[공조냉동기계기사 필기] 17년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

강도성(세기) 상태량은 물질의 양에 관계없이 일정한 값을 갖는 상태량으로, 온도, 압력, 비체적 등이 이에 해당한다.
체적, 질량, 내부에너지는 물질의 양에 비례해 커지는 종량성(용량성) 상태량이므로 강도성 상태량과는 구분된다.

냉매는 저온에서도 대기압보다 높은 증발압력을 가져야 냉동 계통 누설 시 외부 공기가 침입하지 않으므로, 증발압력이 대기압보다 낮은 것은 바람직한 냉매의 구비조건이 아니다.
응축압력이 지나치게 높지 않고 비열비가 작으며 증발열이 큰 것은 압축동력을 줄이고 냉동효과를 높이는 데 유리한 특성으로, 냉매에 요구되는 바람직한 조건이다.

마찰손실 동력은 출력의 15%이므로 $15 \times 0.15 = 2.25$ kW이다.
1시간(3600초) 동안 발생하는 열량으로 환산하면 $2.25 \times 3600 = 8100$ kJ이 된다.

그림은 하나의 용기가 박막으로 좌우 두 칸으로 나뉘어 왼쪽에 기체 A, 오른쪽에 기체 B가 들어 있는 형태다. 조건은 A가 체적 0.1 m³, 질량 2 kg, B가 체적 0.4 m³, 밀도 1 kg/m³이다.
B의 질량은 $m_B=\rho_B V_B=1\times0.4=0.4\ \mathrm{kg}$이므로, 혼합 후 전체 질량은 $2+0.4=2.4\ \mathrm{kg}$이고 전체 체적은 $0.1+0.4=0.5\ \mathrm{m^3}$이다.
박막이 파열되어 섞여도 질량과 전체 체적은 그대로 보존되므로 혼합 기체의 밀도는 $\rho=\dfrac{m_A+m_B}{V_A+V_B}=\dfrac{2.4}{0.5}=4.8\ \mathrm{kg/m^3}$이다.

정적과정이므로 $Q = \Delta U = m c_v \Delta T$로 계산하며, 먼저 이상기체 상태방정식으로 질량을 구하면 $m = \dfrac{PV}{RT} = \dfrac{1000 \times 0.1}{0.287 \times 523} \approx 0.666$ kg이다.
정적과정에서는 압력과 온도가 비례하므로 $T_2 = T_1 \times \dfrac{P_2}{P_1} = 523 \times \dfrac{0.35}{1} \approx 183$ K로 온도가 낮아진다.
따라서 $Q = m c_v \Delta T = 0.666 \times 0.7165 \times (183 - 523) \approx -162$ kJ로, 음(-)의 부호는 내부에너지가 감소하며 열이 용기 밖으로 빠져나감을 의미하므로 약 162kJ의 열이 용기에서 나간다.

카르노 사이클은 가역 등온팽창, 가역 단열팽창, 가역 등온압축, 가역 단열압축의 네 과정이 순서대로 반복되는 이론적 사이클이다.
열을 받아 등온팽창한 후 단열팽창으로 온도를 낮추고, 등온압축으로 열을 방출한 뒤 단열압축으로 원래 상태로 복귀하는 순서를 따른다.

바닷물로부터 매시간 1800kJ의 열을 공급받아 0.5kW의 출력을 낸다고 하면, 출력을 시간당 열량으로 환산했을 때 $0.5\ \text{kW} \times 3600\ \text{s} = 1800\ \text{kJ/h}$로 공급받은 열량과 정확히 같다.
이는 단 하나의 열원(바닷물)에서 흡수한 열을 전량 일로 바꾸고 아무 열도 버리지 않는다는 것을 의미하는데, 사이클로 작동하는 열기관이 저열원으로의 방열 없이 공급받은 열 전부를 일로 전환하는 것은 불가능하다.
따라서 이 주장은 열효율 100%인 기관을 뜻하며, 켈빈-플랑크 표현에 해당하는 열역학 제2법칙에 위배된다.

밀폐계의 에너지보존(열역학 제1법칙)에 따르면 계에 가해진 열량 중 외부로 한 일을 뺀 나머지가 내부에너지 변화로 저장된다.
$\Delta U = Q - W = 50\ \text{kJ} - 15\ \text{kJ} = 35\ \text{kJ}$
운동에너지 변화가 없다고 가정했으므로 이 값이 곧 내부에너지 변화량이 된다.

급수펌프에서 등엔트로피 압축으로 가정하면 단위질량당 펌프일은 $w_p = v_f (P_2 - P_1)$로 근사할 수 있다.
응축기 출구(20˚C) 포화액 비체적 $v_f = 0.001002\ \text{m}^3/\text{kg}$, 입구압력 $P_1 = 2.339\ \text{kPa}$, 보일러 공급압력 $P_2 = 20000\ \text{kPa}$를 대입한다.
$w_p = 0.001002 \times (20000 - 2.339) \approx 20.04\ \text{kJ/kg}$로 계산된다.

폴리트로프 과정에서 기체가 하는 일은 $W = \dfrac{mR(T_1 - T_2)}{n-1}$로 구할 수 있다.
먼저 압축 후 온도를 구하면 $T_2 = T_1 \left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)^{\frac{n-1}{n}} = 283 \times 3^{0.3/1.3} \approx 364.7\ \text{K}$이다 (여기서 $T_1 = 283\ \text{K}$).
이를 대입하면 $W = \dfrac{3 \times 0.287 \times (283 - 364.7)}{1.3 - 1} \approx -235\ \text{kJ}$로, 압축 과정이므로 공기가 한 일은 음수(외부에서 일을 받음)로 나온다.

열효율 정의로부터 필요한 열공급률을 구하면 $\dot{Q}_{in} = \dfrac{\dot{W}}{\eta} = \dfrac{10000\ \text{kW}}{0.25} = 40000\ \text{kW}$이다.
이를 시간당 열량으로 바꾸면 $40000\ \text{kJ/s} \times 3600\ \text{s/h} = 1.44\times10^{8}\ \text{kJ/h}$가 된다.
연료 발열량 45000kJ/kg으로 나누면 $\dfrac{1.44\times10^{8}}{45000} \approx 3200\ \text{kg/h}$의 연료가 필요하다.

이상기체 상태방정식 $PV = mRT$에서 용기 체적이 일정하므로 $P \propto mT$의 관계가 성립한다.
초기 상태를 $P = \dfrac{mRT}{V}$라 하면, 질량이 3m, 온도가 2T가 된 최종 상태의 압력은 $P' = \dfrac{3m \cdot R \cdot 2T}{V} = 6 \times \dfrac{mRT}{V} = 6P$이다.

그림은 추를 여러 개 올려놓은 피스톤이 아래쪽 가스를 누르고 있는 실린더다. 추를 덜어낼수록 가스에 걸리는 압력이 낮아지는데, 열을 가하는 동시에 추를 덜어내어 가스온도를 일정하게 유지했으므로 이 변화는 이상기체의 등온과정이다.
등온과정에서 기체가 한 일은 $W = P_1 V_1 \ln\dfrac{V_2}{V_1}$ 로 계산한다. 여기서 $P_1 = 300\ \mathrm{kPa}$, $V_1 = 0.05\ \mathrm{m^3}$, $V_2 = 0.2\ \mathrm{m^3}$ 이다.
$W = 300 \times 0.05 \times \ln\dfrac{0.2}{0.05} = 15 \times \ln 4 = 15 \times 1.386 = 20.79\ \mathrm{kJ}$
체적이 4배로 늘어났지만 압력이 반비례로 낮아지므로 일은 체적비가 아니라 체적비의 자연로그에 비례한다는 점이 이 문제의 핵심이다.

비열이 온도의 함수이므로 필요한 열량은 적분으로 구한다: $Q = m\int_{T_1}^{T_2} C\,dT = \int_{293}^{303} (3.594 + 0.0372T)\,dT$
온도는 절대온도이므로 적분구간은 293K에서 303K이며, 질량은 1kg이다.
$Q = 3.594\times(303-293) + \dfrac{0.0372}{2}\times(303^2 - 293^2) \approx 35.94 + 110.86 \approx 147\ \text{kJ}$로 계산된다.

이상기체 상태방정식을 비기체상수 형태로 쓰면 $P = \dfrac{mRT}{V}$이고, 여기서 비기체상수는 $R = \dfrac{R_u}{M} = \dfrac{8.314}{24} \approx 0.3464\ \text{kJ/(kg}\cdot\text{K)}$이다.
온도를 절대온도로 바꾸면 $T = 80 + 273 = 353\ \text{K}$이고, 이를 대입하면 $P = \dfrac{10 \times 0.3464 \times 353}{0.5} \approx 2446\ \text{kPa}$로 계산된다.

증기압축 냉동사이클의 열수지에서 응축기 방열량은 증발기 흡수열량(냉동효과)과 압축일의 합과 같으므로, 냉동효과는 $Q_e = Q_c - W = 5 - 2 = 3\ \text{kW}$이다.
냉동기의 성적계수는 $COP = \dfrac{Q_e}{W} = \dfrac{3}{2} = 1.5$로 계산된다.

오토 사이클의 이론 열효율은 $\eta = 1 - \dfrac{1}{r^{k-1}}$이다 (r: 압축비, k: 비열비).
헬륨($k=1.66$)의 경우 $\eta_{He} = 1 - 10^{-0.66} \approx 0.781$, 공기($k=1.4$)의 경우 $\eta_{air} = 1 - 10^{-0.4} \approx 0.602$이다.
두 값의 비는 $\dfrac{\eta_{He}}{\eta_{air}} \approx \dfrac{0.781}{0.602} \approx 1.298$로 계산된다.

물 2L(2kg)를 20˚C에서 100˚C까지 가열하는데 필요한 열량은 $Q = mc\Delta T = 2 \times 4.18 \times (100-20) = 668.8\ \text{kJ}$이다.
전열기 1kW 중 50%만 유효하게 쓰이므로 유효 가열률은 $1 \times 0.5 = 0.5\ \text{kW} = 0.5\ \text{kJ/s}$이다.
따라서 소요시간은 $t = \dfrac{668.8}{0.5} = 1337.6\ \text{s} \approx 22.3\ \text{min}$으로 계산된다.

카르노 열기관은 고열원에서 열을 받아 일부만 일로 바꾸고 나머지를 저열원으로 방출하는 가역 사이클이다.
가역 사이클에서는 주고받은 열량의 비가 두 열원의 절대온도비와 같으므로, 효율은 $\eta = 1 - \dfrac{Q_L}{Q_H} = 1 - \dfrac{T_{L}}{T_{H}}$의 형태가 된다.
분자와 분모가 뒤바뀌어 고열원 온도를 저열원 온도로 나눈 식이나, 1에서 빼지 않고 더하는 형태의 식은 효율이 음수가 되거나 1을 넘어버리므로 카르노 효율의 정의와 맞지 않는다.

이상기체 상태방정식으로부터 체적은 $V = \dfrac{mRT}{P}$이므로, 두 상태의 비는 $\dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{T_2}{T_1}\times\dfrac{P_1}{P_2}$가 된다.
절대온도로 환산하면 $T_1 = 293\ \text{K}$, $T_2 = 373\ \text{K}$이고, 이를 대입하면 $\dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{373}{293}\times\dfrac{100}{200} \approx 0.64$로 계산되어 최종 체적은 $0.64V$가 된다.

이상적인(카르노) 냉동사이클의 성적계수는 절대온도만으로 $COP = \dfrac{T_L}{T_H - T_L}$로 표현된다.
증발온도와 응축온도를 절대온도로 바꾸면 각각 $T_L = -30+273=243\ \text{K}$, $T_H = 45+273=318\ \text{K}$이다.
$COP = \dfrac{243}{318-243} = \dfrac{243}{75} \approx 3.2$로 계산된다.

흡수식 냉동장치에서 흡수제(주로 LiBr 수용액)는 흡수기에서 냉매증기를 흡수해 묽어진 뒤 재생기로 보내져 열을 받아 냉매를 분리해내고, 다시 진해진 상태로 흡수기로 돌아온다. 즉 흡수제는 흡수기와 재생기(2중효용에서는 고온재생기·저온재생기) 사이만을 순환하며, 그 도중에 용액열교환기를 거쳐 열회수를 하기도 한다.
증발기와 응축기를 지나는 것은 흡수제가 아니라 재생기에서 분리되어 나온 냉매다. 냉매는 응축기에서 액화된 뒤 증발기에서 증발하고 다시 흡수기로 흡수된다.
따라서 흡수기에서 나가 재생기를 거친 뒤 증발기와 응축기까지 지나 흡수기로 되돌아온다고 서술한 경로는 흡수제의 유동방향으로 옳지 않다.

열교환기는 두 유체가 서로 반대 방향으로 흐르는 향류(대향류)형이 같은 방향으로 흐르는 병류형보다 두 유체 간의 온도차를 전 구간에서 더 균일하고 크게 유지할 수 있어 전열성능이 우수하다.
열관류율의 단위는 면적당·온도차당 열량으로 표시되는 $\text{kW/(m}^2\text{}\cdot\text{K)}$이며, 핀은 열전달계수가 낮은 쪽에 부착해 부족한 전열면적을 보완하는 것이 일반적이고, 물때·유막은 전열저항을 늘려 전열작용을 오히려 저하시킨다.

염화칼슘(CaCl₂) 브라인은 식품에 직접 닿으면 유해하므로 실제로는 식품과 격리된 간접 동결방식(브라인이 식품에 직접 닿지 않는 방식)으로 사용하는 것이 원칙이며, 무취라는 점은 맞지만 직접적 동결방법을 이용한다는 설명은 옳지 않다.
에틸렌글리콜은 무색·무취이며 물과 임의 비율로 혼합해 농도 조절이 가능하고, 염화마그네슘 브라인은 염화나트륨 브라인보다 동결점이 낮고 부식성도 작은 편이며, 브라인 부식 방지를 위해서는 공기와의 접촉을 막는 밀폐순환식이 권장된다.

2원(캐스케이드) 냉동장치는 서로 다른 두 냉매를 저온측·고온측 사이클에 각각 사용하고 그 사이를 캐스케이드 응축기로 연결하는 방식으로, 증발온도 -70˚C 이하의 초저온 영역에 적합하다. 저온측에는 고온측보다 비등점이 낮은 냉매를 쓰며, 성적계수도 두 대의 압축기 소비동력을 합쳐 구한다.
저단측 압축기 토출가스를 처리하는 방식은 2단압축과 다르다. 2단압축 사이클에서는 저단과 고단 압축기 사이에 중간냉각기를 두지만, 2원 냉동에서는 저온측 압축기가 토출한 냉매를 캐스케이드 응축기(저온측의 응축기이자 고온측의 증발기)에서 고온측 냉매로 냉각·응축시킨다.
따라서 압축기 출구에 중간냉각기를 설치한다는 설명은 2원 냉동장치에 대한 설명으로 옳지 않다.

응축기가 제거한 열량은 냉각수의 온도 상승으로 나타나므로 $Q = \dot{m}c\Delta T$를 이용해 출구온도를 구한다.
냉각수 유량 40L/min을 시간당 질량유량으로 바꾸면 $40 \times 60 = 2400\ \text{kg/h}$이고, 물의 비열은 약 1kcal/(kg·˚C)이다.
$\Delta T = \dfrac{18000}{2400 \times 1} = 7.5\ \text{˚C}$이므로 출구온도는 $15 + 7.5 = 22.5\ \text{˚C}$가 된다.

공기열원 열펌프가 냉방(실외기가 응축기로 작동)으로 운전될 때, 외기 건구온도가 낮아지면 응축기(실외기)의 방열 조건이 좋아져 응축압력이 낮아진다.
응축압력이 낮아지면 압축비(고압/저압)가 감소하여 압축기가 필요로 하는 압축일이 줄어들고, 결과적으로 장치의 소비전력도 감소한다.

습증기의 비체적은 포화액과 포화증기의 비체적을 건도로 가중평균하여 구한다: $v = v_f + x(v_g - v_f)$
단위를 맞추면 포화액 비체적은 $0.74\ \text{L/kg} = 0.00074\ \text{m}^3/\text{kg}$이고, 포화증기 비체적은 $0.09254\ \text{m}^3/\text{kg}$이다.
건도 $x=0.98$을 대입하면 $v = 0.00074 + 0.98\times(0.09254-0.00074) \approx 0.09070\ \text{m}^3/\text{kg}$로 계산된다.

냉동장치를 가동하기 전 준비 단계에서는 벨트 장력, 압축기 유면 및 냉매량, 각종 밸브의 개폐 상태 등 정지 상태에서 점검 가능한 항목을 확인한다.
반면 윤활유의 순환 상태나 전류계의 지시값은 압축기가 실제로 가동되어야 확인할 수 있는 항목이므로, 이는 운전 준비가 아니라 기동 이후의 운전 중 점검에 해당한다.

2원 냉동장치의 저온측 냉매는 초저온에서도 증발압력이 지나치게 낮아지지 않도록 비등점이 매우 낮은 냉매가 요구된다.
R-14(비등점 약 -128˚C), 에탄(비등점 약 -89˚C), R-32(비등점 약 -52˚C)는 비등점이 충분히 낮아 저온측에 쓰일 수 있지만, R-134a는 비등점이 약 -26˚C로 크게 높아 초저온측에서는 증발압력이 진공에 가까워지므로 저온측 냉매로는 가장 부적합하며 고온측(또는 일반 냉동)에 적합한 냉매다.

그림에 제시된 식은 $\tau = (0.53 \sim 0.6)\dfrac{a^2}{-b}$ 로, 얼음이 소요 두께까지 어는 데 걸리는 시간을 구하는 결빙시간 공식이다.
분자에서 제곱으로 들어가는 $a$는 결빙두께(cm)이다. 두께가 2배가 되면 결빙시간은 약 4배로 늘어나는데, 이미 언 얼음층 자체가 열저항이 되어 두꺼워질수록 열을 빼내기 어려워지기 때문이다.
분모의 $-b$에서 $b$는 브라인온도(℃)이다. 브라인온도는 0℃ 이하의 음수이므로 앞에 음의 부호를 붙여 양수로 만들며, 브라인이 차가울수록(절댓값이 클수록) 분모가 커져 결빙시간이 짧아진다.
브라인유량은 이 식에 들어가지 않는 값이므로, 분자·분모의 자리와 부호만 보아도 두 문자를 구별할 수 있다.

흡수식 냉동기는 흡수제가 저압에서 냉매증기를 흡수(흡수기)했다가 고온의 재생기에서 열을 받아 냉매와 흡수제로 다시 분리되는 과정을 반복하는 사이클로 작동한다.
냉매가 물(H₂O)인 경우에는 흡수제로 리튬브로마이드(LiBr) 수용액을 사용하지만, 냉매가 암모니아(NH₃)인 경우에는 흡수제로 물(H₂O)을 사용하므로, 냉매가 암모니아일 때 흡수제로 LiBr을 쓴다는 설명은 옳지 않다.
LiBr 수용액은 금속 재료에 대한 부식성이 있어 미량의 부식억제제를 첨가하며, 흡수식 냉동기는 압축식에 비해 열효율이 낮고 설치면적을 많이 차지하는 특성이 있다.

선도에 주어진 엔탈피는 $i_1 = 89.0$, $i_2 = 388$, $i_3 = 433$, $i_4 = 399$, $i_5 = 447$, $i_6 = 128\ \mathrm{kcal/kg}$ 이다. 저압선에서 $1 \to 2$ 증발, $2 \to 3$ 저단 압축, 중간압력에서 $3 \to 4$ 중간냉각, $4 \to 5$ 고단 압축, $5 \to 6$ 응축의 2단압축 2단팽창 사이클이다.
먼저 저단측 순환량을 증발기 냉동효과로 구한다. $G_L = \dfrac{55000}{i_2 - i_1} = \dfrac{55000}{388 - 89} = 183.9\ \mathrm{kg/h}$
중간냉각기 열평형을 세운다. 들어오는 것은 저단 토출가스 $G_L i_3$ 와 응축액이 중간압력으로 교축된 액 $G_H i_6$ 이고, 나가는 것은 고단 흡입가스 $G_H i_4$ 와 증발기로 보내는 중간압력 포화액 $G_L i_1$ 이다(교축은 엔탈피가 변하지 않으므로 각각 128, 89 그대로 쓴다).
$G_H = G_L \dfrac{i_3 - i_1}{i_4 - i_6} = 183.9 \times \dfrac{433 - 89}{399 - 128} = 183.9 \times 1.269 = 233.5\ \mathrm{kg/h}$

선도에서 읽은 값은 $h_8 = 102$, $h_6 = 111$, $h_1 = 147$, $h_3 = 151$, $h_2 = h_4 = 157\ \mathrm{kcal/kg}$ 이고, 비체적은 저단 흡입 $v_1 = 0.22\ \mathrm{m^3/kg}$, 고단 흡입 $v_3 = 0.05\ \mathrm{m^3/kg}$ 이다.
저단측 냉매는 증발기에서 $8 \to 1$ 로 증발하므로 냉동효과는 $h_1 - h_8 = 147 - 102 = 45\ \mathrm{kcal/kg}$ 이고, 냉동능력은 $12 \times 3320 = 39840\ \mathrm{kcal/h}$ 이다. 따라서 $G_L = \dfrac{39840}{45} = 885.3\ \mathrm{kg/h}$
피스톤 토출량은 실제 흡입 체적을 체적효율로 나눈 값이다. $V_L = \dfrac{G_L \, v_1}{\eta_v} = \dfrac{885.3 \times 0.22}{0.65} = \dfrac{194.8}{0.65} = 299.7\ \mathrm{m^3/h}$
고단 흡입 비체적 $0.05\ \mathrm{m^3/kg}$ 와 중간냉각기 관련 엔탈피(111, 151, 157)는 고단측 토출량을 구할 때 쓰는 값이므로 저단측 계산에는 필요하지 않다.

왕복동식 냉동기의 고압(응축압력)측 압력이 상승하는 대표적인 원인은 응축기 내로 불응축가스(공기 등)가 혼입되는 경우이다. 불응축가스는 응축되지 않고 응축기 상부에 고여 전열면적을 잠식하고 자신의 분압만큼 응축기 내 전체 압력을 밀어 올린다.
반면 냉각수량이 많거나 수온이 낮으면 응축이 잘 되어 고압이 오히려 낮아지고, 토출밸브 누설이나 냉매량 부족은 압축·순환량을 떨어뜨려 고압을 낮추는 방향으로 작용한다.

증기분사식, 흡수식, 증기압축식 냉동법은 모두 냉매(작동유체)가 저압에서 증발하며 주위로부터 열을 빼앗는 원리를 이용한다.
반면 열전냉동법은 펠티에 효과를 이용해 서로 다른 반도체 접합부에 전류를 흘려 한쪽 면은 냉각, 다른 쪽 면은 발열시키는 방식으로, 증발하기 쉬운 유체의 증발 과정 없이 전기적으로 냉각을 일으킨다는 점에서 나머지 방법들과 원리가 다르다.

냉동배관 내에 공기 등 불응축가스가 섞여 있으면 응축압력이 비정상적으로 높아지고 압축기 토출가스 온도가 상승하는 등 냉동능력 저하와 압축기 과열을 유발한다.
이런 불응축가스만을 선택적으로 계통 밖으로 배출시키는 장치가 가스퍼저(purger)이며, 액-가스 열교환기·여과기·어큐뮬레이터는 각각 다른 목적(과냉각/과열 확보, 이물질 제거, 액백 방지)으로 사용되는 부속기기다.

증발온도가 일정한 상태에서 응축온도가 상승하면 압축비가 커지고, 이에 따라 체적효율은 저하하며 토출가스 온도는 상승한다.
또한 응축온도 상승은 팽창밸브를 지나 증발기로 들어가는 냉매의 엔탈피를 높여 냉동효과(증발기 입출구 엔탈피차)를 감소시키므로, 냉동능력은 증대되는 것이 아니라 오히려 감소한다.

압축기는 증발기에서 흡수한 열량에 압축일을 더한 만큼의 에너지를 냉매가스에 실어 응축기로 보내므로, 응축기가 방출하는 열량은 증발기가 흡수하는 열량보다 압축일만큼 더 크다: $Q_{cond} = Q_{evap} + W_{comp}$
이 밖에 응축기 내 액회수가 원활하지 못하면 유효 전열면적이 줄어 응축압력은 오히려 상승하고, 압축기 토출가스는 과열증기 상태이므로 그 온도가 응축온도보다 높으며, 냉각수는 응축온도보다 낮은 온도로 열을 받아 나가므로 냉각수 출구온도는 응축온도보다 낮다.

냉장실의 냉동부하가 커지면 증발기로 유입되는 열량이 늘어나 냉매가 더 많이 증발하게 되고, 압축기가 이를 즉시 다 흡입·압축하지 못하면 증발압력(저압측)이 상승한다.
동시에 압축기로 흡입·토출되는 냉매의 질량유량이 늘어나면서 응축기로 보내지는 냉매량과 방출해야 할 열량도 증가해 응축압력(고압측) 역시 상승하므로, 저압측과 고압측 압력이 모두 상승하는 방향으로 나타난다.

유리창을 통한 일사취득열량은 태양복사가 유리를 투과·흡수해 실내로 들어오는 열로, 일반적으로 창의 면적, 일사의 세기(일사량), 그리고 유리의 종류·차양 등에 따른 차폐계수(SC)를 곱하여 산정한다.
반면 창의 열관류율(U값)은 실내외 온도차에 의한 전도(관류) 열량을 계산할 때 쓰이는 값으로, 일사에 의한 취득열량 산정에는 직접 관여하지 않는다.

전공기방식은 열매체로 공기만을 사용하여 덕트를 통해 냉난방을 수행하는 방식으로, 저온공조방식(저온급기방식)이 대표적인 전공기방식에 해당한다.
패키지유닛방식은 냉매방식, 유인유닛방식은 1차 공기와 실내 유인공기를 함께 이용하는 공기-수방식, 복사냉난방방식은 냉온수를 이용하는 수방식으로 전공기방식과 구분된다.

냉수코일에서 일반적인 수온 상승은 약 5˚C 정도로 설계하며, 20˚C에 이르는 큰 온도차는 유량 분배나 코일 성능 측면에서 실제 설계 기준과 맞지 않는다.
공기와 냉수의 유동방향을 대향류로 하는 것, 열수를 4~8열로 하는 것, 관내 수속을 1m/s 정도로 하는 것은 모두 통상적인 냉수코일 설계 기준에 부합한다.

평면벽의 정상 전도열량은 $Q=\dfrac{kA\Delta T}{d}$로 계산되며, 이를 온도차에 대해 정리하면 $\Delta T=\dfrac{Qd}{kA}$이다.
주어진 값을 대입하면 $\Delta T=\dfrac{3000\times0.025}{0.2\times10}=37.5$˚C이므로, 외부표면온도는 $415-37.5=377.5$˚C, 즉 약 378˚C가 된다.

다량의 물과 공기가 접촉하면 물의 온도는 거의 변하지 않고, 공기 상태는 습공기선도에서 처음 공기점과 물 온도에 해당하는 포화곡선상의 점을 잇는 직선을 따라 그 포화점 쪽으로 이동한다. 물이 공기보다 온도가 높으면 그 포화점은 처음 공기의 오른쪽 위에 놓인다.
그러므로 옳은 그림은 포화곡선상의 점이 $t_2, x_2$ 로 처음 공기 $t_1, x_1$ 보다 온도와 절대습도가 모두 높고, 변화 후 상태가 두 점을 잇는 직선 위의 $t_3, x_3$ 에 화살표로 표시된 것이다. 즉 $t_1 < t_3 < t_2$, $x_1 < x_3 < x_2$, $h_1 < h_3 < h_2$ 로 가열과 가습이 동시에 일어난다.
나머지 그림들은 포화점이 처음 공기의 왼쪽 아래에 있어 온도와 절대습도가 함께 내려가는 냉각·감습이거나, $h_1 = h_2 = h_3$ 로 엔탈피가 일정한 단열가습(냉각가습) 을 나타내므로 가열가습에 해당하지 않는다.
정리하면 물 온도가 공기의 노점온도보다 낮으면 냉각감습, 습구온도와 같으면 단열가습, 건구온도보다 높으면 가열가습이 된다.

HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터는 미세입자를 매우 높은 효율로 제거할 수 있는 고성능 필터로, 병원 수술실이나 반도체 공장 청정실(clean room)과 같이 고도의 청정도가 요구되는 공간에 사용된다.
백 필터나 롤 필터는 일반 공조용 중저성능 필터이고, 전기 집진기는 전기적 힘으로 입자를 포집하는 방식으로 HEPA 필터와는 원리와 용도가 다르다.

냉각탑의 보급수량은 증발손실, 비산손실, 블로우다운 등을 고려해도 일반적으로 순환수량의 약 2% 내외 수준이며, 15%에 이르는 수치는 실제 설계 기준과 맞지 않는다.
쿨링어프로치를 5˚C 정도로 하는 것, 냉각탑이 응축기에서 얻은 열을 대기 중으로 방출하는 장치라는 것, 쿨링레인지가 냉각수 입·출구의 온도차를 의미한다는 것은 모두 옳은 설명이다.

송풍기와 냉·온수 코일을 유닛 내부에 함께 내장하여 각 실에 설치하고, 기계실에서 냉수 또는 온수를 공급받아 실내공기 상태를 직접 조절하는 기기는 팬코일유닛(FCU)이다.
패키지형 공조기는 냉동기를 내장한 개별 유닛이고, 인덕션 유닛은 1차 공기를 이용해 실내공기를 유인하는 방식이며, 에어핸들링 유닛은 중앙 기계실에 설치되는 대형 공조기라는 점에서 팬코일유닛과 구분된다.

개별방식(패키지 방식 등)은 각 유닛이 독립적으로 냉동사이클을 갖추고 있어 외기냉방을 적용하기가 어려운 것이 일반적인 특성이므로, 외기냉방이 용이하다는 설명은 틀린 내용이다.
개별제어와 국소 운전이 가능하여 부분부하 시 에너지 절약이 되는 점, 대량생산으로 설비비·운전비가 저렴해지는 점은 개별방식의 옳은 특징이다.

습공기의 엔탈피는 $h=1.01t+x(2500+1.85t)$로 계산된다. 여기서 t는 건구온도, x는 절대습도이다.
주어진 값을 대입하면 $h=1.01\times30+0.015\times(2500+1.85\times30)=30.3+0.015\times2555.5\approx68.63$kJ/kg이 된다.

연도를 지나는 배기가스에 물을 분무하여 접촉시키면 가스 중의 공해물질이 물에 흡수·융해·응축되면서 제거되는데, 이러한 방식의 집진장치를 세정식(습식) 집진기라고 한다.
사이클론 집진기는 원심력을 이용하고, 전기 집진기는 정전기력으로 입자를 포집하며, 공기 주입식 역시 물 분무 접촉과는 포집 원리가 다르다.

송풍기의 상사법칙에 따르면 회전속도가 일정할 때 동력은 임펠러 직경의 5제곱에 비례한다.
따라서 직경을 d에서 d1으로 변경하면 동력은 $L_1=\left(\dfrac{d_1}{d}\right)^{5}L$로 나타낼 수 있다.

온풍난방은 보일러나 열원기기에서 가열한 온풍을 덕트나 취출구를 통해 실내로 공급하는 방식으로, 열매체(공기)가 열원과 분리되어 실내에 전달된다는 점에서 간접난방으로 분류된다.
고온수 난방, 저압증기 난방, 복사난방은 온수·증기·방열판 등을 실내에 직접 설치하여 열을 전달하는 방식이므로 직접난방에 해당한다.

그림의 식은 $EDR(\mathrm{m^2}) = \dfrac{Q}{Q_0}$ 이다. 상당방열면적은 실제 방열량을 단위면적당 방열량으로 나눈 값, 즉 "표준상태라면 몇 m²의 방열면적에 해당하는가"를 나타내는 환산 면적이다.
따라서 분자 $Q$는 방열기의 전방열량(W)이고, 분모 $Q_0$는 방열기의 표준방열량(W/m²)이다. 단위가 $\mathrm{W/m^2}$ 로 주어진 것 자체가 면적당 값, 즉 표준방열량임을 알려 준다.
표준방열량은 증기난방이 $756\ \mathrm{W/m^2}$(650 kcal/m²·h), 온수난방이 $523\ \mathrm{W/m^2}$(450 kcal/m²·h)이다. 증발량이나 응축수량은 kg/h 같은 질량유량 단위이므로 $\mathrm{W/m^2}$ 가 될 수 없고, 전방열량은 분자에 놓인 $Q$에 해당한다.

실내 CO2 농도를 유지하는 데 필요한 환기량은 $Q=\dfrac{M}{P_i-P_o}$로 구할 수 있다. 여기서 M은 실내 CO2 발생량, Pi는 허용 실내 CO2 농도, Po는 외기 CO2 농도이다.
10명의 CO2 발생량은 $10\times15=150$L/h이므로 $M=0.15$m³/h이고, $Q=\dfrac{0.15}{0.001-0.0004}=\dfrac{0.15}{0.0006}=250$m³/h가 된다.

덕트 크기를 결정하는 대표적인 방법으로는 등속법, 등마찰법, 정압재취득법이 있으며, 각각 덕트 내 풍속, 단위길이당 마찰손실, 재취득되는 정압을 기준으로 덕트 치수를 산정한다.
등중량법은 실제로 사용되는 덕트 설계법이 아니므로 덕트 크기 결정 방법에 해당하지 않는다.

각층유닛방식에서 외기 처리를 전담하는 별도의 외기용 공조기를 두면 외기 상태를 중앙에서 안정적으로 처리할 수 있으므로, 습도제어가 곤란하다는 설명은 틀린 내용이다.
장치가 각 층으로 세분화되어 설비비가 늘고 기기관리가 불편해지는 점, 층별로 부하와 운전시간이 다른 건물에 적합한 점, 각 층에서 처리하므로 송풍 덕트가 짧아지는 점은 각층유닛방식의 옳은 특징이다.

태양복사열에 의한 취득열은 수분을 동반하지 않는 열이므로 현열부하만으로 나타난다.
인체에서의 발생열은 현열과 잠열(수분 발산)을 함께 포함하고, 침입외기나 틈새바람에 의한 부하는 온도차에 의한 현열뿐 아니라 습도차에 의한 잠열까지 포함하므로 현열부하만 취득하는 경우와는 다르다.

화력발전 과정에서 생산된 전력을 사용하면서, 발전에 수반되어 발생하는 배열(排熱)을 난방 등에 활용하는 방식을 열병합발전(co-generation)이라 한다.
히트펌프나 가스엔진 구동형 히트펌프는 전력이나 연료를 이용해 열을 이동시키는 설비이고, 지열 방식은 지중열을 열원으로 이용하는 방식으로 발전과 열 이용을 동시에 수행하는 열병합발전과는 개념이 다르다.

온풍난방은 공기를 직접 가열하여 취출하므로 예열부하가 작고 예열시간이 짧다는 것이 특징이며, 예열부하가 커서 예열시간이 길다는 설명은 이와 반대되므로 틀린 내용이다.
송풍 동력이 크고 설계가 나쁘면 소음이 전달되기 쉬운 점, 실온과 함께 습도·기류 제어가 가능한 점, 층고가 높을 때 상하 온도차가 커지는 점은 온풍난방의 옳은 특징이다.

배율기의 저항은 $R_m=R_a(m-1)$로 구하며, 여기서 $R_a$는 전압계의 내부저항, m은 배율(측정하고자 하는 전압 ÷ 전압계 최대눈금)이다.
배율은 $m=\dfrac{150}{100}=1.5$이므로, $R_m=5000\times(1.5-1)=2500$Ω이 된다.

부궤환(negative feedback)을 이용한 피드백제어계는 출력을 입력 측으로 되돌려 오차를 보정하므로, 제어계 전체의 대역폭(감대폭)이 증가하는 특성을 갖는다.
피드백제어는 정확성을 오히려 높이고, 계의 특성 변화에 대한 입력 대 출력비의 감도는 감소시킨다. 또한 궤환 경로가 생기면서 발진을 일으켜 불안정해지는 경향이 나타날 수 있으므로, 발진을 일으켜도 저절로 안정된 상태로 되어간다는 설명도 피드백제어의 특징과 맞지 않는다.

전동기에서 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘, 즉 회전방향을 판단할 때는 플레밍의 왼손 법칙을 사용한다.
플레밍의 오른손 법칙은 발전기에서 유도기전력의 방향을 구할 때 사용되며, 렌츠의 법칙과 암페어의 법칙은 각각 전자기 유도와 전류에 의한 자기장을 다루는 법칙으로 회전방향 판단과는 목적이 다르다.

서로 다른 주파수 성분(기본파와 고조파)이 중첩된 전류에서 전체 실효값은 각 성분의 실효값을 제곱하여 합한 뒤 제곱근을 취하는 방식으로 구해진다. 각 성분의 실효값은 최댓값을 $\sqrt{2}$로 나눈 값이다.
따라서 전체 실효값은 $I=\sqrt{\left(\dfrac{I_{m1}}{\sqrt{2}}\right)^{2}+\left(\dfrac{I_{m2}}{\sqrt{2}}\right)^{2}}=\sqrt{\dfrac{I_{m1}^{2}+I_{m2}^{2}}{2}}$로 정리된다.

서보기구는 물체의 위치, 방위, 자세와 같은 기계적 변위를 목표값에 추종시키는 제어계이므로, 제어량은 위치가 된다.
유량은 온도·압력 등과 함께 공정 상태량을 다루는 프로세스제어의 제어량이고, 전압과 주파수는 전기적인 양을 일정하게 유지하는 자동조정의 제어량이므로 서보기구의 대상과는 구분된다.

발열체는 고온에서 산화되지 않아야 오래 사용할 수 있으므로 산화온도가 높아야 하며, 산화온도가 낮을 것이라는 설명은 이와 반대되므로 틀린 내용이다.
내열성이 크고 용융온도가 높으며 고온에서도 기계적 강도를 유지하는 것은 발열체가 갖추어야 할 옳은 조건이다.

2차 저항법은 회전자에 외부 저항을 접속하여 기동특성을 개선하는 방법으로, 회전자 권선에 접근할 수 있는 권선형 유도전동기에서 사용되는 기동법이며 농형 유도전동기에는 적용할 수 없다.
전전압 기동법, 기동보상기법, 리액터 기동법은 모두 고정자 측에서 기동전류를 제한하는 방식으로, 3상 농형 유도전동기에 사용되는 대표적인 기동방법이다.

온도, 유량, 압력, 액위 등 공정 상의 상태량을 제어량으로 하는 제어계를 프로세스제어라 한다.
서보기구는 위치·방위 등 기계적 변위를, 정치제어는 목표값이 시간에 관계없이 일정한 제어를, 샘플값제어는 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링하는 제어를 다루므로 프로세스제어와는 대상이나 방식이 다르다.

서보전동기는 응답속도를 높이기 위해 회전자의 관성을 줄여야 하므로, 전기자 지름을 작게 하는 대신 축 방향으로 전기자의 길이를 길게 하여 필요한 회전력을 얻는다.
속응성이 높은 점, 전기자 지름이 작은 점, 시동·정지·역전을 자주 반복하는 점은 서보전동기의 옳은 특징이며, 축 방향 길이가 짧다는 설명만 실제와 반대된다.

스위치를 단순히 닫거나 여는 동작만으로 제어량을 On/Off 시키는 제어동작을 2위치동작(On-Off 동작)이라 한다.
비례동작, 미분동작, 적분동작은 편차의 크기나 변화율, 누적값에 비례하여 조작량을 연속적으로 변화시키는 동작이므로 단순 개폐 동작인 2위치동작과는 구분된다.

정전용량이 C로 같은 콘덴서 2개를 병렬로 연결하면 합성 정전용량은 $2C$가 되고, 직렬로 연결하면 합성 정전용량은 $\dfrac{C}{2}$가 된다.
따라서 병렬 합성용량은 직렬 합성용량의 $\dfrac{2C}{C/2}=4$배가 된다.

저항체에서 발생하는 전력은 $P=I^{2}R$로 나타나므로, 저항 R이 일정할 때 전류는 전력의 제곱근에 비례한다.
즉 $I=\sqrt{\dfrac{P}{R}}\propto P^{0.5}$의 관계가 성립한다.

2차 입력(공극 전력) $P_2$는 기계적 출력과 $P_2(1-s)=P_{mech}$의 관계를 가지며, 2차 동손은 $P_{c2}=sP_2$로 구해진다. 여기서 기계적 출력 $P_{mech}$는 정격출력에 기계손을 더한 값이다.
기계적 출력은 $10000+200=10200$W이므로 2차 입력은 $P_2=\dfrac{10200}{1-0.04}=10625$W가 되고, 2차 동손은 $P_{c2}=0.04\times10625=425$W가 된다.

그림에서 입력 A와 B는 먼저 위쪽의 AND 게이트로 들어가고, 그 출력이 NOT(인버터)을 지나 $\overline{AB}$ 가 된다. 동시에 A와 B는 아래쪽 OR 게이트에도 함께 들어가 $A+B$ 를 만든다.
이 두 신호가 마지막 AND 게이트에서 곱해져 출력이 되므로 $X = \overline{AB}\,(A+B)$ 이다.
이 식을 드모르간 정리로 풀면 $X = (\overline A + \overline B)(A+B) = A\overline B + \overline A B$ 로, A와 B가 서로 다를 때만 1이 되는 배타적 논리합(XOR) 회로임을 알 수 있다.

그림의 출력은 $t=0$ 에서 계단 모양으로 일정한 크기만큼 즉시 뛰어오른 뒤, 시간에 대해 일정한 기울기의 직선으로 계속 증가하는 형태다. 즉 계단 성분과 램프 성분이 겹쳐진 모양이다.
입력이 단위계단이므로 $t=0$ 에서 곧바로 나타난 계단 성분은 입력에 비례하는 비례 동작이고, 시간에 비례해 쌓여 가는 직선 성분은 입력을 시간에 대해 누적한 적분 동작이다. 출력은 $y(t) = K\left(u(t) + \dfrac{1}{T_i}\int u\,dt\right)$ 꼴이므로 비례 적분 동작이다.
비례 동작만이라면 계단 뒤가 수평선이 되어 기울기가 없고, 미분 동작이 포함되면 $t=0$ 에서 뾰족한 충격 모양이 나타난다. 두 위치 동작은 출력이 두 값 사이를 오가는 사각파여서 그림과 맞지 않는다.

정현파 전압을 인가했을 때 전류의 위상이 전압보다 90˚ 뒤지는 것은 인덕터(코일)에서 나타나는 전형적인 현상이므로, 이 회로의 부하는 유도성이다.
저항 부하는 전압과 전류가 동상이고, 용량성(커패시터) 부하는 전류가 전압보다 90˚ 앞서므로, 전류가 뒤지는 이 경우와는 반대의 위상 관계를 가진다.

미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계가 차례로 진행되는 방식은 시퀀스제어이다. 목표값과 결과를 비교하지 않고 미리 짜인 프로그램(순서)대로 동작을 진행시키는 개회로(open loop) 제어의 대표적인 예이다.
되먹임제어(피드백제어)는 출력을 검출해 목표값과 비교·수정하는 폐회로 제어이고, 서보제어는 위치·방위·자세 등 기계적 변위를 추종시키는 제어, 프로세스제어는 온도·압력·유량 등 공정변수를 제어하는 방식으로 순서 진행과는 개념이 다르다.

서로 다른 두 금속을 접합해 양 접점에 온도차를 주면 기전력(전압)이 발생하는 제벡효과를 이용한 온도-전압 변환장치가 열전대(thermocouple)이다.
전자석은 전류를 자기력으로, 벨로우즈는 압력을 변위로, 광전다이오드는 빛을 전기신호로 변환하는 소자로 온도-전압 변환과는 관계가 없다.

그림은 입력 R이 가산점에서 되돌아온 신호와 만나고, 그 편차가 $G_1$ 을 지나 출력 C가 되며, 출력 C가 $G_2$ 를 거쳐 다시 가산점으로 들어가는 구조다. 가산점의 부호가 음(−)이므로 부(負)피드백이다.
가산점 출력은 $R - CG_2$ 이고 이것이 $G_1$ 을 지나 C가 되므로 $(R - CG_2)G_1 = C$ 이다. 정리하면 $RG_1 = C(1 + G_1G_2)$ 이므로 종합 전달함수는 $\dfrac{C}{R} = \dfrac{G_1}{1 + G_1G_2}$ 이다.
분자는 입력에서 출력까지의 직접 경로 이득 $G_1$ 뿐이고, 분모는 $1 + (\text{루프이득})$ 이며 여기서 루프이득은 $G_1G_2$ 다. 정피드백이면 분모가 $1 - G_1G_2$ 가 되므로 가산점 부호를 반드시 확인해야 한다.

클러치, 전자밸브, 서보전동기는 제어신호를 받아 실제로 대상을 움직이는 조작용 기기이다. 반면 엠플리다인(amplidyne)은 회전형 발전기 구조를 이용한 전력 증폭장치로, 조작부가 아니라 증폭용 기기에 해당한다.

중압 이상 가스수송관의 유량은 $Q = K\sqrt{\dfrac{D^5(P_1^2-P_2^2)}{S \cdot L}}$ 식으로 구하며, 이때 압력은 절대압력을 사용하므로 게이지압력에 대기압(약 1.033kgf/cm²)을 더한다.
$P_1 = 3+1.033 = 4.033,\ P_2 = 2+1.033 = 3.033$ (kgf/cm² abs), $D=30\text{cm}$, $L=500\text{m}$, $S=0.64$로 대입하면 $P_1^2-P_2^2 \approx 7.07$, $D^5=30^5=24{,}300{,}000$이 된다.
$Q = 52.31\sqrt{\dfrac{24{,}300{,}000 \times 7.07}{0.64 \times 500}} \approx 38{,}300\text{m}^3/\text{h}$로 계산되어 약 38317 m³/h에 해당한다.

증기난방의 응축수 환수 방법은 환수관 내 압력 형성 방식에 따라 중력환수식, 기계환수식, 진공환수식으로 분류한다.
‘응축 환수식’은 이러한 분류 체계에 속하는 명칭이 아니므로 응축수 환수 방법에 따른 분류로 볼 수 없다.

압축기와 응축기가 동일한 높이(선상)에 나란히 설치되어 자연 낙차를 이용하기 어려운 경우, 토출가스 배관의 수평관은 가스 흐름 방향(응축기 쪽)으로 1/50의 내림 구배를 주어 오일이 압축기 쪽으로 역류하지 않고 응축기로 원활히 흐르도록 시공한다.

리프트 피팅(lift fitting)은 환수관의 일부 구간에서 응축수를 밀어 올려 수직 상향으로 배출시키는 이음으로, 환수주관보다 낮은 위치의 방열기에서 나온 응축수를 진공펌프의 흡인력으로 끌어올리는 진공 환수식 배관에서 사용한다.
중력환수식은 자연 낙차로만 흐르고, 압력환수식은 증기압으로 밀어내는 방식이라 리프트 피팅이 필요하지 않다.

턴버클(turnbuckle)은 양쪽에 나사가 반대 방향으로 절삭된 부속으로, 이를 돌려 행거에 매달린 배관의 높낮이를 세밀하게 조정할 수 있어 수평관에 상향구배를 자유롭게 맞추는 데 사용된다.
고정 인서트와 앵커는 배관을 구조체에 고정하는 부속이고, 롤러는 신축에 따른 관의 이동을 지지하는 용도로 구배 조정 기능은 없다.

진공브레이커는 배관 내 부압(사이펀) 발생 시 역류·역사이펀 작용을 막아주는 장치로, 수격작용(워터해머)의 방지책과는 관계가 없다. 수격작용이 우려되는 곳에는 에어챔버(공기실)나 수격방지기를 설치하는 것이 적절하다.
나머지 항목들, 즉 공기·오물의 정체 방지, 보수점검용 플랜지(유니언) 설치, 음용수 배관과 다른 용도 배관의 분리는 급수배관 시공의 기본 원칙에 해당한다.