[공조냉동기계산업기사 필기] 17년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

냉난방 과정 설계에는 엔탈피(h)와 절대습도(x)를 축으로 하는 습공기선도, 즉 h-x 선도가 사용된다. 공기의 상태변화(가열, 냉각, 가습, 감습)를 한 선도 위에서 직관적으로 파악할 수 있기 때문이다.

냉각수량은 처리열량을 비열과 온도차로 나누어 구한다. $\dfrac{16380\ \mathrm{kJ/h}}{4.2\ \mathrm{kJ/kg\cdot°C} \times 5{}^\circ\mathrm{C}} = 780\ \mathrm{kg/h}$이며, 이를 분당으로 환산하면 $780 \div 60 = 13\ \mathrm{L/min}$이다.

난방부하의 손실부하는 외벽·유리창·지붕·바닥 등을 통한 관류손실과 틈새바람에 의한 손실을 말한다. 조명기구나 재실자에서 발생하는 열은 오히려 실내에 열을 더해주는 취득열이므로 손실부하에 해당하지 않는다.

난방부하는 냉방부하와 달리 안전측 설계를 위해 인체, 조명 등 실내 발생열을 무시하고 계산하는 것이 일반적이다. 외기온도차가 클수록 냉난방도일은 커지며, 냉방부하 계산에서는 틈새바람 부하도 반영해야 한다.

복사냉난방은 건물 구조체(바닥, 벽, 천장)에 매입한 배관에 냉수·온수를 통해 냉난방하는 방식으로, 천장 높이에 관계없이 적용할 수 있다. 다만 열용량이 커서 부하 변동에 대한 응답이 느리므로 일사나 조명부하가 많아 부하 변동이 큰 방에는 오히려 불리하다.

냉각수를 배관 내부로 흐르게 하고 배관 외부에 물을 살수하여 그 증발잠열로 냉각수를 냉각시키는 방식은 밀폐식(증발식) 냉각탑이다. 냉각수가 외기에 직접 노출되지 않아 대기오염이 심한 곳에서도 냉각수 오염을 줄일 수 있다.

에로핀(aero fin) 중 감아 붙인 핀이 주름진 것은 파형핀이고, 주름이 없는 평면상의 것은 평판핀이라 하므로 이 설명은 명칭이 서로 뒤바뀌어 있어 틀렸다.

공조장치의 용량에 여유를 두더라도 실내외 온도차를 필요 이상으로 크게 하는 것은 재실자의 쾌적성을 해치고 에너지 손실을 늘리므로 바람직하지 않다. 일반적으로 냉방 시 실내외 온도차는 5~7℃ 이내로 제한하는 것이 권장된다.

안정기 부하를 20% 포함한 조명 취득열량은 형광등 정격용량의 합에 1.2를 곱해 구한다. $32\mathrm{W}\times 20 \times 1.2 = 768\ \mathrm{W}$이다.

HEPA 필터와 같은 고성능 필터는 미세입자 하나하나의 개수를 직접 세어 효율을 측정하는 계수법(DOP법)으로 평가한다. 저성능 필터에 쓰이는 중량법이나 중성능 필터에 쓰이는 비색법으로는 정밀도가 부족하다.

대향류형은 물과 공기의 흐름 방향이 서로 반대이고 직교류형은 직각으로 교차하는데, 대향류형은 물과 공기 사이의 온도차(추진력)가 더 크게 유지되어 열교환 효율이 직교류형보다 좋다. 따라서 대향류형의 효율이 직교류형보다 나쁘다는 설명은 틀렸다.

덕트가 좁아지는 구간에서는 연속의 법칙에 따라 풍속이 빨라지므로 동압이 커지고 그만큼 정압은 크게 낮아져 대기압 아래로 내려간다. 다시 넓어지는 구간에서는 풍속이 줄어 동압이 감소하고 정압은 회복되어 올라간다. 전압은 마찰손실과 국부저항 때문에 흐름 방향을 따라 완만하게 계속 낮아지므로, 정압이 축소부에서 급감했다가 확대부에서 되올라가고 전압은 서서히 감소하는 형태가 옳다.

온수난방은 배관 방식에 따라 단관식·복관식, 공급 방향에 따라 상향식·하향식, 순환 방식에 따라 중력식·강제식으로 분류한다. 건식·습식은 증기난방의 환수 방식을 구분하는 용어이므로 온수난방의 분류에 해당하지 않는다.

수관식 보일러는 지름이 작은 드럼과 다수의 수관으로 구성되어 보유수량이 적기 때문에 파열 시 피해가 상대적으로 적다. 보유수량이 커서 파열 시 피해가 크다는 것은 노통연관식 등 원통형 보일러의 특징에 가까우므로 틀린 설명이다.

공기 가열코일에는 증기코일, 온수코일, 전기히터코일 등이 사용된다. 증발코일은 냉매가 증발하며 열을 흡수하는 냉각용 코일이므로 가열코일이 아니다.

중앙식 전공기방식은 공조기가 냉난방 공기를 하나의 계통으로 각 실에 공급하는 방식으로, 실별로 별도의 열원기기를 두는 것이 아니라 덕트를 통해 풍량·온도를 제어하므로 개별제어가 어렵다. 실내공기 오염이 적고 외기냉방이 가능한 것은 맞지만 개별제어는 곤란한 것이 이 방식의 단점이다.

필터 1개가 처리할 수 있는 풍량은 $0.5\ \mathrm{m^2}\times 0.8 \times 1.5\ \mathrm{m/s}\times 60 = 36\ \mathrm{m^3/min}$이다. 필요한 필터 수는 $350 \div 36 \approx 9.7$이므로 10개가 필요하다.

냉각코일 표면온도가 공기의 노점온도보다 높으면 공기 중 수증기가 코일 표면에서 응축되지 않으므로 수분량(절대습도)에는 변화가 없고 냉각만 일어난다(현열냉각).

습공기의 수증기 분압과 그 온도에서의 포화 수증기 분압의 비율로 정의되는 것은 상대습도이다.

온수 방열기의 표준 방열량은 $450\ \mathrm{kcal/m^2 \cdot h}$이며, 이를 W로 환산(1kcal/h=1.163W)하면 $450\times1.163 \approx 523.4\ \mathrm{W/m^2}$이다. 방열면적 10m² EDR에 대한 방열량은 $523.4\times10 \approx 5233\ \mathrm{W}$이다.

열관류율 K와 각 열전달·열전도 저항의 관계식 $\dfrac{1}{K}=\dfrac{1}{\alpha_o}+\dfrac{d}{\lambda}+\dfrac{1}{\alpha_i}$에서 $\dfrac{1}{0.35}=\dfrac{1}{20}+\dfrac{0.1875}{\lambda}+\dfrac{1}{5.4}$이므로 $\dfrac{0.1875}{\lambda}=2.857-0.05-0.185=2.622$, 따라서 $\lambda=\dfrac{0.1875}{2.622}\approx0.072\ \mathrm{W/m\cdot K}$이다.

축열재는 단위체적당 축열량이 크고 화학적으로 안정하며 취급이 쉽고 저렴해야 한다. 열의 저장뿐 아니라 필요할 때 열을 쉽게 방출할 수 있어야 하므로 열의 방출은 어려워야 한다는 조건은 축열재의 요구조건과 반대되어 틀렸다.

등온변화에서 엔트로피 증가량은 $\Delta s = A\,R\,\ln\dfrac{v_2}{v_1}$ (A는 열의 일당량 1/427)으로 구한다. $0.05=\dfrac{29.27}{427}\ln\dfrac{v_1+0.5}{v_1}$에서 $\ln\dfrac{v_1+0.5}{v_1}\approx0.7295$, $\dfrac{v_1+0.5}{v_1}\approx2.074$를 풀면 $v_1\approx0.465\ \mathrm{m^3/kg}$이다.

냉각탑의 용량제어는 수량변화, 공기(풍량)변화, 대수분할 운전 등으로 이루어진다. 슬라이드 밸브 조작은 스크루 압축기 등의 용량제어에 쓰이는 방식으로 냉각탑 용량제어와는 관계가 없다.

염화나트륨, 염화마그네슘, 염화칼슘은 모두 무기질 브라인이다. 에틸렌글리콜은 탄소를 포함한 유기화합물이므로 유기질 브라인에 해당한다.

증발식 응축기는 냉각수를 분무하여 그 증발잠열로 냉매를 응축시키므로 냉각수 사용량이 적고 송풍기·순환펌프가 필요한 구조이다. 대기온도가 같아도 습도가 높으면 물의 증발이 어려워져 응축압력이 높아진다.

얇은 금속판 내부에 브라인이나 냉매를 통하게 하고, 그 금속판 외면에 식품을 밀착시켜 동결시키는 방식은 접촉식 동결장치이다.

이상 냉동사이클의 성적계수는 $COP=\dfrac{T_L}{T_H-T_L}$로 구한다. 절대온도로 환산하면 $T_H=313\ \mathrm{K}$, $T_L=263\ \mathrm{K}$이므로 $COP=\dfrac{263}{313-263}=\dfrac{263}{50}=5.26$이다.

흡수식 냉동기의 용액 사이클은 흡수기에서 나온 농도가 낮은 묽은 용액이 증발압력선상의 점(ⓐ)에서 출발해 용액펌프로 응축압력까지 올라가는 것(ⓑ)으로 시작한다. 이어 재생기에서 가열되어 냉매가 증발하면서 농도가 높아진 진한 용액이 되고(ⓖ), 감압되어 다시 증발압력으로 내려간 뒤(ⓗ) 흡수기에서 냉매증기를 흡수해 처음 농도로 되돌아간다. 즉 저농도 저압에서 저농도 고압, 고농도 고압, 고농도 저압을 차례로 거쳐 닫히는 사이클이다.

진공압력 300mmHg를 kPa로 환산하면 $300\times\dfrac{101.3}{760}\approx40.0\ \mathrm{kPa}$이며, 절대압력은 대기압에서 진공압력을 뺀 값이므로 $101.3-40.0=61.3\ \mathrm{kPa}$이다.

브라인은 열용량이 크고 전열이 좋으며 빙점이 낮고 부식성이 없어야 한다. 점성이 크면 순환 동력손실이 커지고 전열 성능도 나빠지므로 점성은 작아야 하며, 점성이 클 것은 브라인의 구비조건과 반대되어 틀렸다.

15℃ 물 100kg을 0℃ 얼음으로 만드는 데 필요한 열량은 현열과 응고잠열의 합이다. $Q=100\times1\times15 + 100\times80 = 1500+8000=9500\ \mathrm{kcal/h}$이며, 냉동톤으로 환산하면 $9500\div3320\approx2.86\ \mathrm{RT}$이다.

이론 냉동사이클에서 팽창밸브는 등엔탈피 과정(교축)이므로 통과 전후의 냉매 엔탈피는 변하지 않는다. 압축비를 높이면 오히려 냉동능력과 성적계수가 감소하며, 수분이 있는 암모니아는 아연 등을 부식시킨다.

증발온도가 일정한 상태에서 응축온도가 상승하면 압축비와 토출압력이 상승하고 냉동효과(냉동능력)는 감소한다. 압축일량은 압축비 상승에 따라 오히려 증가하므로 압축일량 감소는 나타나지 않는 현상이다.

실제기체는 분자 사이의 인력과 부피의 영향이 작을수록, 즉 압력이 낮고 온도가 높을수록 이상기체 상태방정식에 근사하게 거동한다.

p-h 선도에서 포화증기선(건포화증기선)은 건조도 x=1인 상태를 나타내는 선이므로 그 위의 모든 점의 건조도는 1이다.

선도에서 팽창밸브 출구 2에서 증발기 출구 3까지가 냉매 1kg이 흡수한 냉동효과이므로 $q_e=i_3-i_2$이고, 압축기 입구 3에서 토출 4까지가 압축일이므로 $w=i_4-i_3$이다. 성적계수는 냉동효과를 압축일로 나눈 값이므로 $COP=\dfrac{i_3-i_2}{i_4-i_3}$가 된다.

필요 냉동능력은 $14\ \mathrm{RT}\times3320=46480\ \mathrm{kcal/h}$이며, 냉매 1kg당 냉동량이 270kcal이므로 냉매순환량은 $46480\div270\approx172\ \mathrm{kg/h}$이다.

2원 냉동사이클은 저온측과 고온측에 서로 다른 냉매를 사용해 초저온을 얻는 방식으로, 저온측에는 임계점이 낮은 냉매를, 고온측에는 임계점이 높은 냉매를 사용한다. 이 설명은 저온측·고온측의 임계점 조건이 서로 바뀌어 있어 틀렸다.

응축압력이 표준보다 높아지는 원인은 공기·불응축가스 혼입, 냉각수량 부족, 냉각관 스케일 부착 등이다. 응축수 입구온도가 저하하면 오히려 응축이 촉진되어 응축압력이 낮아지므로 이는 응축압력 상승 원인이 아니다.

가스미터는 온습도가 급변하지 않고 부식성 물질과 접촉하지 않으며 전기설비와 충분한 거리를 두고 설치해야 한다. 건물의 주요 구조부(기초, 지하실 벽, 보, 기둥 등)를 관통하여 설치하는 것은 금지되어 있으므로 틀린 설명이다.

급탕배관 시공 시에는 배관 구배, 재료 선택, 관의 신축 대책을 고려해야 한다. 관내 유체의 물리적 성질은 유체(온수) 자체의 특성이지 배관 시공 자체의 주요 고려사항과는 거리가 멀다.

냉매배관에서 액관은 응축기에서 나온 액냉매가 수액기를 거쳐 팽창밸브에 이르는 구간이며, 그 중 응축기와 수액기 사이의 배관이 액관에 해당한다.

배수트랩에는 드럼트랩, P트랩, S트랩 등이 있다. 버킷 트랩, 벨로스 트랩, 디스크 트랩은 증기트랩의 종류이므로 배수트랩이 아니다.

저탕조 하부에는 온수를 내보내는 급수관, 배수관, 가열에 사용된 증기의 환수관 등이 부착된다. 버너는 보일러 본체에 설치되는 연소장치이지 저탕조 하부의 배관 부속품이 아니다.

냉온수 배관이 보·천장·바닥 등 구조체를 관통할 때는 슬리브를 설치해 배관의 신축을 흡수하고 보호해야 하며, 배관이 크게 굽어지는 주관의 굽힘부에는 엘보 대신 곡률이 완만한 벤드(곡관)를 사용해 저항을 줄인다.

대구경 강관을 보수·점검을 위해 쉽게 분해·결합할 수 있도록 하는 접합법은 플랜지 접합이다.

배관 도시기호에서 관 속을 흐르는 유체의 종류는 인출선 위에 영문 약자로 적으며, 물은 Water의 머리글자 W로 표시한다. 공기는 A, 기름은 O, 증기는 S로 나타내므로 약자만 보고 구분할 수 있다.

냉동장치 토출배관은 관의 합류를 T이음보다 Y이음으로 하고, 압축기 정지 중 응축냉매의 역류를 방지하며, 여러 대 병렬운전 시 가스충돌에 의한 진동을 막아야 한다. 압축기에서 입상된 토출관의 수평 부분은 응축기 쪽으로 하향 구배(끝내림 구배)를 주어야 하므로 응축기 쪽으로 상향 구배라는 설명은 틀렸다.

가스 공급 설비에는 가스홀더, 압송기(압축기), 정압기 등이 포함된다. 정적기는 일반적인 가스 공급 설비 용어에 해당하지 않는다.

관 내경 27.6mm의 유동단면적은 $\dfrac{\pi}{4}\times0.0276^2\approx5.98\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}$이다. 유량 30L/min을 $5\times10^{-4}\ \mathrm{m^3/s}$로 환산해 유속을 구하면 $v=\dfrac{5\times10^{-4}}{5.98\times10^{-4}}\approx0.84\ \mathrm{m/s}$이다.

복관 중력환수식 증기난방에서 증기 주관은 증기 흐름 방향으로 관내 응축수가 원활히 흘러내리도록 1/200 정도의 선단 하향 구배를 준다.

냉온수 배관 시공 시에는 배관 계통의 공기가 정체되지 않도록 공기체류 장소에 공기빼기밸브를 설치해야 한다. 신축이음이나 팽창관은 온도변화에 의한 체적팽창·배관 신축을 흡수하기 위한 것이며, 물을 자주 교체하는 것은 오히려 부식과 스케일 발생을 늘려 바람직하지 않다.

강관의 접합에는 나사접합, 플랜지접합, 용접접합 등이 사용된다. 압축접합은 강관보다는 동관 등 연질관에 쓰이는 접합법으로 강관의 일반적 접합방법에 해당하지 않는다.

배관용 탄소강관(SPP)을 비롯한 강관의 호칭경(呼稱徑)은 관의 내경을 기준으로 표시한다.

공기조화기의 냉각코일 내를 흐르는 냉수의 적정 유속은 관 부식과 소음, 마찰손실을 고려해 약 1m/s 전후로 설계한다.

냉매배관 시공에서는 팽창밸브 부근 배관을 최대한 짧게 하고 지나친 압력강하를 방지해야 하며, 암모니아 배관의 이음 패킹재료로는 내암모니아성이 있는 천연고무를 사용하는 것이 맞다. 두 개의 입상관을 사용할 때 오일 회수를 위한 트랩은 오히려 가능한 한 작게 만들어야 하므로 되도록 크게 한다는 설명이 틀렸다.

복사난방은 바닥이나 벽·천장의 표면온도를 이용하는 난방으로 실내의 열환경을 평균복사온도로 평가한다. 온수난방은 현열, 증기난방은 잠열(응축잠열)을 이용하며 팽창탱크는 온수난방에 쓰이는 부속품이므로 복사난방-평균복사온도의 연결만 옳다.

관을 도중에 분기시키는 데 사용되는 부속품에는 티(T), 와이(Y), 크로스(cross)가 있다. 엘보(elbow)는 배관의 방향을 바꾸는 데 사용하는 부속품으로 분기용이 아니다.

펌프 주위 배관에서는 흡입관 길이를 짧게 하고 펌프를 향해 약간의 올림 구배를 주며, 흡입측에는 진공계, 토출측에는 압력계를 설치한다. 체크밸브는 역류 방지를 위해 토출측에, 유량 조절용 글로브(게이트) 밸브는 흡입·토출 양측에 두는 것이 일반적이므로 토출측에 글로브 밸브, 흡입측에 체크밸브만 둔다는 설명은 틀렸다.

전류 $I=\dfrac{V}{R}$에서 전압이 일정한 채 저항이 10% 감소하면 $R'=0.9R$이므로 전류는 $I'=\dfrac{V}{0.9R}=\dfrac{I}{0.9}\approx1.11I$, 즉 처음 전류의 약 1.11배가 된다.

3상 유도전동기의 입력은 $P_{in}=\dfrac{P_{out}}{\eta}=\dfrac{5\times746}{0.8}\approx4663\ \mathrm{W}$이며, 전류는 $I=\dfrac{P_{in}}{\sqrt3\,V\cos\theta}=\dfrac{4663}{\sqrt3\times220\times0.9}\approx13.6\ \mathrm{A}$이다.

추종제어는 목푯값이 시간에 따라 임의로 변화하는 방위, 위치, 자세 등을 제어량으로 하는 서보기구이다. 유량은 일반적으로 프로세스제어(정치제어)의 제어량이므로 추종제어에 속하지 않는다.

시퀀스 제어는 미리 정해진 순서에 따라 각 단계가 차례로 진행되는 제어로, 시간지연요소와 논리회로, 기계적 계전기 접점이 함께 사용된다. 각 접점이 정해진 순서와 조건에 따라 동작할 뿐 전체 접점이 동시에 동작하는 것은 아니므로 이 설명이 틀렸다.

비례(P)제어는 조작량이 편차에 비례하므로 부하가 변하면 목푯값과 제어량 사이에 오프셋(잔류편차)이 남는다. 적분동작이 포함된 제어(적분제어, 비례적분제어, 비례적분미분제어)는 이 잔류편차를 없앨 수 있다.

전기력선은 양전하에서 나와 음전하에서 끝나는 연속곡선으로 그 접선 방향이 전계 방향이며, 한 점에서 전계 방향은 하나뿐이므로 서로 교차하지 않는다. 따라서 전기력선은 서로 교차한다는 설명이 틀렸다.

단위 피드백이므로 궤환요소가 1이고 가합점에서의 편차는 $R(s)-C(s)$이다. 출력은 $C(s)=G(s)\{R(s)-C(s)\}$이므로 정리하면 $C(s)\{1+G(s)\}=G(s)R(s)$가 되어, 전달함수는 $\dfrac{C(s)}{R(s)}=\dfrac{G(s)}{1+G(s)}$이다.

그림에서 입력 $R$은 이득 3인 블록을 지난 뒤 가산점에서 출력 $C$를 빼고, 그 편차가 $A$로 들어가 출력이 되므로 $C=A(3R-C)$가 성립한다. $R=5$, $C=3$을 대입하면 $3=A(3\times 5-3)=12A$이므로 $A=\dfrac{3}{12}=\dfrac{1}{4}$이다.

피드백 제어계에서 제어요소는 조절부와 조작부로 구성되어 동작신호를 조작량으로 변환해 제어대상에 인가하는 요소이다.

계측기를 선택할 때는 정확성, 신속성, 신뢰성 등을 고려해야 한다. 배율성은 계측기 선정의 일반적 고려 항목이 아니다.

제시된 그래프는 t=a 이전에는 0이고 t=a 이후에는 1이 되는 계단함수로, 원점에서 시작하는 단위계단함수 U(t)가 a만큼 오른쪽(시간 지연 방향)으로 이동한 형태이다. 시간축상에서 오른쪽으로 a만큼 지연된 함수는 U(t-a)로 표시한다.

전력선, 전기기기 등에서 이상상태(과전류, 지락, 단락 등)를 검출해 사고 확산을 막고 기기를 보호하기 위해 사용되는 것은 보호계전기이다.

목푯값이 다른 물리량과 일정한 비율 관계를 가지고 변화하는 제어는 비율제어이다.

서보 전동기는 제어신호(조작신호)에 따라 실제 제어대상을 움직이는 조작기기에 해당한다.

전달함수는 모든 초기값(초기조건)을 0으로 가정한 상태에서 출력의 라플라스 변환과 입력의 라플라스 변환의 비로 정의한다.

R-L-C 직렬회로에서 리액턴스 성분이 상쇄되어 임피던스가 순저항이 될 때 전압과 전류가 동상이 되며, 이는 유도리액턴스와 용량리액턴스가 같아지는 공진조건 $\omega L=\dfrac{1}{\omega C}$, 즉 $\omega^2 LC=1$일 때 성립한다.

변위를 전압으로 변환하는 소자에는 전위차계(포텐셔미터), 차동변압기 등이 있다. 측온저항체는 온도를 저항 변화로 변환하는 소자이므로 변위-전압 변환장치가 아니다.

이 문항은 실제 시험에서 전항정답으로 처리된 문항입니다. 출제 오류로 판단되어 어느 선택지를 골라도 정답으로 인정되었습니다. 여기서는 채점을 위해 한 선택지만 정답으로 두었으니, 다른 것을 고르셨더라도 틀린 판단이 아닙니다.
전향경로는 $G_1G_2G_3$ 하나뿐이고, 되먹임 루프는 $G_3$ 출력에서 $H_1$을 거쳐 $G_2$ 앞으로 돌아오는 $-G_2G_3H_1$과 $G_2$ 출력에서 $H_2$를 거쳐 $G_1$ 앞으로 돌아오는 $-G_1G_2H_2$ 두 개이다. 두 루프가 $G_2$를 공유해 서로 접촉하므로 비접촉 항이 없어 $\dfrac{C(s)}{R(s)}=\dfrac{G_1G_2G_3}{1+G_1G_2H_2+G_2G_3H_1}$이 된다.

회전자 입력이 10kW이고 슬립이 4%이면 기계적 출력은 입력에서 슬립에 해당하는 손실을 뺀 값으로 $P_{out}=P_2(1-s)=10\times(1-0.04)=9.6\ \mathrm{kW}$이다.

제동비 ζ가 0에 가까워질수록 진동에 대한 감쇠가 거의 사라져 응답이 오래 진동하며 좀처럼 정착하지 않으므로, 계가 안정 상태에 도달하기까지의 정정시간이 길어져 결과적으로 응답속도가 늦어진다고 본다.