[공조냉동기계기사 필기] 18년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

정상유동 에너지방정식을 적용하면, 터빈이 발생시키는 일은 입출구 엔탈피차와 운동에너지차에서 열손실을 뺀 값으로 구할 수 있다.
운동에너지 변화량은 $\dfrac{V_1^2-V_2^2}{2} = \dfrac{10^2-110^2}{2} = \dfrac{100-12100}{2} = -6000\ J/kg = -6\ kJ/kg$이다.
$W = (h_1-h_2) + \dfrac{V_1^2-V_2^2}{2} - Q_{loss} = 136 + (-6) - 10 = 120\ kJ/kg$로 계산된다.

그림에서 입구는 $P_i=2\,\mathrm{MPa}$, $T_i=300^\circ\mathrm{C}$, $V_i=20\,\mathrm{m/s}$, 출구는 $P_e=100\,\mathrm{kPa}$, $V_e=100\,\mathrm{m/s}$이다. 표에는 출구 압력에서 포화액이 $h_f=417.44\,\mathrm{kJ/kg}$, $s_f=1.3025\,\mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$, 포화증기가 $h_g=2675.46\,\mathrm{kJ/kg}$, $s_g=7.3593\,\mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$ 로 주어져 있다.
가역단열이므로 $s_e=s_i=6.7663$이고, 출구 건도는 $x=\dfrac{6.7663-1.3025}{7.3593-1.3025}=0.902$ 다. 출구 엔탈피는 $h_e=417.44+0.902(2675.46-417.44)\approx2454\,\mathrm{kJ/kg}$.
운동에너지를 포함한 정상유동 에너지식 $w=(h_i-h_e)+\dfrac{V_i^{2}-V_e^{2}}{2}$ 에서 엔탈피 항은 $3023.5-2454\approx569.1\,\mathrm{kJ/kg}$, 속도 항은 $\dfrac{20^{2}-100^{2}}{2}=-4800\,\mathrm{J/kg}=-4.8\,\mathrm{kJ/kg}$ 이다.
따라서 $w\approx569.1-4.8\approx564.3\,\mathrm{kJ/kg}$ 이다. 속도 변화가 깎아먹는 몫은 5kJ/kg 정도로 작아 출력일은 사실상 엔탈피 강하가 만든다.

그림의 T–S 선도를 보면 1은 저온 포화액, 1→2는 펌프의 압축, 2→3은 포화액까지의 가열, 3→4는 증발(고온 등온), 4→5는 과열, 5→6은 터빈의 등엔트로피 팽창(수직 하강), 6→1은 응축(저온 등온)이다.
따라서 터빈 일은 $w_T=h_5-h_6=764-478=286\,\mathrm{kJ/kg}$, 펌프 일은 $w_P=h_2-h_1=31-30=1\,\mathrm{kJ/kg}$, 보일러 공급열은 $q=h_5-h_2=764-31=733\,\mathrm{kJ/kg}$ 이다.
$\eta=\dfrac{w_T-w_P}{q}=\dfrac{286-1}{733}=0.389$ 이므로 효율은 약 39%다. 펌프 일이 1kJ/kg뿐이라 이를 무시하고 $286/733\approx39\%$로 계산해도 같은 값이 된다.

내부에너지 변화량은 열역학 제1법칙 $\Delta U = Q - W$ 로 구한다.
계가 받은 열량은 5 kJ이고, 외부에 한 일은 0.18 kN·m = 0.18 kJ이므로 $\Delta U = 5 - 0.18 = 4.82\ \text{kJ}$ 이다.

정적과정에서는 부피 변화가 없으므로($v_2=v_1$) 이상기체의 일반 엔트로피 변화식 $\Delta S = C_v\ln\dfrac{T_2}{T_1}+R\ln\dfrac{v_2}{v_1}$ 에서 부피 항이 사라진다.
따라서 정적과정의 엔트로피 변화량은 $\Delta S = C_v \ln\dfrac{T_2}{T_1}$ 로, 정압비열이 아닌 정적비열을 사용하여 나타낸다.

정압과정에서 시스템이 외부에 한 일은 $W = P\Delta V$ 로 계산한다.
초기 체적 0.1 m³에서 0.5 m³로 늘어났으므로 $W = 100\,\text{kPa} \times (0.5-0.1)\,\text{m}^3 = 40\ \text{kJ}$ 이다.

Maxwell 관계식은 열역학적 포텐셜(내부에너지, 엔탈피, 헬름홀츠 자유에너지, 깁스 자유에너지)의 완전미분 성질에서 유도된다.
깁스 자유에너지 $dG=-SdT+VdP$ 로부터 $\left(\dfrac{\partial v}{\partial T}\right)_P = -\left(\dfrac{\partial s}{\partial P}\right)_T$ 가, 헬름홀츠 자유에너지 $dF=-SdT-PdV$ 로부터는 $\left(\dfrac{\partial P}{\partial T}\right)_v = \left(\dfrac{\partial s}{\partial v}\right)_T$ 가 성립한다.
즉 압력·부피와 엔트로피·온도 사이의 관계는 $\left(\dfrac{\partial P}{\partial v}\right)_T = \left(\dfrac{\partial s}{\partial T}\right)_v$ 형태로 성립하지 않으며, 변수를 서로 바꾸어 쓴 이 관계식은 잘못된 표현이다.

절대압력은 계기압력에 대기압을 더하여 구한다: $P_{abs}=P_{gauge}+P_{atm}$.
계기압력 5.23 MPa에 대기압 0.1 MPa(=100 kPa)를 더하면 $P_{abs}=5.23+0.1=5.33\ \text{MPa}$ 이다.

정압과정에서 시스템에 전달된 열량은 엔탈피 변화량과 같다($Q_P=\Delta H$). 엔트로피 변화량과 같은 것은 가역과정에서 $\delta Q/T$를 적분한 값이지, 열량 자체가 아니다.
비열의 정의, 내부에너지가 종량적 상태량이라는 점, 융해·승화의 정의는 모두 옳은 설명이다.

먼저 질량유량을 이상기체 상태방정식으로 구한다: $\dot m = \dfrac{P\dot V}{RT}=\dfrac{100\times0.01}{0.287\times300}\approx0.01161\ \text{kg/s}$.
등엔트로피 출구온도는 $T_{2s}=T_1\left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)^{\frac{k-1}{k}}=300\times4^{0.2857}\approx445.8\ \text{K}$ 이므로 등엔트로피 압축일은 $\dot W_s=\dot m C_p(T_{2s}-T_1)\approx0.01161\times1\times145.8\approx1.69\ \text{kW}$ 이다.
등엔트로피 효율 0.8을 적용하면 실제 소요동력은 $\dot W=\dfrac{\dot W_s}{\eta}\approx\dfrac{1.69}{0.8}\approx2.1\ \text{kW}$ 로 계산된다.

압력, 온도, 비체적(단위질량당 부피)은 물질의 양에 관계없이 일정한 강성적(intensive) 상태량이다.
반면 엔탈피는 내부에너지·부피와 마찬가지로 물질의 양에 비례하는 종량적(extensive) 상태량이므로 강성적 상태량에서 제외된다.

정압과정에서 단위질량당 전달되는 열량은 정압비열을 사용하여 $Q=C_p\,dT$ 로 나타낸다.
정적비열을 사용하는 $C_v dT$ 는 정적과정의 열량이므로 이 문제의 조건과 맞지 않는다.

가역단열 펌프일은 비체적이 일정하다고 보고 $W_{pump}=v(P_2-P_1)$ 로 계산한다.
물의 비체적 0.001 m³/kg, 압력차 $5000-10=4990\ \text{kPa}$ 를 대입하면 $W_{pump}=0.001\times4990=4.99\ \text{kJ}$ 이다.

클라우지우스 적분값은 고온부에서 받은 열과 저온부로 버린 열을 각각의 절대온도로 나눈 값의 차로 구한다: $\oint\dfrac{\delta Q}{T}=\dfrac{Q_H}{T_H}-\dfrac{Q_L}{T_L}$.
$\dfrac{18.4}{520}-\dfrac{13}{273}\approx0.0354-0.0476\approx-0.0122\ \text{kJ/K}$ 로 음의 값이 나온다.
클라우지우스 부등식에 따르면 적분값이 0이면 가역, 음이면 비가역이므로 이 열기관은 비가역과정으로 작동한다.

오토 사이클의 열효율은 압축비만의 함수로 $\eta=1-\dfrac{1}{r^{k-1}}$ 로 나타낸다.
압축비 7, 비열비 1.4를 대입하면 $\eta=1-\dfrac{1}{7^{0.4}}\approx1-\dfrac{1}{2.178}\approx0.541$, 즉 약 54%이다.

사바테(복합) 사이클의 열효율은 $\eta=1-\dfrac{1}{r^{k-1}}\cdot\dfrac{\alpha\beta^{k}-1}{(\alpha-1)+k\alpha(\beta-1)}$ 로 계산한다. 여기서 $r$은 압축비, $\alpha$는 압력상승비, $\beta$는 체절비이다.
압축비 16, 압력상승비 2.3, 체절비 1.6, 비열비 1.4를 대입하면 $r^{k-1}=16^{0.4}\approx3.031$, $\alpha\beta^{k}-1\approx2.3\times1.931-1\approx3.441$, 분모는 $(\alpha-1)+k\alpha(\beta-1)=1.3+1.932=3.232$ 이다.
이를 종합하면 $\eta\approx1-\dfrac{1}{3.031}\times\dfrac{3.441}{3.232}\approx1-0.3513\approx0.6488$, 즉 약 64.88%로 계산된다.

단면적은 $A=\dfrac{\pi d^2}{4}=\dfrac{\pi\times0.1^2}{4}\approx0.007854\ \text{m}^2$ 이고, 체적유량은 $\dot V=Av=0.007854\times0.2\approx0.001571\ \text{m}^3/\text{s}$ 이다.
공기 밀도는 이상기체 상태방정식으로 $\rho=\dfrac{P}{RT}=\dfrac{100}{0.287\times293}\approx1.189\ \text{kg/m}^3$ 이므로, 질량유량은 $\dot m=\rho\dot V\approx1.189\times0.001571\approx0.0019\ \text{kg/s}$ 이다.

냉동기의 성능계수(COP)는 저온실에서 흡수한 열량을 압축기 소요동력으로 나눈 값이다: $\text{COP}=\dfrac{Q_e}{W}$.
$\text{COP}=\dfrac{46.4}{10}=4.64$ 로 계산된다.

A와 B를 같은 질량으로 섞어 40℃가 되었으므로 열평형식 $c_A(50-40)=c_B(40-25)$ 에서 $c_A=1.5c_B$ 를 얻는다. A와 C를 섞어 30℃가 되었으므로 $c_A(50-30)=c_C(30-10)$ 에서 $c_A=c_C$ 이다.
따라서 $c_C=1.5c_B$ 이며, B와 C를 같은 질량으로 섞을 때 $c_B(25-t)=c_C(t-10)=1.5c_B(t-10)$ 을 풀면 $25-t=1.5t-15$, 즉 $t=16.0$℃ 가 된다.

그림의 네 경우는 컵에 있는 (물)이 증발, 목욕탕의 (수증기)가 차가운 타일벽에서 물로 응결, 실린더 안의 (공기)가 가역 단열 팽창, 뜨거운 (커피)가 식어 주위 온도와 같아짐이다. 판단 대상은 괄호 안 물질 자신의 엔트로피 변화다.
액체가 증발하면 잠열을 흡수하면서 분자 배열의 무질서도가 크게 커지므로 그 물의 엔트로피는 증가한다. 그래서 컵에 있는 물이 증발한 경우가 엔트로피가 증가한 경우다.
반대로 수증기가 찬 벽에서 응결하면 열을 내놓고 액체가 되므로 엔트로피는 감소하며, 뜨거운 커피가 식는 것도 열을 잃으므로 커피의 엔트로피는 감소한다. 가역 단열 팽창은 $\Delta S=0$ 인 등엔트로피 과정이어서 공기의 엔트로피는 변하지 않는다.

빙축열 방식은 물의 잠열(융해열)을 이용하므로 같은 열량을 저장하는 데 필요한 축열조 부피가 수축열 방식보다 작고, 설치 장소의 제약도 적다.
다만 빙축열의 냉수는 0℃ 부근의 낮은 온도로 얻어지므로, 난방과 같이 비교적 높은 온도의 열을 이용해야 하는 용도에는 오히려 수축열 방식이 더 적합하다. 따라서 난방시의 축열대응은 빙축열의 장점으로 보기 어렵다.

얼음으로 만드는 데 필요한 냉동능력은 현열과 잠열을 모두 더해 구한다. 30℃ 물을 0℃로 낮추는 현열 $1800\times1\times30=54000$ kcal/h, 응고 잠열(약 80 kcal/kg) $1800\times80=144000$ kcal/h, 0℃ 얼음을 -10℃로 낮추는 현열 $1800\times0.5\times10=9000$ kcal/h를 합하면 냉동능력은 약 207000 kcal/h이다.
응축기 방열량은 냉각수가 흡수한 열량으로 $50000\times1\times(35-30)=250000$ kcal/h이며, 압축기 소요동력에 해당하는 열량은 응축열에서 냉동능력을 뺀 $250000-207000=43000$ kcal/h이다.
1 kW = 860 kcal/h로 환산하면 $43000/860\approx50\ \text{kW}$ 로 계산된다.

냉매는 냉동능력을 크게 하기 위해 증발잠열이 크고 액체비열이 작아야 하며, 열전도율이 좋아야 전열 성능이 우수하다.
그러나 점도는 작아야 배관 저항과 압축기 마찰손실이 줄어들므로, "점도가 크고"라는 서술은 냉매의 구비조건과 반대되는 설명이다.

암모니아는 비열비(단열지수)가 프레온계 냉매보다 크기 때문에, 동일한 운전 압력조건에서 압축 후 토출가스 온도가 더 높게 나타난다.
암모니아는 공기보다 가벼워 누설 시 위로 확산되며, 증발잠열도 프레온계 냉매보다 크다. 또한 프레온계 냉매라도 수분이 혼입되면 저온부에서 결빙이나 가수분해로 인한 문제가 발생할 수 있어 운전상 지장이 없다고 보기 어렵다.

흡수식 냉동기에서 냉매(물 또는 암모니아 등)는 증발기에서 증발하며 냉동효과를 낸 뒤, 흡수기에서 흡수액에 흡수된다.
냉매를 흡수한 묽은 용액은 열교환기를 거쳐 예열된 후 재생기(발생기)로 보내져 가열되어 냉매가 다시 분리되고, 이후 응축기와 팽창밸브를 거쳐 증발기로 돌아간다.

고온가스 제상은 압축기에서 나오는 고온·고압의 토출가스를 증발기로 직접 보내 착상을 녹이는 방식으로, 별도의 전열기 없이 비교적 간단하게 설비할 수 있고 제상 시간도 짧은 편이다.
다만 제상 중에는 증발기가 냉각이 아닌 가열 대상이 되므로 정상적인 냉각운전이 일시적으로 중단되며, 소형 장치라 해도 이 점은 마찬가지이므로 언제라도 정상운전이 가능하다는 설명은 옳지 않다.

그림은 압축기–유분리기–응축기를 지난 냉매액(점 3)이 액-가스 열교환기에서 증발기 출구 냉매증기(점 6)와 열교환한 뒤 팽창밸브(점 4→5)로 가는 1단 증기압축 사이클이다. 이 열교환기에서 증기 쪽 온도 상승은 $T_1-T_6=18^\circ\mathrm{C}$인데, 액 쪽 온도 강하는 $T_3-T_4=1^\circ\mathrm{C}$에 불과하다.
같은 냉매가 같은 유량으로 흐르므로 열교환기의 두 쪽이 주고받은 열량은 같아야 한다. 그런데 냉매액의 비열이 증기의 비열보다 크다는 점을 감안해도, 액이 1℃ 내려가며 내놓는 현열만으로는 증기를 18℃나 올릴 수 없다. 즉 현열만으로는 열수지가 맞지 않는다.
온도는 거의 떨어지지 않으면서 이만큼 큰 열을 내놓을 수 있는 것은 잠열뿐이다. 즉 응축기 출구인 점 3의 냉매가 아직 완전히 응축되지 않은 상태여서, 열교환기 안에서 남은 증기가 거의 일정한 온도로 응축되며 큰 열을 내준 것이 원인이다.
증발기 출구가 습증기라면 흡수한 열이 잔류 액의 증발에 쓰여 온도가 18℃나 오를 수 없고, 열교환기 열손실이 크다면 증기 쪽 온도 상승은 오히려 더 작아진다. 불응축 가스 혼입은 응축압력을 높이는 현상이어서 이 열량 불균형 자체를 설명하지 못한다.

냉매량이 부족하면 증발기로 공급되는 냉매액이 줄어들어 증발압력(흡입압력)이 낮아지고, 냉동능력도 저하된다.
토출압력은 냉매 부족과 직접적인 상승 요인이 아니며, 오히려 순환량 감소로 낮아지는 경향을 보인다.

증발온도를 그대로 두고 응축온도만 높이면 압축비가 커져 토출가스 온도와 압축일이 늘어나고, 그 결과 성적계수는 감소한다.
또한 응축온도 상승으로 팽창밸브 전후 압력차가 커지면 팽창 시 발생하는 플래시가스의 양은 오히려 증가하므로, 플래시가스 발생량이 감소한다는 설명은 틀린 내용이다.

냉매액 강제순환식 증발기는 액펌프로 냉매액을 강제로 순환시키므로 전열이 우수하고, 오일이 고이거나 배관 저항에 의한 압력강하가 발생할 우려가 적다.
다만 액펌프가 정상적으로 작동하려면 충분한 흡입양정을 확보해야 하므로, 저압 수액기는 액펌프보다 높은 위치에 두어야 하는 등 설치 위치에 제한이 따른다. 따라서 위치에 제한이 없다는 설명은 옳지 않다.

그림은 세로축이 압력 $P\ \mathrm{kg/cm^2}$, 가로축이 엔탈피 $h\ \mathrm{kcal/kg}$인 압력–엔탈피(P–h) 선도다. 선도에서 $h_1$은 응축기 출구(팽창밸브 입구), $h_2$는 증발기 출구이자 압축기 입구, $h_3$은 압축기 토출의 엔탈피다.
따라서 증발기에서 흡수하는 열량은 $h_2-h_1$, 압축기가 가하는 일은 $h_3-h_2$, 응축기에서 방출하는 열량은 $h_3-h_1$이 된다.
난방용 히트펌프의 이론 성적계수는 응축기 방열량 ÷ 압축일이므로 $\mathrm{COP}_h=\dfrac{h_3-h_1}{h_3-h_2}=\dfrac{(h_3-h_2)+(h_2-h_1)}{h_3-h_2}=1+\dfrac{h_2-h_1}{h_3-h_2}$로 정리된다.
즉 같은 사이클의 냉방(냉동) 성적계수 $\dfrac{h_2-h_1}{h_3-h_2}$보다 항상 1만큼 큰 값이 되며, 이것이 난방 COP = 냉동 COP + 1이라는 관계다.

암모니아는 특유의 자극적인 냄새로 쉽게 감지할 수 있고, 알칼리성이므로 리트머스 시험지나 페놀프탈레인 시험지를 이용해서도 검지할 수 있다.
할로겐 누설검지기는 할로겐 원소를 포함한 프레온계 냉매의 누설을 검지하는 장치로, 할로겐을 포함하지 않는 암모니아의 검지에는 적합하지 않다.

그림의 조건은 방열계수 1.3, 응축온도 35℃, 냉각수 입구온도 28℃ · 출구온도 32℃, 열통과율 900 kcal/m²·h·℃이다.
산술평균온도차는 응축온도에서 냉각수의 산술평균온도를 뺀 값이므로 $\Delta t_m=35-\dfrac{28+32}{2}=35-30=5\,^\circ\mathrm{C}$이다.
1RT당 응축부하는 냉동능력에 방열계수를 곱해 구하므로 $Q_c=3320\times1.3=4316\ \mathrm{kcal/h}$이다.
따라서 필요한 응축면적은 $A=\dfrac{Q_c}{K\,\Delta t_m}=\dfrac{4316}{900\times5}=\dfrac{4316}{4500}\approx0.96\ \mathrm{m^2}$이다.

빙축열 시스템은 제빙 방식에 따라 정적제빙형과 동적제빙형으로 나뉜다. 정적제빙형은 관내착빙형, 관외착빙형, 캡슐형과 같이 얼음이 코일이나 용기 표면에 고정된 상태로 만들어지는 방식이다.
동적제빙형은 과냉각아이스형이나 슬러리(리퀴드아이스)형처럼 얼음이 유동 상태로 생성되는 방식이므로, 관외착빙형을 동적제빙형으로 분류하는 조합은 적절하지 않다.

식품동결 방법을 열을 빼앗는 방식으로 분류하면 냉각면과 식품이 직접 닿는 접촉동결, 냉각된 공기를 불어주는 분사(air blast)동결, 냉각된 액체에 담그는 담금(침지)동결로 나눌 수 있다.
진공동결은 저압 하에서 식품 표면의 수분을 증발시켜 그 증발잠열로 냉각하는 방식으로, 열을 빼앗는 매체(접촉면·공기·액체)를 기준으로 한 위 분류방식과는 원리가 다르다.

2단 압축 냉동시스템의 중간압력은 증발압력과 응축압력의 절대압력을 이용한 기하평균으로 구한다: $P_m=\sqrt{P_{e}\times P_{c}}$.
게이지압력에 대기압(101.325 kPa)을 더해 절대압력으로 바꾸면 증발압력은 $100+101.3=201.3\ \text{kPa}$, 응축압력은 $1100+101.3=1201.3\ \text{kPa}$ 이다.
따라서 $P_m=\sqrt{201.3\times1201.3}\approx491\ \text{kPa}$ 로 계산된다.

실내온도를 $t$라 하면, 외벽을 통해 들어오는 열량과 식품에서 나오는 열량의 합이 증발기가 제거하는 열량과 같아지는 열평형이 성립한다.
각 부분의 총괄 열전달용량은 방열벽 $0.232\times1000=232$W/℃, 식품 $5.805\times500=2902.5$W/℃, 증발기 $29.03\times20=580.6$W/℃이다.
따라서 $232(30-t)+2902.5(5-t)=580.6\{t-(-10)\}$이고, 정리하면 $21472.5-3134.5t=580.6t+5806$이므로 $t=\dfrac{15666.5}{3715.1}\approx4.2$℃이다.

자연냉동법은 별도의 기계적 동력 없이 물질의 상태변화(자연현상)를 그대로 이용해 냉각하는 방법으로, 얼음의 융해열, 드라이아이스 등의 승화열, 소금과 얼음을 섞은 기한제를 이용하는 방법이 대표적이다.
반면 증기분사에 의한 냉동은 이젝터·진공펌프 등의 기계적 장치를 이용해 물의 증발압력을 낮추어 저온을 얻는 방식으로, 기계장치가 개입하는 인공(기계적) 냉동법에 해당하므로 자연냉동법으로 분류되지 않는다.

암모니아(NH₃) 냉동장치는 비교적 대용량·고압 시스템에 주로 사용되며, 팽창밸브로는 수동식 팽창밸브와 저압식·고압식 플로트 팽창밸브가 널리 쓰인다.
모세관식 팽창장치는 가는 관의 유동저항으로 냉매를 감압하는 구조로 유량 조절이 불가능해 소용량 밀폐형 냉동기(가정용 냉장고, 에어컨 등)에 적합하며, 부하변동이 큰 암모니아 시스템의 팽창장치로는 사용하지 않는다.

증발기 표면에 서리(착상)가 끼면 전열저항이 커져 열교환 성능이 저하된다. 그 결과 증발온도와 증발압력이 낮아지고, 냉장실 내 온도는 오히려 상승한다.
같은 냉동능력을 얻기 위해 압축기가 더 낮은 증발압력에서 운전해야 하므로 소요동력이 증대하고, 이에 따라 냉동능력당 전력 소비량은 오히려 증가한다. 따라서 전력 소비량이 감소한다는 설명은 옳지 않다.

혼합공기의 상태값은 두 공기의 질량(비율)에 따른 가중평균으로 구한다. 외기와 실내공기를 1:2 비율로 섞으므로 건구온도는 $t=\dfrac{1\times30+2\times20}{3}\approx23.3$℃이다.
절대습도도 같은 방식으로 $x=\dfrac{1\times0.02+2\times0.01}{3}\approx0.013$kg/kg으로 계산된다.

냉수코일은 공기와 냉수 사이의 열교환 효율을 높이기 위해 대향류(counter flow)로 배치하고, 대수평균온도차(LMTD)를 되도록 크게 확보하는 것이 유리하다.
병행류는 온도차가 작아 열교환 효율이 떨어지고, 코일 통과풍속을 지나치게 높이거나 냉수의 입·출구 온도차를 크게 잡아 유량을 줄이면 오히려 열교환 성능과 실내 습도제어에 불리해지므로 설계상 바람직하지 않다.

기계환기는 급기와 배기에 각각 송풍기(기계)를 쓰는지 여부에 따라 제1종~제4종으로 구분되며, 급기와 배기를 모두 송풍기로 강제 작동시키는 방식이 제1종 환기이다.
실내외 압력을 임의로 조절할 수 있어 오염물질 발생과 압력관리가 중요한 지하실, 대규모 조리장, 보일러실 등에 적합하다.

표준방열량은 방열기를 사용하는 증기난방과 온수난방에 대해서만 규정되어 있으며, 증기난방은 650kcal/m²·h(약 0.756kW), 온수난방은 450kcal/m²·h(약 0.523kW)이다. 따라서 증기난방 0.523kW, 온수난방 0.756kW라는 설명은 두 값이 서로 뒤바뀐 것이다.
복사난방은 바닥·천장 등 구조체 자체가 방열면이 되어 EDR 기준의 표준방열량이 정해져 있지 않고, 온풍난방 역시 방열기 없이 가열된 공기를 직접 취출하는 방식이므로 표준방열량이 존재하지 않는다. 그러므로 온풍난방에는 표준방열량이 없다는 설명이 옳다.

실내 현열부하 $q_s$(W)를 처리하기 위한 송풍량은 공기의 밀도와 정압비열을 반영한 열평형식 $q_s = 1.2 \times Q \times (t_r-t_d)$(Q의 단위는 L/s)에서 유도된다.
이를 $Q$에 대해 정리하면 $Q=\dfrac{q_s}{1.2(t_r-t_d)}$가 되며, 여기서 1.2는 표준상태 공기의 밀도와 정압비열의 곱을 단위환산한 값이다.

에어워셔에서 엘리미네이터는 세정실을 통과한 공기 중의 물방울을 제거하기 위해 공기가 세정실을 빠져나가는 뒤쪽에 설치된다.
따라서 세정실이 엘리미네이터 뒤에 있어 공기를 세정한다는 설명은 배치 순서가 실제와 반대로 서술된 것이다. 분무노즐이 스탠드파이프와 스프레이헤더에 연결되어 물을 분사하고, 플러딩노즐로 먼지를 씻어내며, 다공판·루버로 기류를 정류한다는 나머지 설명은 타당하다.

피토관으로 측정한 동압은 전압에서 정압을 뺀 값으로 $23.8-10=13.8$mmAq이다.
이를 압력단위(Pa)로 환산하면 $\Delta p \approx 9.8\times13.8\approx135$Pa이며, 공기밀도를 1.2kg/m³로 하여 $V=\sqrt{\dfrac{2\Delta p}{\rho}}$에 대입하면 $V\approx15$m/s로 계산된다.

송풍량은 $Q=\dfrac{q_s}{\gamma \times c_p \times \Delta t}$로 구하며, 취득현열량 8360kJ/h, 비중량 1.2kg/m³, 정압비열 1.004kJ/kg·℃, 온도차 $28-16=12$℃를 대입한다.
$Q=\dfrac{8360}{1.2\times1.004\times12}=\dfrac{8360}{14.46}\approx578$m³/h로, 약 578.7m³/h에 해당한다.

그림의 조건은 외기가 34℃ DB, 1000 m³/h, 재순환공기가 26℃ DB, 2000 m³/h이다.
혼합공기의 건구온도는 각 공기의 풍량을 가중치로 한 가중평균으로 구한다. $t=\dfrac{Q_1t_1+Q_2t_2}{Q_1+Q_2}=\dfrac{1000\times34+2000\times26}{1000+2000}$
계산하면 $\dfrac{34000+52000}{3000}=\dfrac{86000}{3000}\approx28.6\,^\circ\mathrm{C}$이므로 혼합 건구온도는 약 28.6℃이다.
재순환공기의 풍량이 외기의 2배이므로 두 온도의 단순 중간값(30℃)보다 26℃ 쪽으로 치우친 값이 나오는 것이 이 문제의 요점이다.

온풍난방은 열용량이 작은 공기를 직접 가열해 취출하므로 실온과 취출온도의 차가 상대적으로 커서 실내 상하 온도분포가 고르지 못하기 쉽다.
따라서 취출온도차가 적어 온도분포가 고르다는 설명은 온풍난방의 실제 특성과 반대이다. 예열부하가 거의 없어 기동이 빠르고, 취급이 간단하며, 방열기·배관이 불필요해 설비비가 저렴하다는 나머지 설명은 온풍난방의 일반적 특징으로 옳다.

급탕부하는 급탕량과 급수·급탕 온도차를 이용해 $Q = m \times c \times \Delta t$로 구한다.
물의 비열을 약 4.2kJ/kg·℃로 하면 $Q=100\times4.2\times(70-30)=16800$kJ/h로 계산된다. 건물 열손실과 건평 조건은 난방부하 계산에 쓰이는 값으로 급탕부하 산정과는 무관하다.

원형덕트의 이음에는 관을 나선형으로 감아 접합하는 스파이럴 심, 밴드로 조여 접합하는 드로우 밴드 이음, 비드를 넣어 접어 붙이는 비드 클림프 이음 등이 사용된다.
반면 더블 심은 사각(각형)덕트의 판금 접합에 주로 쓰이는 방법으로, 원형덕트의 이음 방법으로 분류되지 않는다.

공기 냉각·가열 코일은 관 안으로 냉온수·증기·냉매를 흘리고 관 외측으로 공기를 통과시켜 열교환하는 구조이며, 전열면적을 늘리기 위해 관 외측에 금속판(핀)을 부착한다.
핀 형상에서 주름이 있는 것을 링클핀, 주름이 없는 평면형을 스무드핀이라 하는데, 설명에서는 이 정의가 서로 뒤바뀌어 있어 옳지 않다.

유인유닛 방식은 1차 공기(고속덕트로 공급되는 조화공기)를 노즐로 분출시켜 유인작용으로 실내공기를 유닛 내로 유인·순환시키며, 실내부하의 상당 부분은 이렇게 유인된 2차 공기가 실내코일을 거치며 처리한다.
따라서 1차 공기가 처리하는 부하 비중이 크지 않아 중앙공조기(1차 공기 공급 설비)는 오히려 작아질 수 있으므로, 실내부하를 주로 1차 공기로 처리해 중앙공조기가 커진다는 설명은 유인유닛 방식의 특징과 맞지 않는다.

강제순환식 온풍난방은 송풍기로 공기를 강제 순환시키므로 중력식보다 공기순환이 원활하고 실내 쾌적성 확보에 유리하며, 기기 배치의 자유도가 크고 급기덕트가 작아도 되며 필터로 깨끗한 공기를 공급할 수 있다.
따라서 공기순환이 어렵고 쾌적성 확보가 곤란하다는 설명은 강제순환방식이 아니라 오히려 중력식(자연순환)의 단점에 해당하므로 옳지 않다.

가변풍량(VAV) 방식은 실내 열부하 증감에 따라 송풍량을 조절해 에너지와 운전비를 절감하고, 칸막이 변경이나 부하 변화에도 유연하게 대응할 수 있다.
또한 VAV 유닛에 재열기나 페리미터 난방설비를 병용하는 등 다른 난방방식과 함께 사용할 수 있으므로, 다른 난방방식과 동시에 이용할 수 없다는 설명은 옳지 않다.

한 곳의 중앙 열원(플랜트)에서 증기나 온수를 생산해 열수송관과 분배망을 통해 정해진 지역 내 여러 건물에 열을 공급하는 방식을 지역난방법이라 한다.
건물마다 개별 보일러를 두는 개별난방·단독난방과 달리, 지역난방은 대규모 열원을 집중 운영해 효율과 관리 측면에서 이점을 갖는다.

히트펌프는 냉동사이클의 응축열과 증발열을 각각 난방·냉방에 이용해 냉방과 난방을 하나의 장치로 동시 또는 전환 공급할 수 있으며, 지열원을 이용한 시스템 구성도 가능하고 구동원으로 전기·가스 엔진 등을 사용한다.
또한 응축열을 이용해 급탕 공급도 가능하므로, 난방은 되지만 급탕은 불가능하다는 설명은 히트펌프의 실제 활용 범위와 맞지 않는다.

현열비(SHF)는 $SHF=\dfrac{q_s}{q_s+q_l}=\dfrac{12000}{12000+4000}=0.75$로 계산된다.
겨울철 난방 시 취출공기는 실내보다 따뜻하게 불어넣으므로 취출온도는 실온보다 온도차(10℃)만큼 높은 $21+10=31$℃가 된다. 따라서 취출구 공기상태점은 실내 상태점(21℃, 50%)을 지나는 현열비 0.75 선과 건구온도 31℃ 선이 만나는 점이다.

관류보일러는 드럼 없이 긴 관 하나로 급수-증발-과열까지 연속적으로 이루어지는 구조로, 관 배치가 자유로워 보일러 전체를 합리적인 구조로 설계할 수 있다.
전열면적당 보유수량이 적어 시동시간이 짧고, 고압·대용량 설비에도 적합하다는 점에서 관을 자유로이 배치할 수 있어 합리적인 구조로 할 수 있다는 설명이 관류보일러의 특징을 옳게 나타낸다.

그림은 A와 B가 좌우 꼭짓점, C와 D가 위아래 꼭짓점인 브리지(다이아몬드) 회로다. 각 변은 A–C 4Ω, C–B 4Ω, A–D 8Ω, D–B 8Ω이고, 가운데 C–D 사이에 4Ω이 걸쳐 있다.
A에서 갈라지는 두 경로의 저항비를 보면 $R_{AC}:R_{CB}=4:4$, $R_{AD}:R_{DB}=8:8$로 서로 같아 브리지가 평형이다. 즉 C와 D는 A–B 사이 전압을 같은 비율로 나눈 점이므로 전위가 같고, 가운데 4Ω에는 전류가 흐르지 않아 떼어내고 계산해도 된다.
남는 것은 A–C–B 경로의 $4+4=8\,\Omega$과 A–D–B 경로의 $8+8=16\,\Omega$이 병렬로 연결된 형태이므로 $R_{AB}=\dfrac{8\times16}{8+16}=\dfrac{128}{24}\approx5.33\,\Omega$이다.

제어계에서 제어량을 발생시키는 기계장치·프로세스 자체, 즉 실제로 제어되는 대상을 제어대상이라 한다.
제어장치는 제어대상에 신호를 가하는 쪽이고, 조작장치·검출장치는 각각 조작량을 만들거나 제어량을 검출하는 요소로 제어대상과는 구분된다.

목표값이 미리 정해진 시간적 변화 패턴에 따라 바뀌는 제어를 프로그램제어라 하며, 열처리로의 온도 프로파일 제어, 무인 열차의 운전 제어 등이 대표적인 예이다.
정치제어는 목표값이 일정한 경우, 추종제어는 목표값이 임의로 변하는 경우, 비율제어는 목표값이 다른 양과 일정 비율 관계를 갖는 경우에 해당하여 이 문제의 조건과 다르다.

3bit 디지털 입력 011(2)은 십진수로 3이며 이때 출력이 3V이므로, 입력과 출력이 비례하는 이 D/A 변환기는 입력값 1당 1V를 출력하는 관계임을 알 수 있다.
입력 101(2)은 십진수로 $1\times4+0\times2+1\times1=5$이므로, 출력전압은 $5\times1=5$V가 된다.

직권전동기는 계자권선과 전기자권선이 직렬로 연결되어 부하전류가 곧 계자전류가 된다. 따라서 부하(토크)가 커지면 전류와 함께 자속도 증가해 회전속도가 크게 낮아지고, 반대로 부하가 가벼우면 속도가 크게 올라간다.
토크는 전류의 제곱에 대체로 비례하고 속도는 전류에 반비례하므로 토크와 속도의 곱인 출력이 비교적 일정하게 유지되며, 기동토크도 커서 전차·기중기(크레인)·전기철도 등 부하변동이 심한 용도에 적합하다.
분권전동기는 계자가 전기자와 병렬이어서 부하가 변해도 속도가 거의 일정하고, 복권전동기는 직권과 분권의 중간 특성을 가지므로 문제의 조건과 맞지 않는다.

제어계에서 제어량을 원하는 값으로 유지·변화시키기 위해 외부에서 주어지는 기준 입력신호를 제어명령이라 한다.
이는 목표값에 대응하는 신호로, 제어장치에 인가되어 동작신호와 비교되는 기준이 된다.

평행하게 왕복(往復)으로 배치된 두 도선은 전류의 방향이 서로 반대이므로, 두 도선 사이에는 반발력이 작용한다.
이 힘의 크기는 두 도선 사이 거리 $r$에 반비례하는 관계, 즉 $F \propto \dfrac{1}{r}$를 따른다.

피드백제어계에서 제어장치가 만들어 제어대상에 가하는 신호로, 제어장치의 출력이자 동시에 제어대상의 입력이 되는 신호를 조작량이라 한다.
목표값은 원하는 기준값, 제어량은 제어대상에서 나오는 결과값, 동작신호는 목표값과 제어량의 차이로 만들어지는 신호로 각각 조작량과 역할이 다르다.

피드백제어는 출력(제어량)을 목표값과 비교해 오차를 줄이는 방식으로 동작하므로, 목표값에 정확히 도달하고 제어계 특성을 향상시키며 외란 등 외부 조건 변화의 영향을 줄이는 효과가 있다.
특히 피드백 구조 덕분에 제어기를 구성하는 부품의 성능이 다소 나쁘더라도 그 영향이 상쇄되어 비교적 안정적인 결과를 얻을 수 있는 것이 장점인데, 부품 성능이 나쁘면 큰 영향을 받는다는 설명은 이러한 피드백제어의 장점과 반대되는 내용이므로 옳지 않다.

그림에 제시된 두 전압은 $v_1=10\cos 10t$, $v_2=10\cos 5t$로, 진폭은 같고 각속도가 각각 10 rad/s와 5 rad/s이다.
주기는 $T=\dfrac{2\pi}{\omega}$이므로 $T_1=\dfrac{2\pi}{10}\approx0.628\ \mathrm{s}$, $T_2=\dfrac{2\pi}{5}\approx1.257\ \mathrm{s}$이다.
두 파형은 모두 $t=0$에서 최댓값을 가지지만 그다음 최댓값은 각각 한 주기 뒤에 나타난다. 따라서 두 전압 사이의 시간차는 $T_2-T_1=1.257-0.628\approx0.63\ \mathrm{s}$, 즉 약 0.63초이다.

그림을 보면 $G_2$의 출력이 바로 앞 가산점의 (−)단으로 되돌아오는 내측 단위 부궤환 루프가 있고, 최종 출력 C가 $G_3$을 거쳐 맨 앞 가산점의 (−)단으로 들어오는 외측 부궤환 루프가 있다.
먼저 내측 루프를 하나의 블록으로 합치면 $\dfrac{G_2}{1+G_2}$이고, 앞단의 $G_1$과 직렬이므로 전방 경로 이득은 $G=\dfrac{G_1G_2}{1+G_2}$가 된다.
여기에 궤환 요소 $G_3$을 적용하면 $\dfrac{C}{R}=\dfrac{G}{1+GG_3}=\dfrac{\frac{G_1G_2}{1+G_2}}{1+\frac{G_1G_2G_3}{1+G_2}}$이다.
분모와 분자에 $(1+G_2)$를 곱해 정리하면 전달함수는 $\dfrac{G_1G_2}{1+G_2+G_1G_2G_3}$이다.

평행판 콘덴서의 정전용량은 $C = \dfrac{\varepsilon A}{d}$로 극판 사이 간격 $d$에 반비례한다.
다른 조건은 그대로 두고 간격만 2배로 늘리면 정전용량은 $C' = \dfrac{\varepsilon A}{2d} = \dfrac{1}{2}C$로 처음 값의 절반이 된다.

분류기는 전류계와 병렬로 접속하여 측정범위를 넓히는 저항으로, 전류계에 흐르는 전류와 분류기에 흐르는 전류는 각 저항에 반비례하여 나뉜다.
측정범위를 n배로 확대하려면 전체 전류 $nI_a$ 중 $(n-1)I_a$가 분류기로 흘러야 하며, 전류계와 분류기의 전압강하가 같다는 조건 $I_a r = (n-1)I_a R_s$에서 분류기 저항 $R_s = \dfrac{r}{n-1}$를 얻는다.

그림의 접점 구성은 X 접점과 Z 접점이 직렬로 이어진 줄과 Y 접점 하나만 있는 줄이 병렬로 묶이고, 그 묶음 아래에 다시 Z 접점이 직렬로 연결된 형태다.
병렬로 묶인 부분의 논리식은 $XZ+Y$이고, 그 뒤에 Z가 직렬이므로 전체 논리식은 $(XZ+Y)\cdot Z$가 된다.
이를 전개하면 $XZZ+YZ$이고, 불 대수의 동일법칙 $Z\cdot Z=Z$에 의해 $XZ+YZ$가 되므로 최종적으로 $(X+Y)Z$로 정리된다.

전달함수 $G(s) = \dfrac{s+b}{s+a}$는 극점이 $-a$, 영점이 $-b$에 위치한다.
진상 보상회로가 되려면 영점이 극점보다 원점에 더 가까이 있어야 위상이 앞서게(진상) 되며, 이는 $b < a$, 즉 $a > b$일 때 성립한다.

콜라우시 브리지는 교류를 이용해 전해액이나 축전지 내부저항처럼 분극에 의한 오차가 큰 저항을 측정하는 데 사용되는 브리지이다.
맥스웰 브리지는 인덕턴스 측정에, 휘트스톤 브리지는 일반적인 저항 측정에 쓰이므로 축전지 내부저항 측정에는 적합하지 않다.

필요 열량은 $Q = m \times c \times \Delta T$로 구하며, 물의 비열은 1 kcal/(kg·℃)이다.
물 20ℓ는 20kg이고 온도차는 $60 - 15 = 45$℃이므로 $Q = 20 \times 1 \times 45 = 900$ kcal이다.