컴프레셔 내부 누수
압축 공기 드라이어 백서
대기 중의 공기에는 항상 물이 있습니다. 대부분 수증기의 형태로 있지만, 비와 같이, 실제로 물의 형태일 때도 있습니다. 대기 중의 수증기는 눈에 보이거나 느껴지지 않지만, 우리가 생각하는 것보다 그 양이 상당할 때도 있습니다.
온도가 35°C일 때 공기는 수증기의 형태로 최대 39g/m³의 물을 함유히며, 수증기의 양이 이 수준에 도달하면 공기의 상대 습도는 100%입니다. 공기 중에 물이 더 많으면(39g/m³ 초과) 물이 응결되어 물방울을 형성합니다.
온도가 낮아지면 공기가 함유할 수 있는 수증기 양 또한 감소합니다. 예를 들어, 온도가 20°C일 때 공기는 최대 17g/m³의 수증기를 함유할 수 있습니다.
이는 상대 습도가 100%일 때 1m³의 공기를 35°C에서 20°C로 냉각시키면 22g의 증기는 응결된다는 뜻입니다. 공기가 함유할 수 있는 수증기의 양이 한정되어 있기 때문입니다.
노점은 공기의 건조도를 나타내는 데 자주 사용되는 파라미터로, 공기 중의 수증기가 포화 상태일 때의 온도입니다. 예를 들면, 공기의 온도가 35°C 일 때, 39g/m³의 물을 함유합니다. 따라서 상대 습도가 100%인 공기의 노점은 35°C입니다. 공기가 22g/m³의 물을 함유하면 (상대 습도가 56%인 경우) 공기의 노점은 20°C입니다.
참고: 이러한 값이 대기 온도 압력에서 측정되면 대기 노점을 의미하고, 압력 상태에서 측정되면 압력 노점을 나타냅니다. 그런데 대기가 압축되면 어떤 일이 생길까요? 압축 과정에서 수증기의 농도가 압력비와 함께 증가합니다. 이는 동일한 공간 내에 더 많은 수증기가 존재한다는 의미입니다.
예시: 일반적인 주변 환경에서 온도가 35°C이고 상대 습도가 60%이면 공기 1㎥는 약 23g의 수증기를 함유합니다. 주변 공기가 대기압에서 7 bar(g)의 압력으로 압축되면 수증기 농도가 8배로 증가합니다. 그 결과, 압축된 공기 1㎥는 이제 수분 184g을 함유합니다.
이는 35°C에서 생성된 압축 공기 1㎥당 물 161g이 추가로 압축 공기 시스템으로 유입됨을 의미합니다.
그렇다면 하루에 8시간 작동하는 90kW 컴프레셔는 어떨까요? 8시간 동안 가동되는 컴프레셔는 총 140L의 물(욕조를 채울 수 있는 양)과 수증기 37L를 함유한 압축 공기 970m³를 생산하게 됩니다.
동영상을 통해 컴프레셔에 물이 생기는 이유와 예방하는 방법을 알아보세요!
압축 공기 내의 수분을 제거하고, 다운스트림 장비와 제품을 보호하는 방법은 여러 가지가 있습니다.
첫 번째 방법은 ‘과압축’입니다. 과압축을 하게 되면, 컴프레셔 내 압력이 필요 수준 이상으로 상승하게 됩니다. 그리고 압력 상승으로 인해 압축 공기 내에 추가로 물이 생기고 더 많은 물방울이 형성됩니다. 그때 물과 물방울을 제거하는 방법입니다.
이후 압력은 실제 필요 수준까지 감소하게 됩니다. 압축 공기에 수증기만 남아 있기 때문에, 컴프레셔 내 압축공기가 건조해지며 상대 습도가 100% 미만으로 떨어지게 됩니다.
두 번째 방법은 ‘냉각’입니다. 앞서 설명했듯이, 공기가 함유할 수 있는 수증기의 양은 온도가 감소하여 함께 감소합니다. 그리고 냉각 과정에서 압축 공기는 낮은 온도로 냉각됩니다.
온도가 낮아지면 상대 습도가 100%를 초과하고 물방울이 형성되는데요. 그때 물을 한 번에 제거할 수 있습니다. 이후 압축 공기의 온도가 다시 높아지며, 압축 공기에 수증기만 존재하게 됩니다. 그리고 이 시점에 상대 습도는 100% 미만일 것입니다.
마지막 방법은 ‘화학 건조’입니다. 흔히 사용되는 이 방법은 외부 물질로 수분을 흡수, 흡착하여 제거하는 방법으로, 흡습액 또는 파우더로 수분을 모읍니다. 물을 흡수한 흡수재는 화학적 구성이 달라지기 때문에 재사용이 불가합니다. 따라서 흡수재가 포화 상태가 되면 교체하여 사용해야 합니다.
흡착의 경우, 흡착제로 수분을 모으게 됩니다. 흡착제의 구멍으로 전달되어 수분 분자가 축적되며, 포화 상태가 되면 비즈를 재생시켜 공정을 새로 가동시킬 수 있습니다. 흡착제 위로 가열된 기류나 건조한 기류를 보내면 흡착제가 재생됩니다. 흡수 및 흡착제의 원리는 물을 유지하는 힘을 방해하는 것으로, 물 분자를 제거하는데 탁월합니다.
이렇듯 컴프레셔 내 물을 제거하는 방법은 다양합니다. 그렇다면, 공정별 선호도와 장점, 활용 방법, 그리고 잠재적 문제는 무엇일까요?
과압축: 과압축은 컴프레셔 수분을 제거하기 위한 가장 간단한 공기 압축 방법입니다. 하지만 이 방법은 에너지 소비가 많기 때문에 아주 작은 기류에만 적합합니다.
냉각: 냉각은 가장 인기가 많은 건조 방법으로, 냉각수와 열 교환기를 사용해서 압축 공기를 냉각하는 원리입니다. 이렇게 낮은 온도에서는 수분이 물방울로 응결되는데요. 응결된 수분을 모아 배출하는 방법니다. 이 시스템에는 냉각수의 온도로 인한 제약이 있으며, 워터쿨러를 사용해야 합니다.
흡수: 수분을 화학적으로 흡수하는 이 방법은 흡수재를 계속 교체해야 하기 때문에, 유지관리 비용이 다른 방법에 비해 높은 편입니다. 또한, 이 종류의 드라이어는 노점을 15°C까지만 낮출 수 있습니다.
냉매를 이용한 방법(냉동식): 압축 공기 냉각을 활용하는 건조 방법으로 냉매 드라이어를 사용하는 방법이 있습니다. 대중적으로 가장 잘 알려진 이 방법은 드라이어의 냉매 회로가 압축 공기를 냉각하는 원리입니다.
그러나 드라이어의 온도가 0°C 미만으로 떨어지면 형성된 물방울이 얼어붙어서 열 교환기 내의 압축 공기 흐름을 막으면서 냉매 드라이어 고장을 초래할 위험이 있습니다.
흡착제를 이용한 방법(흡착식): 흡착식 드라이어는 필요한 압력 노점이 0°C 미만이어야 하는 경우에 주로 사용합니다. 대부분의 적용 분야가 -40°C 또는 심지어 -70°C 정도로 낮은 노점을 요합니다.
이제, 압축공기 드라이어의 기술이 시간이 지남에 따라 어떻게 발전해왔는지 알아보겠습니다.
