KR20160124976A - 공기 압축 시스템 - Google Patents

Abstract

공기 압축 시스템은 공기를 압축하여 고온의 압축 공기를 생성하는 공기 압축기; 공기 압축기에서 인가되는 고온의 압축 공기를 저온의 냉매 가스와 열교환시켜 냉각하는 열교환기; 냉매 가스를 압축하는 매체 압축기; 및 매체 압축기에서 압축된 냉매 가스를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함한다. 매체 팽창기에서 생성된 저온의 냉매 가스는 열교환기로 유입되고 열교환기를 통과하면서 고온의 압축 공기와 열교환되어 승온된 후 매체 압축기로 되돌아오도록 순환 루프가 구성된다.
이에 따라, 냉각수가 필요 없는 공기 압축 시스템을 구현할 수 있고, 소요 동력을 저감할 수 있으며, 압축 공기의 누설을 최소화하여 압축 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

공기 압축 시스템{AIR COMPRESSION SYSTEM}

본 발명은 공기 압축 시스템에 관한 것으로, 특히 냉각수가 필요 없는 공기 압축 시스템에 관한 것이다.

공기 압축 시스템은 각종 산업 현장에서 소요되는 압축 공기를 제공하기 위한 것으로서, 일반적으로 다단(예컨대 2~3단) 압축기에 의해 고압의 공기를 생성하여 공급한다.

이와 같은 공기 압축 시스템의 각 압축기에서는 단열 압축으로 인해 공기의 온도가 상승하여 발열이 발생하는데, 냉각 과정 없이 뜨거워진 상태의 공기를 그대로 사용할 경우 압축기 사이즈가 커지고 소요 동력이 증가하게 되어 시스템 성능이 크게 저하된다.

따라서 공기 압축 시스템에는 냉각 기능이 필요하며, 통상 냉각수(예컨대, 상온의 냉각수)를 사용해 압축 공기의 온도를 낮추는 냉각 기능을 제공한다.

다단 압축기의 경우 하나의 압축기 출구로부터 배출되는 고온의 공기는 열교환기를 통해 저온으로 냉각된 후 후단 압축기로 전달된다. 이때 열교환기 내에 흐르는 냉각수의 데워진 온도는 수냉식(냉각탑 사용) 또는 공랭식(냉각팬 사용)으로 다시 냉각되어 열교환기로 되돌아오게 된다.

이와 같이 압축된 고온 공기를 냉각하기 위해 냉각수를 사용할 경우, 물을 공급하는 펌프, 냉각탑 등 보기류가 설치/운용되어야 하고 데워진 냉각수를 다시 냉각시키는데 많은 동력이 소요되어 비효율적인 문제점이 있다.

또한 중동 지역, 고산 지대 등과 같이 물이 부족하거나 아예 없는 환경(지역)에서는 냉각수 수급이 어려워 냉각수를 이용한 열교환이 불가능하며, 가능하다 하더라도 냉각수 소요량을 최소화하는 방안이 필수적으로 고려되어야 한다.

한편 압축기의 임펠러(Impeller) 후면에서는 고압의 공기가 누설되는 현상이 발생하며, 이를 방지하기 위해 임펠러 후면에 기계적인 실링부재가 구비되는 것이 일반적이다.

그러나, 종래에는 임펠러 후면에서의 높은 압력과 회전 시 구동축 및 임펠러의 요동으로 인해 임펠러 후면과 실링부재 간 공극을 통한 압축 공기의 누설률을 낮추는데 한계가 있고 이는 결국 압축 효율 저하로 이어지는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2013-0136402호 (공개일: 2013.12.12.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 냉각수가 필요 없어 물이 없거나 희귀한 환경에서도 사용할 수 있는 공기 압축 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 소요 동력을 저감할 수 있는 공기 압축 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축 공기가 임펠러의 후면 측으로 누설되는 것을 최소화하여 압축 효율을 향상시킬 수 있는 공기 압축 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기 압축 시스템은 공기를 압축하여 고온의 압축 공기를 생성하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기에서 인가되는 고온의 압축 공기를 저온의 냉매 가스와 열교환시켜 냉각하는 열교환기; 냉매 가스를 압축하는 매체 압축기; 및 상기 매체 압축기에서 압축된 냉매 가스를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함한다. 상기 매체 팽창기에서 생성된 저온의 냉매 가스는 상기 열교환기로 유입되고 상기 열교환기를 통과하면서 고온의 압축 공기와 열교환되어 승온된 후 상기 매체 압축기로 되돌아오도록 순환 루프가 구성된다.

본 발명에 따른 공기 압축 시스템에서, 상기 매체 압축기는 상기 매체 팽창기와 하나의 축으로 연결되어 상기 매체 팽창기에 의해 생산된 동력으로 구동될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 압축 시스템은 상기 공기 압축기의 임펠러; 상기 임펠러의 후면에 설치되어 압축 공기의 누설을 방지하는 실링부재; 및 상기 매체 압축기에서 생성되는 고압의 냉매 가스 일부를 분기하여 상기 임펠러의 후면과 상기 실링부재 사이의 공극으로 주입하는 가스 유로를 포함한다.

본 발명에 따른 공기 압축 시스템에서, 복수 개의 공기 압축기들이 다단으로 구성되고, 상기 공기 압축기들 사이마다 열교환기들이 구성되어 각 열교환기가 전단 압축기에서 나온 고온의 압축 공기를 냉각하여 후단 압축기로 인가하며, 상기 열교환기들 각각이 상기 매체 압축기 및 상기 매체 팽창기와 개별 순환 루프를 형성하여 지속적인 열교환이 가능하도록 냉매 가스를 순환시킬 수 있다.

본 발명에 따른 공기 압축 시스템은 냉각수가 필요 없어 물이 없거나 희귀한 환경에서도 사용할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 공기 압축 시스템은 소요 동력을 저감할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 공기 압축 시스템은 압축 공기가 임펠러의 후면 측으로 누설되는 것을 최소화하여 압축 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축 시스템의 개략적인 구성을 보인 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축 시스템의 누설 방지 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 압축 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축 시스템의 개략적인 구성을 보인 도면이다.

도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축 시스템은 공기 압축기(10), 열교환기(20), 매체 압축기(30) 및 매체 팽창기(40)를 포함한다.

일 실시예의 경우 복수 개의 공기 압축기(10)들이 직렬 연결되어 다단으로 구성되며, 공기 압축기(10)들 사이마다 열교환기(20)들이 구성되어 각 열교환기(20)가 전단의 공기 압축기(10)에서 나온 고온의 압축 공기를 냉각하여 후단의 공기 압축기(10)로 인가한다.

전단의 공기 압축기(10)는 공기를 압축해 고온의 압축 공기를 생성하여 후단의 공기 압축기(10)로 인가한다.

각 단의 공기 압축기(10)의 후단에는 각 단의 공기 압축기(10)에서 토출되는 공기를 냉각시키기 위한 열교환기(20)가 구비된다.

공기 압축기(10)는 공기를 압축하여 열교환기(20) 측으로 출력하고, 열교환기(20)는 전단의 공기 압축기(10)로부터 인가되는 압축 공기를 냉각시켜서 후단의 공기 압축기(10)에 출력한다.

일 실시예는 냉각수를 전혀 사용하지 않고서 공기 압축기(10)에서 압축된 고온의 공기를 냉각시킨다. 즉 냉각수 대신 냉동 사이클에 적용되는 매체 팽창기(40)를 이용해 매체 팽창기(40) 출구의 차가운 냉각가스(예컨대, 질소)와 공기 압축기(10)에서 생성하는 고온의 압축 공기와의 열교환을 통해 압축 공기를 냉각시키게 된다.

각 열교환기(20)는 매체 팽창기(40)로부터 저온의 냉각가스를 공급받아, 전단의 공기 압축기(10)에서 인가되는 고온의 압축 공기를 저온의 냉매 가스와 열교환시켜 냉각한다.

매체 압축기(30)는 질소 등의 냉매 가스를 압축하여 매체 팽창기(40)로 인가한다.

매체 팽창기(40)는 매체 압축기(30)에서 압축된 고온의 냉매 가스를 팽창시켜 냉각시킨다.

질소 등의 냉매 가스를 매체 압축기(30)에서 압축하고 이를 매체 팽창기(40)에서 팽창시켜 저온의 냉매 가스를 얻는 것이다.

이와 같은 구성에 있어서, 매체 팽창기(40)에서 생성된 저온의 냉매 가스는 열교환기(20)로 유입되고 열교환기(20)를 통과하면서 고온의 압축 공기와 열교환되어 승온된 후 매체 압축기(30)로 되돌아오도록 순환 루프가 구성된다.

도 1에는 열교환기(20)를 통과하는 압축 공기의 유입/배출 온도(100~300℃/30~50℃), 매체 팽창기(40)에서 생성되는 냉매 가스의 온도(-50~10℃), 매체 압축기(30)로 유입되는 냉매 가스(질소 등)의 온도(35~55℃)가 예시되어 있다.

일례로, 매체 압축기(30)는 질소 압축기이고, 매체 팽창기(40)는 고온/고압의 질소를 공급받아 팽창시키는 질소 터빈일 수 있다.

이러한 경우, 35~55℃의 고온 상태로 공급된 질소의 온도가 질소 터빈을 통해 팽창되어 -50~10℃로 내려갈 수 있으며, 차가워진 질소를 열교환에 사용해 공기 압축기(10)의 뜨거워진 공기를 냉각시킬 수 있다.

질소 터빈이 -50~10℃로 차가워진 질소를 공급함에 따라 낮은 온도의 질소를 사용한 열교환이 가능하다. 열교환 후 온도가 상승하고 압력이 낮아진 질소는 다시 질소 압축기로 피드백된다. 질소 압축기가 고온 저압의 질소를 압축하여 질소의 압력이 상승하고 온도가 더 높아지면 이 고온 고압의 질소는 다시 질소 터빈으로 인가된다.

도 1에 예시된 바와 같이 열교환기(20)들 각각은 하나의 매체 압축기(30)/매체 팽창기(40)와 개별적인 순환 루프를 형성할 수 있으며, 이를 통해 지속적인 열교환이 가능하도록 냉매 가스를 순환시킬 수 있다.

열교환을 위한 차가운 냉매 가스(질소 등)를 지속적으로 투입/회수하기 위한 매체 팽창기(40)와 매체 압축기(30)가 구비되어 열교환기(20)와의 순환 루프를 형성하며, 이를 통해 고온의 압축 공기와 매체 팽창기(40) 후단의 차가운 냉매 가스와의 열교환(기체-기체 열교환)이 이루어지는 것이다.

이때 팽창 시 발생하는 운동 에너지는 회전 축력으로 회수하여 구동력으로 이용할 수 있다.

매체 팽창기(40)는 매체 압축기(30)의 반대 과정으로 고압의 냉매 가스를 단열 팽창시키며, 이 과정에서의 팽창력을 이용하여 일정 이상의 동력을 얻을 수 있다.

즉, 매체 팽창기(40)를 적용함으로써 동력을 얻고 매체 팽창기(40)로부터 발생되는 동력으로 매체 압축기(30)를 구동함으로써 냉각에 필요한 소요 동력을 크게 줄일 수 있게 된다.

이러한 경우 매체 압축기(30)는 매체 팽창기(40)와 하나의 축으로 연결되어 매체 팽창기(40)에 의해 생산된 동력으로 구동된다.

이와 같이, 매체 팽창기(40)-열교환기(20)-매체 압축기(30)를 반복적으로 순환하는 냉매 가스의 순환 루프를 구현하고, 별도의 동력원이 필요없는 매체 압축기(30)와 매체 팽창기(40)를 이용하여 고온의 압축 공기를 저온으로 만들어 줌으로써, 냉각에 필요한 소요 동력을 최소화할 수 있다.

또한, 이와 같은 구성은 냉각수를 사용하지 않고 고온의 압축 공기와 저온의 냉각가스(질소 등) 간 열교환에 의해 냉각을 수행하므로, 물이 부족하거나 귀한 환경에서 매우 유용하며, 물을 공급하기 위한 모든 보기류와, 열교환 이후 승온된 냉각수를 다시 냉각시키기 위한 냉각탑이나 냉각팬 등을 설치/운용할 필요가 없어 효율적이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축 시스템의 누설 방지 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 2에서, 모터(미도시)에 결합되어 회전하는 구동축(14)의 일단에는, 회전하면서 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 공기 압축기(10)의 임펠러(11)가 결합된다.

또한, 구동축(14) 상에는 베어링(13)이 장착되어 구동축(14)을 회전 가능하게 지지한다.

임펠러(11)의 후면과 베어링(13)의 사이에는 압축 공기의 누설을 방지하기 위한 실링부재(12)가 설치된다. 실링부재(12)는 임펠러(11)의 후면에 설치되어 압축 공기의 누설을 방지한다.

전원이 인가되어 모터(미도시)에 유도 자기가 발생하면, 그 유도 자기에 의해 구동축(14)이 베어링(13)에 지지되어 고속으로 회전하게 되고, 구동축(14)의 회전에 의해 공기 압축기(10)의 임펠러(11)가 회전하면서 공기를 압축하여 토출시키게 된다.

이때 압축 공기의 일부가 임펠러(11)의 후면을 타고 누설될 수 있으며, 임펠러(11)와 베어링(13) 사이의 실링부재(12)가 이를 저지하는 역할을 한다.

그러나, 실링부재(12)를 설치하더라도 임펠러(11) 후면에서의 높은 압력과 회전하는 구동축(14)이나 임펠러(11)의 요동으로 인해 임펠러(11)의 후면과 실링부재(12)/구동축(14) 간 공극을 통해 원치 않는 압축 공기의 흐름이 발생하여 공기 및 압력의 누설이 증가할 수 있다.

이러한 압축 과정에서의 누설을 최소화하기 위하여, 일 실시예에서는 매체 압축기(30)에서 생성되는 고압의 냉매 가스를 활용하여, 임펠러(11) 후면에서의 높은 압력보다 더 높은 압력으로 외부에서 가스를 공급해 줌으로써 공기 압축기(10)의 작동 유체인 공기가 외부로 누설되는 것을 최대한 차단한다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 매체 압축기(30)에서 생성되는 고압의 냉매 가스 일부를 분기하여 임펠러(11)의 후면과 실링부재(12) 사이의 공극으로 주입하는 가스 유로(15)를 설치할 수 있다.

가스 유로(15)는 일례로 임펠러(11) 후면의 공극과 연통하여 가스를 주입하는 노즐이나 파이프 등의 형태로 구현될 수 있다. 매체 압축기(30)로부터 가스 유로(15)의 흡입구로 유입된 고압의 냉매 가스는 가스 유로(15)의 배출구를 통해 임펠러(11) 후면의 공극으로 분출된다.

이는 도 3에 예시된 바와 같이 임펠러(11) 후면의 공기/가스의 흐름을 임펠러(11) 측으로 인위적으로 바꾸어 임펠러(11) 외측으로 누설되려는 공기/가스의 흐름을 억제하여 압축 효율을 향상시키고자 하는 것이다.

일 실시예에서는, 매체 압축기(30)에서 생성되는 고압의 냉매 가스 중 약 3% 내외의 미세한 양을 가스 유로(15)로 유입시켜 임펠러(11) 후면의 공극으로 투입하는 것만으로 순환 루프를 도는 냉매 가스의 감소를 최소화하면서 누설 저감 효과를 함께 도모할 수 있다.

매체 압축기(30)에서 생성되는 고압의 냉매 가스 중 누설 방지를 위한 일부를 제외한 나머지는 모두 매체 팽창기(40)로 인가되어 전술한 바와 같이 열교환기(20)를 거쳐 피드백된다.

이에 따라 냉각수 없이 열교환을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 압축 과정에서의 누설을 최대한 차단하여 압축 효율을 상승시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 공기 압축 시스템의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10: 공기 압축기
11: 임펠러
12: 실링부재
13: 베어링
14: 구동축
15: 가스 유로
20: 열교환기
30: 매체 압축기
40: 매체 팽창기

Claims (4)

1. 공기를 압축하여 고온의 압축 공기를 생성하는 공기 압축기;
   상기 공기 압축기에서 인가되는 고온의 압축 공기를 저온의 냉매 가스와 열교환시켜 냉각하는 열교환기;
   냉매 가스를 압축하는 매체 압축기; 및
   상기 매체 압축기에서 압축된 냉매 가스를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함하되,
   상기 매체 팽창기에서 생성된 저온의 냉매 가스가 상기 열교환기로 유입되고 상기 열교환기를 통과하면서 고온의 압축 공기와 열교환되어 승온된 후 상기 매체 압축기로 되돌아오도록 순환 루프가 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 압축 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 매체 압축기는 상기 매체 팽창기와 하나의 축으로 연결되어 상기 매체 팽창기에 의해 생산된 동력으로 구동되는 것을 특징으로 하는 공기 압축 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 공기 압축기의 임펠러;
   상기 임펠러의 후면에 설치되어 압축 공기의 누설을 방지하는 실링부재; 및
   상기 매체 압축기에서 생성되는 고압의 냉매 가스 일부를 분기하여 상기 임펠러의 후면과 상기 실링부재 사이의 공극으로 주입하는 가스 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   복수 개의 공기 압축기들이 다단으로 구성되고,
   상기 공기 압축기들 사이마다 열교환기들이 구성되어 각 열교환기가 전단 압축기에서 나온 고온의 압축 공기를 냉각하여 후단 압축기로 인가하며,
   상기 열교환기들 각각이 상기 매체 압축기 및 상기 매체 팽창기와 개별 순환 루프를 형성하여 지속적인 열교환이 가능하도록 냉매 가스를 순환시키는 것을 특징으로 하는 공기 압축 시스템.

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