압축공기에 사용되는 주요 용어 및 단위
1) 습한 공기(Moist air) 와 건조공기(Dry air)
대기는 산소, 질소를 주체로 하고 기타 탄산 가스 아르곤과 같은 기체를 소량 함유하고 잇다. 이외에 필연적으로 다수의 수증기를 함유하고 있다. 이 때 수증기를 함유하고 잇는 공기를 “습한 공기”라 하고 수증기가 포함되지 않은 것을 “건조공기”라 한다.
2) 포화 공기(Saturated air) 와 포화 온도(Saturated temp)
공기 중에 함유할 수 있는 수증기의 양은 압력과 온도가 결정되게 되면 그 조건에 대한 최대한도가 있고, 그 최대한도의 수증기를 포함한 습한 공기를 “포화 공기”라 하고 포화 공기가 되는 온도를 “포화 온도”라 한다.
3) 안개 공기(Fogged air)
포화공기를 냉각시키면 함유된 수증기는 분무 상태로 되어 부유하게 된다. 이 상태에 있는 공기를 안개공기라 한다.
4) 절대 습도(Absolute humidity: kg/kg)
습한 공기 중에 포함되어 있는 수분의 양과 건조 공기의 양과의 중량 비
5) 성대 습도(Relative humidity)
습한 공기에 포함되어 있는 수분의 중량과 같은 온도의 포화 습한 공기에 포함된 수분의 중량 비로서 백분율(%)로 표시한다.
상대습도 =
6) 노점 (이슬점, Dew point)
노점은공기중의 수증기가 온도저하, 용적의 변화(압축, 팽창)에 의해 이슬(물방울)로 되는 온도를 말하며 일반적으로 대기압하의 온도로 나타낸다.
- 공기중의 수증기가 응축되는 온도
- 공기 중의 수증기가 포화되는 온도 (상대습도가 100%가 되는 온도)
제습 방법
제습의 방법에는 일반적으로 4가지 종류의 방법이 있다.
(1) 냉각식 제습법
(2) 압축식 제습법
(3) 흡수식 제습법
(4) 흡착식 제습법
위의 것들은 제각기 특징이 있으며 용도나 요구하는 바에 따라 득실이 있고 습도에 따라서 용도의 필요성을 갖는다.
냉각에 의한 제습은 공기조화에서 가장 일반적으로 쓰이고 있으며, 냉방 등의 경우는 편리하지만, 온도가 내려가면 지장이 있을 때는 재열을 요하므로 비경제적이다. 또한 소요 노점온도가 낮을 때는 냉각 면에 응축수가 빙결되어 공기의 흐름이 차단되므로 그에 대한 대비가 요망된다.
압축에 의한 제습은 소요동력이 크고 제습만을 목적으로 할 때는 비경제적이며, 압축공기 자체가 필요할 때 냉각과 병용해서 쓰인다.
흡수식 제습법은 흡습성이 있는 고체 또는 액체에 공기를 접촉시켜 제습하는 것이며, 적절히 설계하면 필요로 하는 온․습도가 동시에 얻어진다. 그러나 흡습제의 복원조작을 요하게 되므로 일반적으로 냉각으로는 곤란한 저 노점이 필요할 때 쓰인다.
흡착법은 고형흡착제를 사용하므로, 열효율이 액체에 의한 흡습법 보다 낮으나, 매우 낮은 노점까지 제습 할 수 있어 초 건조 공기를 필요로 하는 공정에 쓰인다.
(1) 냉각식 제습방법
냉각식 제습법의 원리는 공기를 노점온도 이하로 냉각하기 위해 통상 냉동기를 사용하기 때문에 냉동식 제습장치라고도 한다.
냉각식 제습 장치는 공기계통과 냉각계통 두 시스템으로 운전된다.
1) 공기계통
공기계통은 두 개(1차, 2차)의 열교환기로 구성되어 있어 고온 다습한 공기는 2차측 열교환기로부터 들어오는 차고 건조한 공기로 냉각된 1차 열교환기(Air to Air)에서 예냉되고 2차 열교환기(Air to Refrigerant)에 들어가 냉매에 의해 냉각된다.
냉각 건조된 공기는 다시 1차 열교환기로 들어가 처음과 반대로 더운 공기와 열교환 되어 가온된 상태로 사용처로 보내진다.
2) 냉각계통
냉각기로부터 나오는 고온, 고압 냉매가스는 냉매용 Condenser로 보내지고 농축된 열은 대기공기나 냉각수에 의해 제거되어 고압 액화냉매로 바뀐다. Condenser로부터 냉매는 Receiver, Filter/Dryer를 거쳐 팽창변을 통과하면서 조절되어 고압액체 상태에서 저압 액화냉매로 된다.
찬 액체냉매는 공기계통의 2차 열교환기에서 더운 공기와 열교환하여 열을 흡수함으로 더운 냉매가스가 된다. 냉매가스는 냉동기 흡인관으로 유입되고 냉동기에서 재압축된다.
3) HOT GAS BY-PASS 방식
냉동기로 냉매를 열교환기에 보낼 때 감온 팽창변 만으로 냉각부하를 제어하면 경부 하 시에 증발온도가 저하되어 열교환기 내에 응축 수축상 동결이 일어난다.
이 때문에 증발 방력 조절변을 사용하든지 Hot gas by-pass 방식으로 흡입압력을 제어해 주어야 한다. 증발 압력 조절변(EPR)은 열교환기가 1조일 때는 냉동기 흡입압력의 변동이 크고, 경부 하시에는 저압 스위치로 on-off를 반복하기 때문에 냉동기 연속가동에는 Hot gas by-pass방식이 좋다.
Hot gas by-pass 방식은 By-pass Valve로서 정압 팽창변의 일종을 쓰고 열교환기 출구의 증발 압력을 균압관을 통하여 By-pass Valve로 유도하여 증발압력을 항시 0±1℃ 정도로 유지케 하는 방법이다.
냉동기는 증발 압력이 일정하므로 응축기 측의 냉각수(냉각공기)를 일정온도로 유지하면 DP 3～5℃ 공기를 얻을 수 있다.
4) 직접 냉각식과 간접 냉각식
처리 풍량이 많고 냉각부하가 커서 소형 냉동기의 사양 범위를 초과하면 열교환기를 직팽식이 아닌 Brain cooling type으로 하는 것이 유리하다.
Brain cooling식은 저온 Chiller unit로 ethylene glycol, propylene glycol을 0～15℃로 냉각하여 순환펌프로 2차 열교환기에 순환시켜 냉각하는 방식이다.
열교환기 출구의 Brain온도가 0±1℃정도로 되게 하기 위해서는 성능 좋은 써머 스타트로 검출하고 비례 3방 변으로 Brain유량을 조절하면 부동식 냉각제습을 할 수 있다.
냉동기는 써머 스타트에 의해서 on-off 운전을 해도 상관없다. 단, on-off cycle이 극단적으로 짧을 때는 motor에 지장을 초래하므로 적당한 용량의 브라인 축열조가 필요하다.
5) 응축수의 제거
냉각제습으로 발생하는 응축수는 흡착식 제습의 제습량에 비해 10배 가까이 되므로 Drain분리가 극히 중요하다.
Mist상의 drain은 완전히 분리하는 것이 여간 어렵지 않기 때문에 분리효율이 높은 Drain Separator를 선정하는 것이 중요하며 drain을 외부로 배출하는 Air Trap도 극히 중요하다.
(2) 압축식 제습방법
공기중의 수증기 포화압력 Ps는 공기의 전압 P에 별로 관계가 없고, 임의 압력의 공기중의 포화 절대습도는 대략
χs = 18Ps/29(P-Ps)[㎏/㎏')
로서 표시된다. 온도를 일정하게 유지할 때, 전압 P를 높게 하면, χs가 적어져 여분의 수증기는 물로서 제거된다.
압축에 수반하여 온도가 올라가므로 냉각과 겸용하면 효과가 크게 된다.
|
P [atm] |
|
t [℃] |
|
1 |
0.0147 |
20.0 |
|
2 |
0.0072 |
9.2 |
|
5 |
0.0029 |
-3.5 |
|
10 |
0.00144 |
-12.5 |
|
50 |
0.000287 |
-37.8 |
|
200 |
0.000072 |
-44.5 |
표 4.
일례로서 20℃에서의 χs의 값을 표 4에 표시한다.
동일량을 제습하는데도 타 방법에 비해 소요동력이 많이 들므로 압축공정이 타 목적으로 쓰이는 경우라든가 소규모 장치에서 냉동기를 쓰지 않고 건조공기를 얻는데 이용된다. 이때 동력을 회수하기 위해 공기 tirbine을 이용하기도 한다.
(3) 흡수식 제습방법
이 방법은 고형 또는 액상의 흡습성 물질에 의해 제습하는 것이며 고형 흡습제는 용기내의 제습에 소규모로 쓰이는데 반해, 액상 흡습제에 의한 것은 연속식이고 용량도 대규모의 것까지 있다.
흡수제에는 다음 3종류가 있다.
1) 화학반응에 의해 흡습하는 고형 흡습제
화학 반응으로 수분과 결합하는 것이며, 흡습제의 복원은 곤란하지만, 잔류수분이 극소하므로 소규모로서 수분을 거의 전부 뺄 필요가 있을 때 쓰인다.
5산화인(P2O5), 알루미나(AL2O3), 생석회(CaO), 과 염소산 마그네슘[Mg(ClO4)3]등이 있다. 25℃에서의 이들 잔류수분[G/㎥]은 다음과 같으며 비교를 위해 냉각제습을 들어둔다.
P2O5 2×10-5
AL2O3 2×10-4
Mg(ClO4)3] 5×10-4
CaO 0.200
0℃로 냉각 4.70
-194℃로 냉각 1.6×10-23
2) 화학 반응 및 용해에 의해 흡습하는 조해성 흡습제
염화 칼숨이나 수산화 나트륨 등이 이 종류에 속한다.
이들은 고체와 수용액이 공존할 때는 수용액 농도가 그 온도의 포화용액이며 그 평형 증기압도 온도에만 의존하고, 접촉하는 공기의 상대습도는 어떤 온도 범위에서 대략 일정하게 되므로, 이 성질을 이용하여 간단하게 용기 내를 일정 습도로 유지할 수 있다.
3) 흡수에 의해 제습하는 액체
흡습제 액상이기 때문에 공기와 접촉면적 증대가 용이하므로, 대규모 제습장치에 적합하다. 되도록 평형 증기압이 낮고 점성이 적으며 화학적으로 안정무독하고 부식성이 없는 것이 적합하다. 많은 액체흡습제 중에서 이와 같은 조건에 적합하여 실용되고 있는 것은 염화리튬 수용액 및 triethylene glycol이다. 액체 흡습제 사용의 제습 장치는 결정의 추출이나 분해가 있기 때문에 극도의 저습도에는 고체 흡착제 쪽이 좋다. 그러나 용액 온도와 농도를 임의로 선정할 수 있으므로 재열없이 목적하는 온습도를 얻을 수 있다. 그러나 용액 온도와 농도를 임의로 선정할 수 있으므로 재열없이 목적하는 온습도를 얻을 수 있다. 냉각제습에서는 출구습도와 온도가 일정 한 관계에 있어 보통 원하는 온습도를 재열 없이는 얻을 수 없지만 그래도 극단적인 재렬은 요 하는 경우를 제외하고 냉각 제습법 쪽이 간단하고 경제적이며, 액체 흡습제가 쓰이는 것은 코일 결상 문제가 일어나는 노점 4℃이하의 경우이다. 이밖에 흡습제는 보통 살균성을 갖고 있으므로 소독효과가 있다는 것도 하나의 특징이라 할 수 있다.
(4) 흡착식 제습방법
흡착은 다공성 물질의 표면에 분자층의 형으로 다른 가스가 부착하는 것이며, 화학적 결합력에 관계없고, 또한 흡착제도 용해, 조해를 일으키지 않으므로 고형 흡수제 보다 우수하다. 또한 내부의 수분은 그 일부를 제외하고 온도를 올려주면 용이하게 탈착되므로 반복 사용할 수 있다. 수분 흡착에 있어서는 수분 응축열 이외에 과외의 열이 발생하나 그 합계도 화학 흡수 보다 크지 않다.
1) 흡착의 원리
흡착은 흡착제의 표면, 즉 상의계면에 기체의 분자가 정체하는 것으로서 일반적으로 수분이 흡착제의 모관 내벽에 부착하는 표면흡착과 내부에 응축하는 모관 응축에 의한 것이라고 말하고 있으며, 표면흡착은 화학흡착이라고도 말할 수 있다.
물 분자가 모관속으로 들어와서 일부는 표면에 정체 부착되고 기타의 분자는 공중에 흩어져 부착되지 않으나 점차 부착량이 많아져 모관의 표면이 전부 물 분자층에 덮혀지면 부착 능력은 없어진다. 이때를 가리켜 파괴 상태라고 말한다.
물 분자의 크기는 약 3×10-8㎝로서 모관경은 실리카겔이 20×10-8㎝, 활성 알루미나가 90×10-8㎝정도이므로 모관의 직경은 물 분자의 7～30배가 되는 셈이다.
모관수는 상당히 많아 입경5㎜의 실리카겔 모관 총 연장은 20만Km, 표면적은 10㎡에 상당한다.
실제의 흡착 작용은 표면흡착과 모관 응축 양쪽에 의한 것으로 흡착과 탈착은 이론적으로는 일치하는데 실제로는 일치하지 않는다.
이러한 현상을 이력현상이라고 한다.
① 이력현상은 일반적으로 모관 벽에 흡착된 단층 분자층의 평형 분압에 변화가 발생한다.
② 그러나 모관 반경이 흡착분자 반경의 2배 이상이 되면 모관 중에 흡착되어 진액체의 표면 장력이라든가 밀도는 자유액체의 것과 크기가 같다.
③ 모관 공벽에 물 분자층이 형성되면 모관 응축현상이 생긴다. 이것들은 여러 가 지 시험결과에 의해서 어느 정도 확인되고 있다. 흡착제들은 재생온도나 사용 시간에 의해서 열화되며 또 원료공기의 청정도에도 영향이 있다. 취입공 기 중에 먼지나 유 분, 유화 수소 등이 포함되어 있으면 열화현상이 빨리 온다
일상점검과 정비 *일상점검 1. Auto Drain Trap에서 응축수와 압축공기가 정상적으로 배출되는지 확인하십시오. 2. 배관의 연결부에서 압축공기가 새는 곳은 없는가 확인하십시오. 3. 압축공기의 입구온도(38℃), 주위온도(38℃)를 일정하게 유지하여 주시고, Dryer 및 After cooler의 Condenser 부위에 먼지와 분진 등이 쌓이지 않도록 주기적으로 청소하여 주십시오(1~2주 간격) *손질 1. Condenser의 청소 정기적으로 진공청소기, blush 또는 Air gun를 사용하여 깨끗하게 청소하여 주십시오. condenser에 먼지 등이 쌓여 있으면 열 교환이 좋지 않을 뿐만 아니라 심한 경우에는 안전장치가 작동하여 Air dryer의 운전을 정지시킬 경우가 있습니다. 주의: 청소할 때는 condenser의 핀과 알루미늄박판을 변형되지 않도록 조심하여 주십시오. *각 부품 별 기능 1. Evaporator air-to refrigerant heat exchange - Air compressor의 고온 다습한 압축 공기를 냉각하여 기체상태인 수분을 응축시켜 준다. 2. Evaporator air-to-air heat exchange - Air compressor 의 고온 다습한 압축공기를 1차 냉각하여 Refrigerant compressor을 고온으로부터 보고 하여주면 흡입된 고온 다습한 압축 공기를 미리 제습 시켜주는 효과를 얻을 수 있다. 3. Auto drain - AAD-15A: 소형 Air dryer에 사용되며 압축 공기의 손실이 적으며 응축수의 배출 시 소음이 적은 것 특징이다. - ADD-15: 대형 Air dryer에 사용되며 자동 타이머가 부착되어 응축수의 배출 시간을 자유로이 조정할 수 있다. 4. Fan switch control - Refrigerant compressor가 압축한 냉각가스를 부하 변동에 의하여 Condensing unit의 Fan motor를 가동과 정지를 반복하여 일정한 노점유지를 시켜준다. 5. Condensing unit - Refrigerant compressor가 냉매를 압축 시킬 때 고온이 발생하므로 Cooling fan에 의하여 열을 식혀 냉매의 증발을 시켜준다. 6. Hot gas by pass valve - Evaporator에 저온의 증발된 냉매가스가 유입되면 다량의 수분이 함유된 압축 공기가 과냉되어 Air line이 막혀 압축공기가 흐르지 않는 현상이 발생한다. - 과냉 방지를 하며 일정한 노점을 유지시켜 주는 기능을 한다. 7. Capacity tube - 압축된 냉매 가스를 팽창시켜 저온으로 열 교환 시켜 주는 기능을 하며, 대형 Air dryer는 Expansion valve를 사용한다. 8. Filter dryer - 압축된 냉매 가스는 불순물과 수분이 발생하므로 이를 제거하는 기능을 하여 이물질로 인한 Refrigerant compressor손상으로부터 보호하여 준다. 9. Refrigerant compressor - 냉매 가스를 고압으로 압축하여 저온의 노점을 발생 시켜주는 기능을 하며 Air dryer의 핵심적인 부품이기도 하다
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