압축공기 시스템

시스템 개요

압축공기 시스템

압축공기 시스템이란 대기 중의 공기를 압축하여 얻어지는 에너지를 이용하는 시스템을 뜻함. 밀폐한 용기 속에 공기를 동력으로 압축하여 그 압력을 높이는 공기압축기와 최종사용처에 안정정인 공급을 목적으로 필요한 부속설비들이 있음.

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시스템 구성도
압축공기 시스템 시스템 구성도
주 설비
  • 공기압축기의 종류
    공기압축기의 종류

    압축부에 해당하는 공기압축기 중 일반적으로 널리 사용되는 압축기 종류는 압축방법에 따라 왕복동식, 회전식, 터보식으로 구분되며 냉각방식에 따라 공랭식과 수냉식이 있음.

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  • 왕복동
    공기압축기
    왕복동
    공기압축기

    왕복동식 공기압축기는 피스톤과 실린더의 섭동부로 구성되며, 윤활유 급유의 유무에 따라 오일프리(oil free)식과 급유식으로 구분됨. 실린더 내부압력이 대기압력 이하로 되면 대기의 공기를 흡입하게 되며 밸브를 거쳐 흡입관으로부터 유입된다. 흡입행정이 완료되면, 피스톤은 크랭크에의하여 움직이기 시작하여 공기를 압축하는 원리임.
    왕복동 공기압축기 원리

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  • 회전식
    공기압축기
    회전식
    공기압축기

    회전식 공기압축기중 대표적인 트윈스크류 공기압축기는 한 대의 숫로터와 암로터를 맞물리도록 하여 서로 반대방향으로 회전시키면 윗면의 홈 공간이 토출면으로 향해 갈수록 감소하게 됨. 반대 측 아랫면의 V자형 홈은 회전에 따라 팽창하여 흡입하게 되는 원리임.
    트윈스크류 공기압축기 원리
    제트스크류 공기압축기 원리
    스크롤(Scroll) 공기압축기 원리
    Claw형 공기압축기 원리
    베인(Vane)형 공기압축기 원리

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  • 터보
    공기압축기
    터보
    공기압축기

    모터나 다른 동력원으로부터 구동력을 가하여 익을 회전시켜, 회전하는 익간을 공기가 통과하는 사이에 발생하는 익의 양력에 의하여 일을 얻어 공기를 압축하는 것을 터보(turbo) 공기압축기라 함. 공기가 익을 통과하는 유동방향에 따라 원심식, 축류식, 사류식의 3형태로 분류할 수 있음.
    터보 공기압축기 원리

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보조 설비
  • 후냉각기
    후냉각기

    압축기로부터 토출하는 공기온도는 압축기의 종류와 사양에 따라 다르지만 높게는 200°C까지 상승 됨. 이러한 고온의 공기를 그대로 사용하면 패킹의 열화가 촉진되거나 말단에서 냉각되어 기기에 악영향을 줄 수 있으므로 압축기 토출직후에 후냉각기(after cooler)를 설치하여 고온의 압축공기를 냉각하여 수분을 분리함. 일반적으로 후 냉각기의 종류로는 수냉식과 공랭식이 있음.

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  • 공기탱크
    공기탱크

    공기탱크(receiver tank)의 사용목적은 순간적으로 압축공기의 송출능력을 초과하는 공기량을 소비하는 경우 공기탱크에 저장한 압축공기로 대처하기 위한 것으로 압력강하를 허용범위 내로 유지할 수 있도록 탱크용량을 선정할 필요가 있음. 공기압축기 토출관에 설치하며 소비공기량이 많은 공압기기를 배관 말단부에 설치하는 경우에는 공압기기의 바로 근처에 전용의 공기탱크를 설치하는 것이 일반적임.

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  • 압축공기
    청정화부
    압축공기
    청정화부

    대기 중에는 각종 부유 먼지나 특히 중화학 공업지역에는 SO2, H2S 등 오염물질이 포함되어 있으며 압축기로 흡입하여 고압으로 가압하면 압력에 비례하므로 오염물질의 농도는 수배에서 수십 배로 증가하게 됨. 또 SO2, H2S 등이 포함되어 있으면, 각종 공기압 기기의 부식을 촉진시키는 원인으로 되므로 이들을 제거하는 청정기기가 필요함.

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  • 필터류
    필터류

    압축 공기 중의 수분을 제거하는 것이 드라이어의 역할이지만 압축공기중의 유분 고형입자 등을 제거하기 위해서는 압축공기 라인에 각종 필터가 설치되어야함. 압축 공기 중에 존재하는 유분은 입자경에 따라 오일 에어로졸(aerosol), 오일 포그(fog), 오일 미스트(mist), 오일 증기(vapor) 등 4종류로 분류할 수 있음.

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  • 윤활기
    윤활기

    실린더 모터 등의 섭동부를 지니는 기기들은 움직임을 윤활하게하기 위하여 윤활유가 적정하게 공급되어야 함. 이러한 기기들은 대부분 가압된 공기로 작동되고 있으므로 외부로부터 단순히 급유할 수 없으므로 윤활기(lubricator - 오일러라고도 한다)를 관로 중에 배관하여 윤활유를 미세하게 분무상태로 하여 공기 중에 혼합하는 방법이 이용됨.

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  • 감압밸브
    감압밸브

    일명 레귤레이터(regulator)라고 하는 감압밸브는 1차측의 압축공기의 압력을 감압하여, 2차측의 압력을 소정의 압력으로 유지하도록 조정하고 동시에 1차측의 압력변동이나 2차측의 공기 사용량의 변동이 있더라도 설정압력의 변동을 최소로 유지하는 기능을 가짐.

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  • 드라이어
    드라이어

    드라이어(dryer)는 공기압축기의 토출 공기 라인에 설치하며 압축공기중의 수분을 제거하여 필요한 건조공기로 만들기 위한 것임. 최근에는 압축공기를 첨단 제품의 생산에 적용하는 기술(hightech)의 제어용까지 다양하게 활용하게 됨에 따라 압축공기에 대한 요구청정도도 높아지고 있으므로 대부분의 사용자가 드라이어를 필요로 함. 드라이어의 종류에는 냉동식, 흡착식, 중공사막식 드라이어가 있음.

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운전 제어
  • 흡입교축 방식
    흡입교축 방식

    공기압축기의 소비전력을 절감하는 방법으로 공기압축기의 성능 이상으로 중요한 것은 부분 부하시 소비공기량의 비율에 따라 압축기의 용량이 변동이 되는 경우임. 흡입교축 방식은 규정의 토출압력을 초과하게 되면 그 차압에 따라 압축기의 흡입구를 교축하여 부압이 되면 이 상태에서 흡입압력의 진공도를 자동 제어하여 토출 공기량을 변경하는 방식임.

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  • 회전수
    제어방식
    회전수
    제어방식

    회전속도 제어 공기압축기는 부분 부하시 소비전력을 압도적으로 낮출 수 있으며 압력변동 용량제어와 같은 압력 변동량을 이용한 제어가 아니라 토출 압력이 정압으로 제어되므로 압력변동 폭만큼 퍼지방식이나 Load/Unload 방식에 비하여 전부하시의 토출압력을 저감할 수 있어 전부하시 소비전력도 저감됨.

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  • 군관리
    대수제어
    군관리
    대수제어

    대수제어 방식은 단독으로 각 압축기를 운전하는 경우에 비하여 여러 대의 압축기를 대수 제어한 경우에 절감 효과가 증가하게 됨. 여러 대의 공기압축기를 사용하는 경우에는 효율적으로 자동제어 할 수 있으므로 필요한 공기량을 적정압력으로 안정적으로 공급할 수 있음. 기동과 정지작업이 자동으로 수행된다면 불필요한 운전시간이 줄어들게 되므로 총 소요동력 절감 이외로 유지보수비용 또한 낮출 수 있음.

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기타 기술
  • 계통의
    압력변화 요인
    계통의
    압력변화 요인

    사용 말단에서의 필요압력은 조업유지 제품의 품질 생산효율 등 과 연관되므로 무리하게 설정압력을 바꿀 수 없으며, 압력저하 방지는 가장 중요한 감시 항목이므로 통상적으로 사용 말단 배관의 상류에 감압밸브를 설치하여 상류의 압력이 변동하여도 감압밸브 하류의 라인에서 필요압력을 항상 일정하게 유지해야 하며 배관 및 부속기기에서 발생하는 압력손실은 송출공기량에 따라 달라짐.

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  • 회전수 제어에 의한 계통의
    정압화
    회전수 제어에 의한 계통의
    정압화

    최근 공기압축기의 에너지를 절감하는 수단으로서 라인압력 정압조절형 회전수제어 공기압축기가 사용됨. 사용 공기량 변화에 의하여 배관의 압력손실이 변동되거나 필터류의 압력손실이 변동하여도 필요한 압력을 유지하는 기능으로, 감압밸브의 압력을 일정하게 유지할 수 있음. 통상적으로 공기탱크에 정압제어용 센서가 설치되어, ±0.01MPa 정도의 범위에서 일정하게 유지할 수 있도록 회전속도 제어신호를 인버터에 보내어 제어함.

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  • 누설 공기량

    현장에서는 실제로 압축공기가 다소 누설되어도 작업환경에는 큰 영향을 미치지 않으므로 대부분 간과하고 있으나 산업현장에서 발생하는 누설공기량은 전체 소비량의 10-20% 정도로 상당히 많음. 따라서 누설량을 무시할 수 없으며 이러한 누설공기량의 저감은 시스템의 운용비용을 절감하는 차원에서 매우 중요한 기술적 과제임.

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  • 압축공기의
    품질

    일반적으로 대기 중에는 수증기, 고형입자, 오일미스트 SOX, NOX 등의 가스, 공작기계의 절삭액 미스트 등 다양한 물질이 포함되어 있음. 공기압축기의 대기 흡입구에 설치되는 흡입필터는 통상적으로 10μm 정도의 여과도로, 이들 물질의 상당량은 압축기로 유입하게 되므로 용도에 적합한 압축공기를 생산하기 위해서는 고형입자, 습도, 수분 오일미스트, 오일증기 등을 각 용도에 필요한 레벨까지 제거해야함. 압축공기를 오염시키는 물질의 종류와 량에 따라 청정등급이 JIS B8392-1:2003에서 규정하고 있음. 압축공기 중의 고형입자 물 오일은 상호 영향을 미치게 되어 큰 입자로 성장하거나 또는 유화(emulsification)되어 배관 내에서 침전, 고착화하여 부식의 원인이 되기도 함.

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  • 공기압축기의 배치
    공기압축기의 배치

    공기 Blow 노즐 공기 Cylinder로부터 계산 혹은 실제 측정한 라인 등의 공기소비량 패턴을 근거로 압축기의 설치 계획을 세워야 하며 공기압축기의 배치방법은 집중설치와 단독분산설치, 배관연결 분산설치의 3가지 방법이 있음.

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