62강. LP 가스의 개요 및 LP 가스의 특성 2
(다) 비중과 온도와의 관계
온도에 의존하는 비중은 온도가 상승하면 팽창계수 증가로 인하여 낮아진다. 따라
서 봄베(bombe : LPG 용기) 등에 충전되는 LPG의 체적은 법령에 의해 명확하게 규
정되어 있는데(최고 충전량은 봄베 체적의 85%) 이것은 다른 액체와는 달리 LPG는
비중과 체적이 온도 변화에 따라 크게 변화하기 때문이다.
예를 들면 15℃액체 LPG 1ℓ는 50℃에서 약 1.15ℓ로 팽창된다. 따라서 이러한 성질
을 반드시 인식하여 여분의 LPG를 봄베에 충전하는 일은 피해야 한다.
(4) 비등점과 융점
(가) 비등점
LPG의 비등점은 760mmHg의 대기 압력에서 액체로부터 기체로 상태(phase)가 변화
하는 온도를 말하며, 이 온도 이상이 되면 증기 압력이 760mmHg를 초과하게 되어 이
압력에 견디는 봄베(bombe)가 필요하게 된다. 프로판과 노말부탄의 비등점은 -42.1℃
와 -0.5℃로서 LPG의 비등점은 가솔린의 비등점(35~232℃)보다 훨씬 더 낮다.
액체 LPG는 기화할 때 약 240배 팽창한다. 따라서 적은 양의 LPG가 누출되더라
도 큰 체적의 가스로 팽창하기 때문에 매우 위험하다. 이에 따라 봄베 등에 충전하는
경우 일정한 공간을 남겨둘 필요성이 있다.
(나) 융점
융점(또는 용융점)은 고체에서 액체로 상태변화가 될 때의 온도이다. 프로판과 노
말부탄의 융점은 각각 -188.7℃와 -138.4℃이다. 이러한 융점은 LPG 취급상 그다
지 중요하지 않다.
(다) 압력과 온도
물질은 압력이 상승하면 비등점도 높아지며, 반대로 압력이 낮아지면 비등점이 낮
아지는 성질이 있다. LPG는 압력을 높이거나 온도를 낮추어 액체로 만들 수 있으며
일반적으로 가압에 의하여 액화시킨다.
예를 들면 온도 20℃에서 프로판은 8kgf/cm2의 압력에서 액화된다. 따라서 LPG는
상온에서도 쉽게 액화하는 성질이 있다. 프로판, 부탄가스는 액화되면 그 체적이 약
1/240~1/270로 감소하므로 저장 및 운반이 용이하지만 누출이 일어나면 소량의 액
체 누출로도 많은 양의 가스가 누출되는 것과 같은 결과가 되어 위험성이 증대된다.
(5) 기체와 액체의 평형
LPG 봄베의 위 부분에는 기체 LPG가, 아래 부분에는 액체 LPG가 있어 각 분자들은
그들의 운동에 의해 일부는 액체로, 일부는 기체로 되기도 한다. 이러한 분자들의 움직
임은 봄베 벽면에 부딪히는 충돌에 의해서 일정한 압력을 일으키게 되며 이에 따라 일
정 온도에 대해 평형을 유지하게 된다.
평형을 유지하는 압력을 증기 압력이라고 하며 표준 압력은 절대 압력(대기압력 + 진
공압력)보다 1.0332kgf/cm2 더 높으며“절대 압력 -1.0332kgf/cm2= 표준압력”이 된다.
특별한 경우를 제외하고는 거의 표준 압력을 사용한다.
(6) 증기압력(蒸氣 壓力)
LPG의 증기 압력은 온도와 구성성분(LPG의 여러 가스 체적)에 의하여 결정된다. 증
기 압력은 LPG를 압송하는 중요한 역할을 하며 LPG 기관에서는 연료 펌프가 필요 없
게 된다. 또 온도와 증기압력의 관계는 다음과 같다.
① 온도가 상승하면 압력도 상승한다.
② 프로판의 성분이 많으면 압력이 상승한다.
③ 액체량의 다소는 압력에 영향을 주지 않는다.
또 LPG의 증기압력은 프로판과 부탄의 혼합 비율 및 온도에 따라 변화한다. 증기 압
력이 연료펌프의 역할을 할 수 있는 것은 증기 압력에 의해서 LPG가 봄베 내에서 밀려
나 액면이 낮아지면 공간이 커지게 되며, 증기 압력이 낮아지게 되고 이렇게 되면 또
다시 증기는 포화 증기로 되어 LPG를 밀어내게 된다. 이 현상이 끊임없이 반복되면서
LPG는 자체 증기 압력에 의해서 LPG를 자동적으로 압송하게 된다.
(7) 잠열(기화열)
알코올이나 가솔린을 손으로 만지면 열을 빼앗기기 때문에 시원하게 느껴지는데 이
처럼 모든 액체가 기화하기 위해서는 열이 필요하게 되는데 이 열을 잠열 또는 기화열
이라고 한다. 프로판의 잠열은 107.1kcal/kgf이고, 노멀부탄은 91.5kcal/kgf이며 LPG
가 기화하기 위해서는 액체온도에 해당하는 기화열이 빼앗기게 되므로 액체온도는 내
려가게 되며 증기 압력도 낮아진다. 그러므로 LPG가 많은 양으로 기화하는 베이퍼라이저에서는 이 증발 잠열에 의해 주위로부터 열을 빼앗아 동결할 위험이 있으므로 기관의
냉각수를 베이퍼라이저로 순환시키고 있다.
(8) 액화 및 기화
프로판 또는 부탄을 액화시키기 위해서는 상온에서 가스의 압력을 증기 압력 이상으
로 상승시키거나, 온도를 비등점 이하로 낮추어야 한다. 전자를 가압 액화라고 하며 일
반적으로 가정에서 사용하는 용기, 저장 탱크, 탱크로리 등에 저장된 가스는 대부분 가
압 액화한 LPG이다.
또 후자를 냉각 액화라고 하는데 선박의 대형 수송용 탱크에 저장된 가스는 냉각 액
화된 LPG인 경우가 많다. 프로판 또는 부탄을 액화하면 그 부피는 1/250로 줄어든다.
따라서 액체 상태로 저장하거나 운반하면 작은 용기에 대량의 가스를 저장할 수 있어
취급상 편리하게 된다.
(9) 팽창
액체상태인 LPG의 온도를 상승시키면 체적이 늘어난다. LPG의 체적 팽창률은 물의
15~20배, 금속류의 약 100배가 된다. 봄베에 규정 질량의 프로판을 충전할 경우 60℃에
도달하게 되면 봄베 내부가 완전히 액체로 차게 된다. 따라서 규정 질량 이상으로 과 충
전시키면 60℃ 이하의 온도에서 액체로 충만하게 되어 그 이상 가열되면 용기가 파열하
게 된다. 봄베에 LPG를 85% 이상 충전하지 못하도록 하는 것은 이러한 이유 때문이다.
나. 연소특성
(1) 발열량
발열량은 단위 체적당 연료가 완전히 연소하는데 나오는 열량을 말한다. 단위는 kcal
/kgf 또는 kcal/cm2이며, 1kcal는 1기압에서 1kgf의 물의 온도를 1℃ 높이는데 소요
되는 열량이다. LPG의 발열량은 약 12,000kcal/kgf으로 이 값은 가솔린의 발열량 약
11,200kcal/kgf에 비하면 kgf당 약 800kcal/kgf 정도 더 높으므로 높은 압축비 기관
에 사용할 경우 매우 양호한 열효율을 나타내며, 가솔린의 경우보다 약 10~15% 정도
높게 되어 있다.
이것은 동일 하중으로 주행할 경우 연료 소비량에 대한 차이로 나타나며 또한 주행
거리가 길어진다는 것으로 동일 출력을 얻기 위해서는 연료 소비량이 가솔린의 경우보
다 작게 되므로 경제적이다.
(2) 혼합비(공연비)
LPG도 가솔린처럼 완전연소 후에는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 되는데 이것의 화
학 방정식은 다음과 같다.
LPG 완전연소에 필요한 산소량은 프로판이 약 5배이고, 부탄은 약 6.5배로서 만약
산소량이 부족하게 되면 불완전연소가 되어 연소가스 중에 일산화탄소(CO)나 카본이
발생하게 된다. 일반적으로 공기는 산소 21%, 질소 78%, 기타 1%로 형성되어 있으므로 프로판 1m3를 완전히 연소시키기 위한 공기량은 24m3, 부탄은 31m3가 필요하게 되며,
또 프로판 1kgf을 연소시키기 위하여 필요한 산소량은 15.7kgf이며, 부탄은 15.49kgf
으로 이것은 가솔린 기화에 필요한 공기량 14.78kgf에 비하면 LPG는 가솔린보다 더 많
은 공기가 필요하다는 것을 알 수 있다.
따라서 LPG 기관에서는 가솔린기관보다 공기 청정기 엘리먼트도 비교적 빨리 교환
하지 않으면 연료 소비량 증가는 물론이고 불완전 연소의 원인이 되어 비록 매우 적은
양이기는 하지만 일산화탄소(CO)가 배출된다.
