1. 열역학 기초 개념
1) 열역학의 법칙
- 제0법칙: 열적 평형의 개념을 정의. A와 B가 열적 평형, B와 C가 열적 평형이면 A와 C도 열적 평형이다 → ‘온도’ 개념 확립
- 제1법칙(에너지 보존 법칙): 에너지는 형태만 바뀔 뿐 생성·소멸되지 않는다. ΔU=Q−W(밀폐계 기준, U:내부에너지,Q:열,W:일) \Delta U = Q - W \quad (\text{밀폐계 기준, } U:\text{내부에너지}, Q:\text{열}, W:\text{일})
- 제2법칙: 자발적인 에너지 변환 과정에서는 엔트로피(무질서도)가 증가한다. 100% 효율의 열기관은 불가능.
2) 상태량과 상태변수
- 압력(P), 온도(T), 부피(V), 엔탈피(h), 내부에너지(u), 엔트로피(s) 등
- 이상기체 방정식: PV=mRT(R: 기체상수, m:질량) PV = mRT \quad(\text{R: 기체상수, }m:\text{질량}) 공조냉동에서는 습공기 해석 시 이상기체 가정을 자주 활용.
3) 상변화와 상평형
- 물(H₂O)의 상태 변화: 물 → 수증기 (증발), 수증기 → 물 (응축)
- 습증기: 포화수와 포화증기가 공존하는 상태. 건도(x) 개념을 이용해 습증기의 엔탈피·엔트로피 계산.
- 습공기: 대기 중 수증기가 섞인 공기. 공조분야에서 중요한 해석 대상.
2. 습공기와 심리도(Psychrometric Chart)
1) 습공기의 상태량
- 건구온도(DBT): 일반적으로 말하는 온도(℃)
- 습구온도(WBT): 증발잠열에 의해 측정되는 온도
- 상대습도(RH): 공기 중 실제 수증기량과 같은 온도에서 공기가 최대로 보유할 수 있는 수증기량의 비(%)
- 절대습도(Humidity Ratio): 건공기 1kg당 수증기 kg수
- 이슬점온도(Dew Point Temp): 공기가 냉각되면서 포화(응결) 시작되는 온도
2) 심리도(Psychrometric Chart) 활용
- 공조냉동 분야에서 습공기의 상태변화를 해석하는 데 필수
- 프로세스 해석: 냉각·가열·가습·제습 등
- 부하 계산: 실내 온습도 조건, 외기 온습도, 환기량 등을 고려해 시스템 설계
3) 자주 나오는 계산 유형
- 냉각 코일에서 제습량: 공기가 코일 표면온도 이하로 냉각되며 응축되는 수분량
- 난방 시 습도 변화: 환기량, 내부 발생 수증기량 등에 따른 상대습도 변화
3. 냉동공학 기초
1) 냉동사이클 종류
- 증기압축 냉동사이클: 가장 범용적. 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기 순서로 냉매가 순환
- 흡수식 냉동사이클: 리튬브로마이드 등 흡수제를 사용, 열원을 동력 대신 활용
- 역카르노 사이클: 이상적 냉동사이클, 실제 증기압축 사이클보다 이상화된 높은 COP(성능계수)를 가짐
2) 냉매(Refrigerant)
- 냉동사이클에서 열을 흡수·방출하는 유체
- 대표 냉매: R-22, R-134a, R-410A, 암모니아(NH₃), CO₂ 등
- 최근 저GWP 냉매가 주목받음 (환경 규제, 지구온난화 지수 문제)
3) 냉동사이클 성능계수(COP)
- 냉동기: COPrefrig=냉동능력소비동력 COP_{refrig} = \frac{ \text{냉동능력} }{ \text{소비동력} }
- 열펌프: COPheat=난방능력소비동력 COP_{heat} = \frac{ \text{난방능력} }{ \text{소비동력} }
- 실제 시험 문제에서 냉동능력(냉동톤, kW), 응축기/증발기 온도, 압축비, 엔탈피 차이 등을 이용해 COP를 계산하는 유형이 자주 나옴.
4. 냉동사이클의 기본 과정
- 증발(증발기): 저온·저압에서 냉매가 액→기 상태로 변하며 주변 열을 흡수
- 압축(압축기): 냉매를 고온·고압으로 압축, 소비 동력이 투입되는 구간
- 응축(응축기): 응축기에서 냉매는 주위(물이나 공기)에 열을 방출하며 기→액 상태로 변함
- 팽창(팽창밸브): 고온·고압 냉매액을 저온·저압으로 순간적으로 감압(스로틀링)
5. 시험 대비 포인트
- 기초 열역학
- 상태량 변화, 열역학 제1·2법칙 기본 문제
- 밀폐계·개방계 에너지 방정식
- R-134a, R-22 등 냉매 물성표 확인 능력
- 습공기 해석
- 심리도에서 점 찾기, 엔탈피 계산, 성분비 등 구하기
- 가열·냉각·가습·제습 과정 해석
- 냉동사이클
- 증발·압축·응축·팽창 각 구간의 엔탈피 변화, COP 계산 문제
- 냉동능력, 냉동사이클 효율, 냉방부하/난방부하 연계 문제
- 문제 풀이 팁
- 단위 환산(냉동톤↔kW), 열량(J↔kcal), 냉매표/압축기효율 식별
- 필기시험은 계산 문제도 빈출. 공식 암기 + 단순화된 상태도 해석 능력 중요
6. 마무리 및 학습 전략
- 기초 열역학을 탄탄히: 상태량, 열역학 법칙, 습공기선도 분석 능력 필수
- 냉동·공조 사이클 원리와 주요 장치(압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브 등)의 역할을 이해하고, 간단한 엔탈피 계산과 COP 산출 가능해야 함
- 습공기(심리도) 문제 빈출: 건구온도, 상대습도, 절대습도, 습구온도, 이슬점온도 등 관계 확실히 숙지
- 기출문제를 병행하여 반복 학습: 문제에서 요구하는 계산 공정(상태도 참고, 냉동능력, 소비동력, COP) 유형 습득
이상으로 **‘기초 열역학 및 냉동공학 개념’**을 정리했습니다. 이를 토대로 2번 파트(열전달 및 부하계산), 3번 파트(공조기기 특성과 기계에너지 해석) 등의 내용을 연계해 나가면, 공조냉동기계기사 필기시험의 ‘에너지 설계’ 과목 전반을 체계적으로 학습할 수 있습니다.
다음 파트 예고:
- 열전달 및 부하계산: 전도·대류·복사, 열부하 계산(벽체 부하, 내외기 부하, 환기 부하 등)
- 공조기기 특성과 기계에너지 해석: 팬∙펌프∙보일러∙냉각탑 등의 동력 계산
시험을 앞두고 있다면, 개념 정리와 기출문제 풀이를 적절히 병행해 실전 감각을 키우시길 바랍니다. 행운을 빌며, 궁금한 점 있으면 언제든 문의 주세요!