압축기

3. 압축기의 작동 원리 (열역학)

4. 압축기의 단계 (Staged Compression)

폴리트로픽 과정: 약간의 냉각이 수반됨.

등온 과정: 최대 냉각이 수반됨.

압축기가 기체를 $P\_1$에서 $P\_2$로 압축하는 데 필요한 일은 다음과 같은 가정을 통해 각 과정에 대해 다음과 같이 나타낼 수 있다.^[25]

• $P\_1$ 및 $P\_2$
• 흐름 과정 VdP
• 모든 과정은 내부적으로 가역적임
• 기체는 상수 비열을 갖는 이상 기체처럼 거동함

• 등엔트로피($Pv^k\; =\; constant$, 여기서 $k\; =\; C\_p/C\_v$):

• 폴리트로픽($Pv^n\; =\; constant$):

• 등온($T\; =\; constant$ 또는 $Pv\; =\; constant$):

5. 압축기 윤활 (Lubrication)

전동 모터로 구동되는 압축기는 VFD 또는 전력 인버터를 사용하여 제어할 수 있지만, 많은 밀폐형 및 반밀폐형 압축기는 내장형 오일 펌프를 포함할 수 있으므로 특정 범위의 속도 또는 고정 속도에서만 작동할 수 있다. 내장형 오일 펌프는 압축기를 구동하는 동일한 샤프트에 연결되어 오일을 압축기 및 모터 베어링으로 밀어 넣는다. 저속에서는 충분한 양의 오일이 베어링에 도달하지 못하여 결국 베어링 고장을 유발하는 반면, 고속에서는 과도한 양의 오일이 베어링과 압축기에서 튀어 나와 토출 라인으로 손실될 수 있다. 결국 오일이 고갈되어 베어링에 윤활유가 공급되지 않아 고장이 발생하고, 오일이 냉매, 공기 또는 기타 작동 가스를 오염시킬 수 있다.^[30]

6. 압축기 구동 방식 (Drive Motors)

기체의 압축은 온도를 증가시킨다.^[29] 기체의 폴리트로픽 변화는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

:$\backslash begin\{cases\}$

pV^n=\text{상수}=p_1V_1^n=p_2V_2^n \Rightarrow \frac { p_2 }{ p_1 }\ = \left( \frac{ V_1 } { V_2 } \right) ^ n & \\

\frac{p^{\frac{n-1}{n}}}{T}=\text{상수}=\frac{p_1^{\frac{n-1}{n}}}{T_1}=\frac{p_2^{\frac{n-1}{n}}}{T_2} \Rightarrow \left( \frac{ p_2 } { p_1 } \right) ^ \frac{n-1}{n} = \frac{ T_2 } { T_1 } &

\end{cases}

밀폐된 실린더 내에서 기체의 폴리트로픽 압축(또는 팽창)에 필요한 일의 양은 다음과 같이 계산된다.

:$W\; =\; -\; \backslash frac\{p\_1\; V\_1\}\{n-1\}\; \backslash left(\; \backslash left(\; \backslash frac\{p\_2\}\{p\_1\}\; \backslash right)^\{\backslash frac\{n-1\}\{n\}\}\; -1\; \backslash right)$

여기서 ''p''는 압력, ''V''는 부피, ''n''은 압축 과정에 따라 다른 값을 가지며, 1과 2는 각각 초기 상태와 최종 상태를 의미한다.

압축기의 구동 방식은 다음과 같이 세 가지로 나눌 수 있다.

• 단열 압축: 압축 과정에서 기체와 외부 사이에 열 전달이 없다고 가정한다. 공급된 모든 일은 기체의 내부 에너지로 전환되어 온도와 압력이 증가한다. 이론적인 온도 상승은 다음과 같다.^[29]

• 등온 압축: 압축 과정 동안 기체의 온도가 일정하게 유지된다고 가정한다. 내부 에너지는 압축 일로 추가되는 만큼 열로 제거된다. 등온 압축은 열 교환 표면이 크거나, 기체 부피가 작거나, 시간 척도가 긴 경우(즉, 전력 수준이 낮은 경우) 실제와 더 가깝다. 중간 냉각을 사용하는 압축기가 완벽한 등온 압축에 가장 가깝지만, 실제로는 완벽한 등온 압축을 달성하기 어렵다.

• 폴리트로픽 압축: 기체의 온도 상승과 압축기 부품으로의 에너지 손실(열)을 모두 고려한다. 열이 시스템에 들어가거나 나갈 수 있으며, 입력 샤프트 작업이 압력 증가(일반적으로 유용한 작업)와 단열 이상 온도 증가(일반적으로 사이클 효율로 인한 손실)로 나타날 수 있다고 가정한다. 압축 효율은 이론적인 100%(단열) 대 실제(폴리트로픽) 온도 상승의 비율이다. 폴리트로픽 압축은 0(정압 과정)에서 무한대(정체적 과정) 사이의 $n$ 값을 사용하며, 일반적인 경우 $n$ 값은 1과 $\backslash kappa$ 사이이다.

7. 압축기의 밀봉 방식

압축기의 밀봉 방식은 크게 세 가지로 나뉜다.

• 밀폐형 (Hermetic): 전동기와 압축기가 용접된 일체형 용기 안에 밀폐된 형태이다. 내부 부품 수리 및 교체가 불가능하며, 전동기 냉각은 작동 유체를 사용한다. 대량 생산되는 범용 냉동기에 주로 사용되며, 냉동 사이클에 물이 유입되면 누전될 수 있다.^[1]

• 반밀폐형 (Semi-hermetic): 전동기와 압축기가 볼트로 조여진 분할형 용기에 밀폐된 형태이다. 볼트를 제거하여 전동기, 베어링 등을 수리 및 교체할 수 있지만, 실제로는 밸브판, 오일 레벨 창, 가스켓 정도만 교환 가능하다. 단단 압축기는 냉장 및 냉동 용도로 사용되며, R22와 같이 저압 냉매를 사용하는 경우 2단 압축 방식을 사용한다. 2단 압축 방식은 초단에서 흡입 압력을 정압까지 압축하고, 인터쿨러와 액체 분사로 온도를 낮춘 후 후단에서 1.5 - 2MPa 정도로 압축하는 방식이다.^[1]

• 개방형 (Open): 원동기가 압축기와 같은 용기 내에 있지 않아 축 씰 장치가 필요한 형태이다. 가스 누출을 최소화하기 위해 축 씰 측에 저압(흡입) 측을 구성한다. 냉동 기기에서는 펌프 다운을 실시하여 흡입 압력이 포화 증기압력까지 상승하는 것을 방지한다. 카 에어컨의 경우, 사용하지 않을 때 압축기 흡입 측 압력이 높아 가스 누출이 발생할 수 있으므로, 환경 보호를 위해 밀폐형을 채택하거나 펌프 다운 제어를 해야 한다. 개방형 압축기는 전동기 외 다른 원동기를 사용할 수 있고, 대형화가 가능하다.^[1]

8. 압축기의 응용 분야 (Applications)

압축기는 다음과 같은 다양한 방식으로 응용된다.

• 가스터빈은 제트 엔진의 일부인 축류 및 원심 흐름 압축기를 구동한다.
• 대형 압축기에는 증기 터빈 또는 수력 터빈을 사용할 수 있다.
• 전동기는 고정식 압축기에 저렴하고 조용한 동력원이다. 가정용 전기에 적합한 소형 모터는 단상 교류 교류 전력을 사용한다. 대형 모터는 산업용 삼상 교류 전원 공급 장치를 사용할 수 있는 곳에서만 사용할 수 있다.
• 디젤 엔진 또는 가솔린 엔진은 휴대용 압축기 및 보조 압축기에 적합하다.
• 자동차 및 기타 유형의 차량(왕복 엔진 비행기, 보트, 트럭 등 포함)에서는 디젤 또는 가솔린 엔진의 출력을 높이기 위해 흡입 공기를 압축하여 사이클당 더 많은 연료를 연소시킬 수 있다. 이러한 엔진은 자체 크랭크축 동력을 사용하여 압축기를 구동할 수 있다(과급기). 또는 배기 가스를 사용하여 압축기에 연결된 터빈을 구동할 수 있다(터보차저).

9. 대한민국 내 압축기 제조사

대한민국 내 압축기 제조사는 다음과 같다.

참조

_[1] 서적 Reciprocating Compressors, Operation and Maintenance Gulf Professional Publishing
_[2] 웹사이트 Reciprocating Compressor Basics http://www.machinery[...] 2005-07-00
_[3] 웹사이트 Machinery, Tools & Supplies Articles on ThomasNet https://web.archive.[...]
_[4] 웹사이트 Ref Doc https://download.sch[...]
_[5] 웹사이트 Screw Compressor http://www.blackmer.[...]
_[6] 웹사이트 Technical Centre http://www.domnickhu[...]
_[7] 뉴스 How Does a Rotary Screw Air Compressor Work? http://www.industria[...] ICS 2017-08-16
_[8] 서적 Hydraulic Fracturing Operations: Handbook of Environmental Management Practices https://books.google[...] John Wiley & Sons 2015-01-28
_[9] 웹사이트 Single Screw Compressor https://www.daikinap[...]
_[10] 간행물 Variable Speed Tri-Rotor Screw Compression Technology http://docs.lib.purd[...] International Compressor Engineering Conference. Paper 1825. 2006
_[11] 웹사이트 Rotary Vane Compressors and the Vane Compressor - Compressors for stationary industrial and OEM applications - Mattei https://web.archive.[...] Mattei Compressors Inc
_[12] 웹사이트 Motion of Rolling Piston in Rotary Compressor http://docs.lib.purd[...] 2017-08-16
_[13] 웹사이트 What the New Samsung Mini Rotary Compressor Means https://news.samsung[...]
_[14] 웹사이트 High Efficiency Compressor to Achieve a High COP Air Conditioning and Refrigeration Daikin Global https://www.daikin.c[...]
_[15] 특허 Scroll Machine Using Discharge Pressure For Axial Sealing
_[16] 특허 Scroll-Type Machine With Axially Compliant Mounting
_[17] 특허 Scroll Compressor With Orbiting Scroll Member Biased By Oil Pressure
_[18] 저널 Sertco http://www.emi-magaz[...] Phoenix Media Corporation 2016-02-27
_[19] 저널 Five thousand horsepower from air bubbles https://books.google[...] 1910-11-00
_[20] 서적 Perry's Chemical Engineers' Handbook McGraw Hill
_[21] 서적 Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery Pergamon Press
_[22] 서적 Centrifugal Compressors A Strategy for Aerodynamic design and Analysis ASME Press
_[23] 서적 Pollution Control Handbook for Oil and Gas Engineering https://books.google[...] John Wiley & Sons 2016-04-20
_[24] 웹사이트 Development of High Specific Speed Mixed Flow Compressors https://web.archive.[...] 2017-08-16
_[25] 서적 Thermodynamics: An Engineering Approach Mcgraw-Hill
_[26] 웹사이트 TdS Equations https://web1.eng.fam[...] Famu 2023-02-01
_[27] 웹사이트 Non-Flow Thermodynamic Processes http://wwwcourses.se[...] buffalo.edu 2023-02-02
_[28] 웹사이트 PTC-10 Performance Test Code on Compressors & Exhausters - ASME https://web.archive.[...]
_[29] 서적 Perry's Chemical Engineer's Handbook
_[30] 웹사이트 Toshiba Science Museum : World's First Residential Inverter Air Conditioner https://toshiba-mira[...]
_[31] 저널 Compressed breathing air – the potential for evil from within http://archive.rubic[...] South Pacific Underwater Medicine Society 2009-02-28
_[32] 서적 Oxygen Hacker's Companion Airspeed Press
_[33] 웹사이트 Blowers (Roots) http://www.powderpro[...] www.powderprocess.net 2017-08-15
_[34] 문서 JIS B 0132 2005　送風機・圧縮機用語
_[35] 문서 JIS B 0132 2005　送風機・圧縮機用語　解説
_[36] 문서 基準状態（温度0 ℃、絶対圧101.3 kpaの時の乾燥空気の状態）の体積
_[37] 웹사이트 http://www.lequatrie[...]
_[38] 웹사이트 http://www.acr-news.[...]
_[39] 웹사이트 https://www.mikuni-g[...]