[공조냉동기계산업기사 필기] 22년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

중앙식 공기조화기는 냉각·가열코일, 가습기, 에어필터, 재열기, 송풍기 등으로 구성되어 실내로 보내는 공기를 처리하는 장치이다. 오일필터는 보일러나 냉동기의 연료·냉동기유 계통에 쓰이는 부품으로 공기조화기 구성요소가 아니다.

온수난방 배관은 관 내에 공기가 정체되지 않도록 배관 최저부에 배수밸브를 두고 전체적으로 하향구배로 시공해야 한다. 각 방열기에는 반드시 공기배출기를 부착해야 하며, 팽창관에는 온수가 안전하게 팽창할 수 있도록 밸브를 설치하지 않고, 관지름이 바뀌는 곳에는 편심이음쇠를 사용해 공기가 고이지 않게 한다.

보일러의 정격출력은 실제 난방에 필요한 난방부하와 급탕부하 외에 배관에서 발생하는 손실부하, 그리고 가동 초기 예열에 소요되는 예열부하까지 모두 합산하여 결정한다. 따라서 정격출력은 난방부하, 급탕부하, 배관손실부하, 예열부하의 합으로 나타낸다.

공조 덕트는 주덕트 내 풍속을 기준으로 저속덕트와 고속덕트로 구분하며, 통상 15m/s를 경계로 그 이하이면 저속덕트, 그 이상이면 고속덕트로 분류한다.

취출구의 유인비(R)는 취출구에서 나오는 1차 공기가 실내 공기(2차 공기)를 얼마나 끌어들이는지를 나타내는 값으로, 1차 공기량과 2차 공기량을 합한 전체 공기량을 1차 공기량으로 나눈 값으로 정의된다.

아스펙트비는 사각덕트 단면의 장변과 단변의 비율(장변/단변)로 정의되며, 이 값이 1에 가까울수록 정사각형에 가까워 마찰손실과 재료 사용 면에서 유리하다.

감습장치에는 온도를 낮춰 수분을 응축시키는 냉각식, 실리카겔 등으로 수분을 흡착하는 흡착식, 흡수액으로 수분을 흡수하는 흡수식 등이 있다. 가열은 상대습도를 낮출 뿐 공기 중 절대습도(수분량) 자체를 줄이는 감습작용이 아니므로 감습장치에 해당하지 않는다.

공기의 감습에는 냉각 감습, 압축 후 냉각하여 수분을 응축시키는 압축 감습, 흡수액을 이용하는 흡수식 감습 등이 쓰인다. 전열교환기는 급기와 배기 사이에서 현열과 잠열을 함께 회수하는 환기 열회수 장치이지 별도의 감습장치가 아니다.

주철제 보일러는 여러 개의 섹션을 조립하여 만들어지므로 필요에 따라 섹션 수를 증감시켜 용량을 조절할 수 있다. 따라서 능력이 부족할 때 섹션을 늘릴 수 없다는 설명은 옳지 않다.

복사난방은 실내 벽면·바닥 등의 복사열로 실내를 데우는 방식으로 실온 분포가 균일하고 상하 온도차가 작아 난방방식 중 쾌감도가 가장 우수하다. 증기난방은 대류가 주된 열전달 방식이고, 온수난방과 증기난방은 배관을 통해 방열기로 직접 열을 전달하는 직접난방에 속한다.

전공기 방식은 냉동·가열된 공기만으로 실내부하를 처리하는 방식으로 정풍량 단일덕트, 변풍량 단일덕트, 2중덕트 방식 등이 해당한다. 유인유닛 방식은 1차 공기와 실내 공기를 유닛에서 혼합하며 냉온수 배관을 함께 사용하는 공기-수 방식이므로 전공기 방식이 아니다.

분지덕트의 풍량을 조정할 때는 두 개의 판이 반대 방향으로 움직이며 유로를 개폐하는 스플릿댐퍼를 분기부에 설치하여 분지풍량을 조절한다.

극간풍량(틈새바람)은 환기횟수법, 창문 등 개구부 길이당 풍량을 이용하는 창문길이법, 재실인원이나 사용빈도를 기준으로 하는 방법 등으로 추정한다. DOP법은 에어필터의 포집효율을 시험하는 방법으로 극간풍량 산정법이 아니다.

절탄기, 과열기, 재열기는 배기가스나 증기의 여열을 회수해 보일러 열효율을 높이는 부속장치이다. 저수위 차단기는 보일러 수위가 낮아졌을 때 연료 공급을 차단하는 안전장치로 열효율 향상과는 관계가 없다.

송풍기의 특성은 풍량, 압력(전압·정압), 축동력, 효율 등으로 표시되는 특성곡선으로 나타낸다. 재질은 송풍기의 재료 선택 문제일 뿐 송풍기의 성능(특성)을 나타내는 요소가 아니다.

고속덕트는 마찰손실을 감수하는 대신 덕트 단면을 줄이기 위해 주덕트 풍속을 보통 15m/s 이상의 높은 값으로 설계하므로, 고속덕트에서 주덕트 풍속을 10~15m/s로 취한다는 설명은 저속덕트에 해당하는 값이라 틀린 설명이다.

전공기방식에는 멀티존 유닛방식, 각층 유닛방식, 변풍량 2중덕트 방식 등이 있다. 유인유닛방식은 1차 공기와 실내공기, 냉온수를 함께 사용하는 공기-수 방식이므로 전공기방식에 해당하지 않는다.

실내부하는 인체·조명·기기 발열이나 틈새로 들어오는 외기열처럼 실내에서 직접 발생하는 열이고, 장치부하는 덕트에서의 손실·취득열처럼 공조기와 덕트 계통에서 생기는 열이다. 펌프동력에서 발생하는 취득열은 냉온수 배관 계통(열원설비측)에서 발생하는 열로 실내부하나 장치부하가 아니라 열원부하로 분류된다.

전열교환기의 급기측 온도효율은 (급기 출구온도-외기온도)/(배기온도-외기온도)로 계산한다. $\dfrac{14-2}{22-2}=\dfrac{12}{20}=0.6$이므로 온도효율은 약 60%가 된다.

덕트 치수를 그대로 두고 풍량만 늘리면 덕트 내 풍속이 풍량에 비례해 증가하고, 마찰손실은 풍속의 제곱에 비례한다. 풍량이 1.2배가 되면 마찰손실은 $1.2^2=1.44$배로 증가한다.

흡수식 냉동기는 재생기(발생기)에서 냉매(물)와 흡수제(LiBr) 용액을 가열해 냉매를 분리시키는 방식으로, 압축기 대신 증기나 온수 등의 열원을 구동에너지로 사용할 수 있다. 따라서 수증기를 열원으로 냉방에 이용할 수 있는 것은 흡수식 냉동기이다.

폴리트로픽 변화 $PV^n=C$에서 지수 n이 특정 값일 때 각각의 상태변화가 된다. n=0이면 $PV^0=P=C$로 압력이 일정한 정압변화가 되고, n=1은 등온변화, n=k(비열비)는 단열변화, n이 매우 커지면 정적변화에 해당한다.

액관에서 플래시가스가 발생하는 것은 냉매액이 관 도중에서 압력이 크게 떨어질 때 나타나는 현상이다. 솔레노이드밸브나 스트레이너가 오물로 막히거나 액관 구경이 유량에 비해 작으면 그 부분에서 급격한 압력강하가 생겨 냉매 일부가 기화되면서 플래시가스가 발생한다.

피스톤 압출량은 $V=\dfrac{\pi}{4}D^2 \times L \times N \times R \times 60$으로 구한다(D: 내경, L: 행정, N: 기통수, R: 분당회전수). $D=0.07\,\mathrm{m}$, $L=0.06\,\mathrm{m}$, $N=8$, $R=1800\,\mathrm{rpm}$을 대입하면 $V\approx199\,\mathrm{m^3/h}$가 되어 정답과 일치한다.

항공기 재료의 내한성능을 시험하려면 짧은 시간에 낮은 온도까지 신속하게 도달시킬 수 있는 압축식 냉동장치가 적합하며, 이러한 저온 시험설비에는 왕복형 압축식 냉동기가 널리 사용된다.

습압축은 압축기 흡입 냉매가 포화증기선 왼쪽의 습증기 상태여서 압축이 습증기 구역 안에서 진행되고 토출 상태가 포화증기선 부근에서 끝나는 사이클이다. p-h 선도에서 압축선의 시작점이 포화증기선 안쪽에 있고 끝점이 포화증기선에 닿는 것이 이에 해당하며, 압축선이 포화증기선을 넘어 오른쪽 과열구역까지 뻗은 것은 건압축(과열압축)이다.

공기의 흐름과 냉매의 흐름 방향은 서로 마주보는 대향류(향류)일 때 온도차가 고르게 유지되어 전열효과가 가장 좋고, 같은 방향으로 흐르는 평행류가 오히려 전열에 불리하다. 따라서 평행류일 때 전열작용이 좋다는 설명은 옳지 않다.

흡수식 냉동기는 압축기 대신 재생기·흡수기 등 부피가 큰 열교환 장치들로 구성되어 소용량보다는 대용량 공조·산업용 냉방에 적합하다.

냉동기유는 압축기 습동부의 윤활작용, 실린더의 냉각작용, 축봉부의 밀봉작용 등을 담당한다. 수분을 제거하는 제습작용은 냉동기유의 역할이 아니며, 오히려 냉동기유에 수분이 섞이면 윤활 성능이 떨어진다.

냉각관 내면에 물때(스케일)가 부착되면 열전달 저항이 커져 같은 냉각수량과 입구수온 조건에서도 응축이 잘 이루어지지 않아 응축압력이 상승한다.

열역학 제1법칙은 열과 일이 서로 형태만 바뀔 뿐 전체 에너지의 총량은 보존된다는 에너지 보존의 원리를 나타낸 법칙이다.

물이 잃은 열량은 $Q=m \times c \times \Delta t = 6000\,\mathrm{kg/h} \times 4.18\,\mathrm{kJ/kg\cdot K} \times 5\,\mathrm{K} = 125400\,\mathrm{kJ/h}$이다(유량 100L/min을 kg/h로 환산하면 6000kg/h). 냉매 순환량은 이 열량을 냉동효과로 나눈 값이므로 $\dfrac{125400}{125}\approx 1000\,\mathrm{kg/h}$가 된다.

1냉동톤(RT)은 0℃의 물 1ton(1000kg)을 24시간 동안 0℃의 얼음으로 만드는 데 제거해야 하는 열량으로 정의된다.

프레온 냉매는 수분과 직접 반응하지는 않지만, 계통에 수분이 혼입되면 고온부인 압축기 토출 배관 등에서 냉매 중의 동(구리) 성분이 용해되었다가 재석출되는 동부착(구리 도금) 현상이 나타날 수 있다.

냉동장치를 장기간 정지할 때는 냉매를 수액기 등에 회수하고 냉각수는 완전히 배출하며 밸브류를 잘 잠가 누설을 막는 등의 조치가 필요하다. 냉매를 장치 내에 잔류시킨 채 압력을 진공으로 유지하면 오히려 공기·수분이 침입할 위험이 있으므로 옳은 조치가 아니다.

외부로부터 에너지 공급 없이 계 자신의 내부에너지를 소모해 외부에 일을 했다면 내부에너지 변화량은 그 일의 양만큼 감소한다. 열의 일당량 $1\,\mathrm{kcal}=427\,\mathrm{kg\cdot m}$를 이용하면 $\dfrac{2135}{427}\approx 5\,\mathrm{kcal}$이므로 내부에너지는 약 5kcal 감소한다.

제빙 운전은 냉수를 만드는 운전보다 낮은 증발온도에서 이루어지므로 압축비가 커져 오히려 성적계수(COP)가 낮아지고 소비동력이 더 많이 든다. 따라서 증발온도가 낮아 COP가 높아지고 소비동력이 20~30% 감소한다는 설명은 잘못된 것이다.

공냉식 응축기는 냉매의 열을 공기에 직접 방출시켜 응축시키므로 별도의 냉각수 배관이나 배수설비가 필요 없어 소형 프레온계 냉동기에 많이 쓰인다.

냉동 성적계수는 냉동효과를 압축일로 나눈 값이다. 냉동효과는 증발기 출구 엔탈피에서 팽창밸브 직전(과냉각된) 엔탈피를 뺀 $615-452=163\,\mathrm{kJ/kg}$이고, 압축일은 압축기 출구와 입구 엔탈피 차인 $667-615=52\,\mathrm{kJ/kg}$이므로 성적계수는 $\dfrac{163}{52}\approx 3.13$이다.

LiBr 용액의 결정은 흡수기 내 용액이 지나치게 냉각되거나 재생기에서 과도하게 농축되는 등 용액 농도가 급격히 높아질 때 발생하며, 정전 등으로 급정지 후 희석운전을 하지 않아도 결정이 생길 수 있다. 증발기의 냉수 출구온도가 설정값보다 높아지는 것은 오히려 부하가 큰 상태로 결정 발생과는 거리가 먼 원인이다.

강관의 스케줄 번호는 $\text{Sch No}=10\times\dfrac{P}{S}$로 계산한다(P: 사용압력 $\mathrm{kg/cm^2}$, S: 허용응력 $\mathrm{kg/mm^2}$). $P=70$, $S=35$를 대입하면 $10\times\dfrac{70}{35}=20$이 된다.

관 이음 방식은 이음부에 붙이는 기호로 구분하며, 용접 이음은 이음점에 굵은 점을 찍어 나타낸다. 따라서 엘보의 양 끝 이음부에 점이 찍힌 것이 용접식 엘보이고, 십자 모양이 붙은 것은 나사식, 종 모양이나 겹선이 붙은 것은 턱걸이식·플랜지식이다.

증기의 열을 이용해 온수를 만드는 장치는 증기와 물 사이에 열을 전달하는 열교환기이며, 증기보일러에서 생산한 증기로 급탕용이나 난방용 온수를 만들 때 사용한다.

배수트랩의 봉수 깊이는 보통 50~100mm 범위로 두는 것이 적당하며, 지나치게 깊게 하면 오히려 트랩 내에 오물이 쌓이기 쉽고 배수 저항도 커진다. 따라서 봉수깊이를 가능한 한 깊게 한다는 설명은 옳지 않다.

글로브밸브는 유체가 밸브 내부에서 S자 형태로 굴곡져 흐르므로 완전히 열어도 유동저항이 커서, 슬루스밸브·버터플라이밸브·볼밸브에 비해 저항손실이 가장 크다.

배수관 청소구는 배수 수직관의 최하단부, 수평 주관과 수평 분기관의 분기점, 배관이 45˚ 이상 방향을 전환하는 곳 등에 설치한다. 길이가 긴 배수 수평관에는 관경이 100A 이하이면 15m 이내, 100A 이상이면 30m 이내마다 청소구를 두므로 100A 이상 배관에 10m마다 설치한다는 설명은 틀렸다.

배관 내면의 침식은 유속(수속), 사용시간(경과 연수), 물속에 섞인 부유물질 등의 영향을 크게 받는다. 배관계에서 발생하는 소음은 침식 자체의 원인이라기보다 결과적 현상에 가까워 침식에 미치는 영향은 크지 않다.

상향식 급탕배관에서는 급탕관을 선상향(끝으로 갈수록 올라가는) 구배로 시공해 공기가 배관 최상부로 빠지도록 해야 하므로, 앞내림 구배로 한다는 설명은 옳지 않다.

상향 복관환수식 온수난방에서는 공급관은 위로 갈수록 올라가는 선상향 구배로, 환수관(복귀관)은 유하하기 쉽도록 하향구배로 시공한다. 따라서 공급관, 복귀관 모두 하향구배를 준다는 설명은 틀렸다.

배수관에 U자 트랩을 설치하면 트랩 내에 봉수가 고여 배수관과 실내 사이를 막아주므로, 하수구에서 발생하는 유독가스나 악취가 실내로 역류해 들어오는 것을 막을 수 있다.

배관 내 유속이 갑자기 정지될 때 발생하는 수격압력은 유속에 비례해 커지며, 실무적으로 유속 1m/s당 약 14kg/cm² 정도의 압력 상승이 발생한다고 본다. 따라서 유속이 1m/s일 때 수격작용에 의한 압력은 약 14kg/cm²가 된다.

배수관에 트랩을 설치하는 주된 목적은 봉수로 배수관을 막아 하수관에서 올라오는 악취와 유해가스가 실내로 역류하는 것을 방지하기 위해서이다.

도시가스 등 가스 배관에는 내압성과 시공성이 좋은 강관이 일반적으로 많이 사용된다.

사용온도 350℃ 이하, 사용압력 10~100kg/cm² 범위의 보일러 증기관·수압관·유압관 등에는 압력배관용 탄소강 강관을 사용한다.

광명단 도료, 산화철 도료, 알루미늄 도료는 금속 표면의 부식(녹)을 막는 방청도료로 쓰인다. 수성도료는 실내 마감이나 미장용으로 주로 쓰이며 방청 목적의 도료는 아니다.

통기관은 배수의 흐름을 원활히 하고 트랩의 봉수를 보호하기 위해 대기와 연결되는 관으로, 내부에 물이나 증기가 계속 흐르지 않아 동결이나 열손실을 걱정할 필요가 없으므로 보온을 하지 않아도 된다.

증발기가 응축기보다 낮은 위치에 있으면 압축기가 정지했을 때 응축기 쪽의 냉매액이 중력에 의해 액관을 타고 증발기로 흘러내릴 수 있다. 액관에 2m 이상의 역루프를 두면 이러한 냉매액의 역류를 막아 재기동 시 액압축(리퀴드백)을 방지할 수 있다.

급탕배관이 벽이나 바닥을 관통할 때 슬리브를 미리 설치해 두면 배관이 슬리브 안에서 자유롭게 신축할 수 있고, 필요할 때 배관을 빼내어 수리·교체하는 보수 작업도 쉬워진다.

버터플라이밸브는 원판형 디스크를 회전시켜 유량을 조절하는 밸브로 구조가 간단해 설치공간이 작고 가벼우며 유량조절도 가능하지만, 디스크와 시트 사이의 기밀 유지 성능이 상대적으로 낮아 고압 배관의 완전한 차단용으로는 적합하지 않다.

브레이스는 펌프·압축기의 운전 진동이나 수격작용, 지진 등에 의한 배관의 흔들림과 충격을 흡수·억제하기 위해 설치하는 방진·내진용 지지장치이다.

농형 유도전동기의 대표적인 기동법에는 전전압(직입)기동, 리액터기동, 기동보상기법, Y-Δ기동법 등이 있다. Y-Y기동법이라는 방식은 없으므로 기동법에 해당하지 않는다.

근궤적은 이득 K를 0에서 무한대까지 변화시킬 때 특성방정식 $1+KG(s)H(s)=0$의 근이 그리는 자취이다. K가 0이면 근은 개루프 전달함수의 극점과 일치하고 K가 무한대로 커지면 영점으로 수렴하므로, 근궤적은 극점에서 출발하여 영점에서 종착한다.

기전력 E와 내부저항 r가 직렬이고 R 양단 전압이 V이므로, 내부저항에 걸리는 전압은 $E-V$이고 회로 전류는 $I=\dfrac{E-V}{r}=\dfrac{V}{R}$이다. 이를 R에 대해 풀면 $R=\dfrac{V}{E-V}\,r$이다.

3상 유도전동기는 고정자에 인가되는 3상 전원의 상순(회전자계 방향)에 의해 회전방향이 결정된다. 3선 중 임의의 2선을 서로 바꿔 접속하면 상순이 반대로 되어 회전자계 방향이 바뀌므로 전동기의 회전방향이 반대가 된다.

직류전동기의 속도제어법 중 전압제어법은 전기자에 가하는 전압 자체를 넓은 범위에서 변화시켜 속도를 조절하므로 광범위한 속도제어가 가능하고, 저항손실이 적어 운전효율도 좋다.

제어에서 목표값은 제어계가 최종적으로 도달하고자 하는 희망 값을 말한다. 보일러 온도를 70℃로 일정하게 유지하려는 것이므로 이 제어계의 목표값은 70℃이다.

상전압과 선간전압의 크기가 같은 것은 Δ(델타)결선이므로, 이 문제의 3상 전원은 Δ결선으로 상전압과 선간전압이 220V로 같은 상태이다. 대칭 3상 전원에서는 세 상전압의 합이 항상 0이 되므로, A상 권선이 단선되더라도 남은 두 상전압의 벡터합에 의해 개방된 단자 사이의 전압은 원래의 상전압과 같은 크기인 220V로 유지된다.

Δ결선일 때 각 상에는 선간전압이 그대로 걸리지만, Y결선으로 바꾸면 각 상에 걸리는 전압이 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$배로 줄어든다. 전류는 전압에 비례하므로 결과적으로 1차 기동전류는 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}\times\dfrac{1}{\sqrt{3}}=\dfrac{1}{3}$로 감소한다.

2Ω과 4Ω이 병렬이므로 전전류 12A는 각 저항값에 반비례하여 나뉜다. $I_1=12\times\dfrac{4}{2+4}=8\,\mathrm{A}$, $I_2=12\times\dfrac{2}{2+4}=4\,\mathrm{A}$이며, 두 전류의 합이 12A로 검산된다.

서보기구는 목표치(위치·방향·자세 등)가 시간에 따라 임의로 변화할 수 있고 그 변화에 추종하도록 구성된 폐루프(피드백) 제어시스템이다. 따라서 목표치가 광범위하게 변화할 수 있다는 것이 서보기구의 특징을 잘 나타낸다.

가동코일형 계측기는 영구자석이 만드는 자계 속에 코일을 두고 코일에 흐르는 전류와 자계 사이의 전자력(플레밍 왼손법칙)으로 지침을 움직이는 구조로, 직류 전용 회로에 사용된다.

직류발전기의 전기자 반작용은 중성축의 이동, 주자속 감소, 그로 인한 유기기전력 감소 등의 영향을 일으킨다. 절연내력의 저하는 전기자 반작용의 직접적인 영향에 해당하지 않는다.

시퀀스제어는 정해진 순서에 따라 각 단계의 제어동작이 차례로 진행되는 제어 방식으로, 조합논리회로나 시간지연요소도 함께 사용될 수 있고 결과에 따라 다음 동작이 자동으로 이행된다. 계통의 모든 스위치가 동시에 동작한다는 설명은 순차적으로 진행되는 시퀀스제어의 특성과 맞지 않아 옳지 않다.

5Ω 저항 5개를 직렬로 연결하면 합성저항은 $5\times5=25\,\Omega$이고, 병렬로 연결하면 $\dfrac{5}{5}=1\,\Omega$이 된다. 따라서 직렬 합성저항은 병렬 합성저항의 $\dfrac{25}{1}=25$배가 된다.

소비전력은 $P=VI$로 구하므로, $P=200\,\mathrm{V}\times0.1\,\mathrm{A}=20\,\mathrm{W}$가 된다.

전압계 내부저항 $R_v$와 전원 내부저항 r이 직렬로 전압을 분배하므로 측정전압은 $V=E\times\dfrac{R_v}{R_v+r}$이다. 두 조건 $50=E\times\dfrac{250}{250+r}$, $100=E\times\dfrac{1000}{1000+r}$을 연립하면 $r=500\,\Omega$, $E=150\,\mathrm{V}$로 계산되어 기전력은 150V이다.

주어진 함수는 $F(s)=\dfrac{1}{s+1}$이고, 지수함수의 라플라스 변환이 $\mathcal{L}[e^{-at}]=\dfrac{1}{s+a}$이므로 $a=1$인 경우에 해당한다. 따라서 역변환은 $e^{-t}$이다.

R-L-C 직렬회로의 임피던스는 $Z=R+j\left(\omega L-\dfrac{1}{\omega C}\right)$이며, 전류가 최대가 되려면 리액턴스 성분이 0이 되어 임피던스가 저항 R만 남는 공진 상태여야 한다. 이때 유도리액턴스와 용량리액턴스가 같아지는 조건 $\omega L=\dfrac{1}{\omega C}$, 즉 $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}$을 만족해야 한다.

자기유지회로는 기동용 푸시버튼과 병렬로 그 릴레이 자신의 a접점을 접속해, 버튼에서 손을 떼어 신호가 사라져도 이미 여자된 릴레이의 a접점을 통해 스스로 전류경로를 유지시키는 회로이다.

Y-Δ기동법으로 기동하면 전동기 1차 기동전류는 전전압(직입)기동 전류의 $\dfrac{1}{3}$로 줄어든다. 전전압 기동전류가 66A이므로 Y-Δ기동전류는 $66\times\dfrac{1}{3}=22\,\mathrm{A}$가 된다.