1. 26번 압축기 압출량 ($V_h$) : "주사기 모델"

압축기를 하나의 큰 주사기라고 생각하세요.

• 원통의 넓이: 피스톤 단면적 ($\frac{\pi D^2}{4}$)

• 움직인 거리: 행정 ($L$)

• 주사기 개수: 기통 수 ($K$)

• 움직이는 속도: 회전수 ($N$)

• 단위 맞추기: 분당 회전수를 시간당으로 ($\times 60$)

이미지 암기법: > "단면적($\pi R^2$)만큼의 공기를 행정($L$)만큼 밀어내는데, 이게 기통($K$)만큼 있고, 1분에 $N$번 움직인다!"

이 순서대로 곱하기만 하면 공식 $V_h = \frac{\pi D^2}{4} \cdot L \cdot N \cdot K \cdot 60$이 자연스럽게 완성됩니다.

V=파이D^2/4(LNR×60)

=파이×0.1^2/4 ×(0.85×4×2000×60)

=3204.42[m^3/h]

V: 피스톤 토출유량[m^3/h]

파이D^2/4: 피스톤 면적[m^2]

L:행정[m] N: 기통수 R: 회전수[rpm]

D: 실린더 직경(100mm->0.1m 단위변경

60: 분당회전수 시간당 환산계수

저온측 냉매:R-13,R-14에틸렌,메탄,에탄,프로판

고온측 냉매:R-12.R-22

한눈에 정리하는 암기 팁

저단 토출가스의 과열도를 제거하여 압축비를 감소시킨다.

정답은 **"저단 토출가스를 재압축하여 압축비를 증대시킨다."**입니다.

이 문제는 **중간냉각기(Intercooler)**의 근본적인 설치 목적을 묻는 문제입니다. 냉동장치에서 압축비를 '증대'시키는 것은 효율을 떨어뜨리고 압축기에 무리를 주는 나쁜 요인입니다. 중간냉각기는 반대로 압축비를 나누어 부담을 줄이고 효율을 높이는 장치입니다.

1. 중간냉각기의 핵심 역할 (옳은 설명)

2단 압축 시스템에서 저단과 고압 사이에 위치한 중간냉각기는 다음과 같은 중요한 일을 합니다.

• 토출가스 과열도 감소: 저단 압축기에서 나온 뜨거운 가스를 식혀서 고단 압축기로 보냅니다. 이렇게 하면 고단 압축기의 토출 온도가 너무 높아지는 것을 막고 압축 일량(소요 동력)을 줄일 수 있습니다.

• 액분리 (리키드 백 방지): 고단 압축기로 들어가는 가스 중에 포함된 액체 방울을 분리하여 압축기가 액을 압축해 파손되는 것(액압축)을 방지합니다.

• 냉매액 과냉각: 고압 측에서 오는 액체 냉매를 차갑게 식혀(과냉각) 증발기로 보내면, 냉동 효과가 훨씬 커집니다.

2. 왜 "압축비 증대"가 틀린가요?

• 압축비 분산: 2단 압축을 하는 근본적인 이유는 한 번에 너무 높게 압축하면 압축비가 커져서 효율이 나빠지기 때문입니다. 중간냉각기는 저단과 고단 사이에서 압력을 조절하여 각 단의 압축비가 적절히 유지되도록 돕는 것이지, 재압축을 통해 압축비를 더 키우는 장치가 아닙니다.

• 동력 절감: 압축비가 커지면 필요한 힘(동력)도 많아집니다. 중간냉각기를 쓰면 중간에서 가스를 식혀 체적을 줄여주기 때문에 오히려 전체적인 동력을 절약하게 됩니다.

시험 대비 암기 꿀팁

중간냉각기는 "압축기에게는 휴식을, 증발기에게는 더 강한 냉기를" 주는 장치라고 생각하세요.

1. 압축기 보호: 뜨거운 가스 식히기 + 액체 걸러내기

2. 효율 상승: 냉매액 과냉각 $\rightarrow$ 냉동효과 UP!

정답은 **"H₂O + LiBr계에서는 응축 측에서 비체적이 커지므로 대용량은 공랭식화가 곤란하다."**입니다.

흡수식 냉동기는 일반적인 압축식 냉동기와는 구동 원리가 완전히 다르기 때문에 각 구성 요소의 특징을 정확히 파악하는 것이 중요합니다.

1. 왜 1번이 옳은가요? (비체적과 공랭식의 관계)

• 비체적이 큰 냉매: $H_2O+LiBr$ 방식에서 냉매는 **물($H_2O$)**입니다. 물은 수증기가 되었을 때 부피(비체적)가 매우 큽니다.

• 공랭식의 한계: 공기는 물에 비해 열전달 능력이 현저히 낮습니다. 비체적이 커서 덩치가 큰 증기를 공기만으로 식혀 응축시키려면 응축기 크기가 감당할 수 없을 정도로 커져야 합니다. 따라서 대용량 흡수식 냉동기는 대부분 **수랭식(냉각탑 사용)**으로 제작됩니다.

2. 오답 분석 (틀린 이유)

• 발생기 등에서 사용되는 전력량이 압축식보다 많다? (X)

  • 흡수식은 압축기 대신 '열'을 이용합니다. 펌프 구동을 위한 전력 소비는 매우 적으며, 대신 가스나 증기 같은 열에너지 소비가 주를 이룹니다.

• H₂O + LiBr계에서 흡수제가 H₂O이다? (X)

  • 이 계통에서 **냉매는 물($H_2O$)**이고, **흡수제가 리튬브로마이드($LiBr$)**입니다. (암모니아 흡수식에서는 암모니아가 냉매, 물이 흡수제입니다.)

• H₂O + LiBr계는 0℃ 이하의 저온을 얻을 수 있다? (X)

  • 냉매가 '물'이기 때문에 0℃ 이하로 내려가면 얼어버립니다. 따라서 주로 **0℃ 이상의 냉수(공기조화용)**를 만드는 데만 사용됩니다.

흡수식 냉동기 핵심 요약

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이번 문제는 암모니아($NH_3$) 냉매의 특성과 냉동 장치의 부속 기기를 정확히 이해하고 있는지 묻는 문제입니다.

암모니아는 비열비가 커서 토출 온도가 매우 높다는 점과 가연성/독성이 있다는 점을 머릿속에 먼저 떠올려 보세요.

38번 해설 및 정답

• ① 압축비가 증가하면 체적 효율도 증가한다. (X)

  • 압축비($\frac{P_{토출}}{P_{흡입}}$)가 커지면 실린더 내부의 극간(Clearance)에 남은 고압 가스가 팽창하면서 새로운 가스가 들어올 공간을 가로막습니다. 따라서 압축비가 커지면 체적 효율은 감소합니다.

• ② R-12에 비해 토출가스의 온도가 낮다. (X)

  • 암모니아는 비열비($\kappa$)가 매우 커서 압축 후 토출 가스 온도가 매우 높습니다. 그래서 암모니아 압축기에는 실린더 헤드를 식혀주기 위한 수냉식 워터자켓이 필수입니다.

• ③ 기밀시험에 산소가스를 이용한다. (X)

  • 냉동 장치 기밀시험에 산소를 쓰면 냉동기유(오일)와 반응하여 폭발할 위험이 절대적으로 큽니다. 기밀시험에는 반드시 **질소($N_2$)**나 건조 공기를 사용해야 합니다.

• ④ 증발압력 조정밸브(EPR)를 설치하는 것은... (O, 정답)

  • **EPR(Evaporator Pressure Regulator)**은 증발기 내의 압력이 일정 압력 이하로 떨어지는 것을 방지합니다. 이를 통해 증발 온도가 너무 낮아져 냉동물이 동결되거나 착설되는 것을 막아줍니다.

공식과 개념을 연결하는 '이미지 암기법'

1. 체적 효율($\eta_v$)과 압축비의 관계: "잔상 효과"

압축기가 가스를 다 밀어내고도 구석에 남은 가스가 있다고 상상해 보세요.

• 압력이 엄청 세면(고압축비), 이 남은 녀석들이 다시 팍! 하고 퍼지면서(재팽창) 새 가스가 들어올 자리를 뺏어버립니다.

• "압축비가 높으면 → 재팽창이 커짐 → 새 식구(흡입 가스)가 못 들어옴 → 효율 꽝!"

2. 암모니아($NH_3$)의 성격: "불타는 독설가"

• 불(High Temp): 토출 온도가 아주 뜨거워서 물로 식혀줘야 함 (워터자켓).

• 독(Toxic): 독성이 있고 냄새가 지독함.

• 구리(Cu) 혐오: 구리를 부식시키므로 강관을 사용해야 함.

연습 문제 확인

혹시 "압축비가 높아지면 왜 성적계수(COP)가 떨어지는가?" 같은 문제도 자주 보셨나요? 26번에서 풀었던 피스톤 배출량 공식에 이 '체적 효율'을 곱하면 실제 냉매 순환량이 나옵니다.

열역학의 가장 기초적이면서도 시험에 단골로 출현하는 **'상태량'**의 정의를 묻는 문제입니다. 이 문제는 공식보다 **'개념의 선'**을 긋는 것이 중요합니다.

40번 해설 및 정답

• ① 물체의 상태만에 관계하는 양을 상태량이라 하며 열량과 일 등은 상태량이다. (X, 정답)

  • 상태량(State function): 온도, 압력, 엔탈피처럼 '지금 현재' 그 물질이 가진 값입니다. (어떻게 왔는지는 안 중요함)

  • 경로함수(Path function): **열(Q)과 일(W)**은 어떤 과정을 거쳐서 왔느냐에 따라 값이 달라집니다. 따라서 이 둘은 상태량이 아닙니다.

• ② 준 정적변화이며 가역 변화라고 할 수 있다. (O)

  • 아주 천천히(조용히) 평형을 유지하며 변하는 이상적인 과정을 '준 정적 가역 변화'라고 부릅니다.

• ③ 내부에너지는 역학적 에너지의 총합이다. (O)

  • 분자들이 가진 운동 에너지와 위치 에너지 등을 모두 합친 것이 내부에너지($U$)입니다.

• ④ 온도는 내부에너지에 비례하여 증가한다. (O)

  • 분자들이 활발하게 움직일수록(내부에너지가 높을수록) 온도는 올라갑니다.

헷갈리는 '상태량' vs '경로함수' 암기법

공식이 안 떠오를 때 쓰는 **'등산 비유'**입니다.

1. 상태량 (위치): 지금 내가 서 있는 해발 고도입니다. 헬기를 타고 왔든, 기어 올라왔든 현재 높이는 변하지 않죠? (온도, 압력, 엔탈피 등)

2. 경로함수 (열과 일): 내가 정상까지 오면서 **흘린 땀(열)**과 **걸음 수(일)**입니다. 직선으로 왔느냐, 빙빙 돌아왔느냐에 따라 땀의 양은 완전히 달라집니다.

암기 팁: "열(Q)과 일(W)은 **'땀'**이다! 땀은 가는 길(경로)에 따라 달라지니 상태량이 아니다!"

핵심 요약: 이것만은 꼭!

시험 문제에서 **"다음 중 상태량이 아닌 것은?"**이라고 물으면 보기에 있는 **열량($Q$)**이나 **일($W$)**을 고르면 100% 정답입니다. 이 둘은 물질 속에 저장되는 양이 아니라, 이동하는 '에너지의 형태'일 뿐이기 때문입니다.

이번 문제는 냉동공학에서 응축 압력(또는 냉각수 온도)을 일정하게 유지하기 위해 냉각탑을 어떻게 제어하는지 묻는 실무적인 문제입니다.

이 문제도 복잡한 공식보다는 **"물의 흐름을 어디로 돌릴 것인가?"**를 상상하면 아주 쉽습니다.

46번 해설: 냉각수 온도 조절 방법

냉각탑에서 내려오는 물이 너무 차가우면 응축 압력이 너무 낮아져서 문제가 생깁니다. 그래서 온도를 적절히 조절해야 하는데, 대표적인 방법은 다음과 같습니다.

• 냉각탑 송풍기 ON-OFF 제어: 가장 단순한 방법입니다. 물이 너무 차가우면 팬을 끄고, 뜨거워지면 팬을 돌려 열을 식힙니다. (영향 있음)

• 2-way Valve(이방변): 유로를 열거나 닫아서 냉각수량을 조절합니다. (영향 있음)

• 3-way Valve(삼방변): 냉각탑으로 갈 물과, 냉각탑을 거치지 않고 바로 합쳐질(바이패스) 물을 섞거나 나눠서 온도를 맞춥니다. (영향 있음)

• 전동 분류 4-way Valve (정답): 냉동 시스템에서 냉각수 온도 조절을 위해 4방밸브를 쓰는 경우는 거의 없습니다. 4방밸브는 주로 히트펌프에서 냉방과 난방의 흐름 방향을 통째로 바꿀 때 사용하는 밸브입니다.

"밸브 구멍 개수"로 외우는 이미지 암기법

공식처럼 외우지 말고, 밸브의 구멍(길) 개수만 생각하세요.

1. 2-way (길 2개): 수도꼭지입니다. 열거나 잠그거나!

2. 3-way (길 3개): Y자 삼거리입니다. "냉각탑으로 갈래? 아니면 그냥 지나칠래?"를 결정해서 섞어주는 온도 조절의 핵심입니다.

3. 4-way (길 4개): 교차로입니다. 이쪽 길과 저쪽 길을 통째로 맞바꿀 때 씁니다. (냉/난방 전환용)

공식 대신 상황으로 기억하기

시험에서 "냉각탑 제어" 문제가 나오면 다음 3단계를 떠올리세요.

1. 팬(Fan)을 조절한다. (ON-OFF 또는 인버터)

2. 물을 돌린다. (3방밸브 바이패스)

3. 물을 끊는다. (2방밸브 수량 조절)

4방밸브는 냉각탑 제어와는 '번지수가 다른' 녀석이라고 생각하시면 됩니다!