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압축기 - 공기압축기응축수 자동처리장치

jusm6080 | 2005-01-19 11:45 | 조회 0 | 답변 1

강관속에 압축된 공기를 공급하는데 공기중의 수분과 온도차에 의하여 압축공기 중에 물이 발생 합니다. 강관의 연장길이는 3000m이상이고 공급관의 설치장소도 굴곡이 있습니다. 일정장소에 응축수 처리 탱크를 설치하고 자동으로(전원공급없이) 처리코자 합니다. 어떻게 하면 되겠습니까?
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활동분야 : MP3,PMP
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1. 공기압 시스템의 구성
    공기압 시스템은 각종 공기압기기를 유기적으로 조합하여 공기압 작동기기를 목적하는 바와 같이 작동하도록 구성하게 되며 공기압원, 청정화시스템, 제어밸브, 작동기기, 기타 부속기기 등으로 구성된다.
    압축기에서 발생된 압축공기는 단열압축에 의해 온도가 150~250℃까지 상승하므로 후부냉각기에서 냉각된 후 탱크로 들어간다.
    여기서 맥동압력을 안정화 시키고, 탱크의 낮은 곳에 고인 물은 자동적으로 배출된다.
    탱크를 통과한 압축공기는 필터에서 이물질과 수분이 분리ㆍ제거되고 압력제어밸브에서 필요로 하는 압력으로 감압된 후 윤활기에 의해 분무된 미세한 윤활유와 함께 방향제어 밸브로 보내지고 액추에이터를 수동한 후 방향제어 밸브에서 소음기를 통하여 배기된다.
    수분을 완전히 제거한 건조공기를 필요로 하는 기기에서는 드라이어(Dryer)에서 충분히 제습된 것이 사용된다.
    한편 주 배관(Main line)의 공기압은 압력센서 에서 감지되어 그 전기 신호에 의해 압축기를 구동하는 전동기에 신호가 전달되어 항상 일정 수준의 압력을 유지시키면서 가동하게 된다.

 

 

 
2. 공기압축기
    가. 종류
        전기에너지, 기계에너지를 공기압 에너지로 변환하는 장치로 대기중의 공기를 소정의 압력(일반적으로7kgf/㎠)까지 압축하여 이 공기압 에너지를 여러 가지 용도로 제공한다.
        공기 압축기는 왕복식, 나사식, 터보식(원심식)으로 분류할 수 있다.
        왕복식은 실린더 내를 피스톤이 왕복운동을 함으로써 그림 2-1과 같이 공기를 압축하는 가장 일반적인 방식이며 1kgf/㎠ 이하의 저압에서 1,000kgf/㎠이상의 고압까지 응용 범위가 넓고, 특히 압력 5~10kgf/㎠, 75kw 이하의 소형 압축기는 거의 이러한 형식이다.

 

        왕복식은 공기를 7kgf/㎠까지 한 번에 단열 압축하므로, 대기온도가 30℃일 때는 압축후의 공기온도가 250~300℃로 된다.
        이 때 윤활유가 고온이 되기 때문에 증기상태로 되고 일부는 탄화하여 카본이 생성된다.
       

        나사식은 (그림 2-2)과 같이 나사형태의 암.수 두 개의 로터(Rotor)에 의해 압축하는 방식으로 압축시에 강제적으로 기름을 주입하여 압축열을 냉각하고 로터의 윤활, 기밀 작용과 함께 공기를 냉각하면서 압축하기 때문에 압축효율이 좋게 되고 송출 공기의 온도도 70~90℃로 왕복식에 비하여 낮으므로, 기름의 탄화가 없으며, 산화도 거의 없다.

       터보식은 터빈을 고속으로(3~4만 회전/분) 회전시킴에 따라 공기가 고속이 되며, 이 때 공기의 질량 × 유속 = 압력에너지로 변환된다. 공기의 질량은 물에 비해 대단히 적으므로 압력을 높이는 것은 고속 회전을 해야 하므로 빠른 유속이 필요하다.
      그래도 압력을 7kgf/㎠까지 한번에 올리는 것은 어려우므로 2단, 3단 압축을 하여 7kgf/㎠ 까지 올리고 있다. (그림 2-3).
 

3. 압축 공기의 이물질

    가. 이물질이란?
          대기중에는 환경조건에 따라. 각종의 부유먼지, 특히 중화학공업지대에는 SO , H  , S 등 의 오염 물질이 함유되어 있다.
          이 대기를 압축기에 흡입하여 7kgf/㎠까지 압축할 경우에 먼지 농도는 대기에 비하여 8배나되며 , SO , H  , S 등이 함유되어 있으면 각 공기압 기기의 부식 을 촉진시키는 요인 이 된다.
          압축기의 흡입측에 필터를 부착하므로 어느 정도의 먼지는 여과시키지만 2~5㎛ 이하와 같은 미세한 먼지는 제거되지 않는다.
          그렇다고 해서 흡입구에 여과도를 너무 높이면 통기저항이 증가하여 압축기의 효율이 저하된다.
          이물질중 가장 큰 이물질은 대기중의 먼지다. 실제로 흙먼지가 많은 곳에서는 배관중에서 흙이 나오는 경우가 있다.
          두번째의 이물질은 압축기 윤활유가 미스트나 카본으로 된 것이다.압축기에는 윤활유를 사용하고 있으므로 이 윤활유가 주로 피스톤과 실린더 윤활시 미세한 미스트나 카본으로 된다.
           더우기 공기가 압축되면 고온의 공기(대기압하 30℃를 7kgf/㎠로 압축할 때 왕복식은 250~300℃, Screw식은 70~90℃) 로 되어 이 고온공기에 의해 기름이 미스트로 탄화되거나 증기화 되기도 한다.
          탄화된 기름은 미세한 카본 분자로 되거나 증기화 되기도 한다.
          탄화된 기름은 미세한 카본 분자로 되거나 타르상태의 카본 물질이 된다. 또한 증기상태의 기름은 대단히 미세한 입자로 되어, 고온에서 산화되어 있다.
          (오일 윤활방식의 나사식은 공기온도가 낮으므로 기름이 탄화하는 일이 거의 없다.)
          세번째 이물질은 수분이고 또한 수분의 영향에 의해 생기는 배관중의 녹이다.
          대기중에는 일반적으로 40~80%의 범위에서 수분이 수증기의 상태로 함유되어 있다.
          이 공기를 7kgf/㎠까지 압축하면, 공기의 체적은 1/8이 되므로, 수증기로서 함유되는 비율이 적고, 60~70℃ 이하로 공기가 냉각되면 포화증기로 되어. 습도가 100%를 초과하여 과포화 수분이 응축 수분으로 서 발생하게 된다.
          수분이 공기배관중, 특히 철강제의 배관내에 있으면 녹이 발생한다.

 

 

    나. 공기청정화 기기의 필요성
         전기의 위상이 어긋나거나, 전압이 떨어지면 모터의 효율이 저하하거나 회전수가 변화하여 전기기기에 나쁜 영향을 미치므로 정전압장치나 역율 개선을 위한 진상콘덴서를 사용하여 안정된 전원을 공급해야 한다.
         마찬가지로 공기압원에 있어서도, 공기의 압력이 변화하거나 이물질이 함유되어 있으면 공기압기기가 정상으로 기능을 발휘하지 못한다. 그러므로 이러한 이물질을 제거하여 공기압기기를 가장 양호하게 사용하기 위하여 공기청청화기기가 필요하게 된다.
         이물질이 각 공기압기기에 미치는 영향은 (표 2-4)와 같다.
 
 
4. 후부냉각기(After Cooler)
    가. 설치목적
       공기압축기로부터 송출되는 고온의 압축공기를 Air Dryer로 공급하기 전에 Dryer의 입구 공기온도조건(약 35℃)에 적합하도록 1차 냉각시켜 수분을 제거한다.
    나. 종류
        1) 수냉식
          주의가 고온, 다습, 먼지가 많은 악조건에서도 안정된 성능을 얻을 수 있고 냉각효율이 좋아 공기 소비량이 많을 때 사용한다.
       2) 공냉식
          냉각수 설비가 불필요하고 단수나 동결의 염려가 없으며 보수도 용이하여 유지비가 적게 든다.
   다. 구조, 작동원리
       1) 수냉식
        (그림 4-1)와 같이 다관식 열교환기가 일반적이다. 냉각관으로는 주로 강관이 사용되며, 관 내측에 물. 관 외측에 고온의 압축공기가 흐르는 경우와, 반대로 관내측에 공기가 흐르는 경우가 있다.
        어느 경우이든 냉각관 벽을 통하여 고온의 공기가 냉각수와 열교환되면서, 고온상태인 압축공기의 온도가 내려간다. 이때 압축공기중의 수분은 그때의 온도 및 압력에서 함유한계를 초과한 경우는 응축하여 물방울로 되어 냉각관의 벽에 부착된다.
        이러한 물방울은 서로 모여 물로 생성되고 후부냉각기의 밑바닥에 고인다. 이러한 응축수는 드레인밸브 또는 드레인 자동배출기로서 배출시킨다.
        후부냉각기에서는 수분의 분리효과가 중요하다. 그림(2-6)의 수냉식 후부 냉각기는 냉각관 외측의 표면에 (그림 4-2)과 같이 핀을 설치하여 압축공기와 냉각면과의 접촉면을 증대시키고 있다. 이것에 의해  냉각성능의 향상과 응축수의 부착분리를 도모하고 있다. 나아가 압축공기 출구 부문에 드레인 분리기를 내장하여 공기의 유속 및 흐름 방향의 급격한 변화를 일으켜 혼입하고 있는 미스트 상태의 응축수를 분리시키고 있다.
        냉각된 압축공기의 온도는 출구온도계로서 점검 할 수 있다.
 
 
5. 주 배관용 필터(Main Line Filter)
     가. 설치목적
         주 배관에 설치하여 압축공기중의 기름, 물, 먼지 등의 이물질을 재거하여 깨끗한 공기를 만들어 후단에 있는 정밀필터의 수명연장이나 각 기기에서 이물질에 의한 고장을 방지한다.
    나.구조
 
 
 
 
 
 
    다. 작동원리 
        본체에 유입된 압축공기는 중앙에 위치한 필터 엘레멘트의 내측에 유입되어, 엘레멘트의 내측에서 외측으로 통과된다.
           여기서 공기주중의 이물질은 여과되고 대부분의 이물질이 분리된 깨끗한 공기는 2차측으로 흘러간다.
           필터 엘레멘트는. 합성섬유의 천 또는 Felt식의 Glass Fiber의 여과체가 원통형으로 부착되어 있다.
           여과제는 미세한 섬유로 되어 있기 때문에 통과하는 공기는 직선으로 흐르지 못하고 굴곡으로 흘러가므로 여과작용이 엘레멘트의 표면뿐만 아니고 내부에서도 이루어지는 특성이 있다.
            그런데 공기중에 함유되어 있는 이물질 중에서 고형물질들은 필터 엘레멘트를 통과함으로서 여과제의 표면 및 내부에서 여과되어 점점 퇴적되어 가므로 여과재가 막히게 되어, 필터의 압력강하가 증가하게 된다.
            한편 기름, 물과 같은 액체 방울은 여과재에서 응집되어 보다 큰 액체방울로 되고 여과재의 내부 및 엘레멘트의 2차측 표면을 흘러내려서 엘레멘트의 하부에서 케이스내로 떨어져 모인다.
            케이스의 하부에 모인 드레인은 드레인 밸브의 개방에 의해  케이스 내의 압력으로 배출시킨다.
            드레인의 배출을 하지 않으면 엘레멘트까지 상승하게 되어, 분리된 드레인이 2차측으로 유입되므로 이런한 현상을 방지하기 위해서는 자동배출기(Autodrain)를 설치하면 편리하다.
 
    라. 특성 선정
        특성으로서는 유량특성과 이물질 분리효과가 있다.
        유량특성은 필터를 통과하는 공기량과 이 때문에 생기는 압력강하와의 관계를 나타낸다. (그림 5-2)
        

 

        이물질 분리효과는 주배관 필터의 1차측 및 2차측의 공기를 광정관식 먼지 카운터 (광산란 방식을 이용하여 0.3~10㎛까지의 입자를 각각 검출한다) 에 의해 입자의 크기별로 그 수량을 측정하여 주배관 필터에서 어느 정도 크기까지의 입자가 어느 정도 분리되는가를 측정하여 그 숫자를 표시하고 있다.
        예를 들어 여과도 5㎛(마이크고 메타, 보통 micron 이라 호칭), 분리효율 90%이상
이라는 것은 입자크기 5㎛ 이상의 이물질을 90%이상 제거할 수 있다는 것을 나타낸다.
        선정은 우선 처리공기량에 주의해야 한다.
        각 주배관 필터에는 최대처리 유량이 설정되어 있고 이범위를 초과하면 엘레멘트의 통과유속이 크게 되어, 오일 미스트 등의 액체방울은 엘레멘트의 통과유속이 크게 되어, 오일 미스트 등의 액체방울은 엘레멘트에서 응집되어도 엘레멘트 2차측에서 다시 비산하여 하류측에 다시 운반되므로 분리효과가 떨어진다.
        그러므로 사용되는 공기의 최대유량이 주배관 필터의 최대거리 유량의 범위내로 되는 기종을 선정해야 한다.
        또한 유량특성에도 주의해야 한다. 주배관으로서의 최저 압력에 대하여 사용단까지 배관의 압력강하, 드라이어의 압력강하 등을 고려하고 주배관 필터 이전의 압력을 고려하여 합치면 최대한 허용되는 압력강하의 범위가 결정된다. 이 범위내에서 적합한 기종인가 어떤가를 확인할 필요가 있다.
 
 
6. 공기 건조기(Air Dryer)
     가.설치목적
        공기압축기로부터 송출되는 압축공기중에는 기름, 물, 먼지등의 이물질이 포함되어 있어 기름, 응축수, 먼지는 필터, 기름분무분리기 등으로 제거할 수 있지만 수증기의 제거는 불가능하다.
         이 수증기는 공기배관중에서 외부와의 온도차이에 의해 응축되므로 녹발생을 촉진시켜, 이 녹과 수분이 공기압기기에 대한 고장의 원인이 된다. 이 수증기를 제거할 목적으로 사용되는 것이 공기건조기이다.
     나. 종류
        수증기를 제습방법에 따라 냉각식, 흡착식, 흡수식이 있다.
            ○ 냉각식:  공기를 강제로 냉각시킴으로서 수증기를 응축시켜 제습하는 방식으로서 냉동기를 이용하는 경우가 많다.
            ○ 흡착식: 흡착제로 공기중의 수증기를 흡착시켜 제습하는 방법이다.
                            흡착제는 실리카젤, 알루미나젤, 합성 제오라이트 등이 사용된다.
            ○ 흡수식: 흡습액을 이용하여 수분을 흡수시킨다.
                            흡습액으로서는 염화리튬 수용액, 토리에칠렌 그리콜이 사용된다.
                            이 방법은 흡습액의 농도와 온도를 선정하면 임의의 온도와 습도의 공기를 얻는 것이 가능하기 때문에 일반 공조용 등에 사용된다.

 

     에어드라이어에 들어온 습하고 뜨거운 공기는 처음에 재가 열기로 들어가고, 제습된 후 찬공기와 열교환하여 예냉된다. 다음에 쿨러부분에 들어온 찬 프레온가스에 열전도되어 더욱 냉각제습되어 수분을 분리한다.

    마지막으로 재가 열기부에서 에어드라이어로 들어온 뜨거운 공기와의 열교환에 의해 가열되어 온도가 상승하고, 따뜻하고 건조된 공기로서 에어드라이어에서 배출된다.
      1)냉각식 공기 건조기
            냉각식 공기건조기는 공기를 강제 냉각시키므로서 그 곳에 함유되어 있는 수분을 응축하여 제거하는 것으로 보수가 쉽기 때문에 가장 많이 사용되고 있다.
            가)구조 및 작동원리
                  - 열교환기부 : 압축기로부터 송출되는 고온다습한 공기는 공기 재가열기(Reheater)로 들어가서 제습된 차가운 공기에 의해 예비 냉각된 상태로 공기냉각기로 들어가서 냉매의 증발열에 의해 일정한 온도로 냉각된다. 이 때 응축 발생된 오일 미스트나 수분은 자동배출기에 의해 자동적으로 배출된다.
                        냉각되어 제습된 차가운 공기는 다시 공기 재가열기로 들어가 이곳으로 유입되는 고온 다습한 공기와 열교환되어 건조하고 따뜻한 공기로서 2차측에 공급된다.
                 - 냉동회로부 : 냉동기로부터 압축, 토출된 고오느 고압의 냉매가스는 열교환기를 통과하여, 콘덴서에 이르러 바깥 공기에 의해 냉각되고 고압의 따뜻한 냉매액으로 액화한다.
                        이어서 모세관을 통과할 때 압력이 급격히 저하되어 증발기로 들어간다.
                        증발기에서 습하고 뜨거운 공기의 열을 빼앗아 급격하게 증발되어 Gas로 되며 다시 열교환기를 거쳐 냉동기에 흡입되고 이 사이클을 반복하게 된다.
            나)특성
                  공기건조기에 공급된 압축공기의 노점은 그 부하의 크기에 따라 다르다.
                  부하 및 노점은 압축공기의 압력에 반비례히며, 온도, 유량, 주위온도에 비례한다.
                  이것은 단위 중량당의 공기중에 함유되어 수증기량은 동일한 온도의 경우 압력이 높을수록  적게 되고 압력이 같은 경우에는 온도가 낮을수록 적게 되기 때문이다. (그림 6-2)

 


                   또한, 주의온도가 낮으면 콘덴서에서의 방열효과가 높게 되고 역시 부하가 감소한 것과 같게 되기 때문이다.
                   그러므로, 2차측에 요구되는 노점과 부하의 크기로부터 선정해야 할 공기 냉각기의 크기가 결정된다.
                   여기서 요구되는 노점으로는 그 공기를 사용하는 조건 및 목적에 따라 크게 다르게 되어 일반적으로 몇 도로 하면 좋으가를 말하는 것은 불가능하지만 가압에서 10℃이하의 노점이면 일반적인 사용에서는 문제가 되지 않는다.
                   또한 냉각식 드라이어의 경우, 노점을 가압하에서 0℃이하로 하는 것은 물방울의 동결 때문에 곤란하고 보다 낮은 노점을 필요로 하는 경우에는 흡착식 공기건조기를 사용하는 편이 바람직하다.
 
7. 미스트 세퍼레이터
     가. 목적
       압축공기중의 이물질의 제거는 여과도 3~5㎛의 주배관 필터가 부착되어 이물질을 제거하지만, 이 필터로느 제거되지 않는 미세한 먼지나 오일 미스트를 제거하며 또한 미스트 세퍼레이트까지의 배관중에 발생한 미세한 입자를 제거하여, 보다 청정한 공기를 얻기 위해 이용되는 것으로서 기름, 물 등 미립자의 분리율 은 99,9%이상이다.


      나. 구조, 작동원리
       몸체에 유입한 공기를 우선 MC 카트리지의(여과지 및 여과지 상태의 Glass fiber를 주름지게한 엘레멘트)외측에서 내측으로 통과하면서 여과작용에 의해 미세한 고형물질은 제거된다.
       또한 미세한 오일 미스트는 여과섬유의 표면 밑 내부에서 관성충돌, 직접 차단, 브라운 운동에 의한 확산 등에 의해 포착되고 입자크기가 다른 섬유층을 통과하면서 응집성장하여 큰 방울이 되어, 포집 엘레멘트에 보내지며, 미세한 오일 미스트의 포집은 다음과 같은 요소에 의해서 이루어진다.
            1) 직접차단(그림 2-19a)
               미세한 오일 미스트중에서도 여과섬유의 틈에서 큰입자는 직접 섬유에 포집된다.
            2) 관성충돌(그림 2-19b)
               오일 미스트가 공기중을 그 흐름에 따라 운반되고 있는 경우, 이러한 오일 미스트는 무게를 가지고 있어, 여과섬유에 의해 공기의 흐름이 변할 때, 그 관성 때문에 공기를 따라가지 못하고 섬유에 충돌한다.
            3) 브라운 운동에 의한 확산(그림 2-19c)
                미세한 입자일수록 브라운 운동이 격렬하게 된다(브라운 운동이란 입자가 유체의 흐름 방향에 관계없이 자유롭게 임의의 방향으로 운동하는 상태를 말한다.
                 이 브라운 운동에 의해 입자는 섬유에 접촉하여 포집된다.
                 MC 카트리지를 통과한 공기가 합성섬유로 된 포집 엘레멘트, 분리 엘레멘트를 통과하여 포집 성장한 미스트는 더욱 더 큰 방울로 성장하여 분리 엘레멘트부에서 공기로부터 분리되며 케이스내에 모인 드레인은 드레인 밸브를 개방함으로서 케이스 내의 압력에 의해 배출된다.
 
 
  8. 그외의 정밀여과 필터
     가. 마이크로 미스트 세퍼레이터(Micro Mist Separator)
         미스트 세퍼레이터에 비해 보다 더 미세한 여과를 필요로 하는 용도에는 마이크로 미스트 세퍼레이터가 사용 된다.
         이것은 Glass Fiber 엘레멘트를 사용하여 0.01㎛의 여과도를 가지며 0.01㎛ 이상의 먼지나 카본을 완전히 제거함과 동시에 기름, 물, 등 미립자의 99.9999%를 제거하는 것이 가능하다.
         용도는 정밀계측기나 미도장 등 높은 청정도를 요구로 하는 분야에 사용된다.
     나. 냄새제거용(Odour Removal)필터
         약품, 식품, 주조, 호흡용 등의 분야에서 냄세를 제거할 목적으로 활성탄소 섬유의 엘레멘트 이용하여 흡착탈취를 한다.
     다. 초정밀여과 미스트 세퍼레이터(Super Mist Separator)
        압축공기중의 에어로졸상태의 기름 미립자를 분리, 흡수하여 기름윤활 압축공기를 기름이 없는 상태의 공기로 변환한다.
          높은 청정도가 요구되는 정전도장 라인용 유분을 제거해야 할 기기용 압축공기 Clean Room용 압축공기의 여과 등 극도로 유분을 제거해야 할 기기용 압축공기의 여과에 사용된다.
      라. 클린 가스(Clean Gas)필터
        전자공업 등의 정밀여과를 목적으로 하는 곳에 사용 되며 여과도는 0.01㎛ (100% 제거)이므로 Clean Blow, 청정액체 압송, 공기 마이크로미터, 정전도장 등에 사용 된다.
2006-03-15 15:56 | 출처 : 본인작성



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