이번 포스팅에서는 에어컴프레셔의 원리, 적용, 구성요소 등에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
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0. 석유화학 플랜트의 개요
현존하는 플랜트들은 원재료 및 생산품 등에 따라 발전 플랜트, 석유화학 플랜트, 포집 공정 관련 플랜트 등 달라지고 각 플랜트의 구성요소 또한 달라질 수 있다.
그 중 석유화학 플랜트에서 흔히 쓰이는 구성요소 들에는 크게 보면 장치, 배관, 계기, 벨브 등이 있다. 장치 기구에는 증류탑, 열교환기, 보일러, 플레어 스택, 컨덴서, 용기(Vessel), 펌프, 컴프레서, 블로워, 반응기 등이 있다. (*열교환기, 펌프 관련 개념들은 포스트를 했고 다른 장치 기구들도 지속적으로 포스팅을 하도록 하겠습니다.
석유화학 플랜트는 어렵게 생각하면 한없이 어렵고 복잡하지만 간단히 일상생활에서 쉽게 발견할 수 있는 원리들을 이해하고 간단하게 생각하면 간단하다고 볼 수 있습니다.
정유공장에서 원유를 수입하고 끓는점의 차이에 따라 증류탑에서 LPG, 프로판 가스, 휘발유, 나프타, 경유, 등유, 아스팔트 등으로 분류를 하고 나프타를 NCC 공정 (Naphta Cracker Center)에서 열로 쪼개 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 톨루엔 등 여러 유기화합물질로 다시 분류를 하면서 해당 부산물들을 원재료로 사용하는 플랜트로 보내게 됩니다.
긴 배관을 움직이게 하기 위해서는 에너지를 부여해야 하는데, 그 역할을 하는 것이 바로 펌프와 컴프레서, 블로워라고 볼 수 있습니다.
액체의 압력을 높이는 역할을 하는 것은 펌프이고 기체 Gas의 압력을 높이는 역할을 하는 것이 컴프레셔라고 보면 됩니다.
*펌프 관련 글은 ① 원심펌프 클릭 ② Cannded 펌프 클릭
쉽게 말해서 컴프레셔는 말그대로 공기를 압축하는 것이다. 일반 공기를 흡입하고 압축기를 통해 5~10barg 이상으로 공기를 가압합니다. 공기를 가압하지 않으면 배관에 air가 원하는 지점까지 닿기 힘들기 때문에 적정한 가압을 해주는 것이 무엇보다 중요합니다.
1. 에어컴프레셔란?
에어컴프레셔는 현대 산업에서 필수적인 구성 요소로, 다양한 분야에서 넓은 범위의 용도로 사용됩니다. 컴프레셔는 물리적인 동력 에너지를 활용하여 가스나 공기를 압축하시키고 저장된 잠재 에너지로 변환시켜주는 기계장치입니다. 이 압축 공기는 도구 및 장비를 작동시키거나 공압 제어 시스템에 사용됩니다.
1.1. 에어컴프레셔 역사
1687년에 프랑스 과학자 데니스 파팽에 의해 발명된 최초의 압축 공기 구동 기계는 압축 공기로 피스톤 엔진을 구동했습니다. 오늘날 우리가 알고 있는 현대의 에어컴프레셔는 19세기에 개발되었으며 이후 기술의 많은 발전을 거쳤습니다.
2. 에어컴프레셔 구성 요소
에어컴프레셔는 공기를 압축하여 그 압력을 증가시키고 나중에 사용할 수 있도록 탱크에 저장하는 기본 원리로 작동합니다. 컴프레셔의 구성 요소에는 모터, 펌프, 공기 탱크 및 다양한 밸브와 게이지가 포함됩니다. 이 구성 요소들을 아래에서 자세히 설명합니다.
- 모터: 모터는 전기 또는 가솔린 엔진과 같이 에어컴프레셔의 동력원입니다. 컴프레서의 펌프를 구동하는 데 필요한 에너지를 제공합니다.
- 펌프: 펌프는 에어컴프레셔의 핵심으로, 공기를 압축하고 그 압력을 증가시키는 역할을 합니다. 에어컴프레셔 펌프에는 왕복동, 로터리 스크류, 원심 펌프(reciprocating, rotary screw, and centrifugal pumps) 등 여러 유형이 있습니다.
- 공기 탱크: 공기 탱크는 필요할 때까지 압축 공기를 저장하는 용기입니다. 탱크의 크기는 용도와 필요한 압축 공기의 양에 따라 다릅니다. 공기 탱크는 과압을 방지하기 위한 안전 밸브를 갖추고 있습니다.
*일반적으로 air-tank의 경우 충분한 양을 수용할 수 있도록 적절히 설계되어야 합니다. 해당 탱크에는 내부 압력을 측정하는 pressure gauge가 설치되어있는데, 일정 압력이하로 떨어졌을 때, 자동으로 컴프레서가 동작하여 압력의 일정 임계치까지 떨어지지 않도록 컨트롤 셋팅이 설계되어 있습니다.
- 게이지: 게이지는 압력, 온도 및 기타 매개변수를 측정하는 도구입니다. 에어컴프레셔에는 일반적으로 두 개의 게이지가 있습니다. 하나는 탱크 내부의 공기 압력을 측정하고 다른 하나는 도구 또는 장비 출구의 압력을 측정합니다. (게이지 관련 포스팅 글 클릭)
- 밸브: 밸브는 에어컴프레셔에서 압축 공기의 흐름을 제어하는 데 사용됩니다. 에어컴프레셔에서 사용되는 가장 일반적인 유형의 밸브에는 흡입 밸브, 배출 밸브, 체크 밸브 및 안전 밸브가 포함됩니다.
① 흡입 밸브는 공기 흡입을 제어하며, ② 배출 밸브는 공기 방출을 제어합니다. ③ 체크 밸브는 압축 공기의 역류를 방지하고, ④ 안전 밸브는 탱크의 압력이 안전 한계를 초과할 경우 과도한 압력을 방출하도록 설계되어 있습니다.
이러한 각 구성 요소는 에어컴프레셔의 기능에서 중요한 역할을 합니다. 다시, 정리해보면
모터는 에너지를 제공하고, 펌프는 공기를 압축하며, 공기 탱크는 압축된 공기를 저장하고, 게이지는 압력을 모니터링하며, 밸브는 압축된 공기의 흐름을 제어합니다.
이들은 함께 동력을 압축된 공기로 저장된 잠재 에너지로 변환하는 시스템을 구성하여 다양한 용도에 귀중한 도구가 됩니다.
3. Types of Air Compressors
에어컴프레셔의 유형에는 각각 독특한 디자인과 작동 방식이 있는 여러 종류가 있습니다.
3.1. 왕복동 컴프레셔(피스톤 컴프레셔)
왕복동 컴프레서(Reciprocating Compressor_일명 피스톤 컴프레서)는 공기 또는 다른 가스를 압축하는 데 사용되는 일종의 기계입니다.
이 컴프레서는 일반적으로 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동을 함으로써 작동합니다. 이 왕복 운동이 공기를 압축하고, 고압의 압축 공기를 생성하는 데 중요한 역할을 합니다. 왕복동 컴프레서는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되며, 특히 소규모에서 중규모 애플리케이션에 적합합니다.
왕복동 컴프레서의 작동 원리:
- 공기 흡입: 컴프레서의 작동 사이클은 흡입 밸브가 열리면서 시작됩니다. 피스톤이 실린더 내에서 후퇴하면서 외부에서 공기를 흡입합니다.
- 공기 압축: 피스톤이 반대 방향으로 움직이면서 실린더 내의 공기를 압축합니다. 이 과정에서 피스톤이 실린더의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하면서 공기의 부피를 감소시키고 압력을 증가시킵니다.
- 압축 공기 배출: 공기가 충분히 압축되면 배출 밸브가 열리고 압축된 공기가 실린더에서 배출됩니다. 이 압축 공기는 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.
왕복동 컴프레서는 그 강력한 압축 능력과 다양한 적용 가능성으로 인해 많은 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그러나 특정 애플리케이션에 가장 적합한 컴프레서 유형을 선택하기 위해서는 각 컴프레서의 특성을 잘 이해하고 있어야 합니다.
3.2. 로터리 스크류 컴프레셔
로터리 스크류 컴프레셔는 두 개의 맞물리는 나선형 스크류를 사용하여 공기를 압축합니다. 이러한 컴프레셔는 높은 효율성, 연속 작동, 그리고 낮은 유지보수 요구사항으로 알려져 있습니다.
Rotary-screw compressor
로터리 스크류 컴프레서는 Air 컴프레서와 같은 가스 컴프레서로, 로터리 타입의 *positive-displacement 메커니즘을 사용합니다. 이러한 컴프레서는 산업용 응용 분야에서 더 큰 양의 압축 가스가 필요한 경우 흔히 사용됩니다.
예를 들어 대형 냉각 사이클(예: Chiller)이나 공기 구동 도구(예: 잭해머, 임팩트 렌치)를 작동시키는 압축 공기 시스템에서 더 전통적인 피스톤 컴프레서를 대체합니다. 작은 로터 크기의 경우 로터 내부의 기본적인 leakage가 중요하므로 이러한 유형의 메커니즘이 피스톤 컴프레서보다 작은 컴프레서에는 적합하지 않습니다.
로터리 스크류 컴프레서는 가스를 압축하기 위해 매우 밀접하게 맞물리는 나선형 로터 두 개를 사용합니다. 건식 로터리 스크류 컴프레서에서는 타이밍 기어가 male 로터와 female 로터가 서로 접촉하지 않고 정밀한 정렬을 유지하도록 보장하여 빠른 마모를 방지합니다.
오일 투입 로터리 스크류 컴프레서 (*oil-flooded rotary-screw compressor)에서는 윤활유가 로터 사이의 공간을 메우며, 유압 씰 (hydraulic seal) 을 제공하고 로터 간의 기계적 에너지를 전달하여 한 로터가 다른 로터에 의해 완전히 구동됩니다.
가스는 흡입측에서 들어와 스크류가 회전함에 따라 나사선을 통해 이동합니다. 맞물리는 로터가 가스를 컴프레서를 통해 강제로 이동시키며, 가스는 스크류의 끝에서 배출됩니다. 작업 영역은 male rotor와 female 로터 사이의 로브 간 부피입니다. 이 부피는 흡입구에서는 크고 로터의 길이를 따라 배기구까지 줄어듭니다. 이 부피 변화가 압축입니다.
흡입 구간에서는 male rotor와 female rotor 사이에 큰 여유 공간이 있어 흡입 충전이 이루어집니다. 흡입구에서 male 로브는 female 로브보다 훨씬 작지만, 로터의 길이를 따라 상대적인 크기가 반대로 변하며 (male은 커지고 female은 작아집니다) 마지막으로 (배기구에 접하는) 각 로브 쌍 사이의 여유 공간이 훨씬 작아집니다. 이 부피 감소는 충전물의 압축을 유발하며, 출력 매니폴드로 전달되기 전에 이루어집니다.
이 메커니즘의 효과는 나선형 로터 사이와 로터와 챔버 사이의 정밀한 간격에 의존합니다. 그러나 일부 누설은 불가피하며, 누설 흐름 비율 대비 효과적 흐름 비율을 최소화하기 위해 높은 회전 속도를 사용해야 합니다.
(참조)Positive-displacement는?
“positive-displacement”은 기계적인 압축 방식을 나타내는 용어로, 공기나 유체를 일정한 부피로 포획한 후 그 부피를 줄여 압력을 증가시키는 방식을 말합니다. 이런 방식은 피스톤이나 로터 같은 기계적 요소가 직접적으로 공간을 줄여서 내부의 압력을 증가시킵니다.
예를 들어, 피스톤이 있는 펌프 또는 컴프레서에서 피스톤이 실린더 내에서 움직일 때, 피스톤이 뒤로 움직이면서 특정 부피의 공기나 유체를 실린더 안으로 끌어들입니다. 그런 다음 피스톤이 앞으로 움직이면서 그 부피를 줄여 내부의 압력을 높이고, 이렇게 압축된 공기나 유체를 배출구로 내보내는 과정을 반복합니다.
이와 비슷하게 로터리 유형의 컴프레서에서는 두 개의 나선형 로터가 맞물려 돌면서 사이의 공기를 갇고, 로터가 회전함에 따라 공기가 압축됩니다. 이 방식도 공기를 일정 부피로 포획하여 그 부피를 점차 줄이는 방식을 통해 압력을 증가시키는 방식입니다.
이처럼 positive-displacement는 부피를 감소시켜 압력을 증가시키는 매우 직관적이고 효과적인 압축 방식입니다.
3.3. 원심 컴프레셔
한편, 원심 컴프레셔는 회전하는 임펠러를 사용하여 공기를 가속시키고 운동 에너지를 압력으로 변환합니다. 이들은 고압력의 압축된 공기가 필요한 대규모 산업 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
3.4. 축류 컴프레셔
마지막으로, 축류 컴프레는 종종 항공기 엔진과 가스 터빈에서 발견되며, 여기서 공기는 일련의 회전하는 및 고정된 날개를 통해 압축됩니다. 이들은 대량의 공기를 처리할 수 있지만 고속 및 고압에서 작동합니다. 각 에어컴프레셔 유형은 필요한 공기량, 압력 및 운영 특성과 같은 요인에 따라 특정 응용 분야에 적합한 장점이 있습니다.
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