KR100679639B1 - 초음파 가습기가 장착된 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 가습기가 장착된 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 통상의 압축기에 있어서, 상기 압축기(10) 전방의 입구측(5)에 토출구(11)로써 초음파 가습기(20)를 연결하여 장착하고, 상기 초음파 가습기(20) 내부에 구비된 다수개의 진동자(22)로써 직경이 작은 물입자(1)를 생성하여 상기 토출구(11)를 통해 상기 입구측(5)으로 유입시켜 상기 압축기(10) 내부에서 쉽게 증발되도록 한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 초음파 가습기를 통하여 작은 물입자를 만들어 압축기(소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈)에 투입하는 방식으로서, 물입자의 크기를 약 10㎛ 내외로 작게 만들 수 있으므로 압축기 내부에서 물이 완전히 증발하게 되고, 이에 따라 압축일(에너지)을 효과적으로 줄일 수 있으며, 가스터빈이나 마이크로 터빈에서는 출력을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 종래의 물입자가 커서 소형압축기나 소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈에서는 물분사 방법이 사용하기가 어려웠었지만, 이 방식을 사용하면 작은 물입자를 투여하게 되므로 소형 압축기나 소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈에서도 효과적으로 사용할 수 있음은 물론, 대형압축기 또는 대형 가스터빈에서도 사용할 수 있는 것이다.

압축기, 초음파 가습기, 가스터빈, 압축일 감소, 출력증대

Description

초음파 가습기가 장착된 압축기{Energy-saving compressor installed with ultrasonic humidifier}

도 1은 종래의 압축기(가스터빈)에 물을 분사하는 방식에 따른 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 가습기 세트를 이용하여 압축기(가스터빈)에 작은 물입자들을 투입하는 방식에 대한 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 물입자 5 : 입구측

10 : 압축기 11 : 토출구

20 : 초음파 가습기 22 : 진동자

본 발명은 산업용으로 사용되는 압축기에 관한 것으로, 특히 압축기(소형 가스터빈 이나 마이크로 터빈)입구에 초음파 가습기 세트를 장착하여 작은 물입자를 만들어 압축기 내부로 투입하게 됨으로써 내부에서 물이 완전히 증발하게 되고, 이에 따라 압축일(에너지)를 효과적으로 줄일 수 있게 되고, 출력을 향상시키게 되는 초음파 가습기가 장착된 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 축류압축기나 원심압축기의 입구에 물을 분사함으로써 압축기에 소요되는 압축일(에너지)을 줄이기 위해서는 물입자가 압축기 내에서 모두 증발해야 하며, 물입자가 증발하지 않고 압축기를 통과하여 연소기로 들어갈 경우에는 압축일의 감소를 기대할 수 없게 된다. 그런데, 압축기 내부에서 유체의 속도가 매우 빨라서 물입자가 압축기를 통과하는 시간이 매우 짧으므로 물입자가 압축기 내부에서 모두 증발하려면 물입자의 크기가 작아야만 가능하게 된다. 이때, 물입자의 크기는 압축기가 소형인 경우, 즉 가스터빈의 용량이 상대적으로 작은 마이크로 터빈(보통 300kW급 이하의 가스터빈)에서 더욱 중요한 문제이며, 보통 마이크로 터빈에서 직경이 약 10㎛내외의 물입자가 요구된다. 물입자가 압축기 내부에서 모두 증발할 경우에만 압축일의 감소효과를 극대화시킬 수 있고, 가스터빈의 물에 의한 역효과를 최소할 수 있게 되는 것이다.

이러한 효과를 위하여 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 압축기의 입구에서 물을 직접 분사하는 방식을 사용하게 되었던 것이다.

이를 구체적으로 설명하면, 도 1에서와 같이 압축기(100)의 입구측(110)으로 물공급장치(200)로부터 공급되는 물을 노즐타입으로 이루어진 물분사기(300)로써 분사하여 물입자(101)를 생성하게 되는 것이다.

이때, 물분사기(300)에 의해 입구측(110)으로 분사되어 생성된 물입자(101)는 공기와 혼합하여 압축기(100) 내부로 투입됨으로써 내부에서 증발하게 되는 데, 물 입자(101)가 완전히 증발되어야 압축기(100) 내부에서 소요되는 압축일(에너지)를 줄일 수 있게 된다.

이와 같이 압축기(100) 내부에서 물입자(101)가 모두 증발하려면 물입자(101)의 크기가 작아야 가능한 것이다. 그런데, 물분사기(300)에서 분사되는 물입자(101)의 크기를 작게 하는 데는 한계가 있으며, 물입자(101)의 크기를 작게 만들기 위하여 물분사기(300)의 분사압력을 높이게 될 경우 물분사를 위한 에너지 소비가 많아져 전체적인 에너지 감소효과 또는 엔진의 출력증대 효과를 높이기가 어렵게 되었으며, 또한 마이크로 터빈과 같이 상대적으로 작은 가스터빈 엔진에서는 이 문제가 더욱심각한 것이다.

한편, 압축기(100) 내부의 유체 속도가 매우 빨라서(압축비에 따라 다르지만 일반적으로 100m/s 이상임) 물입자(101)가 압축기(100)를 통과하는 시간이 매우 짧다. 유로가 약 1m인 중, 대형 가스터빈용 압축기(100) 경우 유체의 압축기(100) 통과 속도가 평균 100m/s라면 물입자(101)의 압축기(100) 체류시간은 0.01초이다.

이 짧은시간 내에 물입자(101)의 증발이 일어나기 위해서는 물입자(101)의 직경은 보통 20㎛ 이내이어야 한다. 20㎛이내의 물입자(101)는 일반적으로 노즐타입의 물분사기(300)를 이용하여 만들어 낼 수 있다. 물분사기(300)를 통과하는 물의 압력을 높일수록 물입자(101)의 크기가 작아지는 경향이 있으므로 이제까지의 방식은 고압의 물분사기(300)로써 물입자(101)를 만들어 압축기(100)에 분사하였다.

그러나, 물의 분사압력을 높이더라도 물입자의 직경을 더 작게 만드는 것은 분사방식으로는 어려운 기술이되고, 물의 압력을 높여 분사하기 위하여 사용되는 에너지가 커짐에 따라 물분사의 이점을 충분히 살리지 못하게 된다. 또한 임펠러의 유로가 짧은 소형 가스터빈이나 마이크로 터빈, 소형 압축기의 경우에는 압축기 유로의 길이가 약 10~20cm이며, 이 경우에 물입자가 압축기에 머무는 시간이 약 0.001~0.002초밖에 되지 않는데, 이 짧은 시간동안 물입자가 모두 증발하기 위해서는 물입자의 직경이 10㎛이내이야 한다. 이는 물분사의 방식으로는 실현되기 힘든 직경이므로 소형 가스터빈이나 마이크로 터빈, 소형 압축기의 경우에는 물분사 방식을 사용할 수 없게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 소형 가스터빈이나 마이크로 터빈, 소형 압축기에서 입구에 초음파 가습기세트를 장착하여 작은 물입자를 공급하게 됨으로써 압축일(에너지)을 줄이고, 출력을 향상시키는 초음파 가습기가 장착된 압축기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 통상의 압축기에 있어서, 상기 압축기 전방의 입구측에 토출구로써 초음파 가습기를 연결하여 장착하고, 상기 초음파 가습기 내부에 구비된 다수개의 진동자로써 직경이 작은 물입자를 생성하여 상기 토출구를 통해 상기 입구측으로 유입시켜 상기 압축기 내부에서 쉽게 증발되도록 함으로써 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 2는 본 발명에 따른 가습기 세트를 이용하여 압축기(가스터빈)에 작은 물입자들을 투입하는 방식에 대한 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 압축기(10) 전방의 입구측(5)과 초음파가습기(20) 사이에 토출구(11)가 연통되게 연결되어 초음파가습기(20)에서 발생되는 물입자(1)를 입구측(5)으로 공급하게 된다.

이때, 초음파가습기(20)는 가습기 내부에 구비된 진동자(22)가 진동하면서 물을 작은 크기의 물입자로 변환시키게 되고, 생성되는 물입자(1)의 직경이 10㎛이내이므로 소형 압축기라 할지라도 충분히 압축기(10) 내부에서 증발할 수 있는 시간이 된다.

한편, 초음파가습기(20)는 입구와 출구에서 물의 온도가 변하지 않으므로 본 방식에 아주 적합하게 되고, 1K/Hr의 물입자를 발생하는데 80W 내외의 전기가 소요되어 상대적으로 에너지 발생이 적게 됨으로써 에너지 절감이 가능한 것이다.

또한, 초음파가습기(20) 내부의 진동자(22)의 1개당 발생할 수 있는 물입자의 양에 한계가 있어, 산업용으로 사용하기 위해서는 1대의 초음파가습기 내부에 수십개의 진동자를 구비하여 대용량의 가습기를 만들어 사용하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 초음파가습기(20)에서 발생되는 물입자(1)의 양을 조절하기 위해서는 진동자(22)의 개수를 조절하여 압축기(10)에 소요되는 물입자(1)의 양을 조절하게 된다.

한편, 이와 같은 본 발명은 기존에 알려진 축류압축기나 원심압축기의 입구에 물을 분사함으로써 압축기에 소용되는 압축일(에너지)을 줄이거나 가스터빈의 출력을 높이는 방법을 효과적으로 개선한 것으로, 물을 분사하여 압축하는 과정에 대한 방정식은 식(1)과 같이 나타내어진다.

여기서, p는 압력이고, T는 온도, w는 스팀과 물의 비율, dw/dT는 증발율, L은 잠열, R은 기체상수,

는 발열비, n은 건공기 압축에서의 폴리트로픽 지수이다. 이때, 증발율인 dw/dT에 따라 압축과정이 변하게 된다. 다시 설명하면 증발율에 따라 압축기 출구의 온도가 변하게 되고, 압축에 소요되는 일(에너지)의 양이 달라지게 된다.

이러한 증발율에 영향을 미치는 가장 중요한 변수는 물입자의 크기이다. 물입자의 크기가 작으면 작을 수록 증발율이 커지게 된다. 그런데, 압축기에 소요되는 압축일을 줄이려면 물입자가 압축기 내에서 모두 증발해야 한다. 정확히 말하면, 압축기(10)의 미도시된 임펠라(impeller) 또는 로터(rotor) 내부에서 증발해야 한다.

그래야지만 물이 증발하는 잠열이 압축일(에너지)로의 전환이 가능하게 된다. 즉, 임펠러(로터)가 공기에 전달하는 에너지를 줄일 수 있다는 의미가 되고, 물입자가 증발하지 않고 압축기를 통과하여 연소기로 들어갈 경우에 압축일의 감소를 기대할 수 없다. 물론, 연소기에서 물입자는 기화하여 스팀(steam)으로 변할것이고, 이것은 연소기와 터빈 성능에 영향을 미칠 것이다.

이상에서 상술한 본 발명에 의하면, 초음파 가습기를 통하여 작은 물입자를 만들어 압축기(소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈)에 투입하는 방식으로서, 물입자의 크기를 약 10㎛ 내외로 작게 만들수 있으므로 압축기 내부에서 물이 완전히 증발하게 되고, 이에 따라 압축일(에너지)을 효과적으로 줄일 수 있으며, 가스터빈이나 마이크로 터빈에서는 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

특히 종래의 물입자가 커서 소형압축기나 소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈에서는 물분사 방법이 사용하기가 어려웠었지만, 이 방식을 사용하면 작은 물입자를 투여하게 되므로 소형 압축기나 소형 가스터빈 또는 마이크로 터빈에서도 효과적으로 사용할 수 있음은 물론, 대형압축기 또는 대형 가스터빈에서도 사용할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 통상의 압축기에 있어서,

   상기 압축기(10) 전방의 입구측(5)에 토출구(11)로써 초음파 가습기(20)를 연결하여 장착하고,

   상기 초음파 가습기(20) 내부에 구비된 다수개의 진동자(22)로써 직경이 작은 물입자(1)를 생성하여 상기 토출구(11)를 통해 상기 입구측(5)으로 유입시켜 상기 압축기(10) 내부에서 쉽게 증발되도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 가습기가 장착된 압축기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 가습기(20) 내부에 구비된 다수개의 진동자(22) 중 작동되는 진동자(22)의 수에 따라 물입자(1)의 용량이 조절 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 초음파 가습기가 장착된 압축기.

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