개념 한 쪽
대기환경기사 굴뚝 설계 — 높이와 지표 농도, 높이에서의 바람
굴뚝 설계 세트는 굴뚝을 어디에 세우고, 그 높이에서 바람이 어떻게 부는지를 묻는다. 굴뚝 높이를 정할 때 먼저 볼 항목, 연무형 연기의 지표 피해, 기압경도력과 전향력, 가우시안 식으로 구하는 지상 농도, 바람장미의 읽는 법, 지붕형 연기의 대기 조건, Deacon의 멱법칙으로 높이별 풍속을 구하는 계산이 한 묶음으로 나온다. 힘의 이름과 방향, 높이와 풍속의 지수 관계를 함께 잡아야 한다.
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뜻
굴뚝 높이를 정할 때는 배출량과 허용농도, 기상조건을 먼저 본다. 먼지의 침강속도나 점성계수처럼 입자 자체의 물성이 높이 결정의 첫 기준이 되지는 않는다. 높이를 정하는 일은 배출구에서 나온 오염물질이 지표에 얼마나 닿는지를 좌우하므로, 배출 조건과 대기 조건을 함께 놓고 판단한다.
바람을 만드는 힘은 이름과 방향으로 갈린다. 기압경도력은 등압선의 간격이 좁을수록 강하다. 전향력은 지구 자전에 의한 겉보기 힘으로, 위도가 높아질수록 코리올리 파라미터가 커져 힘도 커지고, 그 크기는 전향인자에 속도를 곱한 값이다. 속도를 나눈 값이라고 적거나, 위도가 높을수록 약해진다고 적은 선지가 틀린다.
가우시안 식은 지상 오염원의 중심축 농도를 구할 때 쓴다. 유효높이가 0이면 C = Q/(π·σy·σz·u)가 되고, 배출량은 g/s를 mg/s로 바꾸어 넣는다. 배출량 5.5g/s, 풍속 5m/s, σy 22.5m, σz 12m를 넣으면 약 1.3mg/m³가 나온다. 배출량 단위를 바꾸지 않거나 풍속을 빼고 계산한 값이 보기에 놓인다.
바람을 읽는 도구도 따로 있다. 바람장미에서 주풍은 가장 자주 부는 풍향이고, 막대의 길이로 나타내지 굵기로 나타내지 않는다. 굵기로 표시한다고 적은 선지가 틀린다.
연기의 모양은 대기 조건과 짝을 이룬다. 연무형(fumigation)은 역전층 아래에서 오염물질이 지표로 강하하는 현상이라 지면 오염이 심하다. 지붕형(lofting)은 하층이 안정하고 상층이 불안정한 상태에서 나타나므로, 하층이 불안정하다고 적은 선지가 틀린다.
높이별 풍속은 Deacon의 멱법칙으로 구한다. u2 = u1(z2/z1)^p에 값을 넣으면 되고, 지상 10m에서 2.5m/s이고 지수 p가 0.5라면 50m 높이의 풍속은 2.5에 (50/10)의 0.5제곱을 곱한 약 5.6m/s가 된다. 높이 비율의 지수를 빼고 계산하거나 지수를 1로 두면 값이 어긋난다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 높이 결정 항목 바꾸기 — 굴뚝 높이를 정할 때 먼지 침강속도나 점성계수를 우선 고려한다고 적은 선지가 틀린다. ② 힘의 성질 뒤집기 — 전향력을 속도를 나눈 값으로 적거나 위도가 높을수록 약해진다고 적은 선지가 오답이다. ③ 연기 모양과 조건 짝 바꾸기 — 연무형을 지면 피해가 적은 현상으로, 지붕형을 하층 불안정의 모양으로 적은 선지를 소거한다. ④ 계산·표시법 흔들기 — 바람장미의 주풍을 굵기로 표시한다고 적거나, Deacon 식에서 높이 비율의 지수를 빼고 계산한 값이 함정이다.
자주 묻는 물음
- 굴뚝 높이를 정할 때 무엇을 먼저 보나요?
- 배출량과 허용농도, 기상조건을 먼저 봅니다. 먼지의 침강속도나 점성계수 같은 입자 물성이 높이 결정의 첫 기준이 되지는 않습니다. 높이는 배출구에서 나온 오염물질이 지표에 얼마나 닿는지를 좌우하므로 배출 조건과 대기 조건을 함께 놓고 판단합니다.
- 기압경도력과 전향력은 어떻게 다른가요?
- 기압경도력은 등압선의 간격이 좁을수록 강합니다. 전향력은 지구 자전에 의한 겉보기 힘으로, 위도가 높아질수록 코리올리 파라미터가 커져 힘도 커지고, 그 크기는 전향인자에 속도를 곱한 값입니다. 속도를 나눈 값이라거나 위도가 높을수록 약해진다고 적으면 틀립니다.
- 가우시안 농도와 높이별 풍속은 어떻게 계산하나요?
- 지상 오염원에서는 C = Q/(π·σy·σz·u)를 쓰고 배출량을 mg/s로 맞춥니다. 5.5g/s, 풍속 5m/s, σy 22.5m, σz 12m이면 약 1.3mg/m³입니다. 높이별 풍속은 Deacon의 멱법칙 u2 = u1(z2/z1)^p로 구하며, 지상 10m에서 2.5m/s이고 p가 0.5라면 50m에서 약 5.6m/s입니다. 바람장미의 주풍은 막대의 길이로 표시합니다.
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