소로 생성된 물의 질량(kg), m_{fuel}은 연료의 질량(kg)이다. 연료 자체에 수분이 들어 있으면 그 수분 질량도 m_{H_2O}에 더한다.

메탄 연소식은 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O이다. 메탄 연소식에 따라 생성되는 물의 질량을 연료 질량 기준으로 환산한다. 고위발열량과 물의 증발잠열을 대입하면 다음과 같다.

$H_L = H_H - h_{fg}\cdot\frac{m_{H_2O}}{m_{fuel}}$

계산 결과는 고위발열량에서 물의 증발에 쓰이는 에너지를 뺀 값이다.

발열량 측정의 절차는 봄베 열량계를 기준으로 다음과 같다.

• 시료를 연소접시에 얹고 점화선을 연결한다.
• 봄베 내부에 산소를 충전한다.
• 봄베를 물 열량계에 담그고 초기 수온을 측정한다.
• 전기로 점화하여 시료를 완전 연소시킨다.
• 최고 수온을 기록하고 열량계의 열용량으로 발열량을 계산한다.
• 얻은 고위발열량에서 증발잠열 식을 적용해 저위발열량을 환산한다.

발열량 측정값은 고위발열량이고, 저위발열량은 물의 증발잠열을 차감하여 구한다.

5. 관련 법령·기준·표준

발열량 자체는 법령이 정한 기준값이 아니다. 측정 방법과 단위는 열량계 시험 기준과 국제 관행을 따른다. 소방 분야에서는 가연물의 발열량을 화재하중과 연소 특성 평가에 활용한다.