[논문]CDA 인입공기 증발냉각을 통한 압축기 성능 개선장치 개발 연구

김규완; 박진욱; 김희동

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.11.873

[국내논문] CDA 인입공기 증발냉각을 통한 압축기 성능 개선장치 개발 연구
On-Site Measurement of the Inlet Air Evaporative Cooling Performance for a Centrifugal Turbo Compressor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.11 = no.350, 2014년, pp.873 - 879

김규완 (안동대학교 기계공학과) , 박진욱 (안동대학교 기계공학과) , 김희동 (안동대학교 기계공학과)

초록
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CDA(Clean Dry Air) System 에서 공기 압축기는 핵심 설비이자 소비되는 전력의 대부분을 차지한다. 그리하여 압축기 성능(ECI)을 개선함으로써 CDA System 전체성능을 크게 향상 시킬 수 있다. 종래의 많은 연구를 통해 인입공기의 온/습도 조건이 압축기에 미치는 영향에 대해 잘 알려져 있으나, 본 연구에서는 인입공기의 조건에 따라 소비되는 실제 전력 및 토출유량의 상관관계를 조사하였다. 또한 증발 냉각장치를 설치하여 인입공기 조건의 다양한 변화를 통하여 압축기성능에 미치는 영향을 연구하였다. 얻어진 결과로부터 인입공기의 온/습도가 낮을수록 압축기성능이 개선되었고, 증발냉각장치를 설치하였을 때 압축기성능이 개선됨을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, water vapor is injected at various positions in a Clean Dry Air (CDA) system such as a system inlet duct, compressor inlet, and compressor outlet by humidified air turbines. The application of evaporative cooling reduces the compression work and enhances the Energy Consumption Index (ECI) per unit volume. The main purpose of this study is to investigate the compressor power performance with different inlet air temperatures and humidity conditions. It is found that the actual power consumption and discharge flow are significantly influenced by the inlet air temperature as well as relative humidity. The results obtained during this study are compared both numerically and experimentally and are found to be in very good agreement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CDA System에서 인입되는 공기의 온/습도 조건을 다양하게 변화하며 실험한 이 연구에서는 외기의 조건에 따른 이론적인 ECI 와 실제 측정된 ECI 값을 비교 분석하여 인입공기의 온/습도 조건이 압축기 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 결과는 다음과 같이 나타났다.
또한 부가적으로 Suction Room 의 설치로 수용성 산화 Chemical 을 제거하여 압축기 내부 오염(고착 산화물)을 개선하고자 한다.
장치는 기화잠열에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 공기 압축기로 인입되는 외기 공기의 온도 및 습도를 조절하여 압축기 성능을 개선하고, 이에 따른 에너지소비 감소를 통해 생산성을 향상시키고자 한다. 이때 외기의 조건을 국내 실정에 맞춘 조건으로(여름에는 고온다습, 겨울에는 춥고 건조한 기후) 국내의 대기조건에 맞춘 연구를 수행하여 실질적인 에너지 절약을 이루고자 하고, 압축기 인입공기의 온/습도 조건이 압축기에 영향을 주는 인자로 알려져 있으나 정확한 상관관계를 알 수없어 연구를 통하여 결과를 도출 해내고자 한다.
이렇게 공기의 청정도를 유지하기 위한 과대한 에너지 소비는 결과적으로 생산성을 저하시키는 요인으로 작용할 가능성을 상존하고 있다. 이에 따라 CDA System 전력소비의 대부분을 차지하고 있는 공기압축기의 운전 효율을 향상 시켜 전력소비를 줄이고자 한다.
인입공기의 온/습도 조건이 압축기의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 조사하고, 증발냉각장치의 설치를 통해 얻어지는 성능개선효과를 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이처럼 공기 압축기의 운전 효율 개선을 위한 요소에는 여러 가지가 있지만 그 중 인입공기의 온/습도 조건은 일반적으로 압축기 성능에 상당한 영향을 미치는 인자로 알려져 있다. 종래의 많은 연구(2~7)를 통해 이와 같은 조건이 압축기에 미치는 영향에 대해 잘 알려져 있으나, 본 연구에서는 인입공기의 온/습도 조건에 따라 압축기에서 소비되는 실제전력과 토출유량의 상관관계를 도출하였다.

제안 방법

7 와 같이 나타내었다. 그 결과 그래프의 구간이 좀더 알아보기 쉽게 나타났고, 이러한 경험식의 신뢰도를 알아보기 위해 실제 측정한 ECI 값과 경험식으로부터 얻은 ECI 값을 비교하여 보았다. Fig.
실험을 통해 약 3 개월간 20,000 개의 데이터를 획득하였으며, 대량의 데이터를 알아보기 쉽고, 좀 더 정략적으로 나타내기 위해 온도를 소수점으로 반올림하였고, 상대습도는 5%단위로 반올림하였다. 그 결과로부터 인입공기의 온/습도 조건이 압축기 성능에 미치는 영향을 조사하였고, 최적의 온/습도 조건을 도출하였다.
1 과 같이 나타내었다. 먼저 항온/항습장치에는 온도를 조정하는 냉수쿨러(응축수 Trap)와 습도를 조정하는 스팀 가습기(가습용 자동 Valve)가 각각 설비되어 외기에서 인입되는 공기의 온도 및 습도를 다양하게 바꾸어 연구를 수행하였다. 항온/항습장치를 통하여 온도 및 습도가 변화한 공기는 Suction Room 으로 인입되고, Suction Filter 로 들어가 공기중의 먼지, 유분, 수분 등의 이물을 제거하여 압축기로 이동하는 시스템이다.
본 연구에서는 문헌^(1~7)을 참고하여 온도와 습도에 따른 압축기 소비동력에 대한 이론해석을 후술하는 바와 같이 수행하여 실험결과와 비교 분석하였다.
연구를 진행하기에 앞서 온도 및 습도를 제어하기 위한 핵심설비인 항온항습장치를 설치하였으며, 이에 따른 압축기 및 유량계 등을 세팅하여 실험을 수행하였다. 설치된 항온항습장치는 기화잠열에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 인입되는 공기의 온/습도 조건을 다양하게 변화시켜 압축기로 공기를 인입하였고, 그 결과로부터 실제 압축기의 소비 동력에 대한 에너지 소비 지수(ECI) 를 도출하여, 그에 대한 경험식을 구하였다. 결과적으로 증발냉각장치를 통하여 압축기 성능 개선에 대한 정량적 효과를 도출하였다.
실험을 통해 약 3 개월간 20,000 개의 데이터를 획득하였으며, 대량의 데이터를 알아보기 쉽고, 좀 더 정략적으로 나타내기 위해 온도를 소수점으로 반올림하였고, 상대습도는 5%단위로 반올림하였다. 그 결과로부터 인입공기의 온/습도 조건이 압축기 성능에 미치는 영향을 조사하였고, 최적의 온/습도 조건을 도출하였다.
연구를 진행하기에 앞서 온도 및 습도를 제어하기 위한 핵심설비인 항온항습장치를 설치하였으며, 이에 따른 압축기 및 유량계 등을 세팅하여 실험을 수행하였다. 설치된 항온항습장치는 기화잠열에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 인입되는 공기의 온/습도 조건을 다양하게 변화시켜 압축기로 공기를 인입하였고, 그 결과로부터 실제 압축기의 소비 동력에 대한 에너지 소비 지수(ECI) 를 도출하여, 그에 대한 경험식을 구하였다.
항온/항습장치를 통하여 온도 및 습도가 변화한 공기는 Suction Room 으로 인입되고, Suction Filter 로 들어가 공기중의 먼지, 유분, 수분 등의 이물을 제거하여 압축기로 이동하는 시스템이다. 온도는 냉수쿨러에서 5℃인 냉수를 사용하여 온도를 조절하였고, 습도는 물을 가열하여 증발되는 수증기를 이용하여 조절하였다. 외기의 조건에 따라 온도는 8~33℃까지 변화하였고, 상대습도는 외기의 조건에 따라 약 10~90%까지 변화함을 알 수 있었다.
이 연구는 물의 기화잠열에 의한 건구온도 감소로 압축기 성능 향상이 있을 것으로 예상하고 증발냉각 장치를 설치하여 실험을 수행하였다.

성능/효과

(1) 실험 결과 압축기 인입공기의 온/습도가 모두 낮을수록 압축기 성능은 향상된다. 이 두 조건 중 습도에 비해 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 상대적으로 크다.
(2) CDA System 에 증발냉각장치를 적용하면 흡입공기의 온도가 약 10℃ 정도 감소할 때, 습도는 약 50% 증가하나 최종적으로 압축기의 성능은 약 1.0% 개선된다.
(3) 고온저습의 외기조건을 가지는 현장에 증발 냉각장치를 설치 시 압축기 성능개선효과가 극대화 된다.
(4) CDA 압축기에 증발냉각장치를 설치함으로써 압축기 성능이 개선되고 이로 인해 과대한 전력료를 절감할 수 있다.
Fig. 7의 측정결과로부터 상대습도가 동일한 조건일 때 온도가 10℃ 감소할 경우 압축기 성능은 1.3% 증가하고, 온도가 동일한 조건일 때 습도가 50% 감소할 경우 압축기 성능은 0.3% 증가하였다. 이러한 결과로부터 습도의 영향보다 온도의 영향이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었고, 고온저습의 외기조건을 가지는 현장에 증발냉각장치를 설치시 압축기 성능 개선효과가 극대화 되는 것을 알았다.
설치된 항온항습장치는 기화잠열에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 인입되는 공기의 온/습도 조건을 다양하게 변화시켜 압축기로 공기를 인입하였고, 그 결과로부터 실제 압축기의 소비 동력에 대한 에너지 소비 지수(ECI) 를 도출하여, 그에 대한 경험식을 구하였다. 결과적으로 증발냉각장치를 통하여 압축기 성능 개선에 대한 정량적 효과를 도출하였다.
6 을 그려 그 결과를 분석하였다. 고온 다습한 지역으로 갈수록 ECI 값이 커져 압축기 성능이 저하되는 것을 확인하였으며, 측정된 구간에서 약간의 이상치가 발생하나 이 또한 압축기 내의 부수적인 손실과 수시로 변화하는 대기조건에 의한 것 이라 판단 된다. 이러한 측정 결과로부터 경험식 (ECI = 118.
이러한 결과로부터 습도의 영향보다 온도의 영향이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었고, 고온저습의 외기조건을 가지는 현장에 증발냉각장치를 설치시 압축기 성능 개선효과가 극대화 되는 것을 알았다. 또한 외기의 조건에 따라 최대 4.8%의 성능 차이가 발생함을 알 수 있었다. 최종적으로 증발 냉각장치를 적용 했을 때 흡입공기의 온도가 10℃ 감소할 경우 상대습도는 50% 증가하나 압축기의 성능은 약 1.
4 는 상대습도변화(0~100%)에 따른 ECI 변화를 나타낸 그래프로, 온도를 각 구간별로 고정하여 나타내었다. 상대습도가 증가함에 따라 ECI 값이 증가하고, 온도가 높은 구간으로 갈수록 ECI 의 기울기가 점점 커졌다. 이로 인해 상대습도의 증가에 따라 압축기의 성능이 저하되고, 온도가 높아질수록 습도가 압축기 성능에 미치는 영향이커졌다.
실험 결과로부터 온도가 증가할수록 ECI 값 또한 증가하고, 고습구간으로 갈수록 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를 통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 온도를 낮추어야 유리하다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 약간의 차이가 발생하나 동일한 경향을 가졌다. 앞선 결과와 마찬가지로 여기서 발생하는 차이는 압축기 내부에서 부수적으로 발생하는 손실과 수시로 변화하는 대기조건에 의한 것이라 판단되며, 습도의 증가에 따라 ECI 가 선형적으로 증가하는 것을 알았다.
그 결과 약간의 차이가 발생하나 동일한 경향을 나타내었다. 여기서 발생하는 차이는 압축기 내부에서 부수적으로 발생하는 손실과 수시로 변화하는 대기조건에 의한 것이라 판단되며, 온도의 증가에 따라 ECI 가 선형적으로 증가하는 것을 알았다.
온도는 냉수쿨러에서 5℃인 냉수를 사용하여 온도를 조절하였고, 습도는 물을 가열하여 증발되는 수증기를 이용하여 조절하였다. 외기의 조건에 따라 온도는 8~33℃까지 변화하였고, 상대습도는 외기의 조건에 따라 약 10~90%까지 변화함을 알 수 있었다. 압축기는 Three-stage Centrifugal Turbo Compressor 압축기로 용량은 10,000CMH, 동력:1,119kW 이며, 토출압력을 8kgf/cm²으로 고정하고, BOV(Blow Off Valve)는 61%, IGV(Inlet Guide Vane)는 Auto 로 설정하였다.
위의 결과를 통해 온도와 습도가 증가할수록 ECI 도 증가하여 압축기성능이 감소되는 것을 알수 있었다. 즉, 압축기의 성능이 인입공기의 온도와 습도의 변화에 의존한다는 것을 알 수 있다.
3% 증가하였다. 이러한 결과로부터 습도의 영향보다 온도의 영향이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었고, 고온저습의 외기조건을 가지는 현장에 증발냉각장치를 설치시 압축기 성능 개선효과가 극대화 되는 것을 알았다. 또한 외기의 조건에 따라 최대 4.
상대습도가 증가함에 따라 ECI 값이 증가하고, 온도가 높은 구간으로 갈수록 ECI 의 기울기가 점점 커졌다. 이로 인해 상대습도의 증가에 따라 압축기의 성능이 저하되고, 온도가 높아질수록 습도가 압축기 성능에 미치는 영향이커졌다.
온도가 증가함에 따라 ECI 값이 증가하고, 상대습도가 높은 구간으로 갈수록 ECI 의 기울기가 점점 커진다. 이로 인해 온도의 증가에 따라 압축기 성능이 저하되고, 습도가 높아질수록 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 커졌다.
이를 통해 상대습도가 증가할수록 ECI 값 또한 증가하고, 고온 구간으로 갈수록 상대습도가 압축기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를 통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 습도를 낮추어야 유리하다는 것을 알 수 있었다.
이를 통해 상대습도가 증가할수록 ECI 값 또한 증가하고, 고온 구간으로 갈수록 상대습도가 압축기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를 통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 습도를 낮추어야 유리하다는 것을 알 수 있었다.
실험 결과로부터 온도가 증가할수록 ECI 값 또한 증가하고, 고습구간으로 갈수록 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를 통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 온도를 낮추어야 유리하다는 것을 알 수 있었다.
8%의 성능 차이가 발생함을 알 수 있었다. 최종적으로 증발 냉각장치를 적용 했을 때 흡입공기의 온도가 10℃ 감소할 경우 상대습도는 50% 증가하나 압축기의 성능은 약 1.0% 개선되는 것을 확인하였으며, 외기의 흡입조건 및 운전조건 등을 고려할 때 증발 냉각장치를 설치하는 것이 압축기 성능개선에 유리하다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CDA System은 무엇인가?	CDA System 은 압축공기에 포함되는 먼지, 유분, 수분 등의 오염물질을 요구 정도에 기초한 기준값 내로 제거해서 최적의 압축 공기를 공급하는 기계 장치이다. 이러한 CDA System 은 자동차, 항공, 바이오산업, 제약, 전자산업 등 각종산업분야에서 제품의 생산성 향상을 위해 설비되어 있으며, 최근 국내 반도체 산업을 중심으로 급격히 발전하고 있다.
	CDA System이 많은 에너지를 소비함에 따라 어떤 문제를 유발하는가?	CDA System 은 제품의 정밀도 및 신뢰도를 달성하기 위한 필수적인 조건을 엄격한 수준으로 제어 유지키 위해 공조된 대량의 공기를 고성능 필터를 통하여 실내로 공급해야 하고, 이로 인해 일반 건축물에 비해 상당히 많은 에너지를 소비하게 된다. 이렇게 공기의 청정도를 유지하기 위한 과대한 에너지 소비는 결과적으로 생산성을 저하시키는 요인으로 작용할 가능성을 상존하고 있다. 이에 따라 CDA System 전력소비의 대부분을 차지하고 있는 공기압축기의 운전 효율을 향상 시켜 전력소비를 줄이고자 한다.
	공기 압축기의 운전 효율을 향상시키기 위해서 필요한 것은 무엇인가?	공기 압축기의 운전 효율을 향상시키기 위해서는 기본적으로 압축기를 평평하고 수평면인 바닥에 위치시키고, 빗물이나 유해가스의 침입을 방지해야 하며, 습기와 먼지를 줄이고 통풍이 잘되도록 유지해야 한다. 특히 실내온도가 높게 되면 압축기의 성능이 저하되고 공기 압축에 장해가 발생될 수 있으므로 실내온도를 40℃이내로 유지 해야 한다.

참고문헌 (7)

Cumpsty, N. A., 1989, "Compressor Aerodynamics," Longman Scientific & Technical, Harlow, Essex, England; New York: J. Wiley
Johnson, R. S., 1989, "The Theory and Operation of Evaporative Coolers for Industrial Gas Turbine Installations," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 111, No. 2, pp. 327-334

상세보기
Alhazmy, M. M. and Najjar, Y. S. H., 2004, "Augmentation of Gas Turbine Performance using Air Coolers," Applied Thermal Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 415-429.

상세보기
Lawrence, M. G., 2005, "The Relationship between Relative Humidity and the Dewpoint Temperature in Moist Air a Simple Conversion and Applications," Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 86, No. 2, pp. 225-234

상세보기
Al-Salman, K. Y., Rishack, Q. A. and Al-Mousawi, S. J., 2007,"Parametric Study of Gas Turbine Cycle with Fogging System," J. Basrah Researches(Sciences), Vol. 33, No. 4, pp. 16-30
dos Santos, A. P., Andrade, C.R. and Zaparoli, E. L., 2012, "Comparison of Different Gas Turbine Inlet Air Cooling Methods," World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 61, pp. 40-45
Kim, K. H. and Kim, K. J., 2012, "Exergy Analysis of Overspray Process in Gas Turbine Systems," Energies, Vol. 5, No. 8, pp. 2745-2758

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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