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궁민 엽
5 years ago
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1 1. INGERSOLL-RAND AIR COMPRESSOR 구성품 1) ROTOR ASS Y - AIR을흡입하여압축하는실질적인부품으로 IMPELLER, PINION SHAFT, THRUST COLLER로구성되어진다. 2) INTER COOLER - 압축된 AIR는약 110 ~ 120 상태로 COOLER을통하면서 35 ~ 45 사이로냉각되어지면서각단을통과하게된다. - AIR 온도가비정상적상승시 SURGE 등여러가지문제가발생될수있다.

2 3) 회전부위 - ROTOR ASS Y는최소 20,000RPM에서 60,000RPM까지회전하며 BEARING은 ROTOR을지지하는 PLAIN BEARING, THRUST력및지지하는 THRUST BEARING OIL FREE AIR을구연하기위한 AIR, OIL SEAL 등으로구성되어진다. 4) 압축부위내부구조도

3 5) AIR FLOW 도

4 1. 터보공기압축기의장점 1) Inlet Guide Vane 장착현장의공기사용량은점심시간, 휴식시간및장비가동률저하시에는고익사용량이현저히감소된다. 이때압축기를정지시킬경우현장의공기압력이낮아지므로항상균일한압력을요구하는자동화기기의경우는고장을유발할수있다. 터보압축기에개발적용한 Inlet Guide Vane 시스템은기존에적용한 Butterfly Valve와달리흡입공기량을조절하여압축공기생산량을현장소요변화에탄력적으로대응할수있도록하였으며최소량의여분의압축공기만 Blow Off Valve를통하여배출시킴으로전력비를절감하게되었고, 이때압축기회전체에걸리는부하를최소화하여압축기수명연장의효과를얻을수있었다. 2) 시스템최적제어로운용비용절감 - 토출유량 65 ~ 100% 범위자동제어 - 전력소모량절감 : Throttle Valve Type 대비 9% 절감 3) 고성능 Backward Lean Impeller 적용최신항공기엔진에사용되는고성능 Backward Lean Impeller를적용하여고효율을보장하고전부하운전과부분부하운전에서도고효율로운전되며, Blow-Off 또는잦은 By-Pass 없이넓은용량조절범위를갖고있어기존에소개된해외선진업체의제품보다운전소비전력절감이가능하다. 4) AGMA 표준에따른엄격한품질관리 - Bull Gear : AGMA 12 - Pinion Gear : AGMA 13 - 반영구적수명 : 질화열처리수행

5 2. 사용단위정의및환산 1) 체적유량 (Volume Flow Rate) 시간당흐르는공기나가스의부피로정의된다. ( 부피 / 시간 ) 압축기유량측정단위로는시간당입방미터 ( m3 /h) 를사용하며, 이것을루베 (Lube: m3 /h) 라고한다. 유량은공기나가스의밀도에영향을받고, 다시밀도는온도와압력에영향을받기때문에, 정확한유량을표현하기위해서는루베를다음과같이 3가지로분류정의한다. 1 표준루베 (S m3 /h) 표준대기압조건 (Standard condition) 에서측정한유량, 표준대기압조건은 20, 1기압그리고상대습도 65%(RH=0.65) 이다. 2 기준루베 (N m3 /h) 기준대기압조건 (Normal condition) 에서측정한유량이다. 기준대기압조건은 0, 1기압그리고상대습도0%(RH=0.0) 이다. 3 실제루베 (A m3 /h) 실제대기압조건 (Actual condition) 에서측정한유량이다. 3가지각기다른조건에성의정량차이가크므로, 기준루베 (Normal Lube) 나표준루베 (Standard Lube) 를사용하는방법이다.

6 A m3 /h = S m3 /h X 흡입절대온도 표준절대온도 X 대기압 - ( 표준상대습도 X 표준포화증기압 ) 흡입절대압 - ( 흡입상대습도 X 흡입포화증기압 ) ( 표준루베 ) 또는, A m3 /h = N m3 /h X 흡입절대온도 기준절대온도 X 대기압 - ( 기준상대습도 X 기준포화증기압 ) 흡입절대압 - ( 흡입상대습도 X 흡입포화증기압 ) ( 기준루베 ) 표준상태 0, 1기압, 상대습도 65% 와, 기준상태 20, 1기압, 상대습도 0% 이므로, 위에두식을다시쓰면, A m3 /h = S m3 /h X T ( 흡입 ) K X 1(atm) - { 0.65 X } P ( 흡입 ) - { RH ( 흡입 ) X H ( 흡입 ) } ( 표준루베 ) A m3 /h = N m3 /h X T ( 흡입 ) K X 1(atm) - { 0.0 X } P ( 흡입 ) - { RH ( 흡입 ) X H ( 흡입 ) } ( 기준루베 ) 이다.

7 참고로 1 기압상태에서포화증기압표를보면다음과같다. < 보기 15> 온도 ( ) 포화증기압 (atm) 온도 ( ) 포화증기압 (atm) < 보기 15> 포화증기압표 Lube ( m3 /h) 외에많이쓰는유량의단위로는 CFM (Cubic Feet Per Minute) 이있으며, 여기서도 ACFM(Actual Cubic Feet Per Minute) 와 SCFM(Standard Cubic Feet Per Minute) 있으며, 다음과같은차이점을갖고있다. SCFM은표준온도 ; 표준압력에서의유량을말하며, 표준상태는 60F(15.5 ), 그리고 14.7 PSIG 이다. ACFM 은 SCFM 을알면다음과같이쉽게계산할수있다. ACFM = SCFM X 14.7/(14.7+P) X (460+T)/520 (P는흡입압력 (PSI) 이고, T는흡입온도 (Fahrenheit) 이다.)

8 3. 질량유량 (Mass Flow Rate) 시간당흐르는공기나가스의질량으로정의된다. ( 질량 / 시간 ) 단위는 Kg/s이며, 계산식은다음과같다. < 보기 16> ρ = 밀도 (kg/ m3 ) A = 단면적 ( m2 ) V = 유속 (m/s) 질량유량 (Mass Flow) = ρ x A x V (kg/s) < 보기 16> 질량유량식 여기서질량유량 (kg/s) 를부피유량 ( m3 /h) 로환산식은다음과같다. 부피유량 ( m3 /h) = 1/ ρ * 질량유량 (Kg/s) * 3600 밀도 (ρ) 로나누어주고, 시간당으로환산해주면바로루베가된다. 4. 온도 (Temperature) 온도에단위는여러종류가있으며, (Celsius) 에대한환산식은다음과같다. Celsius( ) Fahrenheit( ) Kelvin (K) Rankine (R) 9/ /

9 5. 진동 (Vibration) 진동의단위는 Metric인경우 Micron(0.001mm) 애며, English인경우 Mils(0.001inch) 를사용한다. Mils(inch) Micron (Metric) 압력 압력단위에는여러가지가있으며, 우선압력의정의를정확하게이해하는것이단위를이해하는데도움이된다. 1 기압을표준대기압이라하며, 이것은수은 (Hg) 이 760mmHg 일때를뜻한다. 기압 atm Kg/ cm2 mmhg Bar PSI Pa 압력은완전진공 ( 절대영 ) 을기준으로하는국지대기압으로구분된다. 국지대기압은지방에따라다르며, 760mmHg를기준으로한대기압을표준대기압이라한다. 압축기의압축비를계산할때에는절대압력을기준으로한다. 절대압력은다음과같다. 절대압력 = 대기압 + 계기압력 = 대기압 진공압력

10 7. 유량측정방식 (Pitot Tube 법 ) 유량을측정하는데필요한베르누이공식의기본은 총압 ( 總壓 )= 정압 ( 靜壓 ) + 동압 ( 動壓 ) 이다. P(total) = P(static) + ρ V²/2 [ 기본조건 : 비압축성 ; 비점성 ; 정상류 ] Pitot Tube으로유속 (V) 를구하면, 체적유량 (Q = AV) 과질량유량 (Q= ρav) 를계산할수있다. 정압은유속에직각방향으로작용하는원리를이용한 Pitot Tube 측정방법은다음과같다. < 보기 17> < 보기 17> Pitot Tube 측정법 P( 총압 ) P( 정압 ) = ρ1* V²/2 = (ρ2 ρ1) * g * h

11 V 에관해정리하면, V = 2 * (ρ2 ρ1) * g * h ρ1 ρ1( 공기밀도 ) 는다음과같이구한다. PV = mrt [ 보일-샤를법칙 ] (P: 압력 ; V: 체적 ; m: 질량 ; R: 일반기체상수 ; T: 온도 ) PV P P = RT -> = RT -> ρ1 = M ρ1 RT (V/m = ρ) V 와 ρ 를구하고나면, 질량유량과체적유량은아래의식에서구할수있다. 질량유량 = ρav(kg/s) 체적유량 = AV( m3 /s)

12 공기압축기는공장및설비가동에소요되는필수장비로서이의형태는황복동식, 스크류식, 터보식으로크게분류되며, 이중터보형공기압축기는왕복동식, 스크류식보다대용량, 저소음, 낮은유지보수비용등의장점을가지고있으며, 오일이함유되지않은깨끗한압축공기를생산할수있는환경친화적인산업장비로서꾸준히수요가증대하고있는설비이다. 공기압축기의발전단계를보면왕복동 스크류 터보형으로발전되어왔으며, 점차고효율화로인한전력소비량의감소, 토출유량의대용량화, 그리고유지및보수의편리성이부각되고있는추세이다. 터보압축기 (Tubo Compressor) 왕복동압축기와로타리압축기의단점을보완한것이바로터보압축기이며, 터보는회전체 (Rotor) 에따라, 원심구동 (Centrifugal/Radial flow) 압축기와축형 (Axial flow) 압축기로나누어진다. < 보기 4> 원심구동압축기 축형압축기 회전체 (Rotor) 인듀서 / 임펠라 블레이드 최고생성유량 70,000 cf, 2,000,000 cfm 압축비 /stage 4/stage 1.1 ~ 1.2/stage < 보기 4> 터보압축기의회전체에따른분류 터보압축기의장점은유량을압력변동없이조절할수있으며, 다른종류의압축기보다전력당많은유량을생산할수있다. < 보기 5> < 보기 5> 압축비대비유량에따른압축기선택기준 < 보기 5> 를보면써지곡선 (Surge Line) 이란것이있는데, 터보압축기만이갖는특성

13 중에하나이다. 써지 (Surge) 란유량대비압축비가높을때일어나며, 이때압축기의 회전체가공회전을하게되어유동의흐름이불규칙하게되고, 결국제어가안되는불 안정한상태를뜻한다. 3. 원심구동압축기의기본원리 3-1. 회전체 (Rotor) 구성및기능 터보압축기중에서원심구동압축기의압축기기 ( 器機 ) 와압축원리를알아보자. < 보기 7> 원심구동압축기의압축원리 < 보기 7> 을보면, 회전체는인듀서 (Inducer) 와임펠러 (Impeller) 로구성되어있다. 공기와가스는인듀서를통해운동에너지 (Kinetic energe) 즉, 속도 (Velocity) 가생기면서, 임펠러쪽으로유입된다. 임펠러에유입된공기나가스는초기유입방향과직각으로방향을선회하며, 디퓨져 (Diffuser) 로확산되어나아가는동시에회전체의원심력을받아,

14 압력이급격히증가한다. 결국, 임펠러를통과한고익나가스는디퓨져로들어가면서, 속도는줄고압력은상승하게된다. 이것은회전체로인한운동에너지나속도가고정체인디퓨져로유입되면서, 정압에너지 (Static energy) 나압력으로전환되는과정이다. 디퓨져를통해나온공기나가스는스크롤 (Scroll) 에서압력으로의변환작업을끝낸다 압력생성곡선 압력생성과정을, 각단계별 ( 흡입구 임펠러 디퓨져 스크롤 ) 로속도, 온도 ( 정온 : 靜穩 ) 그리고압력 ( 정압 : 靜壓 ) 곡선으로나타내면다으과같다. < 보기 8> < 보기 8> 1 단원심구동압축기의압력생성곡선 임펠러의압축비는 4:1까지가능하며, 그이상은임펠러날개끝 (Trailing edge) 에응력집중으로인한파열로한계가있다. 여러단을사용할수록전력소비는낮아지고, 임펠러날개끝에공기나가스의속도도쉽게초음속에도달한다.

15 3-3. 성능곡선 (Performance map) < 보기 9> 는정형적인터보압축기의압축비대비유량곡선으로, 압축기의성능과특성을나타낸다. < 보기 9> 터보압축기의압축비대비유량곡선 A : 설계점 (Design Point) 은임펠러설계의기준이되며, 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane) 가최대로열렸을때, 기준이되는압력대비유량이다. 설계점의압력과유량은압축기의성능을나타내는데이용된다. B : 시스템압력저항 (System Resistance) 증가로인한압축기의압축비가설계점보다높아지고, 유량이감소한상태이다. E : 시스템압력저항감소로인한압축기의압축비가설계점보다낮아지고, 유량이증가한상태이다. C : 시스템압력저항이계속증가하면, 성능곡선과써지 (Surge) 곡선의교차점에도달하게되고, 성능곡선에정점에있다. C 점을써지점 (Surge Point) 라고하고, 이때부터압축기의역류 ( 逆流 ) 가생기는써지현상이일어난다 써지 (Surge) 현상 터보압축기를이해하는데필요한중요한특성중에하나인, 써지 (Surge) 는터보압축

16 기의제어 (Control) 및여러가지운전상의제약을가지고온다. 써지가일어날때압력과유량은진동을하게되며, 이와같은현상은시스템압력저항보다압축기가큰압력을생산하지못하여, 역류 ( 逆流 ) 가반복적으로발생하기때문이다. < 보기 10> < 보기 10> 써지발생시압력변동 써지의진행과정을 < 보기 9> 로보면, 위와같이진행되며, 연속적으로반복할때마다변동의폭이커진다. C D : 시스템압력저항이큰관계로역류가생겨유량이감소하는과정이고, 유량이 0(Zero) 인 D 점에도달한다. D E : 압축기의생성압력이시스템압력저항보다커, 유량이정방향으로바뀌면서 ( 역류 정류 ), 점 E로이동한다. 이때, 압력변화는일정하고, 생성유량만증가한다.

17 E C : 압축기의압력이과다한관계로성능곡선을따라점 C 로이동한다. A D과정을 1사이클로보며, 약 5초사이에일어나면써지 (Surge) 1회로규정하고, 5 사이클 ( 써지 5회 ) 이상연곳진행되면장비의베어링과회전날개의손상을준다. 써지발생시바로벗어나도록, 무부하 (Unloading) 상태로만들어야하며, 이때 BOV(Blow Off Valve) 나 By Pass 밸브를열어주고, 흡입유량을증가시킨다 회전체의써지곡선과써지파라미터 (Surge Parameter) < 보기 11> 회전체와써지파라미터 (Surge Parameter) 써지발생곡선을, 에너지대비유량곡선으로나타내면다음과같이된다. < 보기 12> 에너지대비유량곡선

18 써지의기본파라미터를유량 (Volume flow) 대비압축비 (Pressure ratio) 로나타내면다 음과같다. < 보기 13> < 보기 13> 유량 (Volume flow) 대비압축비 (Pressure ratio) < 보기 13> 을보면, 압축기가써지를일으키는데에는두가지조건이있다. 만일압축기가점 A에서운행된다고가정하면, 써지곡선 (Surge Line) 에도달하기위해서는 X 만큼좌로이동 ( 유량감소 ) 하거나, Y만큼위로이동 ( 압축비상승 ) 두가지경우이다. 압축기가운전중써지가안생기도록하기위해서는 IGV(Inlet Guide Vane) 의속도를알맞게조절하여야하고, 또한압축기구동시써지를피하기위해서 IGV 최소값 (IGV minimum Position) 을정하는이유도여기에있다 Choking & Turndown Ration 써지현상으로인해터보압축기는최소유량 (Minimum Flow) 이정해지며, 반대로초킹 (Choking) 현상으로최대유량 (Maximum Flow) 이결정된다. < 보기 14>

19 < 보기 14> 써징과초킹에대한유량대비압축비 압축기가점 E 이상의유량을생산하면, 더이상압력을생산하지못하는초킹현상이발생한다. 이때압축비는유량및속도와무관하게떨어진다. 이와같이써징 (Surging) 과초킹 (Choking) 으로인하여, 압축기의최소유량과최대유량이정해지며, 설계점 (Design Point) 에서써징이발생하는점까지의유량변화폭을 Turndown 이라고한다. Turndown이크면클수록압축기의효율이좋으며, 이것은곧회전체 (Impeller) 의성능과직접적인관계가있다. Turndown을비율 (%) 로나타낸것이바로 Turndown Ratio 이다. Turndown Ratio의공식은다음과같다. Turndown Ratio = Turndown/ 최대유량 X 100 = ( 최대유량 최소유량 )/ 최대유량 X 100

KC CODE KCS 국가건설기준표준시방서 Korean Construction Specification KCS : 2017 상수도공사 공기기계설비 2017 년 8 월일제정 국가건설기준

KC CODE KCS 국가건설기준표준시방서 Korean Construction Specification KCS : 2017 상수도공사 공기기계설비 2017 년 8 월일제정 국가건설기준 KC CODE KCS 57 80 20 국가건설기준표준시방서 Korean Construction Specification KCS 57 80 20 : 2017 상수도공사 공기기계설비 2017 년 8 월일제정 http://www.kcsc.re.kr 국가건설기준 목차 KCS 57 80 20 상수도공사공기기계설비 1. 일반사항 1.1 적용범위,,,,,,, 1.2 참고기준