공조냉동기계/기사/필기/기초이론_260511

공조냉동기계기사 필기는 총 4개 단원으로 구성되어 있습니다.

1. 에너지관리 (구 열역학 포함)
2. 공기조화
3. 냉동제조
4. 배관일반 및 전기제어

🧊 [1단원: 에너지관리] 핵심 암기 포인트 10선

1. 열역학 제0법칙 (열평형의 법칙):
   • 두 물체가 각각 제3의 물체와 열평형 상태에 있으면, 그 두 물체도 서로 열평형 상태에 있다는 법칙입니다. (온도계의 원리)
2. 열역학 제1법칙 (에너지 보존의 법칙):
   • 에너지는 소멸되지 않고 형태만 변합니다. Q = ΔU + AW (가한 열량 = 내부 에너지 변화 + 외부로 한 일).
3. 열역학 제2법칙 (엔트로피의 법칙):
   • 열은 고온에서 저온으로 흐르며, 스스로 저온에서 고온으로 흐를 수 없습니다. 모든 자연 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어납니다.
4. 이상기체 상태방정식:
   • PV = nRT (또는 Pv = RT). CFD 해석의 가장 기본이 되는 압력, 부피, 온도의 상관관계식입니다.
5. 보일-샤를의 법칙:
   • 온도가 일정할 때 부피는 압력에 반비례하고, 압력이 일정할 때 부피는 절대온도에 비례합니다.
6. 엔탈피(Enthalpy, H):
   • 어떤 물질이 가지고 있는 총 열에너지입니다. H = U + PV (내부 에너지 + 유동 일).
7. 카르노 사이클(Carnot Cycle):
   • 두 개의 가역 등온 과정과 두 개의 가역 단열 과정으로 이루어진 이상적인 사이클입니다. 효율은 오직 높은 온도(T_1)와 낮은 온도(T_2)에 의해서만 결정됩니다.
8. 비열(Specific Heat):
   • 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량입니다. 정적비열(C_v)과 정압비열(C_p)이 있으며, 기체의 경우 항상 C_p > C_v입니다.
9. 단열 과정 (Adiabatic Process):
   • 외부와의 열 교환 없이 상태가 변하는 과정입니다. PV^κ = Const.(여기서 κ는 비열비).
10. 줄-톰슨 효과 (Joule-Thomson Effect):
    • 실제 기체가 교축 과정(Throttling)을 거치며 압력이 급격히 떨어질 때 온도가 변하는 현상입니다. (냉동기 팽창 밸브의 원리)

 

 

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Q1. 열역학 제0법칙이 정의하는 물리량은 무엇인가?

① 에너지

② 온도

③ 엔트로피

④ 압력

[정답] ② [해설] 열역학 제0법칙은 '열평형의 법칙'으로, 물체 사이의 열적 평형 상태를 통해 온도의 개념을 정립하는 기초가 됩니다.

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Q2. 절대 온도 300K, 압력 100kPa에서 기체 상수가 0.287 kJ/kg·K인 공기의 비체적(m³/kg)은 약 얼마인가?

① 0.431

② 0.861

③ 1.250

④ 2.870

[정답] ② [해설] 이상기체 상태방정식 Pv = RT에서 v = RT / P입니다.

v = (0.287 × 300) / 100 = 0.861 m³/kg

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Q3. 가역 단열 과정에서 일정하게 유지되는 상태량은 무엇인가?

① 온도

② 압력

③ 엔트로피

④ 내부 에너지

[정답] ③ [해설] 가역 단열 과정은 외부와의 열 교환(dQ=0)이 없는 가역 변화이므로 엔트로피 변화가 없는 '등엔트로피 과정'입니다.

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Q4. 카르노 사이클의 효율을 높이는 방법으로 가장 적절한 것은?

① 고온부의 온도를 낮춘다.

② 저온부의 온도를 높인다.

③ 저온부의 온도를 낮춘다.

④ 작동 유체의 양을 늘린다.

[정답] ③ [해설] 카르노 효율 η = 1 - (T_low / T_high)입니다. 따라서 고온부 온도(T_high)를 높이거나 저온부 온도(T_low)를 낮출수록 효율이 상승합니다.

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Q5. 증기를 좁은 구멍을 통해 급격히 팽창시킬 때 엔탈피가 변하지 않는 과정은?

① 교축 과정

② 단열 압축 과정

③ 등온 팽창 과정

④ 정적 수열 과정

[정답] ① [해설] 교축(Throttling) 과정은 외부와 열교환 및 일이 없다고 가정하므로 전후의 엔탈피가 동일한 '등엔탈피 과정'입니다.

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Q6. 비열비(k = Cp / Cv)에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 항상 1보다 작다.

② 항상 1보다 크다.

③ 물질의 상태에 따라 1이 될 수 있다.

④ 온도가 올라가면 항상 감소한다.

[정답] ② [해설] 정압비열(Cp)은 항상 정적비열(Cv)보다 크기 때문에 비열비(k)는 항상 1보다 큰 값을 가집니다.

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Q7. 에너지의 질(Quality)을 평가하는 척도가 되며 비가역 변화일수록 증가하는 값은?

① 엔탈피

② 내부 에너지

③ 엔트로피

④ 엑서지

[정답] ③ [해설] 엔트로피는 우주의 무질서도를 나타내며, 비가역 과정이 진행될수록 항상 증가하여 에너지의 유효성(질)이 저하됨을 의미합니다.

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Q8. 이상기체의 내부 에너지는 무엇만의 함수인가?

① 압력

② 체적

③ 온도

④ 밀도

[정답] ③ [해설] 줄(Joule)의 법칙에 따르면, 이상기체의 내부 에너지와 엔탈피는 오직 절대 온도(T)에 의해서만 결정됩니다.

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Q9. 이상기체가 정압 변화를 할 때 외부에 한 일(W)은?

① 0

② P(V2 - V1)

③ V(P2 - P1)

④ PV ln(V2/V1)

[정답] ② [해설] 일 W = ∫P dV에서 압력 P가 일정하므로 W = P × ΔV = P(V2 - V1)이 됩니다.

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Q10. 다음 중 강성적 상태량(Intensive property)이 아닌 것은?

① 온도

② 압력

③ 밀도

④ 엔트로피

[정답] ④ [해설] 강성적 상태량은 물질의 양과 관계없는 성질(온도, 압력 등)이며, 엔트로피는 물질의 양에 비례하는 종량적(Extensive) 상태량입니다. (단, 비엔트로피는 강성적임)

 

 

🌬️ [2단원: 공기조화] 핵심 암기 포인트 10선

1. 습공기의 구성:
   • 습공기 = 건조공기(Dry Air) + 수증기(Water Vapor). CFD 해석 시 다상 유동(Multiphase)의 기초가 되는 개념입니다.
2. 현열(Sensible Heat) vs 잠열(Latent Heat):
   • 현열: 상태 변화 없이 온도만 변할 때 필요한 열.
   • 잠열: 온도 변화 없이 상태만(증발, 응축) 변할 때 필요한 열.
3. 노점 온도 (Dew Point Temperature):
   • 공기 중의 수증기가 응축되기 시작하는 온도. 상대습도가 100%가 되는 지점입니다.
4. 현열비 (SHF, Sensible Heat Factor):
   • $SHF = \frac{\text{현열량}}{\text{전열량(현열+잠열)}}$. 공조 설계에서 실내 부하의 특성을 나타내는 중요한 지표입니다.
5. 바이패스 팩터 (BF, Bypass Factor):
   • 냉각 코일을 통과하는 공기 중 코일 표면과 접촉하지 않고 그대로 통과하는 공기의 비율입니다. 효율적인 열교환기 설계를 위해 낮을수록 좋습니다.
6. 공기조화 방식의 분류:
   • 전공기 방식: 단일덕트, 이중덕트, 멀티존 방식 (환기 성능 우수).
   • 전수 방식: 팬코일 유닛(FCU) 방식 (개별 제어 용이, 덕트 공간 불필요).
   • 물-공기 방식: 유인 유닛(Induction Unit) 방식.
7. 난방 부하와 냉방 부하:
   • 냉방 부하: 벽체 관류열, 유리 투과 일사열, 인체 발열, 조명 발열, 기기 발열, 극간풍(Infiltration) 등.
   • 난방 부하: 인체/조명 발열 등은 부하 경감 요소이므로 설계 시 보통 제외합니다.
8. 환기 횟수:
   • $\text{환기 횟수}(N) = \frac{\text{시간당 환기량}(Q)}{\text{실내 용적}(V)}$. 실내 청정도 유지를 위한 기준입니다.
9. 취출구의 종류:
   • 베인형, 아네모스타트형(확산형), 팬형 등. 기류의 도달거리(Throw)와 강하(Drop)가 CFD 해석의 단골 주제입니다.
10. 공기정화장치 (필터):
    • 중량법(거친 먼지), 계수법(미세 먼지), 변색법(연기 등)으로 효율을 측정합니다.

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✍️ [2단원: 공기조화] 실전 대비 문제 10선

1. 습공기를 가열하면 변하지 않는 상태량은 무엇인가?

• 정답: 절대습도 (가열만 할 경우 수증기량 자체는 변하지 않음)

2. 실내 현열부하가 8,000 W, 잠열부하가 2,000 W일 때 현열비(SHF)는?

• 정답: 0.8 (8,000 / (8,000 + 2,000) = 0.8)

3. 상대습도 100%인 공기에서 일치하지 않는 온도는?

• 정답: 없음 (상대습도 100%에서는 건구온도 = 습구온도 = 노점온도가 모두 같음)

4. 다음 중 냉방 부하 계산 시 고려하지 않아도 되는 것은?

• 정답: 벽체를 통한 하향 전도열 (냉방 시에는 외부에서 내부로 열이 들어오므로 상향/수평 전도를 고려)

5. 전공기 방식 중 부하 변동에 따라 송풍량을 조절하여 에너지를 절감하는 방식은?

• 정답: 변풍량(VAV) 방식

6. 덕트 내 풍속을 측정할 때 사용하는 기구는?

• 정답: 피토관 (Pitot tube)

7. 공기조화기(AHU)의 구성 요소가 아닌 것은?

• 정답: 압축기 (압축기는 냉동기 구성 요소임. AHU에는 코일, 필터, 송풍기 등이 포함됨)

8. 습공기 선도에서 등엔탈피선과 거의 평행하게 나타나는 선은?

• 정답: 등습구온도선

9. 보일러의 용량 표시 중 '상당증발량'의 기준 온도는?

• 정답: 100℃ (100 ℃ 의 물을 100 ℃ 의 증기로 바꿈)

10. 냉방 부하 중 '현열'만 발생하는 부하는?

• 정답: 유리 투과 일사열, 벽체 전도열 (인체 발열이나 극간풍은 습기가 포함되어 잠열도 발생함)

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1. 현열부하, 잠열부하의 정의

• 현열부하 (Sensible Heat Load):
  • 정의: 실내의 온도만 높이는 열량입니다. 이 열을 제거하면 실내 온도가 내려갑니다.
  • 예시: 벽이나 유리를 통해 들어오는 태열, 조명에서 나오는 열, 기계(컴퓨터 등)에서 발생하는 열.
• 잠열부하 (Latent Heat Load):
  • 정의: 실내 온도는 변화시키지 않고 습도(수증기량)만 높이는 열량입니다. 이 습기를 제거하려면 수증기를 물로 응축시켜야 하므로 열(잠열)이 필요합니다.
  • 예시: 인체의 땀이나 호흡을 통해 배출되는 수증기, 실내 식물, 요리 시 발생하는 증기, 틈새바람으로 들어오는 습기.

2. 건구온도, 습구온도, 노점온도의 정의 (CFD 경계 조건의 핵심!)

• 건구온도 (Dry-Bulb Temp., DB):
  • 정의: 일반 온도계로 측정한 공기의 온도입니다. 공기 중의 습도와 상관없이 공기 자체의 열상태를 나타냅니다.
• 습구온도 (Wet-Bulb Temp., WB):
  • 정의: 온도계의 구부(감온부)를 물에 적신 천으로 감싸고 공기를 유통시켜 측정한 온도입니다. 물이 증발하면서 열을 빼앗아가므로(증발냉각) 보통 건구온도보다 낮습니다. 공기가 건조할수록 증발이 잘 되어 습구온도가 더 많이 내려갑니다.
• 노점온도 (Dew Point Temp., DP):
  • 정의: 공기를 냉각시킬 때, 공기 중의 수증기가 더 이상 버티지 못하고 물방울로 응축(결로)되기 시작하는 온도입니다. 이 온도에서는 상대습도가 100%가 됩니다.

3. 전공기 방식의 정의

• 정의: 실내의 냉방, 난방, 환기를 위해 필요한 모든 열량(부하)을 오직 '공기'만을 반송 매체로 사용하여 처리하는 방식입니다.
• 구조: 중앙 공기조화기(AHU)에서 만든 찬 공기나 더운 공기를 덕트를 통해 실내로 보내줍니다.
• 특징: 환기 성능이 우수하고 개별 제어가 가능하지만, 대량의 공기를 보내야 하므로 덕트 공간이 많이 필요합니다. (단일덕트, 변풍량 방식 등이 해당됨)

4. 공기조화기(AHU)의 내부 구조 및 도식도

요청하신 공기조화기의 코일, 필터, 송풍기 조합 구조를 이해하기 쉽게 도식화한 이미지입니다. <image_12.png>를 보시면 왼쪽에서 외부 공기(OA)와 환기(RA)가 섞여 필터(Mixed Air Filter)를 통해 거러집니다. 그 후 냉각/가열 코일(Cooling/Heating Coils)을 지나며 온도와 습도가 조절되고, 가습기(Humidifier)를 거쳐 최종적으로 송풍기(Supply Fan)에 의해 실내(SA)로 공급되는 계통을 한눈에 보실 수 있습니다.

5. 상당증발량의 정의

• 정의: 보일러의 능력을 표시하는 방법의 하나로, 보일러가 실제로 발생시킨 증기량을 '100℃의 물을 100℃의 증기'로 바꾸는 데 필요한 열량으로 환산한 값입니다.
• 이유: 보일러마다 급수 온도와 증기 압력이 달라 단순히 증기 발생량만으로는 능력을 비교하기 어렵기 때문에, 표준적인 상태(100℃, 대기압)를 기준으로 통일하여 비교하기 위한 개념입니다.

6. 인체 발열 vs 극간풍 (왜 극간풍에 습기가 있을까?)

• 인체 발열: 말씀하신 대로 땀의 증발과 호흡 시 섞여 나오는 수증기 때문에 현열+잠열 부하가 모두 발생합니다.
• 극간풍 (Infiltration):
  • 정의: 창문 틈새, 문틈, 벽의 균열 등을 통해 실내외 압력 차에 의해 자동으로(의도치 않게) 들어오는 외기(틈새바람)입니다.
  • 왜 습기가 있을까?: 극간풍은 결국 '외부의 공기' 그 자체입니다. 여름철 외부 공기는 고온다습합니다. 이 다습한 외부 공기가 실내로 들어오면, 공기 자체의 온도(현열)뿐만 아니라 공기가 머금고 있는 습기(수증기)도 같이 들어오게 됩니다. 실내 습도를 높이므로 냉방 부하 계산 시 잠열 부하로 잡아야 합니다. (CFD 해석 시 Infiltration Boundary에 수증기 질량 분율을 함께 주어야 하는 이유와 같습니다.)

 

 

❄️ [3단원: 냉동제조] 핵심 암기 포인트 10선

1. 냉동의 원리:
   • 액체 냉매가 증발기에서 주변의 열을 흡수하여 기화하는 증발 잠열을 이용합니다.
2. 증기압축 냉동 사이클의 4대 요소:
   • 압축기: 저온저압 증기를 고온고압 증기로 압축.
   • 응축기: 고온고압 증기를 상온고압 액체로 냉각(방열).
   • 팽창밸브: 고압 액체를 저온저압 액체로 교축(엔탈피 일정).
   • 증발기: 저온저압 액체가 열을 흡수하여 증발(흡열).
3. 냉동효과와 냉동능력:
   • 냉동효과: 증발기에서 냉매 1kg이 흡수하는 열량(h_1 - h_4).
   • 냉동능력(RT): 0℃의 물 1톤을 24시간 동안 0℃의 얼음으로 만드는 능력 ( RT = 3,320 kcal/h).
4. 성적계수 (COP, Coefficient of Performance):
   • COP = 냉동효과/압축일 = Q_e / A_w. 투입된 일 대비 얼마나 많은 열을 흡수했는지를 나타냅니다.
5. 냉매의 구비 조건:
   • 임계온도가 높고 응고점이 낮을 것. 증발 잠열이 클 것. 비체적이 작을 것. 비독성, 비가연성일 것.
6. 냉매의 명칭 (R-번호):
   • R-(탄소-1)(수소+1)(불소). 예: R-134a, R-22 등. (C, H, F, Cl의 개수에 따른 명명규칙)
7. 압축기의 종류:
   • 용적식(왕복동, 회전, 스크롤, 스크류), 원심식(터보).
8. 압축기 과열 원인:
   • 흡입 가스의 과열도가 높을 때, 압축비가 너무 클 때, 냉각수 부족 등.
9. 윤활유(냉동기유)의 구비 조건:
   • 응고점이 낮고 인화점이 높을 것. 냉매와 화학 반응을 일으키지 않을 것. 항유화성(Antiemulsification)이 좋을 것.
10. 흡수식 냉동기:
    • 기계적 에너지가 아닌 열에너지를 구동원으로 사용합니다. 냉매(물)와 흡수제(리튬브로마이드)의 농도 차를 이용합니다.

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✍️ [3단원: 냉동제조] 실전 대비 문제 10선

1. 냉동 사이클에서 교축 과정(Throttling)이 일어나는 곳은?

• 정답: 팽창밸브 (압력은 떨어지고 엔탈피는 일정한 과정)

2. 냉동기에서 냉동효과를 증대시키기 위한 방법으로 옳은 것은?

• 정답: 액냉매를 과냉각시킨다. (증발기 입구 엔탈피가 낮아져 효과가 커짐)

3. 1 냉동톤(RT)을 kcal/h 단위로 환산하면 약 얼마인가?

• 정답: 3,320 kcal/h (미국 냉동톤은 약 3,024 kcal/h)

4. 냉매의 구비 조건으로 틀린 것은?

• 정답: 증발 압력이 대기압보다 낮을 것. (대기압보다 낮으면 배관 내로 공기가 침투하므로 보통 대기압보다 약간 높은 것이 좋음)

5. 압축기 토출 가스의 온도가 상승하는 원인이 아닌 것은?

• 정답: 흡입 가스의 압력이 상승할 때. (흡입 압력이 낮아져 압축비가 커질 때 온도가 상승함)

6. 프레온 냉매의 누설 검사에 사용하는 가장 적절한 도구는?

• 정답: 할라이드 토치 (또는 전자식 누설 탐지기)

7. 암모니아(R-717) 냉매의 특징으로 옳은 것은?

• 정답: 독성이 있고 구리 계통 금속을 부식시킴. (강관을 사용해야 함)

8. 냉동 사이클 중 p-h 선도에서 수직선(등엔탈피선)으로 나타나는 과정은?

• 정답: 팽창 과정

9. 압축기의 체적효율을 저하시키는 원인이 아닌 것은?

• 정답: 흡입 가스의 압력 상승. (클리어런스 체적이 크거나 압축비가 클 때 효율이 떨어짐)

10. 흡수식 냉동기에서 냉매와 흡수제의 조합으로 가장 많이 사용되는 것은?

• 정답: 물(냉매) - 리튬브로마이드(흡수제)

 

 

🛠️ [4단원: 배관일반 및 전기제어] 핵심 암기 포인트 10선

1. 배관 재료의 특성:
   • 강관: 압력에 강함. (스케줄 번호가 클수록 두께가 두꺼움)
   • 동관: 내식성이 좋고 열전도율이 높음. (냉동기 열교환기에 주로 사용)
2. 강관의 접합 방법:
   • 나사 접합(소구경), 플랜지 접합(분해 조립 필요 시), 용접 접합(대구경, 고압).
3. 밸브의 종류와 용도:
   • 게이트 밸브: 유체 저항이 작음 (On-Off용).
   • 글로브 밸브: 유량 조절용 (S자 형태 유로로 저항이 큼).
   • 체크 밸브: 역류 방지.
4. 신축 이음 (Expansion Joint):
   • 온도 변화에 따른 배관의 팽창/수축을 흡수합니다. (루프형, 벨로즈형, 슬라이브형, 스위블형)
5. 보온재의 구비 조건:
   • 열전도율이 낮을 것, 흡습성이 작을 것, 내열성이 좋을 것.
6. 시퀀스 제어 (Sequence Control):
   • 정해진 순서에 따라 단계적으로 동작하는 개회로(Open-loop) 제어입니다. (예: 세탁기)
7. 피드백 제어 (Feedback Control):
   • 출력값을 입력값과 비교하여 오차를 수정하는 폐회로(Closed-loop) 제어입니다. (예: 에어컨 온도 조절)
8. 제어 동작의 종류:
   • P 동작: 비례 제어 (잔류 편차 발생).
   • PI 동작: 비례 적분 (잔류 편차 제거).
   • PID 동작: 비례 적분 미분 (응답 속도 개선 및 안정성).
9. 자동제어의 5단계:
   • 검출 → 비교 → 판단 → 조작 → 복귀.
10. 전기 기초 지식:
    • 옴의 법칙: $V = IR$.
    • 플레밍의 왼손 법칙: 전동기 원리 (전류가 흐르면 힘 발생).
    • 플레밍의 오른손 법칙: 발전기 원리 (회전시키면 전류 발생).

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✍️ [4단원: 배관일반 및 전기제어] 실전 대비 문제 10선

1. 관의 지름이 바뀔 때 사용하는 배관 부속품은?

• 정답: 레듀셔 (Reducer)

2. 유체의 흐름을 한쪽 방향으로만 유지하고 역류를 방지하는 밸브는?

• 정답: 체크 밸브 (Check valve)

3. 강관 스케줄 번호(Sch No.)가 의미하는 것은?

• 정답: 관의 두께 (번호가 높을수록 두꺼움)

4. 고압 배관이나 분해 점검이 잦은 곳에 사용하는 접합 방식은?

• 정답: 플랜지 접합 (Flange joint)

5. 2개 이상의 엘보를 사용하여 나사부의 회전을 통해 신축을 흡수하는 이음은?

• 정답: 스위블 이음 (Swivel joint)

6. 미리 정해진 순서에 따라 각 단계를 차례로 진행하는 제어 방식은?

• 정답: 시퀀스 제어

7. 피드백 제어 시스템에서 목표값과 현재값의 차이를 무엇이라 하는가?

• 정답: 동작 신호 (오차, Deviation)

8. 비례 제어(P 동작)에서 제어 결과가 목표값에 도달하지 못하고 남는 오차는?

• 정답: 잔류 편차 (Offset)

9. 전동기의 원리가 되는 법칙은?

• 정답: 플레밍의 왼손 법칙

10. 제어 대상이 되는 물리량을 검출하여 전기적 신호로 바꾸는 장치는?

• 정답: 센서 (Sensor) / 검출기