[공조냉동기계기사 필기] 24년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

사무실의 일반적인 실내 설계조건은 여름철 26℃·50%, 겨울철 22℃·50% 전후이므로 이 조합이 적합하다.

제2종 환기는 급기팬(기계급기)과 자연배기를 조합해 실내를 양압으로 유지하는 방식이며, 급기팬과 강제배기팬을 모두 사용하는 것은 제1종 환기이므로 이 설명은 틀린 내용이다.

국부저항에서 전압손실은 정압손실에 상류·하류의 동압 변화량을 더한 값이다. 이를 상류 동압 $\dfrac{\rho v_1^2}{2}$ 기준으로 정리하면 $\zeta_T=\zeta_S+1-\left(\dfrac{v_2}{v_1}\right)^2$의 관계가 성립한다.

증기배관에는 유체저항이 작고 응축수가 고이지 않는 게이트밸브(슬루스밸브)를 주로 사용하며, 글로우브밸브는 저항이 크고 구조상 증기배관에 적합하지 않으므로 이 설명은 틀린 내용이다.

현열비(SHF)는 전체 열량(현열+잠열)에 대한 현열량의 비로 정의되므로, 잠열량의 비라는 설명은 반대로 서술되어 틀린 내용이다.

열관류저항 1/K=1/8+0.15/1.4+1/20=0.125+0.107+0.05≈0.282이므로 열관류율 K=1/0.282≈3.5kcal/m²h℃로 정답과 일치한다.

버킷트랩은 부력을 이용하는 기계식 트랩으로 수격작용이 심하거나 과열증기에도 사용할 수 있고 압상능력이 크지만, 구조상 공기 배출이 어렵고 트랩 내 물이 남아 동파 우려가 있는 것이 특징이다.

병원 수술실은 감염 방지가 최우선이므로 공기의 청정도(부유세균·분진 제어)가 가장 중요한 공조 요소이다.

허용 취출온도차는 취출구의 유인성능(유인비), 기류 경로상의 장애물, 천장높이 등에 직접적인 영향을 받으며, 취출속도 자체는 이러한 요인들에 의해 결정되는 결과값에 가까워 직접적인 영향 요소로 보기 어렵다.

대향류이므로 공기 입구(30℃)-물 출구(13℃)의 온도차 17℃와 공기 출구(15℃)-물 입구(10℃)의 온도차 5℃를 이용해 LMTD=(17-5)/ln(17/5)≈9.8℃로 정답과 일치한다.

각층 유닛 방식은 각 층마다 1대 또는 여러 대의 공조기를 분산 배치하는 전공기식 공조방식으로, 층별로 단일덕트 정풍량·변풍량이나 이중덕트 등 여러 덕트방식에 그대로 응용할 수 있고 층별 개별 운전과 부하 대응에 유리하다. 유인 유닛 방식과 팬코일 유닛 방식은 각 실에 유닛을 두는 수-공기식 또는 전수식이고, 복사 냉난방 방식은 패널의 복사열로 실온을 조절하는 방식이라 덕트방식의 적용 대상이 아니다.

아네모스탯형, 팬형, 트로퍼형은 천장 취출구의 대표적인 형식이지만, 유니버셜형은 주로 벽면(측벽)에 설치하는 취출구 형식이므로 천장 취출방식이 아니다.

노점온도까지는 절대습도(수증기량)가 변하지 않는 현열냉각이 이루어지므로 수증기분압은 냉각 도중 일정하게 유지된다.

상대습도가 낮으면 정전기 발생, 인플루엔자 바이러스 생존율 증가, 피부 건조 등이 나타나지만, 곰팡이는 오히려 습도가 높을 때 번식하므로 저습도의 현상으로 보기 어렵다.

복사난방은 실내 평균온도를 낮게 유지하면서도 쾌적감을 얻을 수 있어 동일 방열량에 대한 손실열량이 오히려 작은 것이 특징이므로, 손실열량이 크다는 설명은 틀린 내용이다.

흡입배관경이 작을수록 유속과 마찰손실이 커져 흡입압력이 낮아지면서 공동현상이 발생하기 쉬우며, 배관경이 큰 경우는 오히려 공동현상을 줄이는 조건이므로 이 설명은 틀린 내용이다.

절대습도는 건공기 질량에 대한 수증기 질량의 비이므로 x=2/(100-2)=2/98≈0.02kg/kg′로 정답과 일치한다.

난방부하 계산에서는 인체·조명·기기에서 발생하는 열은 통상 제외하지만, 극간풍으로 유입되는 저온저습 외기에 의한 잠열손실은 실내 손실열량으로 포함시켜야 한다.

$G_e = \dfrac{G(h_2 - h_1)}{2{,}257} = \dfrac{2{,}000\times(2{,}780-84)}{2{,}257} = \dfrac{5{,}392{,}000}{2{,}257} \approx 2{,}389\ \mathrm{kg/h}$. 검산: 상당증발량 기준 열량 2,389 kg/h × 2,257 kJ/kg ≈ 5,392,000 kJ/h로, 실제 흡수열량 2,000×(2,780−84)와 일치.
[근거] 상당증발량 = 실제증발량×(발생증기 엔탈피−급수 엔탈피)/2,257 kJ/kg(100℃ 증발잠열)

$\eta = \dfrac{G(h_2 - h_1)}{B\times H_L} = \dfrac{1{,}500\times(2{,}772-252)}{100\times42{,}000} = \dfrac{3{,}780{,}000}{4{,}200{,}000} = 0.90$, 즉 90%. 검산: 입열 4,200,000 kJ/h의 90%는 3,780,000 kJ/h = 1,500×2,520으로 증기 흡수열량과 일치. 99%는 급수 엔탈피를 무시했을 때 나오는 오답이다.
[근거] 보일러 효율 = 증기 흡수열량 / (연료소비량 × 저위발열량)

냉동은 물질을 얼리는 것에 국한되지 않고 주위보다 낮은 온도로 유지하는 모든 냉각 작용을 포괄하는 개념이므로, 얼리는 것만을 냉동이라고 한다는 설명은 틀린 내용이다.

산소는 냉동기유 등과 반응하면 폭발 위험이 있어 냉동설비의 시운전이나 기밀시험에 사용해서는 안 되는 대표적인 금지 가스이다.

온도식 자동팽창밸브의 감온통은 증발기 출구(흡입관)에 밀착시켜 과열도를 검지하도록 설치하는 것이며 토출관과는 무관하므로, 감온통이 토출관에 밀착되어 작동불량이 발생한다는 설명은 옳지 않다.

난방용 히트펌프의 성적계수는 응축기 방열량을 압축일로 나눈 $COP_H=\dfrac{h_3-h_1}{h_3-h_2}$이다. 분자를 $(h_3-h_2)+(h_2-h_1)$로 나누어 정리하면 $COP_H=1+\dfrac{h_2-h_1}{h_3-h_2}$가 되어 냉동기 성적계수보다 항상 1이 크다.

밀폐계의 가역과정에서 계가 하는 일은 절대일 $W=\displaystyle\int_1^2 P\,dV$로 나타낸다. 압력-체적 선도에서 과정 곡선 아래 면적에 해당하며, $\int V\,dP$는 개방계의 공업일에 쓰이는 식이다.

엘리미네이터, 쿨링어프로치, 쿨링레인지는 냉각탑의 성능을 나타내는 주요 구성·용어이지만, 스워얼은 냉각탑과 직접적인 관련이 없는 용어이다.

대형 다기통 압축기는 흡입·토출 밸브로 링플레이트(환상판) 밸브를 일반적으로 사용하므로 이 설명이 옳다. 압축비가 증가하면 체적효율뿐 아니라 압축효율도 함께 저하되며, 언로더는 무단계가 아닌 단계적 용량제어이고, 2단압축에서 저단측과 고단측의 실제 피스톤 토출량은 서로 다르다.

전도열량 q=λ×Δt/L=0.8×10/0.2=40kcal/m²h로 정답과 일치한다.

공기냉각용 증발기에는 나관코일식(관코일), 핀코일식, 판형 증발기 등이 있으며, 관코일 증발기는 냉장실 등에서 공기를 직접 냉각하는 형식이다. 반면 헤링본식(탱크형) 증발기는 제빙용 브라인 등 액체 냉각용이고, 건식·만액식 셸 앤 튜브 증발기도 물이나 브라인 등 액체를 냉각하는 데 사용된다.

냉동부하 Q=40RT×3320=132,800kcal/h이고, 냉동효과는 증발기 출구엔탈피-입구엔탈피=369-128=241kcal/kg이므로 냉매순환량 G=132800/241≈551kg/h로 정답과 일치한다.

R-717(암모니아)은 가연성 및 독성이 있는 냉매이며, R-744(CO₂), R-718(물), R-502는 불연성 냉매이다.

단열, 무일, 운동·위치에너지 변화가 없는 정상유동에서는 에너지식에 의해 엔탈피가 일정(h₁=h₂)하므로 이상기체의 온도도 변하지 않는다.

계의 경계를 통해 물질과 에너지의 출입이 모두 없는 계는 고립계(isolated system)이다.

카르노 냉동기의 최대 성능계수는 COP=Tc/(Th-Tc)=278/(308-278)=278/30≈9.3으로 정답과 일치한다.

이상 공기냉동사이클(역브레이턴)의 성적계수는 COP=1/[(P₁/P₂)^((k-1)/k)-1]이다. P₁/P₂=2, (k-1)/k=0.2857을 대입하면 2^0.2857≈1.219이므로 COP=1/(1.219-1)≈4.57로 정답과 일치한다.

기체상수 R=8314/M(분자량)이므로 분자량이 가장 작은 수소(M≈2)가 기체상수가 가장 크다.

냉동장치 내 불응축 가스(공기)의 침입 원인을 판단하는 문제다. 1번은 압력이 대기압 이상으로 운전될 경우 저압측에서 공기가 침입한다는 설명인데, 냉동장치의 저압측은 대기압보다 낮아야 정상이므로 이 경우 오히려 내부 가스가 외부로 빠져나간다. 따라서 저압측에서 공기가 침입할 수 없으며, 공기 침입은 고압측에서 누설되거나 장치 내부 압력이 대기압보다 낮아지는 상황에서 발생한다. 2번의 분해·조립 시 잔류 공기, 3번의 축봉장치 패킹 누설부, 4번의 냉매·윤활유 열분해로 인한 가스 발생은 모두 실제 불응축 가스 혼입의 주요 원인이다.

선도에서 d→a, b→c는 등엔트로피 압축·팽창이고 a→b는 정적 가열, c→d는 정적 방열이다. 비열이 일정하므로 $\eta=1-\dfrac{Q_{out}}{Q_{in}}=1-\dfrac{T_c-T_d}{T_b-T_a}$로 나타낼 수 있다.

간극(통극)만 고려한 이론 체적효율은 $\eta_v = 1 - \varepsilon\left\{\left(\dfrac{P_2}{P_1}\right)^{\frac{1}{n}} - 1\right\}$
$8^{\frac{1}{1.5}} = 8^{\frac{2}{3}} = (\sqrt[3]{8})^2 = 2^2 = 4$이므로 $\eta_v = 1 - 0.05 \times (4 - 1) = 1 - 0.15 = 0.85 = 85\%$
[검산] 간극에 남은 가스가 재팽창하는 체적 비율 $0.05 \times 3 = 0.15$, 유효 흡입 비율 $1 - 0.15 = 0.85$ ✓
[근거] 왕복동 압축기 체적효율 식(간극 재팽창 모델)

스크롤 압축기는 고정 스크롤과 선회 스크롤 사이의 초승달 모양 압축실이 중심으로 이동하며 연속적으로 압축하는 방식으로, 흡입-압축-토출이 동시에 연속 진행되므로 토출가스의 맥동이 작다. 흡입·토출밸브가 없어 밸브 손실이 없고, 토크 변동이 작아 진동·소음이 적으며, 부품 수가 적고 효율이 높아 룸에어컨·패키지 등에 널리 쓰인다.
[근거] 스크롤 압축기의 구조·특징(연속 압축, 무밸브, 저진동·저소음)

피드백제어는 외란의 영향 감소, 정확도 개선, 대역폭 증가 등의 효과가 있으나 센서와 비교부 등이 추가되어 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있으므로, 시스템 간소화 및 비용 감소는 피드백의 효과로 볼 수 없다.

조종자 없이 미리 정해진 프로그램에 따라 층수 등의 목표값이 정해지는 엘리베이터의 자동제어는 프로그램제어에 해당한다.

2차저항의 불평형에 의해 발생하며 부하 증가에 따라 주기가 빨라지는 진동성 소음은 슬립비트음이다.

정격전압을 유지한 채 주파수만 낮추면 여자전류가 증가해 자속은 커지지만 역률은 오히려 저하된다.

인버터의 정토크 제어에서는 자속을 일정하게 유지해야 하므로 공급전압과 주파수를 비례관계(V/f 일정)로 제어해야 한다.

유량, 압력, 액위, 농도, 효율 등 플랜트나 생산공정의 상태량을 제어량으로 하는 제어는 프로세스제어이다.

전기자반작용으로 자속이 감소하면 전동기는 오히려 속도가 상승하는 경향을 보이므로, 전동기 속도가 저하된다는 것은 전기자반작용의 일반적 결과와 맞지 않는다.

3상 유도전동기의 속도제어는 슬립 변화, 극수 변화, 주파수 변화에 의한 방법이 대표적이며, 단자전압만을 변화시키는 방법은 일반적인 속도제어 방식으로 사용되지 않는다.

직류전동기의 속도제어 방식에는 전압제어, 저항제어, 계자제어가 있으며, 보기 중에서는 계자제어가 이에 해당한다. 주파수 제어, 극수 변환, 슬립 제어는 교류 유도전동기의 속도제어 방식이다.

정현파 교류의 실효값은 최대값의 1/√2배이다.

AC 서보전동기는 고정자에 90도 위상차를 갖는 2상 권선을 두고 여기에 2상 전압을 인가하여 회전자계를 형성하는 구조이다. AC 서보전동기는 소형·저토크 제어용으로 주로 사용되며 전달함수는 1차 지연요소에 가깝다.

디지털 펄스 신호에 의해 일정 각도씩 회전하는 스텝전동기가 디지털 제어에 적합하다.

반발기동형 전동기는 기동 시 회전자 브러시를 단락시켜 반발전동기로 동작하며, 권선의 접속이나 브러시 위치를 반대로 바꾸어 회전방향을 반전시킬 수 있는 것이 특징이다. 셰이딩코일형은 셰이딩코일이 놓인 위치로 회전방향이 고정되어 역회전이 불가능하고, 분상기동형과 콘덴서기동형은 기동권선이 하나뿐이어서 문제에서 설명한 구조와 다르다.

전류 I=Q/t=600C/600s=1A로 정답과 일치한다.

급기 덕트는 조화된 공기를 실내로 이송하는 과정에서 열손실ㆍ열취득이나 표면 결로가 생기지 않도록 덕트 전체 구간을 보온ㆍ보냉ㆍ방로 목적으로 단열해야 한다.
배기 덕트나 외기 덕트, 배연 덕트는 일반적으로 전 구간 단열이 필수적이지 않으며, 필요한 경우에도 국부적인 방로 처리에 그치는 경우가 많다.

피드백제어는 외란의 영향을 줄일 수 있을 뿐 완전히 없앨 수는 없으므로, 외란의 영향을 받지 않는다는 설명은 틀린 내용이다.

공진주파수 f₀=1/(2π√LC)=1/(2π√(0.1×10×10⁻⁶))=1/(2π×10⁻³)≈159Hz로 정답과 일치한다.

동기속도 Ns=120f/P이므로 극수가 일정할 때 회전자계의 속도는 주파수에 비례한다.

프레온계 냉매는 거의 무색·무취이고 공기보다 무거워 바닥이나 피트 등 낮은 곳에 체류한다. 따라서 하부까지 충분히 환기해야 하며, 대량 누설 시 산소농도가 낮아져 자각 증상 없이 질식할 위험이 있다. 또한 화염·고온 표면에 접촉하면 포스겐 등 유독한 분해가스가 생성될 수 있으므로 화기 접근을 금하고, 밀폐공간 진입 전에는 산소농도(18% 이상)를 확인한다. '공기보다 가벼워 상부 환기만 하면 된다'는 설명이 틀리다.
[근거] 프레온계 냉매의 물성(공기보다 무거움)과 산소결핍·열분해 유독가스 위험

암모니아는 분자량 17로 공기(약 29)보다 가벼워 누설되면 위쪽으로 상승·확산하므로 상부 환기가 유효하다. '공기보다 무거워 바닥에 체류한다'는 설명이 틀리다. 암모니아는 독성(허용농도 25ppm)과 강한 자극취가 있어 누설 감지가 쉽고, 폭발범위 약 15~28%의 가연성 가스이며, 수분 존재 시 동·동합금을 부식시키므로 강관을 사용한다.
[근거] 암모니아 냉매 물성(분자량 17, 폭발범위 15~28%, 독성, 동 부식)

증기난방은 방열기 표면온도가 높아 대류가 강해지므로 실내 상하 온도차가 오히려 큰 편이다. 따라서 상하온도차가 작다는 설명은 증기난방의 특징이 아니다.

체크밸브(역지밸브)는 유체의 압력차에 의해 자동으로 개폐되어 역류를 방지하는 밸브이므로, 수동으로 개폐해야 한다는 설명은 틀린 내용이다.

압력탱크의 필요 최저압력은 최고층 수전까지의 높이에 해당하는 수압, 배관 마찰손실압력, 수전의 필요압력을 합산해 구하며, 급수펌프의 수압 자체는 이 계산에 포함되는 요소가 아니다.

팽창탱크는 최고층 급탕기구보다 5m 이상 높은 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

응축수환수법에 의한 증기난방의 분류는 중력환수식, 기계환수식, 진공환수식으로 나뉘며, 하트포드 환수식은 보일러 주변의 특정 배관법을 가리키는 명칭으로 이 분류 항목에 해당하지 않는다.

수격작용은 배관 내 유속이 급격히 변할 때 발생하므로, 방지를 위해서는 직선배관을 유지하고 급격한 굴곡·분기를 피해야 한다.
오히려 굴곡배관은 압력파의 반사와 충돌을 일으켜 수격작용을 악화시킬 수 있어, 이를 방지법으로 제시한 설명은 옳지 않다.
관내 유속을 낮추고, 밸브나 수전류를 서서히 잠그며, 기구류 가까이에 공기실(에어챔버)을 설치해 충격을 흡수하는 것은 모두 올바른 방지법이다.

축동력 P=(1000×Q×H)/(102×η)이다. Q=60m³/min=1m³/s, H=20m, η=0.6을 대입하면 P=(1000×1×20)/(102×0.6)≈326.8kW로 정답과 일치한다.

펠트는 동물성·식물성 섬유로 만든 유기질 보온재이며, 규조토·암면·탄산마그네슘은 무기질 보온재이다.

주철관은 인성이 낮고 취성이 커서 나사이음이나 용접이음에는 적합하지 않으며 소켓이음 등을 주로 사용하므로, 인성이 풍부해 나사이음과 용접이음에 적합하다는 설명은 틀린 내용이다.

전기절연, 아연도금, 습기 차단은 배관 부식을 방지하는 대표적인 방법이지만, 열처리는 재질의 기계적 성질 개선을 위한 것으로 부식 방지 대책과는 거리가 멀다.

증기는 보일러에서 발생해 스팀헷다(분배기)를 거쳐 증기공급관으로 보내지고, 필요 시 감압밸브에서 압력을 낮춘 뒤 방열기로 공급되는 경로를 따른다.

진공환수식 증기난방의 리프트 피팅에서 1단의 흡상 높이는 1.5m 이내로 제한한다.

우수 수직관은 위생기구의 배수관이나 통기관과 겸용해서는 안 되며 독립적으로 배관해야 하므로, 다른 기구의 배수관과 접속시켜 통기관으로 사용할 수 있다는 설명은 틀린 내용이다.

경질 염화비닐관은 금속관에 비해 열팽창률이 오히려 큰 편이므로, 열팽창률이 작다는 설명은 경질염화비닐관의 특성과 맞지 않는다.

보온재는 열손실을 막기 위한 것이므로 열전도율이 작아야 하며, 열전도율이 클 것이라는 조건은 보온재 선정 기준과 반대되어 틀린 내용이다.

진공환수식은 진공펌프로 관내 공기를 직접 흡인·배출하므로 배관 도중에 별도의 공기빼기 밸브를 설치할 필요가 없다. 이는 중력환수식 등 다른 방식에 해당하는 설명이므로 진공환수식 설명으로는 틀린 내용이다.

고온고압용 배관재료는 장시간 고온에서도 변형에 저항하는 크리프 강도가 커야 하므로, 크리프 강도가 작을 것이라는 조건은 구비조건과 반대되어 틀린 내용이다.

고가탱크식은 옥상 등 높은 곳에 설치한 탱크의 위치수두(중력)로 급수압을 확보하는 방식이며, 탱크 내부에 공기를 압축·가압하여 압력을 유지하는 것은 압력탱크식의 특징이므로 고가탱크식 설명으로는 틀린 내용이다.

끝올림(상향) 구배의 수평관에서 동심 리듀서를 쓰면 관지름이 바뀌는 부분의 관 윗면에 단차가 생겨 공기가 고이는 공기 포켓이 형성된다. 관의 윗면이 일직선이 되도록 편심 리듀서를 윗면 맞춤으로 사용해야 하므로, 동심 리듀서를 사용해야 공기가 고이지 않는다는 설명이 틀리다. 상향 급수식의 수평주관을 선상향 구배로 시공한다는 설명, ㄷ자형 상향 굴곡부 상단에 공기빼기 밸브를 설치한다는 설명, 배관 계통 최저부에 배수 밸브를 설치한다는 설명은 모두 옳은 시공법이다.
[근거] 급수배관 시공 일반 — 상향식 선상향 구배, 공기 포켓 방지용 편심 리듀서(윗면 맞춤), 굴곡부 공기빼기·최저부 배수

급탕 순환 배관은 가는 관(급탕관)과 오는 관(환탕관)이 이어진 밀폐 순환회로이므로, 순환펌프는 물을 건물 높이만큼 밀어 올리는 것이 아니라 순환회로의 마찰손실 수두만 감당하면 된다. 따라서 순환펌프의 양정을 건물 최고층 급탕전까지의 높이 이상으로 정해야 한다는 설명이 틀리다(양정은 순환 배관의 전 마찰손실로 결정). 중력 순환식이 밀도차를 이용해 소규모 설비에 적합하다는 설명, 순환펌프를 온도가 낮아 펌프 보호에 유리한 환탕관에 설치한다는 설명, 리버스 리턴 방식이 각 계통의 배관 길이를 거의 같게 하여 순환 유량을 균등하게 한다는 설명은 모두 옳다.
[근거] 급탕 순환 설계 일반 — 순환펌프 양정=순환 배관 마찰손실 기준(밀폐회로), 환탕관 설치, 역환수 방식