[공조냉동기계기사 필기] 23년 1회차 시험지 PDF 다운로드

작용온도(OT)는 실내 기온과 평균복사온도(MRT)를 대류·복사 열전달률로 가중 평균한 값으로 $OT=\dfrac{h_c\,t_a+h_r\,MRT}{h_c+h_r}$로 정의된다. 복사난방처럼 주위 벽면 온도의 영향이 큰 공간의 온열환경 평가에 가장 적합한 지표이다. 건구온도는 복사 성분을 전혀 반영하지 못한다.

열교환량은 $q=K\,A\,\Delta t_m$이므로 대수평균온도차가 클수록 같은 용량을 더 작은 전열면적으로 처리할 수 있다. 따라서 냉수코일은 대수평균온도차를 가능한 한 크게 잡는 것이 원칙이며, 이를 위해 공기류와 수류를 역류(대향류)로 흐르게 한다. 전면풍속 2~3 m/s, 관의 수평 설치는 모두 옳은 설계 기준이다.

불쾌지수는 건구온도와 습구온도로 $DI=0.72(t_d+t_w)+40.6$으로 구한다. $DI=0.72\times(30+27)+40.6=41.04+40.6=81.6$이므로 약 82이다.

팽창탱크는 온수의 체적팽창을 흡수하고 배관 내 압력을 유지하기 위한 온수난방 장치의 구성요소이다. 증기난방은 증기트랩, 감압밸브, 응축수탱크(응축수 회수장치) 등으로 구성되며 증기 자체가 압축성이어서 팽창탱크가 필요 없다.

냉수코일은 관 내 수속이 약 1 m/s가 되도록 설계하며, 이때 관 1개당 통과 냉수량은 6~16 L/min 범위가 권장된다. 이보다 유량이 많으면 마찰손실과 관의 침식이 커지고, 너무 적으면 유속 저하로 열전달률이 떨어진다.

유인유닛 방식은 중앙에서 보낸 1차 공기를 노즐로 고속 분출시켜 실내의 2차 공기를 유인하는 방식이므로 1차 공기 송풍량 자체가 적다. 따라서 덕트 스페이스는 작아지지만 송풍량이 적어 외기냉방 효과는 기대하기 어렵다. 각 실 제어가 쉽고 유닛에 송풍기 같은 가동부가 없어 수명이 긴 것은 장점이 맞다.

단면적이 커지면 $v=\dfrac{Q}{A}$에 따라 풍속이 줄고 동압 $P_v=\dfrac{\rho v^{2}}{2}$도 감소하며, 감소분의 일부가 정압으로 회복되어 정압은 상승한다(정압 재취득). 그러나 전압은 마찰손실과 확대손실만큼 반드시 줄어들므로 전압이 증가한다는 설명은 성립하지 않는다.

같은 풍량·정압 조건에서 형번(임펠러 지름)이 큰 송풍기를 선정하면 상사법칙상 필요한 회전수는 오히려 낮아진다. 회전수가 낮아지므로 출구 풍속과 축동력(모터 용량)이 줄어 소음과 운전비는 유리해지지만, 본체가 커져 설비비는 증가한다.

냉각코일 용량은 취출 공기의 질량유량에 코일 입구(혼합공기)와 출구 공기의 엔탈피차를 곱해 구한다. 질량유량은 $G=\dfrac{1000\times1.2}{3600}=0.333\,\mathrm{kg/s}$이고 선도에서 읽은 코일 입출구 엔탈피차가 약 $15\,\mathrm{kJ/kg}$이므로 $q=0.333\times15\approx5\,\mathrm{kW}$이다.

건식환수법·습식환수법은 환수관과 보일러 수면의 상대 위치에 따른 증기난방의 분류이다. 온수난방은 온수온도(고온수식·저온수식), 순환방식(중력순환식·강제순환식), 공급방향(상향공급식·하향공급식) 등으로 분류한다.

절대습도가 변하지 않는 현열가열이므로 $q=\rho\,Q\,c_p\,\Delta t$로 계산한다. $q=1.2\times\dfrac{500}{3600}\times1.01\times(43-5)=0.1667\times1.01\times38\approx6.4\,\mathrm{kW}$이다. 상대습도 값은 가열 전후 상태점을 나타낼 뿐 현열량 계산에는 쓰이지 않는다.

지역난방은 한 곳의 대규모 열원플랜트에서 만든 증기나 고온수를 열수송관과 분배망을 통해 일정 지역 내 여러 건물에 공급하는 방식이다. 열원기기를 각 건물이나 각 실에 두는 단독난방·개별난방과 구분된다.

공기조화기(AHU)는 에어필터, 공기냉각기, 공기가열기, 가습기, 송풍기로 구성된다. 왕복동 압축기는 냉수·냉매를 만드는 냉동기의 부품이므로 4대 주요장치 중 열원장치에 속한다.

급수내관은 보일러 안전수위 부근에 수평으로 설치해 찬 급수를 동체 전체에 고르게 분산시키는 관이다. 찬물이 한 곳에 집중되면 국부적인 온도차 때문에 부동팽창이 생겨 판과 이음부에 응력이 걸리므로 이를 막는 것이 주목적이다.

송풍기 상사법칙에서 회전수가 일정할 때 풍량은 $d^{3}$, 정압은 $d^{2}$, 동력은 $d^{5}$에 비례한다. 지름이 d에서 $d_1$로 커졌으므로 $L_1=\left(\dfrac{d_1}{d}\right)^{5}L$이다.

피토관으로 측정한 동압은 전압에서 정압을 뺀 $23.8-10=13.8\,\mathrm{mmAq}$이고, $1\,\mathrm{mmAq}=9.8\,\mathrm{Pa}$이다. $v=\sqrt{\dfrac{2P_v}{\rho}}=\sqrt{\dfrac{2\times13.8\times9.8}{1.2}}=\sqrt{225.4}\approx15\,\mathrm{m/s}$이다.

송풍량은 잠열이 아니라 현열부하로 결정한다. $Q=\dfrac{q_s}{\rho\,c_p\,\Delta t}=\dfrac{40}{1.2\times1.005\times(26-12)}=\dfrac{40}{16.884}\approx2.369\,\mathrm{m^3/s}$이다. 잠열부하와 외기온도는 코일 용량이나 외기부하 계산에 쓰일 뿐 송풍량 식에는 들어가지 않는다.

연소(화재) 우려가 있는 부분의 외벽 개구부나 방화구획 관통부에는 화재 시 자동으로 닫혀 연소 확대를 차단하는 방화댐퍼를 설치한다. 풍량조절댐퍼는 송풍기·공조기의 토출측과 흡입측, 분기덕트 등 풍량 조정이 필요한 곳에 설치한다.

실제 성적계수는 이론 성적계수에 압축효율과 기계효율을 곱해 구하며, 체적효율은 냉매 순환량(냉동능력) 계산에 쓰일 뿐 성적계수에는 관여하지 않는다. 선도에서 구한 이론 성적계수가 약 3.89이므로 $COP_{\text{실제}}=3.89\times0.8\times0.9\approx2.81$이다.

냉매는 배관 내 유동저항을 줄이고 전열을 좋게 하기 위해 점도는 작고 열전도율은 커야 한다. 나머지 보기인 냉매가스의 비체적이 작을 것, 증발압력이 대기압 이상일 것, 증발잠열이 크고 액비열이 작을 것은 모두 옳은 구비조건이다.

정압(등압)과정에서 계가 외부에 한 절대일은 $W=P(V_2-V_1)$이다. $W=100\times(0.5-0.1)=40\,\mathrm{kJ}$이다.

이상기체의 내부에너지와 엔탈피는 온도만의 함수이므로 등온과정에서는 $\Delta u=0$, $\Delta h=0$이다. 반면 등온팽창에서는 $\Delta s=R\ln\dfrac{v_2}{v_1}\neq0$이고 흡수한 열이 모두 일로 바뀌므로 열과 일은 0이 아니다.

체적은 $V=m\,v$이므로 질량이 4배, 비체적이 2배이면 체적은 8배가 된다. 구의 체적은 $V=\dfrac{4}{3}\pi R^{3}$로 반지름의 세제곱에 비례하므로 반지름은 $\sqrt[3]{8}=2$배, 즉 2R이 된다.

증발기에서 나온 냉매증기는 흡수기에서 흡수액에 흡수되고, 묽어진 용액은 발생기(재생기)에서 가열되어 냉매증기로 다시 분리된다. 이 증기가 응축기에서 액화된 뒤 팽창하여 증발기로 들어가므로 냉매는 흡수기→발생기→응축기→증발기 순으로 순환한다.

이중 입상관은 증발기가 압축기보다 아래에 있을 때 흡입 입상관에 설치한다. 부하가 작아 가스량이 줄면 가는 관으로만 가스가 흘러 오일을 밀어 올릴 수 있는 유속(약 6 m/s 이상)을 확보하고, 부하가 크면 두 관을 함께 사용해 압력강하를 줄인다. 즉 부분부하에서도 압축기로 오일을 되돌리는 것이 주목적이다.

흡입·토출밸브는 작은 압력차에도 즉시 열리고 닫혀야 하므로 밸브의 질량과 관성력이 작아야 한다. 관성이 크면 개폐가 늦어져 체적효율이 떨어지고 밸브 파손의 원인이 된다.

단열 용기이므로 구리가 잃은 열량과 물이 얻은 열량이 같다. $10\times0.45\times(100-t)=2\times4.2\times(t-20)$에서 $450-4.5t=8.4t-168$, $t=\dfrac{618}{12.9}\approx47.9\,^{\circ}\mathrm{C}$이므로 약 48℃이다.

직접팽창식은 냉매가 증발기에서 피냉각물을 직접 냉각하므로 같은 냉장실 온도라면 브라인식보다 증발온도를 오히려 높게 유지할 수 있고, 그만큼 소요동력이 적고 설비도 간단하다. 브라인식은 브라인과의 온도차만큼 증발온도를 더 낮춰야 한다. 다만 직팽식은 증발관 계통이 길어 냉매 충전량은 많아진다.

보일러 효율은 급수가 흡수한 열량을 연료 공급열량으로 나눈 값이다. $\eta=\dfrac{380000\times(3230-830)}{34000\times32000}=\dfrac{9.12\times10^{8}}{1.088\times10^{9}}\approx0.838$이므로 약 83.8%이다.

카르노 사이클의 열효율은 절대온도로만 결정된다. $\eta=1-\dfrac{T_L}{T_H}=1-\dfrac{50+273}{500+273}=1-0.418=0.582$이므로 약 58%이다.

흡수식 냉동기의 대표적 조합은 물(냉매)-리튬브로마이드(흡수제)와 암모니아(냉매)-물(흡수제)이다. 0℃ 이하의 저온이 필요한 경우에는 물이 얼어 냉매로 쓸 수 없으므로 암모니아를 냉매, 물을 흡수제로 사용한다.

냉각수량은 $40\,\mathrm{L/min}\times60=2400\,\mathrm{kg/h}$이고 물의 비열은 1 kcal/kg·℃이다. $\Delta t=\dfrac{18000}{2400\times1}=7.5\,^{\circ}\mathrm{C}$이므로 출구온도는 $15+7.5=22.5\,^{\circ}\mathrm{C}$이다.

카르노 사이클 효율은 $\eta=1-\dfrac{T_L}{T_H}$이며 온도는 절대온도로 넣는다. $\eta=1-\dfrac{50+273}{400+273}=1-0.48=0.52$이므로 약 52%이다.

산술평균온도차는 응축온도 35℃와 냉각수 평균온도 $\dfrac{28+32}{2}=30\text{℃}$ 의 차인 5℃이다. 1RT당 필요 응축면적은 $A=\dfrac{Q}{K\Delta t}=\dfrac{3.86}{1.05\times5}\approx0.74[\mathrm{m^2}]$ 이 된다.

냉방운전 중인 공기열원 열펌프에서 실외 열교환기는 응축기로 작동하므로 외기 건구온도가 낮아지면 응축온도와 응축압력이 함께 내려간다. 압축비가 작아져 압축일이 줄어들므로 소비전력은 감소하고 성적계수는 좋아진다.

축동력은 이론 압축동력을 압축효율과 기계효율로 나눈 값이다. $N=\dfrac{100\times50}{0.75\times0.93}\approx7168\,\mathrm{kcal/h}$이고 $1\,\mathrm{kW}=860\,\mathrm{kcal/h}$이므로 $\dfrac{7168}{860}\approx8.3\,\mathrm{kW}$이다.

제어요소는 조절부와 조작부로 구성되어, 목표값과 제어량의 편차인 동작신호를 받아 제어대상에 가할 조작량으로 변환하는 요소이다. 제어량을 주궤환 신호로 바꾸는 것은 검출부(궤환요소)이고, 제어를 받는 출력량은 제어량이다.

각 보기를 간단히 하면 ① $(A+B)(A+\bar{B})=A+B\bar{B}=A$, ② $A(A+B)=A$(흡수법칙), ④ $AB+A\bar{B}=A(B+\bar{B})=A$ 로 모두 A가 된다. ③ $A+\bar{A}B=A+B$ 만 결과가 다르다.

공통인자 $\bar{B}$ 를 묶으면 $X=\bar{B}(\bar{A}C+A\bar{C}+AC)$ 이고, $A\bar{C}+AC=A$ 이므로 $X=\bar{B}(\bar{A}C+A)=\bar{B}(A+C)$ 가 된다(흡수법칙 $A+\bar{A}C=A+C$).

R-L-C 직렬 회로에서 콘덴서 전압을 출력으로 하면 $\dfrac{V_c(s)}{V(s)}=\dfrac{1/Cs}{R+Ls+1/Cs}$ 이고, 분자·분모에 $Cs$ 를 곱하면 $\dfrac{1}{LCs^2+RCs+1}$ 이 된다.

서미스터는 온도가 오르면 저항이 크게 변하는(주로 부특성) 반도체 소자로, 회로의 온도 변화에 따른 특성 변동을 상쇄하는 온도 보상용이나 온도 검출용으로 쓰인다. 바리스터는 이상전압 흡수, 제너다이오드는 정전압, 버랙터다이오드는 가변용량 소자이다.

그림의 회로는 $X=AB+\bar{C}$ 이다. 드모르간 정리로 $AB+\bar{C}=\overline{\overline{AB}\cdot C}$ 로 변형되므로, 첫째 NAND로 $\overline{AB}$ 를 만들고 둘째 NAND에 $\overline{AB}$ 와 C를 넣으면 동일한 출력을 얻는다. 따라서 NAND 소자 최소 2개가 필요하다.

(a)는 전향경로 3, 피드백 4의 부궤환으로 $\dfrac{3}{1+3\times4}=\dfrac{3}{13}$ 이다. (b)는 전향경로 3K, 단위 부궤환으로 $\dfrac{3K}{1+3K}$ 이며, 두 식을 같게 놓으면 $39K=3+9K$, $K=0.1$ 이 된다.

공기식 조작기기는 노즐 플래퍼에 벨로스와 리스트릭터를 조합하는 것만으로 비례·적분·미분 동작을 쉽게 구성할 수 있어 PID 조절기를 만들기 쉽다. 다만 공기의 압축성 때문에 전송거리가 길어지면 응답이 느려져 원거리 신호전송에는 불리하고, 큰 출력이 필요하면 유압식이 유리하다.

2위치동작(온·오프 동작)은 제어량이 목표값을 벗어나면 조작량을 최대 또는 최소 두 값 중 하나로만 바꾸는 불연속 동작으로, 스위치를 닫거나 여는 동작이 여기에 해당한다. 비례·적분·미분 동작은 편차의 크기나 시간에 따라 조작량이 연속적으로 변한다.

자계 속 도체에 전류가 흐를 때 받는 힘 $F=BI\ell\sin\theta$의 방향은 플레밍의 왼손법칙(엄지=힘, 검지=자속밀도, 중지=전류)으로 정해지며, 이는 전동기의 원리이다. 오른손법칙은 도체가 자속을 끊을 때 생기는 유도기전력의 방향을 나타내는 발전기 원리이다.

2차 저항제어는 회전자 권선에 외부 저항을 접속해 슬립을 바꾸는 방법이므로 회전자가 단락된 농형에는 적용할 수 없고 권선형 유도전동기에만 쓸 수 있다. 농형은 극수변환, 주파수제어(VVVF), 1차 전압제어로 속도를 조정한다.

전자석의 흡인력은 $F=\dfrac{B^{2}A}{2\mu_0}$로 자속밀도의 제곱에 비례한다. 따라서 자속밀도를 2배로 하면 흡인력은 4배가 된다.

순수 시간지연요소 $G(j\omega)=e^{-j0.4\omega}$의 위상각은 $\angle G=-0.4\omega\ \mathrm{rad}$이다. $\omega=2.5$를 대입하면 $-0.4\times2.5=-1\,\mathrm{rad}$이고 $1\,\mathrm{rad}=57.3^{\circ}$이므로 위상각의 크기는 약 57.3°(지연)이다.

피드백 제어는 출력의 일부를 되돌려 목표값과 비교하므로 외란과 특성 변화의 영향이 줄고 정확도가 높아진다. 그러나 전체 이득은 $\dfrac{G}{1+GH}$가 되어 개루프일 때보다 오히려 감소하며, 이 이득 감소를 대가로 안정성과 정확도를 얻는 것이 피드백의 특징이다.

전향경로는 $1\times2\times4\times6=48$ 이고, 루프는 $2\times11=22$ 와 $4\times8=32$ 이다(서로 접촉). 메이슨 공식으로 $\dfrac{C}{R}=\dfrac{48}{1-(22+32)}=\dfrac{48}{-53}=-\dfrac{48}{53}$ 이 된다.

옴의 법칙은 도체에 흐르는 전류가 전압에 비례하고 저항에 반비례한다는 법칙으로 $V=IR$로 나타낸다. 비저항 ρ는 $R=\rho\dfrac{\ell}{A}$처럼 도체의 저항값을 구할 때 쓰이며 옴의 법칙 식에는 직접 들어가지 않는다.

회로를 판독하면 $X_1=A\cdot B$, $X_2=A\cdot\bar{B}$, $X_3=\bar{A}$ 이다. 따라서 X₃ 열은 A=1인 행(ⓐ·ⓑ)에서 0, A=0인 행(ⓒ·ⓓ)에서 1이 되어 ⓐ0, ⓑ0, ⓒ1, ⓓ1이다.

2차계의 전달함수 $G(s)=\dfrac{\omega_n^{2}}{s^{2}+2\zeta\omega_n s+\omega_n^{2}}$에서 응답 형태를 결정하는 것은 제동계수(감쇠비) ζ이다. ζ가 1보다 작으면 감쇠진동, 1이면 임계제동, 1보다 크면 과제동이 된다.

턴버클은 좌우 반대 방향 나사를 돌려 길이를 늘이거나 줄일 수 있는 부속이므로, 행거로 매단 수평관의 높이를 현장에서 조절해 원하는 상향구배를 맞출 수 있다. 고정 인서트와 앵커는 위치를 고정하는 부속이고, 롤러는 축방향 신축을 받아주는 지지물이다.

공동구 방식은 사람이 드나들 수 있는 콘크리트 구조물 안에 배관을 부설하므로 부식·침수 우려가 적고 유지보수와 누수 점검·확인이 쉽다. 다만 구조물 축조비가 커서 지중 직매설방식보다 건설비가 많이 들고 시공도 복잡하다.

팬코일유닛 배관은 공급관과 환수관의 개수로 분류하며, 냉수·온수 공급관 2개에 환수관 1개를 공용으로 쓰는 방식이 3관식이다. 개별 냉난방을 동시에 할 수 있지만 환수관에서 냉수와 온수가 혼합되어 열손실이 생기는 단점이 있다.

배관의 굽힘 부분은 관 자체의 휨으로 신축을 흡수할 수 있어 스위블 이음이나 루프형 신축곡관을 사용한다. 벨로스(주름관) 이음은 축방향 신축이 생기는 직선 배관 구간에 설치하는 것이며, 굽힘부에 넣으면 편심하중으로 주름부가 손상되기 쉽다.

수격작용은 유속 변화가 급격할 때 생기므로 관경을 키워 유속을 낮추고, 펌프에 플라이휠을 달아 정전 시 회전이 서서히 멎게 하며, 서지탱크나 공기실로 압력파를 흡수한다. 밸브는 펌프 토출구 가까이 설치해 조작해야 하며, 흡입측에 두고 조절하면 흡입압력이 떨어져 캐비테이션과 충격의 원인이 된다.

유리섬유(글라스울)는 유리를 가늘게 섬유화한 것이어서 조직이 부드러워 칼이나 가위로 쉽게 절단·가공할 수 있다. 섬유 사이에 다량의 공기를 품고 있어 보온·단열 효과가 좋고, 순수 무기질이라 불에 잘 타지 않으며 사용온도는 대략 -25~300℃이다.

온도조절밸브는 탱크나 열교환기 내부 온도를 감온통으로 검출해 증기·온수 등 열매의 유입량을 자동으로 조절함으로써 설정 온도범위를 유지하는 밸브이다. 감압밸브는 압력을 낮추는 밸브, 플랩밸브는 역류를 막는 밸브, 바이패스밸브는 유로를 우회시키는 밸브이다.

순간 최대 예상 급수량은 시간 평균 예상 급수량의 3~4배를 분당 값으로 환산해 구한다. $Q_p=\dfrac{3000\times(3\sim4)}{60}=150\sim200\,\mathrm{L/min}$이다.

급수 수평관은 수리나 장기간 사용하지 않을 때 관 안의 물을 완전히 뺄 수 있도록 배수 방향으로 1/250 이상의 구배를 준다. 아울러 공기가 고이지 않도록 배관의 요철을 피하고 최저부에는 배수밸브를 설치한다.

소켓이음(코킹이음)은 주철관의 허브 안에 얀과 납을 다져 넣어 접합하는 방법이다. 동관은 플레어이음, 납땜(용접)이음, 플랜지이음, 압축이음 등으로 접합한다.

발포 폴리스티렌은 유기질 보온재로 안전사용온도가 약 70~80℃에 불과해 보기 중 가장 낮다. 규조토(약 500℃), 암면(약 600℃), 펄라이트(약 650℃)는 모두 무기질 보온재로 고온 배관에 사용할 수 있다.

압력탱크 방식은 탱크 안의 공기를 압축해 그 압력으로 급수하므로 사용량에 따라 압력이 최고와 최저 사이에서 오르내려 급수압이 일정하지 않다. 반면 탱크를 높은 곳에 둘 필요가 없어 설치 위치가 자유롭고 건물 구조를 보강할 필요가 없으며, 펌프 양정이 커야 해 시설비는 많이 든다.

리버스 리턴(역환수)은 각 방열기까지의 공급관과 환수관 길이의 합이 모두 같아지도록 배관하는 방식이다. 배관 마찰저항이 균등해져 각 방열기에 온수가 고르게 분배되므로 실별 온도 편차가 줄어든다.

누설시험은 배관공사를 마친 뒤 방열공사와 냉매 충전 전에 질소 등으로 전 계통을 가압하고 이음부에 발포액이나 비눗물을 발라 새는 곳을 찾아내는 시험이다. 여기서 누설부를 모두 보수한 다음 진공시험으로 최종적인 기밀 유무를 확인한다. 내압시험과 기밀시험은 기기·부품 단위로 제작 단계에서 실시한다.

타이튼 이음은 주철관 소켓 안쪽 홈에 고무링을 끼우고 관을 밀어 넣어 접합하는 방법으로 시공이 빠르고 신축·굴곡에 잘 견딘다. 납땜 이음은 동관, 플라스턴 이음은 연관에 쓰이는 접합법이다.

배수트랩은 형상에 따라 S 트랩, P 트랩, U 트랩으로 나누며 S·P는 위생기구용, U는 배수 수평주관용이다. H 트랩이라는 형상 분류는 없고, 드럼트랩·벨트랩·그리스트랩 등은 용도에 따른 분류이다.

하향급수 방식은 옥상탱크에서 물을 아래로 내려보내므로 수평주관을 최상층 천장이나 옥상에 두고 여기서 수직관을 내려 각 층에 급수한다. 지하층 천장이나 1층 바닥에 수평주관을 두고 위로 올려보내는 것은 상향급수 방식이다.

통기관은 배수관 내 압력 변동을 없애 사이펀 작용이나 분출로 봉수가 파괴되는 것을 막고, 배수 흐름을 원활하게 하며 관 내에 신선한 공기를 유입시켜 환기한다. 배수관의 부식 방지는 통기관의 설치 목적으로 보기 어렵다.