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재가열로의 연소 시스템


재가열로의 연소 시스템

재가열로의 주요 기능은 반제품 강철(빌렛, 블룸, 슬래브 또는 원형)의 온도를 일반적으로 1000°C에서 1250°C 사이의 온도로 올리는 것입니다. 열간 압연기의 단면, 크기 또는 모양. 재가열로는 야금 및 생산성상의 이유로 가열 속도 측면에서 특정 요구 사항과 목표를 충족해야 합니다. 재가열 퍼니스에는 퍼니스를 통과할 때 원하는 온도로 가열되는 재료의 연속적인 흐름이 있습니다.

열간 압연 작업에는 가능한 한 가장 낮은 비용과 최적의 압연기 생산 속도로 고품질의 반제품을 재가열해야 합니다. 열간 압연기에서 반제품을 가열하기 위해 사용되는 재가열로는 많은 에너지를 소모함과 동시에 많은 양의 오염물질을 발생시킨다. 이 때문에 에너지 소비와 오염물질 및 그에 따른 비용을 줄이는 방안을 모색할 필요가 있다. 이는 재가열로의 연비를 개선함으로써 가능합니다.



재가열로의 연소 시스템은 재가열된 반제품의 품질과 재가열에 필요한 연료의 양 모두에 큰 영향을 미칩니다. 오늘날 재가열로의 중요한 기대는 오염물질의 배출과 에너지 소비를 줄이는 것뿐만 아니라 가열된 철강 제품의 고품질, 신뢰성, 균일한 온도, 열유속 및 장비의 안전성을 향상시키는 것입니다. 인원. 이 모든 것이 재가열로의 연소 시스템에 상당한 영향을 미치는 핵심 요소입니다.

연소를 시작하고 유지하는 데 필요한 세 가지 기본 사항은 (i) 연료, (ii) 산소 및 (iii) 점화를 위한 충분한 에너지입니다. 연소 과정은 연료와 산소가 아무런 제한 없이 만나 반응할 수 있는 경우 가장 효율적입니다. 그러나 실제 난방 응용 분야에서는 효율적인 연소만을 고려하는 것만으로는 충분하지 않으며 열 전달 측면도 고려됩니다. 다음은 재가열로의 연소 시스템에 대한 중요한 매개변수입니다.

78% 질소와 1% 아르곤으로 희석된 산소로 구성된 공기는 연소 및 열 전달을 위한 최적의 조건을 제공하지 않습니다. 공기 중의 질소는 연소 과정에서 가열되며 질소로 전달되는 에너지의 손실을 피하기 위해 연료를 절약하기 위해 이 에너지를 회수해야 합니다.

열은 대류, 전도 및 복사에 의해 고체 제품 표면으로 전달됩니다. 제품 내부의 열 전달은 전도에 의해서만 이루어집니다. 이는 가열 시 시간이 지남에 따라 변하는 제품 표면, 용광로의 내부 치수뿐만 아니라 반제품의 치수 및 재질도 중요함을 의미합니다.

효율적이고 균일한 가열을 위해서는 용광로 내부의 가스 구성과 흐름 패턴이 중요합니다. 기존의 최적화되지 않은 가열 전략은 정상 상태 조건에서 충분해 보일 수 있지만 생산 중단, 제품 등급 또는 치수의 변동 또는 목표 드롭아웃 온도의 변동이 있는 경우 최적의 품질 및 비용 성능을 제공하지 않습니다. 오늘날의 상황에서 환경에 대한 영향을 최소화하면서 모든 조건에서 최고 품질과 최저 비용의 난방을 제공할 수 있는 솔루션이 필요합니다.

최근 지구온난화로 인해 엄격한 환경 규제로 인해 특정 연료 소비량을 최소화하는 동시에 질소 산화물(NOx)을 비롯한 오염 물질을 줄이는 것이 요구되고 있습니다. 최소 에너지 소비 및 오염 물질 배출이라는 상충되는 목표는 동시에 생산 요구 사항을 충족하기 때문에 운영자와 장비 공급업체 모두에게 가능한 모든 기술을 사용하여 재가열로에서 에너지 효율적이고 환경 친화적인 연소 시스템을 설계해야 하는 과제를 안겨줍니다.

기존 버너 설계에서는 이 두 가지 목표가 종종 상충됩니다. 그러나 최신 기술과 확산 화염 연소 기술을 사용한 버너 설계를 사용하여 예열된 연소 공기를 통해 NOx 배출량이 적은 높은 수준의 효율성을 달성하고 있습니다.

제철소에서 가동되는 재가열로는 여러 가지 유형이 있습니다. 재가열로의 구조는 여러 구역으로 구성됩니다. 재가열로는 일반적으로 (i) 예열 영역, (ii) 가열 영역 및 (iii) 담금 영역과 같은 다중 가열 영역으로 설계됩니다. 반제품 강철 조각은 예열 영역으로 공급되고 가열 영역과 담금 영역을 차례로 천천히 이동합니다. 강편은 대략 예열영역과 가열영역에서 목표온도까지 가열되고, 주로 주변가스의 복사열전달에 의해 가열되는 강편을 통해 균일한 온도를 유지하기 위해 소킹영역에 침지된다. 각 구역은 다른 목적을 가지고 있으며 연소 생성물이 연도를 빠져나가기 위해 이전 구역을 통해 이동하더라도 구역에는 일반적으로 독립적인 버너 제어 장치가 있습니다. 공연비는 일반적으로 연도 가스에서 원하는 수준의 과잉 산소를 생성할 의도로 설정됩니다. 목적은 모든 연료가 재가열 퍼니스 내에서 연소되도록 하는 동시에 퍼니스의 가열 효율을 감소시키는 과도한 연소 공기를 방지하는 것입니다.

재가열로의 다중 구역 구성은 구역 상호 작용, 끊임없이 변화하는 제품 요구 사항, 추출 속도의 변화, 막대 자체를 추출하는 행위로 인해 연소 최적화를 매우 어렵게 만듭니다. 최종 결과에 드리프트를 유발할 수 있는 많은 문제가 있습니다. 이러한 문제 중 일부는 다음과 같습니다.

또한 버너 기능과 원하는 과잉 산소 수준을 기반으로 각 구역에 대해 고정된 화학량론적 비율이 필요합니다. 비율은 다음 두 가지 이유로 구역마다 다를 수 있습니다.

일반적으로 재가열로의 작업자는 실시간 공정 피드백이 없기 때문에 산소가 원하는 설정점에 있는지 또는 그 근처에 있는지 알지 못합니다. 이러한 수준의 불확실성으로 용광로를 작동할 경우의 결과는 중요할 수 있습니다. 버너 반응과 연소의 이론적인 생성물을 고려할 때, 화학량론이 설정점을 벗어날 때 가능성이 있을 수 있습니다. 연도 가스의 실제 산소 수준이 설정값을 초과하면 불필요한 연료 비용이 추가되어 효율성이 감소합니다. 실제 산소 수준이 설정점보다 낮으면 일산화탄소 수준이 증가하여 안전하지 않은 작동 조건과 연소되지 않은 연료로 인해 효율성이 감소합니다. 또한, 재가열로의 공연비 컨트롤러는 변화하는 노 수요를 충족하기 위해 지속적으로 설정값을 조정하므로 산화 상태도 항상 변합니다. 실제로 재가열로는 어느 정도의 불완전 연소를 경험합니다. 불량한 혼합에 기여하는 몇 가지 문제가 있습니다. 이러한 문제는 아래에 나와 있습니다.

혼합 불량으로 인한 불완전 연소로 인해 일산화탄소와 산소가 공존할 수도 있습니다. 실제로 일산화탄소와 산소가 모두 존재하는 것이 일반적입니다. 따라서 최적의 재가열로 작동을 위해서는 적절한 센서를 통한 실시간 연소 생성물 데이터가 필요합니다.

복열기는 일반적으로 재가열로에서 폐열 회수 장치로 사용되어 높은 열효율과 에너지 절약을 실현합니다. 회수된 폐열은 연소 공기를 예열하는 데 사용된 다음 버너로 공급됩니다. 예열된 공기는 에너지를 절약하고 우수한 연소 성능을 제공합니다. 그러나 폐열에 대한 대규모 열회수 시스템을 통합하는 단점이 있었습니다. 또한 예열된 공기의 온도는 일반적으로 기껏해야 600~700도 정도입니다.

최근 반제품 철강 재가열 분야에는 두 가지 주요 발전이 있습니다. 이러한 발전은 즉 (i) 고온 공기 연소 및 (ii) 산소 연료 연소입니다.

고온 공기 연소

고온 공기 연소(HiTAC) 기술은 1000℃ 이상의 예열된 공기를 활용합니다. 이 연소 기술을 재가열로에 적용함으로써 제철소의 에너지 소비량 절감과 이산화탄소 배출량 감소에 크게 기여할 수 있습니다. 및 질소 산화물을 포함한다. 또한 HiTAC 기술을 활용하여 기존의 가열로에 비해 재가열로의 물리적 크기를 줄일 수 있습니다.

HiTAC 기술의 기본 개념은 고주기 재생기에 의한 최대 폐열 회수와 고도로 예열된 연소 공기와 연소된 가스의 제어된 혼합의 조합이 균일하고 상대적으로 낮은 온도의 화염을 생성한다는 것입니다.

HiTAC 기술에 사용되는 재생 버너는 독특한 연소 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 균일한 온도 및 열유속 프로파일을 갖는 효율적이고 깨끗한 화염이 생성됩니다. 이러한 특성으로 인해 생산 속도가 향상되고 제품 품질이 향상되며 용광로 구성 요소에 대해 훨씬 더 온화한 환경이 제공됩니다. HiTAC 기술은 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

HiTAC 기술은 모든 연료-공기 혼합물(매우 희박한 연료 혼합물 포함)에서 훨씬 더 높은 화염 안정성, 더 높은 열 전달 및 스택(폐열)에서 낮은 열 손실을 제공합니다. 이 방법은 적절한 열교환 방법을 사용하여 고온 측(연소된 가스)에서 미연소 혼합물 측으로 열을 재순환시키는 수단을 제공합니다. 예열은 연소 생성물에 의한 희석 없이 미연 혼합물에 추가 엔탈피를 제공합니다.

HiTAC 기술을 사용하면 상당히 다른 화염 특성, 화염 안정성, 배출 감소 및 상당한 에너지 절약이 가능합니다. 불꽃 색깔은 일반적으로 관찰되는 파란색이나 노란색과 많이 다른 것으로 밝혀졌습니다. 특정 조건에서 일반적인 탄화수소 연료를 사용하여 청록색 및 녹색 불꽃이 관찰되었습니다. 대조적으로, 연료의 무화염(또는 무색) 산화도 관찰되었습니다.

HiTAC 기술의 주요 특징은 다음과 같습니다.

재생 버너에는 연소와 배기 사이의 각 버너 사이클이 있는 쌍 구성이 있습니다. 연소 공기는 버너에서 두 세트의 경로 사이를 순환합니다. 그것은 한 세트를 통해 들어가고 버너의 재생기 재료에서 열을 흡수합니다. 연소 생성물 가스는 다른 세트를 통해 빠져 나와 재생기 재료를 고온으로 가열합니다. 다음 사이클에서 연소 공기와 연소 생성물은 경로를 전환합니다.

HiTAC의 개념은 그림 1에 나타나 있으며 기존 재가열로 연소의 개념과 비교됩니다. 연료와 고온의 신선한 공기 사이에서 직접 연소가 발생하면 극도로 고온의 화염이 일반적으로 용광로에서 생성됩니다. 수정된 노 형상의 결과 고속 유입 공기의 전단 운동에 의해 기본 화염의 소멸이 발생할 뿐만 아니라 연소된 가스(BH)로 공기 희석이 연소 전에 연료와 공기 유입을 분리하여 발생해야 합니다. 이는 주위 온도의 공기로 일반 연소를 지속할 수 없는 조건이라는 점에 유의해야 합니다. 또한, 노에 별도로 분사된 연료도 노에 연소된 가스를 동반하며, 이 준비 기간 동안 액체 연료의 열분해, 분해 및 기화(있는 경우)와 같은 연료의 일부 변화가 있습니다. 연료와 혼입 생성물(B*F) 사이에 약한 연소 반응이 발생할 수 있으며 연료와 다량의 연소 가스(B*F*BH)가 있는 희석 공기의 혼합 구역에서 주 연소가 뒤따릅니다. 연소된 가스의 높은 재활용률로 인한 낮은 산소 농도로 인한 화염의 변화는 아마도 상대적으로 느린 반응이 일어날 수 있는 넓은 반응 구역을 생성할 것입니다. 예열된 공기가 없는 확립된 연소에서 연료와 신선한 공기(F*A) 사이의 직접 연소는 버너의 근거리에서 발생합니다. 그 후, 유입되는 연소 공기에 의해 재순환되는 연소된 가스의 동반으로 인해 연소된 가스로 희석된 상태의 일부 연소가 화염의 하류 부분에서 뒤따를 수 있습니다. 버너 부근의 연소(F*A)는 로내 최고온도를 나타내며, 로에서 배출되는 대부분의 산화질소는 그곳에서 형성된다. 그러나 이 영역의 연소는 화로의 연소를 지속시키기 위해 필수적이며 이 부분에서 소멸되면 전체 화염이 존재할 수 없습니다.

그림 1 HiTAC 기술을 사용한 혼합 및 연소의 개념

높게 예열된 공기를 사용함에도 불구하고 HiTAC의 평균 온도와 순간 피크 온도는 일반 연소보다 상당히 낮습니다.

산소 연료 연소 시스템

순산소 연료는 연소용 산화제의 공급원인 공기를 극저온 기술 또는 흡착 기술로 생성할 수 있는 산소로 완전히 대체하는 관행을 말합니다. 공기를 산소로 교체하는 일반적인 이점은 연소 과정에서 공기로 유입되는 질소의 양이 거의 또는 완전히 제거된다는 것입니다. 연소 시 질소의 감소는 연소 가스의 부피가 작기 때문에 화염 온도와 연소 효율을 높일 수 있습니다. 따라서 공기 연료 연소에 비해 순산소 연료를 사용하는 이점은 다음과 같습니다.

위의 장점 외에도 순산소 연소를 사용하면 복열 장치나 배기 가스 제어 장비와 같은 효율성을 개선하는 다른 방법에 비해 자본 투자가 더 낮아질 수 있습니다. 순산소 연소는 또한 더 나은 제어와 더 짧은 가열 시간으로 인해 더 적은 스케일 손실을 초래할 수 있습니다.

공기 연료와 비교할 때 순산소 연소는 CO2와 H2O의 두 가지 연소 생성물과 관련하여 훨씬 더 높은 부분 압력을 갖습니다. 이것은 열전달율을 향상시킵니다. 배기 가스는 질소로 희석되지 않기 때문에 열전달 과정에서 기체상이 더 활발하게 작용합니다. 열전달 전도율과 CO2 및 H2O의 열용량이 높을 뿐만 아니라 두 가지 모두 높은 방열성 때문입니다. 세 개의 원자 가스.

순산소로의 흐름 패턴은 공기 연료에 비해 유리합니다. 질소가 없고 연료가 절약되기 때문에 배기 가스 부피가 70%에서 80%까지 감소합니다. 따라서 가스의 체류 시간이 더 길어지고 제품에 열을 전달하는 데 더 많은 시간이 걸립니다. 제품은 실제로 CO2와 H2O로 구성된 기체 배기 유체, 즉 열 전달 능력이 더 높은 습한 분위기에 잠겨 있습니다.

산소 연료로와 공기 연료로를 비교할 때 둘 다 동일한 용해로 온도로 설정되어 있으며, 재료는 산소 연료 용해로에서 더 빨리 설정값에 도달합니다. 이것은 가스 특성 때문입니다.

순산소 연소의 경우 공기 연료 연소에 비해 가용 열이 크게 증가합니다. 사용 가능한 열의 증가는 에너지 소비 감소 및 용광로 처리량 증가와 직접적인 관련이 있습니다.

가용 연소열의 증가는 배기가스로 손실되는 열이 적고 총 에너지 투입량의 더 많은 비율이 재가열로에서 작업을 수행하는 데 남아 있음을 의미합니다. 따라서 사용 가능한 열이 증가하면 일정한 양의 일을 수행하는 데 필요한 총 에너지 입력량이 감소합니다.

에너지 절약은 연료의 종류, 기존 연소율 및 연소 공기 온도에 따라 다릅니다. 연도 포트 크기 감소 및 복사 손실과 같은 기타 요인은 순산소 연료의 실제 에너지 감소율에 영향을 미칠 수 있습니다. 순산소 연료를 사용한 연소 효율 증가의 또 다른 영향은 가열 속도를 높이고 더 많은 용광로 처리량을 얻을 수 있다는 것입니다.

생산량 증가에 대한 실질적인 한계는 반제품 강재가 열을 흡수하는 능력과 반제품 강재가 열에 노출되는 시간 및 온도에 따라 다릅니다. 다양한 순산소 연료 설비의 경험에 따르면 이미 설정 온도 램프 한계를 충족하는 용해로를 제외하고 용해로 온도 설정점을 높이지 않고도 대부분의 작업에서 재료 처리량이 증가할 수 있습니다. 사용 가능한 열의 증가 외에도 높은 순산소 화염 온도와 연소 가스의 복사 가능성은 가열 용량과 생산 속도에 긍정적인 영향을 미칩니다.

순산소 화염 온도는 일반적으로 공기 연료 화염 온도보다 500~800°C 높습니다. 복사 열 전달은 소스에서 수신기까지의 4승의 온도 차이에 따라 달라지므로 순산소 연소는 재료 복사 전위에 대한 화염의 큰 증가를 초래합니다. 순산소 연료의 연소 생성물은 복사열 전달의 더 나은 원천이기도 합니다. 이는 대부분의 공기 연료 연소 생성물이 산소 연료 연소 생성물을 구성하는 이산화탄소 및 수증기만큼 효율적인 복사 열 전달 메커니즘이 아닌 질소이기 때문입니다.

어떤 경우에는 용광로 생산이 용광로에서 배출되는 가스 배출량에 의해 제한됩니다. 순산소 연소는 또한 용광로 배출을 줄이는 수단이 될 수 있으며 허용 가능한 배출 한도 내에서 생산 능력을 증가시킬 수 있습니다.

배기 가스의 양은 순산소 연료를 사용하는 경우 실질적으로 더 적습니다. 순산소가 포함된 총 배기 가스 부피는 일반적으로 총 공기 연료 배기 가스 부피보다 70~90% 적습니다. 많은 경우 배기 가스량 감소만으로도 특히 기존 오염 제어 장비가 제한적이거나 미립자 배출이 우려되는 경우에 유용할 수 있습니다. 순산소 연소의 더 중요한 결과는 특정 배기 가스 구성 요소의 배출 감소입니다. 순산소 연소 사용의 가장 분명한 결과는 연료 소비의 감소입니다. 연료 소비가 감소함에 따라 CO2 배출량은 주어진 시간 동안 또는 가열된 반제품 강재 단위당 더 낮아집니다. 현재 CO2 발생이 주요 관심사는 아니지만, 일어나고 있는 지구 온난화와 기후 변화는 CO2 배출에 대한 보다 엄격한 조건이 다가오는 미래에 요인이 될 수 있음을 나타냅니다. 많은 용광로 운영자의 보다 즉각적인 관심사는 NOx 배출입니다. 순산소 연소를 사용하면 연소 생성물의 질소 부분압이 급격히 감소하여 높은 화염 온도에서도 NOx 형성 가능성이 낮아집니다. 많은 요인들이 순산소 연소로의 NOx 배출율에 영향을 미칩니다. 산소 생성물의 순도는 그러한 요인 중 하나입니다. 그러나 순산소 NOx 배출을 최소화하는 주요 요인은 노 압력 제어입니다. 높은 순산소 화염 온도와 결합된 2차 공기 누출은 NOx 제어 기술로서 순산소 연소의 영향을 크게 줄일 수 있습니다.

순산소 화염은 공기 연료 화염보다 더 적은 부피와 길이로 더 높은 온도를 갖는다. 강재의 재가열 적용을 위한 순산소 버너 시스템을 설계할 때 순산소 연료의 화염 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 철강 재가열은 재가열된 철강 제품의 국부적인 과열 또는 과열을 피하기 위해 균일한 온도 분포가 필요합니다. 순산소 버너의 유형과 배치는 재가열로의 유형과 반제품 강철 재료에 대한 화염의 근접성에 따라 다릅니다.

연소 생성물의 재순환은 가열 챔버의 가스 이동을 촉진하여 온도 차이를 최소화합니다. 또한 연소 가스를 순산소 화염으로 재순환시키면 최대 화염 온도가 낮아지고 화염 방사 프로파일이 더욱 균일해져서 버너에 가장 가까운 제품이 과열되는 것을 방지할 수 있습니다. 가스 재순환을 생성하기 위해 순산소 화염 모멘텀을 활용하는 다른 설계와 함께 특허 받은 노즐을 포함하여 재순환 효과를 얻기 위해 사용할 수 있는 여러 순산소 버너 설계가 있습니다.

효율성에 상당한 이점을 제공하지만, 순산소 연소를 사용하는 적은 양의 연소 생성물은 연소 제어 시스템을 설계할 때 몇 가지 특별한 주의가 필요합니다. 연소 생성물이 가열 분위기를 구성하고 궁극적으로 스케일 형성 속도 및 유형에 영향을 미치기 때문에 연소 비율의 적절한 제어는 재가열 공정에 매우 중요합니다. 공기-연료 연소 시스템에서 공기와 함께 연소 과정으로 유입되는 다량의 질소는 공기 대 연료 비율의 변화에 ​​대한 댐퍼 또는 안전 요소를 제공합니다. 순산소 연료를 사용하면 이 댐퍼가 거의 완전히 제거됩니다. 이것은 순산소 연소에서 연료 비율에 대한 산소 비율의 변화가 공기 연료 연소에서 동일한 변화보다 가열로 분위기에 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

순산소 연소로 노 분위기를 잘 제어하려면 공기 연료 연소보다 제어 시스템에 대해 더 높은 수준의 정확도가 필요합니다. 질량 흐름 보상은 일반적으로 순산소 연소로 좋은 노 분위기를 유지하는 데 필요한 정확도를 충족하는 데 필요합니다. 순산소 연소 제어를 위한 또 다른 중요한 변수는 용광로 배기 및 압력 제어 시스템과 관련됩니다.

순산소 연소의 배기 가스 체적은 열효율 증가량에 따라 공기 연료 연소 배기 체적의 10% ~ 30% 범위에서 감소합니다. 이는 공기 연료 연소로 노 압력을 제어하는 ​​데 사용되는 기존 설계가 대부분의 경우 순산소 연소로 전환할 때 우수한 노 압력 제어를 유지하기에 적절하지 않다는 것을 의미합니다. 특히, 공기 연료 연소에 사용되는 더 큰 연도 포트와 댐퍼 크기를 가진 압력 제어 장치의 제어 범위는 순산소 연소 배기량에 비효율적인 지점까지 감소합니다. 따라서 순산소 연소로 전환할 때 연도 포트 크기를 줄이거 나 새로운 재가열로 설치를 설계할 때 더 낮은 배기량을 보완할 필요가 있습니다. 좋은 노 압력 제어의 부족은 추가적인 NOx 형성을 위한 질소 공급원을 제공할 수 있는 3차 공기 누출을 초래할 수 있으므로 배출 감소 가능성을 최소화하거나 제거할 수 있습니다. 재가열로로의 공기 누출은 노 분위기에도 영향을 미치고 강철 표면 품질 관리에 문제를 야기합니다.

스케일 형성 속도와 유형은 연소 시스템 유형에 관계없이 철강 재가열로 작동에서 중요한 고려 사항입니다. 강철 합금 유형 외에도 가열 속도와 함께 로 분위기는 스케일 형성을 지배하는 주요 요인입니다. 스케일 형성 및 강재 표면 품질에 대한 제어를 유지하려면 연소율 및 용광로 압력을 잘 제어해야 합니다. 그러나 순산소 연소에 의해 생성되는 대기는 이상적인 조건에서도 공기 연료 연소에 의해 생성되는 대기와 다릅니다. .



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