KR950007516B1 - 로우타리식 오일리스(oil-less)기체 압축기 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

로우타리식 오일리스(oil-less)기체 압축기 장치

제1도는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 개략적으로 도시한 배치도.

제2도는 상기 시스템의 개략도.

제3도는 분사된 액체량과 공급공기량 사이의 질량비에 따른 효율의 변화를 도시한 도표.

본 발명은 고압의 고정압력비를 갖고, 압축기계 냉각용 물등의 액체를 분사하는 분사수단을 구비하는 로우타리식 오일리스(oil-less) 기계압축기에 관한 것이다. 여기서 고압의 고정 압력비란 약 4 : 1 이상의 압력비를 말한다.

상기와 같은 오일리스 기체 압축기는 공기를 대기압으로부터 8 내지 12바아의 압력으로 압축하는데 일반적으로 사용된다. 이러한 형식의 종래 압축기에서는, 약 20℃의 온도로 유입된 공기의 온도를 압축단계의 끝에서 약 50℃로 제한하기 위해 상당한 량의 물을 분사한다. 온도의 상승은 물 : 공기의 비율은 10 : 1 혹은 그 이상의 질량비에 따라 결정되는데, 이 비율은 대체로 1.4 : 1로 제한하는 것으로 알려져 있다. 단위시간당 압축기 내로 분사되는 물의 양은 만약 이것이 그대로 소모된다고 한다면 운전 비용의 상당부분을 점할만큼 다량이다. 그러므로, 압축기내로 분사된 물은 압축기로부터 배출되어 재생 냉각되며, 선택적으로는 그 물의 상태가 재조절된다. 따라서, 다량의 완충수 (buffer water)를 혼합시키기도 하는 물배출시스템과, 박테리아생성 및 석회부착과 산화로부터 압축기 내부를 보호하기 위한 상태 조절시스템이 필요한데, 이와같은 시스템의 설치에는 공간의 차지가 너무 크고, 더구나 내식성 재료로 구조물을 만들어야 하는 문제점이 수반되어 경제성이 좋지 않다. 또한 물분사는 압축기의 속도를 상당히 감소시켜야 할 필요가 있으며, 성능도 따라서 감소된다.

또한 건식의 단일 단계 압축기(dry single-stage compressor)의 경우에는, 출구 온도가 350-400℃ 범위까지 올라가는데, 이것은 여러가지의 압축기 부품에서 큰 온도 변화를 초래하고 불필요한 간극(play)을 발생시켜 압축기의 효율을 감소시킨다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 2이상의 단계로 공기를 압축하고 연속된 단계들 사이에 공기를 냉각하는 것이 필요한데, 이경우 압축기의 규모가 커지는 결점이 생긴다. 특히, 냉각 시스템의 전체가 장치내에 포함되는 경우는 더욱 심각하다.

액체분사형 압축기와 건식 압축기에서 나타나는 장, 단점은 맥크로우힐 출판사 발행“기계공학 엔지니어핸드북(Mechanical Engineers's Handbook(1951년 판))”의 1879면에 상세히 기술되어 있는데, 이 책에서는 건식 압축기의 장점인 콤팩트한 규모와 고속도, 그리고 액체분사형 압축기의 장점인 높은 냉각효과를 적절히 융합하여 해결점을 찾으려는 시도를 하고 있다. 이것은 고속의 일단압축기의 입구에 제한된 양의 물을 분사하고, 압축공정에서 발생하는 열로 모든 수분을 증발시키려는 것이다. 이러한 방법은 건식단일단계 압축기와 비교하여 적정한 수준까지 효율을 향상시키고, 온도변화 및 간극의 발생을 감소시키면서 출구에서의 온도를 100-150℃로 제한할 수 있는 것으로 판명되었으나, 이 역시 앞서말한 물분사형 저속압축기에 비해 효율이 떨어지는 결점이 있다.

상기한 핸드북에 따르면, 단위시간당 분사되는 물의 양, 즉, 단위시간당의 제한된 물의 분사와 상당한 양의 물의 분사 사이에 비효율적인 부분이 포함되는 것으로 판명되고 있다. 이러한 결론은 약 25년 동안에 걸쳐 계속유지되왔다.

본 발명의 목적은 압축기의 전체의 용량적 조건과 관련한 액체분사로서 로우타리식 오일리스 기체 압축기를 개량하려는 것이다.

이와같은 목적은, 공급되는 공기의 중량에 대해서, 압축 공정에서 완전 증발될 수 있는 중량 보다도 더 많은(단 4배 이상은 초과하지 않는) 중량의 물을 분사할 수 있는 물분사장치를 제공함으로써 이루어질 수 있다. 이와같은 개선의 결과로, 증발되지 않은 물이 압축공정의 최종 단계에서 압축실의 표면위에 잔류하여 상기 표면이 여타의 주위부분보다 온도가 낮아 작동 로우터들 사이 및 압축기 하우징과 로우터 사이의 간극을 통한 누설을 방지해 준다. 압축기의 출구에서의 물의 양은 작은 동력손실만이 발생할 만큼 소량으로서, 이물은 간단한 구조의 응축수분리기로 분리되어 하수구로 배출되든지, 혹은 간단한 재생시스템을 통해 재생된다. 만약 상기와 같은 시스템이 필요하다면, 이것의 구조는 아주 간단하고 비용면에서도 경제적으로 실행할 수 있는데, 그 이유는 물의 양이 소량이고, 또, 종래의 물분사 시스템보다 시스템을 청소하는 필요성이 적어지는 한편으로 수리의 필요성이 현저히 적어진다.

본 발명에 따른 시스템의 또다른 특징은 특허청구의 범위의 기재로부터 용이하게 알 수 있을 것이다.

본 발명을 첨부하는 도면을 참고하여 좀더 상세하게 설명한다.

제1도에 도시된 장치는 전동기(1)로 구동되는 스크류압축기(2)를 구비하여, 상기 압축기(2)에는 유입파이프(3)와 유출파이프(4)가 연결된다. 유출파이프(4)는 냉각기(5) 및 응축수분리기(6)와 연결되어 있다. 상기 분리기(6)에 모여진 응축수를 도관(7)이 버퍼용기(8)로 보낸다. 상기 버퍼용기(8)에는 일정수위의 물이 용기(8)속에 유지되도록 하는 수위 유지장치(11)가 구비되고, 상기 수위 유지 장치(11)에는 물 공급파이프(9)와 배출파이프(10)가 연결되어 있다. 상기 버퍼용기(8)의 바닥에 연결되는 파이프(12)는 압축기(2)의 유입파이프(3)에 설치된 분사장치(13)로 이어진다.

상기 파이프(1)는 정량 펌프(meetering pump : 14)를 구비한다. 필요하다면, 상기 파이프(12)를 통해 유동하는 물의 상태 조절(conditioning)을 위한, 특히 순환수내에 발생하는 산(acid)을 중화시키기 위한, 간단한 구조의 상태 조절 장치(15)를 상기 파이프(12)에 설치할 수 있다.

증발되지 않은 과잉의 물은 일정한 수준까지 공기를 냉각시키는데는 도움을 주지 못하며, 증발되는 물의 양을 결정적으로 감소시키지도 않는다. 따라서 냉각효과는 실질적으로 변하지 않으며, 그 효과는 다만 증발되는 물의 양에 따라 결정될 뿐이다. 과잉의 물은 주위보다 차가운 로우터의 표면위에 잔류하게 되며, 이 때문에 작동로우터 자체 및 상기 로우터의 하우징 사이의 움직임에 의한 갭을 밀봉하는 역할을 한다. 따라서, 소정의 질량비내에서 물의 공급을 증가시키면 효율을 증가시킨다.

따라서, 정량 펌프(14)를 조정하는 것이 임계적인 냉각매개변수로 작용하지는 않는다. 압축기의 압력비와 유입기체의 온도 및 습도값을 알고 있다면, 유입파이프(3)에서의 질량유량에 따라 상기 정량 펌프(14)를 제어할 수 있다. 선택적으로는, 압축기의 유출파이프(4)에서의 기체의 온도 또는 응축수 분리기(6)로부터 얻어진 단위시간당의 응축수량도 같은 목적을 위해 탐지할 수 있다. 이러한 제어 원리는 유입 기체의 수분함량의 변화에 관계없이 매우 정확한 결과치를 얻을 수 있도록 해준다.

정상작동조건이라면, 압축기의 유입파이프(3)에서의 압력은 약 100KPa이고, 유출파이프(4)에서의 압력은 약 800KPa가 된다. 물은 정밀하게 분할되어, 단위시간당 유입 기체의 유량에 종속된 양으로 파이프(12)로부터 유입파이프(3)로 분사된다.

기체가 수증기로 포화될때까지 압축기(2)내로 분사된 물의 일부가 압축기(2)에서의 기체의 압축 및 그에 따른 온도의 상승 과정중에 증발한다. 증발된 물의 양에 비해 최대 약 4배 정도에 달하는 잔류하는 물은 액체상태로 압축기를 통과하며, 작동로우터들 자체 및 로우터와 로우터 하우징 사이의 움직임에 의한 갭을 밀봉하는 역할을 한다.

수증기는 냉각기(5)를 통과하는 동안 유출파이프 내에서 응축되며, 이 응축수는 응축수분리기(6)에 모여져서 버퍼용기(8)로 이동된다. 버퍼용기(8)에는 우선 적정한 수위에 이를때까지 수위 유지 장치(11)를 통해서 파이프(9)로부터 나오는 물이 채워지며, 이 수위는 공급파이프(9)로부터 물이 공급되고 배출 파이프(10)를 통해서 물이 배출되는 형식의 공지방법으로 그 수위가 유지된다.

압축기 속으로 분사된 물에 양은 최저한계값 근방의 값으로 제한되는 경우 소모된 물의 양은 매우 작으므로, 응축수 분리기(6)로부터의 응축수의 회수 및 재생에 소요되는 비용은 수도 본관으로부터 공급되는 물을 끌어들이는데 소요되는 비용보다 비싸다. 제2도는 제1도에 도시된 장치의 변형예를 보여준다. 여기서, 물은 수도본관(32)으로부터 밸브(41)를 통해서 압축기로 분사되며, 응축수는 분리기(6)로부터 배출파이프 (10)로 이동한다.

제3도는 낮은 원주속도(peripheral speed)로 구동되는 종래의 액체 분사형 압축기의 경우를 a로 하고, 높은 원주속도로 구동되는 종래의 건식 압축기의 경우를 b로 하여 효율의 변화를 도시한 그래프이다. 2개의 곡선은 분사된 물의 양과 공급 기체량 사이의 질량비 변화에 따른 효율(7)의 변화를 나타낸다.

곡선 a에 따른 압축기의 경우, 효율의 정도는 압축기 내로 분사되는 물의 온도에 크게 좌우된다(이것은 압축기 내로 분사되는 물의 부분적인 체적이 상당히 증가하는데 기인한다).

곡선 a로부터 단위시간당 상당히 많은 물(약 1.5 : 1 이상)이 분사될때 고효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 곡선 b에 따른 압축기의 경우는 소정의 범위내에서는 효율의 정도가 분사되는 물의 온도와는 상관없다.

건식 압축기 내로 물이 분사될때, 압축기의 효율은 전술한 바와같이 액체가 증발되어 향상된 냉각성능을 나타낼만큼 낮은 질량비에 대해, 또한 종래 방식에서의 액체범람에 따라 낮아질 것이다. 여기서 후자의 경우만이 로우터의 원주속도가 건조상태 작동에 대해서 적용되기 때문에 나타날 수 있다. 이전에 관찰되지 않았던 것은, 아무런 냉각성능의 향상을 확인하지 못한 곡선 b의 중간부에 종래 형식의 액체분사형 압축기의 효율과 비교될 수 있는 효율의 최고 정점이 존재한다는 것이다. 또한 곡선 b로 나타나는 압축기는 2 내지 5배 정도 더 큰 원주속도로 작동되기 때문에 더 큰 용량을 갖는다는 것을 알아야 한다.

Claims (5)

1. 압축 기체를 냉각시킬 목적으로 물을 그 기체로 분사하는 분사수단(13)을 구비하는 높은 고정 압력비의 로우타리식 오일리스(oil-less) 기체압축기 장치에 있어서, 상기 분사수단(13)은, 공급되는 기체의 중량과 관련하여, 기체의 압축과정중 완전증발에 소요되는 중량보다 많은(단, 4배 이하의) 중량의 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 로우타리식 오일리스 기체압축기 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압축기(2)의 유출구로부터 연장하는 압력라인은 응축수분리기(6)와 연결되고, 분사되는 물의 양은 상기 응축수분리기(6)에 의해 압축기체로 부터의 응축수까지 포함한 모든 물을 제거할 수 있을 정도의 양으로 제한되는 것을 특징으로 하는 로우타리식 오일리스 기체 압축기 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 응축수분리기(6)는 버퍼용기(8)와 액체공급파이프를 통해서 정량 펌프(14)와 연결되며, 상기 버퍼용기(8)에는 그 속에 적정한 수위를 조절유지시키기 위한 수위 유지 수단(11)이 마련되고, 상기 정량 펌프(14)는 상기 기체 압축기의 유입측에 연결되어 상기 압축기(2)에 단위시간단 공급되는 물의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 로우타리식 오일리스 기체압축기 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기에 공급되는 기체량에 대한 분사되는 물의 양(무게비)이 1 : 20 이상, 1 : 4 이하인 것을 특징으로 하는 로우타리식 오일리스 기체압축기 장치.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체압축기(2)는 1단의 스크류로우터 압축기로서, 2단 건식 압축기의 1단과 같은 원주 속도 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 로우타리식 오일리스 기체압축기 장치.

Images