[공조냉동기계기사 필기] 26년 1회차 시험지 PDF 다운로드
26년 1회차
비가역성을 만드는 요인에는 마찰, 유한한 온도차에 의한 열전달, 서로 다른 물질의 혼합 등이 있다. 열의 일당량은 열과 일의 단위를 환산하는 상수일 뿐 비가역성을 유발하는 물리적 요인이 아니다.
보일러 효율은 생산된 수증기의 총 열량 / 공급된 연료의 총 발열량으로 계산된다. 먼저 물을 수증기로 변환하는 데 필요한 에너지를 구하면, 시간당 380ton의 물에 대해 (3230 − 830) × 380,000kg = 912,400,000kJ이다. 다음으로 공급된 석탄의 총 발열량은 32,000kJ/kg × 34,000kg = 1,088,000,000kJ이다. 따라서 보일러 효율 = 912,400,000 ÷ 1,088,000,000 = 0.838 = 83.8%이다.
열병합발전(cogeneration)은 전력 생산과 동시에 유용한 열을 회수·활용하는 시스템이다. 보기 1은 증기 동력 시스템에서 발전기를 통해 전기를 생산하면서 동시에 공정용 또는 난방용 스팀을 추출하여 공급하는 것으로, 열병합발전의 정의와 정확히 일치한다. 보기 2의 수은 동력 사이클 결합은 밤톱 사이클(bottoming cycle)의 설명이며, 보기 3의 가스터빈 폐열 활용은 복합 사이클(combined cycle)의 설명이고, 보기 4의 재열·재생 사이클 복합은 랑킨 사이클의 효율 개선 기법일 뿐 열병합발전의 핵심 특징이 아니다.
이상기체 상태방정식은 분자 자체의 부피와 분자 간 인력을 무시할 수 있다는 가정에서 유도되므로, 압력이 낮고 밀도가 충분히 낮은 영역에서 실제기체에도 근사적으로 잘 들어맞는다. 실제기체라도 이 조건이면 적용할 수 있으므로 적용 불가라는 서술은 옳지 않고, 이상기체로 볼 수 있는 조건은 압축성 계수가 0이 아니라 1에 가까울 때이며, 공기도 고압·저온에서는 이상기체로 볼 수 없다.
내부에너지 변화는 공식으로 구한다. 주어진 평균 정적비열 0.7315 kJ/kg·℃를 사용하여 공기 1kg의 온도 변화 ΔT = 160 - 10 = 150℃에 대해 계산하면, 이다. 따라서 공기 1kg의 내부에너지 변화는 약 109.7 kJ이다.
교축과정은 단열이며 외부에 일을 하지 않고 위치·운동에너지 변화도 무시할 수 있는 정상유동과정이므로 처음 상태와 최종 상태의 엔탈피는 서로 같다.
질량유량을 로 바꾸고 비체적을 곱하면 체적유량은 이다. 속도 30 m/s로 나눈 단면적에서 지름을 구하면 이다.
물이 증발하여 기체(수증기)로 상변화하면 분자의 무질서도가 커져 그 물질 자체의 엔트로피가 증가한다. 응결·가역단열팽창·주위와 열평형은 각각 엔트로피 감소, 불변, 감소에 해당한다.
가역단열(등엔트로피) 팽창에서는 이다. , , 를 대입하면 이다.
카르노 냉동사이클의 성능계수는 이다. 냉동효과 1 kJ을 얻는 데 필요한 최소일은 이다.




국부저항의 정압손실은 전압손실에서 동압 변화분을 뺀 값이므로, 상류 동압 기준으로 정리하면 의 관계가 성립한다. 즉 상하류 풍속이 같을 때()에만 전압기준과 정압기준 국부저항계수가 일치한다.
기체상수는 특정 기체마다 정해진 고유한 값(상수)일 뿐 계의 상태에 따라 달라지는 상태량이 아니다. 정압비열, 엔트로피, 압력은 모두 계의 상태에 따라 정해지는 열역학적 상태량이다.
풍차가 공기로부터 얻는 일은 유입·유출 속도의 운동에너지 차이로 계산한다. 이다.




송풍기 상사법칙에서 회전수가 일정할 때 풍량은 날개 직경의 세제곱, 압력은 제곱, 동력은 5제곱에 비례한다. 따라서 직경을 에서 로 바꾸면 동력은 로 변화한다.
등온과정의 일은 이다. , 를 대입하면 로, 압축되므로 음(-)의 값이 된다.
열교환기 1차측이 잃는 열량은 이다. 이 열량을 2차측 물이 그대로 얻으므로 이다.
냉동부하는 이고, 성적계수 정의에서 소요동력은 이다.
카르노사이클의 열효율은 이므로 기관이 한 일은 이다.
덕트 설계법에 관한 설명으로 틀린 것은?
정압재취득법은 주덕트에서 분기·취출될 때마다 풍속이 감소하면서 회복(재취득)되는 정압 상승분을 다음 구간의 마찰손실에 충당하도록 설계하는 방법으로, 각 취출구의 정압이 거의 균일해져 풍량 밸런싱에 유리하다. 부스터 송풍기를 설치하는 방식이 아니다. [근거] 덕트 설계법 — 등속법·등마찰손실법(0.08~0.15 mmAq/m 기준)·정압재취득법
어느 천장 취출구에서 1차 공기 200 m³/h가 취출되면서 실내공기(2차 공기) 600 m³/h를 유인하여 혼합되었다. 이 취출구의 유인비는?
유인비 . 검산: 유인비 4 × 1차 공기 200 = 800 m³/h = 200 + 600으로 전공기량과 일치. 3은 2차/1차, 0.25는 1차/전공기로 잘못 계산한 값이다. [근거] 유인비 = 전공기량(TA)/1차 공기량(PA)
실내(20℃)에서 실외(35℃)로 열을 뽑아내는 카르노 냉동사이클의 성능계수는 이다. 필요한 동력은 이다.
대기압은 이다. 진공도 90%는 절대압력이 대기압의 10%임을 뜻하므로 이다.
증기압축 냉동장치의 이상적 냉동사이클(역 랭킹사이클)에서 증발기는 저압·저온 구간에 해당하며, 냉매가 액체에서 기체로 상변화하는 등온·등압 과정이다. 1번 압력은 증발기 내에서 일정하므로 증가하지 않는다. 2번 엔트로피는 액체가 기체로 변하면서 분자의 무질서도가 증가하여 증가한다(감소하지 않음). 4번 비체적(단위질량당 부피)은 액체에서 기체로 상변화하면서 크게 증가한다(감소하지 않음). 3번 엔탈피는 증발기에서 저온의 냉방실로부터 열을 흡수하는 과정이므로 엔탈피가 증가한다.
가역단열압축에서 이며, 섭씨로 환산하면 약 262℃이다.
단열노즐의 에너지식 에서 이므로 이다.




클라우지우스 부등식에 따라 사이클 적분 는 가역 사이클에서 0이고, 비가역 사이클에서는 0보다 작다. 즉 비가역 사이클에서는 이 성립하며, 이는 엔트로피 증가 원리의 근거가 된다.
물의 엔트로피 변화량은 로 구한다. 주어진 값: 질량 m = 2kg, 비열 c = 4.184kJ/(kg·K), 초기온도 T_i = 30℃ = 303.15K, 최종온도 T_f = 80℃ = 353.15K이다.
엔트로피 변화량은 온도의 자연로그 비에 질량과 비열의 곱을 곱한 값으로, 절대온도를 사용하여 계산하면 약 1.278kJ/K이다.
초기온도는 이다. 정압과정이므로 일은 , 열전달량은 이다.
계가 방출한 열은 , 압축으로 계에 가해진 일은 (계 기준)이다. 에너지보존식 에 대입하면 로 내부에너지는 증가한다.
냉매는 증발압력이 대기압보다 높고 응고온도가 상온보다 충분히 낮아야 저온에서도 얼지 않고 사용할 수 있다. 응고온도가 상온 이상이라는 것은 상온에서 냉매가 얼어버릴 수 있다는 뜻이므로 바람직한 성질이 아니다.
카르노사이클은 등온팽창, 단열팽창, 등온압축, 단열압축의 두 개의 등온과정과 두 개의 단열과정으로 이루어진 가역 사이클이다.
폴리트로픽 압축의 출구온도는 이다. 폴리트로픽 과정의 일은 로, 압축이므로 음(-)의 값이 된다.
일과 열의 출입이 없는 고립계에서는 전체 엔트로피가 감소할 수 없으며, 비가역과정이 존재하면 엔트로피는 항상 증가한다.
정압비열은 압력이 일정한 상태에서 온도에 대한 엔탈피 변화율이므로 이다.
터보압축기의 용량제어는 회전속도 제어, 흡입 댐퍼 제어, 흡입 가이드 베인 제어 등을 통해 흡입유량이나 냉매 흐름 특성을 조절하는 방식으로 이루어진다.
부스터는 저압측을 보강하기 위한 별도의 압축단 장치로, 터보압축기 자체의 용량제어 방법에는 해당하지 않는다.
흡수식 냉동기는 압축기 대신 흡수기·펌프·재생기(발생기)를 써서 천연가스 등의 열을 구동원으로 삼는 냉동기다. 작동 유체 쌍은 암모니아를 냉매로 하고 물을 흡수제로 하는 계와, 물을 냉매로 하고 리튬브로마이드 수용액을 흡수제로 하는 계가 대표적인데, 이 문항처럼 열역학 관점에서 다루는 흡수식 냉동기의 표준형은 암모니아-물 계이므로 일반적으로 암모니아를 냉매로 사용한다는 것은 잘못된 설명이 아니다(공조용 대형 냉수기에서는 물-리튬브로마이드 계가 널리 쓰인다). 또한 기체를 압축하는 대신 액체 상태의 용액을 펌프로 가압하므로 소요되는 일이 매우 작고, 증기 압축식보다 장치가 복잡해 정비 부담이 큰 것도 사실이다.
반면 외부 열원이 필요한 곳은 흡수기가 아니라 재생기다. 재생기에서는 열을 가해 용액으로부터 냉매 증기를 분리해 내며, 흡수기에서는 흡수 과정에서 오히려 열이 발생하므로 냉각수 등으로 열을 제거해 주어야 한다. 따라서 어느 작동 유체 계를 기준으로 하더라도, 흡수기에서 열을 발생시키기 위하여 열원이 필요하다는 설명이 유일하게 잘못된 것이다.
프레온 냉동장치에 불응축가스인 공기가 침입하면 응축기 내 전체 압력은 냉매 분압과 공기 분압의 합이 되어 고압(응축압력)이 상승한다. 응축압력이 오르면 압축기의 압축비가 커지고, 이로 인해 냉동능력에 대한 소요동력, 즉 냉동톤당 소요동력이 증가한다.
이때 냉동능력 자체는 커지지 않으며 오히려 성능이 저하되므로, 고압이 높아지면서 냉동능력도 증가한다거나 고압이 공기 분압만큼 낮아진다는 설명은 옳지 않다.
펌프 동력은 이다. , 를 대입하면 이다.
27℃의 이상기체를 가역 단열 압축하여 체적을 처음의 1/4로 줄였을 때 기체의 온도는 약 몇 ℃가 되는가? (단, 비열비 k = 1.4이다.)
가역 단열과정에서 , 체적비 이므로 [검산·역산] , ✓ [근거] 가역 단열과정 온도-체적 관계식 T·V^(k-1)=일정
랭킨(Rankine) 사이클의 열효율에 대한 설명으로 옳은 것은?
랭킨 사이클의 열효율은 보일러 압력(초압)을 높일수록, 터빈 입구 증기온도(초온)를 높일수록, 응축기 압력(배압)을 낮출수록 증가한다. 따라서 응축기의 압력을 낮추면 이론 열효율이 증가한다는 설명이 옳다. 보일러의 압력을 높이면 열효율이 감소한다는 설명과 터빈 입구의 증기 온도를 높이면 열효율이 감소한다는 설명은 반대로 틀렸으며, 응축압력을 낮추면 방열 평균온도가 낮아져 효율이 올라가는 대신 터빈 출구 건도가 낮아지는 문제가 있다. 재열사이클은 터빈 출구 건도를 높이면서(습분 감소) 열효율도 개선하므로, 재열사이클이 열효율과 무관하며 터빈 출구 건도만 감소시킨다는 설명도 틀리다. [근거] 랭킨 사이클 열효율 향상 조건(초압↑·초온↑·배압↓)과 재열의 효과
덕트설계는 필요풍량, 허용풍속, 단위길이당 마찰손실을 바탕으로 덕트 치수를 정하는 과정이며, 공기의 온도는 덕트 치수 산정과는 직접적인 관계가 없다.
냉수코일은 공기와 냉수가 역류하도록 배치하고 코일을 통과하는 전면풍속은 2~3 m/s, 관은 수평으로 설치하는 것이 기본이다. 대수평균온도차(LMTD)는 오히려 크게 확보해야 열교환 성능과 코일 크기 면에서 유리하므로 작게 한다는 설명은 틀렸다.
증기난방은 단관식·복관식 배관과 중력환수·진공환수·기계환수 방식으로 구분되며 부하기기에서 응축된 응축수만 배출하는 것은 맞지만, 증기의 응축잠열을 이용하는 특성상 부하 변동에 따른 세밀한 방열량 조절이 어려워 제어성은 온수난방보다 오히려 떨어진다.
증기난방은 응축수 환수법, 증기 공급법(배관방식), 증기 압력(고압·저압)에 따라 분류한다. 지역냉난방법은 열원 공급 범위에 대한 분류로 증기난방 자체의 분류기준이 아니다.
개별방식(개별공조)은 각 실마다 독립적인 소형 냉난방기(window unit, split unit 등)를 설치하는 방식이다. 보기 1번 수명이 짧다는 것이 정답인 이유는 소형 기기들이 대형 중앙식 냉동기보다 단위당 운전 부하가 집중되고 유지보수가 어려워 상대적으로 수명이 단축되기 때문이다. 보기 2번 외기냉방은 중앙공조에서 가능한 특징이고, 보기 3번 실 구조 변경은 다른 방식들에 비해 개별방식이 배관·덕트 최소화로 오히려 유연하다. 보기 4번은 소형 냉동기 내장으로 실내기와 실외기 간 진동·압축기 소음이 발생하므로 부정확하다.
수증기분압은 절대습도가 클수록 함께 커지는 정비례(비례) 관계이지 반비례 관계가 아니다.
분기덕트의 풍량제어에는 주로 스플릿댐퍼(분기댐퍼)나 볼륨댐퍼가 쓰이며, 익형댐퍼는 저항을 적게 하면서 유량을 조절해야 하는 주덕트 등에 주로 사용된다.
수분무식 가습에는 물을 직접 뿌리는 분무식, 원심력으로 물을 흩뿌리는 원심식, 초음파 진동으로 물을 미립화하는 초음파식이 있다. 적외선식은 물을 직접 분무하는 방식이 아니다.
지열 히트펌프는 연중 안정적인 지중열원을 이용해 냉난방과 급탕을 자유롭게 사용할 수 있고 실별 온도 조절도 가능한 것이 장점이므로, 이를 사용할 수 없다고 서술한 것은 틀렸다.
동일 풍량, 동일 단위마찰저항 조건에서 원형덕트를 상당 장방형덕트로 바꾸면 형상에 따른 손실을 보완하기 위해 단면적이 원형덕트보다 커지므로, 두 단면적이 같다는 설명은 틀렸다.
공기 중 수증기가 응축을 시작하는, 즉 그 절대습도에서 포화상태가 되는 온도를 노점온도라 한다.
입형보일러는 구조가 간단하고 소용량이며 사용압력이 낮은 편으로, 제시된 보일러 중 증기 사용압력이 가장 낮다.
덕트 굴곡부는 곡률반경(R)이 덕트 폭(W)에 비해 작을 때(R/W가 작을 때) 와류 저항이 커지므로 가이드베인을 설치해 저항을 줄인다. R/W가 2.0 이상으로 곡률반경이 충분히 크면 가이드베인 없이도 저항이 적어 별도 설치가 필요하지 않다.
1인당 CO 발생량으로 전체 발생량은 이다. 필요환기량은 이다.
온수난방 설비는 가열→순환→팽창 대응의 주요 기기로 구성된다. 릴리프 밸브는 과압 방지를, 순환펌프는 온수 순환을, 팽창탱크는 온수 팽창에 따른 압력 흡수를 담당하는 온수난방 설비의 필수 기기다. 반면 관말트랩(condensate trap)은 스팀난방이나 응축수 배출 용도의 기기로, 온수난방 설비에서는 사용되지 않는다.
이상적으로 필요한 가습수량은 이다. 가습효율이 60%이므로 실제 분무수량은 이다.
차폐물이 있는 유리창의 취득열량은 전도열량과 일사취득열량의 합으로 계산한다. 이다.
변압기 총 용량 에 효율손실분(2%)과 역률(94%)을 곱해 발열량을 구하면 이고, 이를 시간당 열량으로 환산하면 이다.
단상 유도전동기의 기동방식을 기동토크가 큰 것부터 순서대로 나열한 것은?
단상 유도전동기의 기동토크 크기 순서는 반발기동형 > 반발유도형 > 콘덴서기동형 > 분상기동형 > 셰이딩코일형이다. 반발기동형은 정류자와 브러시를 이용해 큰 기동토크를 내고, 콘덴서기동형은 콘덴서로 기동권선 전류의 위상을 앞세워 분상기동형보다 큰 기동토크와 좋은 역률을 얻는다. 셰이딩코일형은 구조가 간단하지만 기동토크가 가장 작아 소형 팬 등에 쓰인다. [근거] 단상 유도전동기 기동방식별 기동토크 순위(반발기동 > 콘덴서기동 > 분상기동 > 셰이딩코일)
권수비가 20인 단상 변압기의 2차 전압이 110V, 2차 전류가 5A일 때, 1차 전압과 1차 전류는 각각 약 얼마인가? (단, 변압기의 손실은 무시한다.)
권수비 a = N₁/N₂ = V₁/V₂ = I₂/I₁ 이다. 1차 전압 V₁ = a × V₂ = 20 × 110 = 2200V, 1차 전류 I₁ = I₂/a = 5/20 = 0.25A. 검산: 손실을 무시하면 1·2차 피상전력이 같아야 하므로 V₁I₁ = 2200 × 0.25 = 550VA, V₂I₂ = 110 × 5 = 550VA로 일치한다. [근거] 변압기 권수비 관계식(a = V₁/V₂ = I₂/I₁, 입출력 전력 보존)
옴의 법칙에 따라 필요한 전압은 이다.
3상 유도전동기의 입력 전력은 P = √3 × V × I × cosθ × η 이므로, 선전류는
따라서 유입되는 선전류는 약 20A이다.
리액턴스는 , 이다. 임피던스는 이다.
측정량을 이미 알고 있는 표준량과 평형(균형)을 이루도록 조절해 표준량의 값으로부터 측정값을 읽어내는 방식을 영위법이라 한다.
변압기는 1차측과 2차측의 권선수가 달라도 전압의 크기만 변압될 뿐 주파수는 변하지 않고 1차측과 2차측이 항상 같다.
입력 A, B가 모두 "OFF"(0)일 때만 출력이 "ON"(1)이 되고, 둘 중 하나라도 "ON"(1)이면 출력이 "OFF"(0)가 되는 논리는 NOR(NOT OR) 회로다. NOR 회로의 진리표를 보면 A=0, B=0일 때 출력=1이고, A=0 B=1, A=1 B=0, A=1 B=1 모두 출력=0이므로 문제 조건과 정확히 일치한다. AND 회로는 모두 "ON"일 때만 출력이 "ON"이고, OR 회로는 하나라도 "ON"이면 출력이 "ON"이며, NOT 회로는 입력이 하나뿐이므로 해당하지 않는다.
ON-OFF 제어는 조작량이 On 또는 Off 두 값만을 취하는 불연속(단속) 제어이며, 비례·미분·적분 제어는 조작량이 연속적으로 변하는 연속제어이다.
토크는 자속과 전기자전류의 곱에 비례한다(). 자속이 80%로 줄고 전류가 120A로 늘면 이다.
블록선도는 신호의 흐름과 각 요소의 상태·연결관계, 시퀀스의 구성을 도식적으로 나타내는 대표적인 방법이다.
자여자 직류발전기를 역회전시키면 잔류자기와 전기자전류가 만드는 자속의 방향이 서로 상쇄되도록 작용해 여자가 형성되지 못하므로 발전이 이루어지지 않는다.
프로세스제어에 속하는 제어량은 온도이며, 전류·전압은 자동조정제어, 장력은 서보기구 제어에 속하는 제어량이다.
좋은 보온재는 열전도율이 낮고 흡습성이 작아야 보냉·보온 효율을 유지할 수 있다.
재질 자체의 모세관 현상이 크면 수분을 쉽게 흡수하여 열전도율이 높아지고 단열 성능이 떨어지므로, 모세관 현상은 오히려 작아야 좋은 보온재의 조건이 된다.
표면시공성이 좋고, 보냉 효율이 우수하며, 난연성·불연성을 갖추는 것은 보온재가 갖추어야 할 바람직한 조건이다.
피드백제어계는 목표값과 제어량을 비교하기 위해 제어량을 검출하는 검출부(피드백 요소)를 반드시 갖추지만, 개루프 방식인 시퀀스제어계에는 이러한 검출부가 없다.
목표값이 미리 정해진 시간적 변화를 따르고 제어량이 이를 추종하도록 하는 제어를 프로그래밍제어(프로그램제어)라 한다.
동기속도는 이다. 슬립 6%를 적용하면 회전수는 이다.
배관의 세정 방식에 관한 설명으로 틀린 것은?
산 세정 후 관 내에는 산 잔류액과 활성화된 금속면이 남아 그대로 통수하면 급격한 재부식(플래시 러스트)이 일어난다. 반드시 수세(린스) 후 중화제로 중화하고 방청(부동태화) 처리까지 마친 다음 통수해야 하므로, 화학(산) 세정 후 중화·방청 처리를 생략하고 즉시 통수해도 된다는 설명이 틀리다. 고유속으로 이물질을 배출하는 플러싱, 유체 압력으로 피그를 관 내로 통과시켜 부착물을 긁어내는 피그 세정, 산·알칼리 세정액으로 스케일을 용해하는 화학 세정의 정의는 모두 옳다. [근거] 배관 세정 일반 — 산세정 표준 공정(세정→수세→중화→방청), 플러싱·피그 세정 정의
배관용 도료에 관한 설명으로 틀린 것은?
광명단(연단, Pb₃O₄)은 납 화합물로 유독하므로 음료수 배관의 내면 등 위생이 요구되는 곳에는 사용할 수 없다. 따라서 광명단 도료가 인체에 무해하여 음료수(상수) 배관의 내면 도장에 적합하다는 설명이 틀리다. 광명단이 밀착력·방청력이 우수하여 다른 도료의 초벌(프라이머)용으로 쓰인다는 설명, 알루미늄(은분) 도료가 열 반사·확산성이 좋아 방열기 표면 도장에 적합하다는 설명, 프탈산계·실리콘수지계 합성수지 도료가 내열성이 있어 증기관 등의 도장에 사용된다는 설명은 모두 옳다. [근거] 배관 도료 일반 — 광명단(연단)=납계 유독·프라이머용, 알루미늄 도료=열반사 방열기용, 합성수지 도료=내열용