On-Site Measurement of the Inlet Air Evaporative Cooling Performance for a Centrifugal Turbo Compressor

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2014.38.11.873

ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)

CDA 인입공기 증발냉각을 통한 압축기 성능 개선장치 개발 연구

^§

김규완^* · 박진욱^* · 김희동^*†

* 안동대학교 기계공학과

On-Site Measurement of the Inlet Air Evaporative Cooling Performance for a Centrifugal Turbo Compressor

Gyu Wan Kim^*, Jin Ouk Park^* and Heuy Dong Kim^*†

* Dept. of Mechanical Engineering, Andong Nat’l Univ.

(Received February 8, 2014 ; Revised August 21, 2014 ; Accepted August 21, 2014)

- 기호설명 - γ : 비열비

ϕ : 상대습도

િ

: 열 효율

િ

: 기계 효율 Q

: 실제 유량 h : 엔탈피 x : 습도의 비율 γ

: 습공기의 비열비

R

: 습공기의 기체 상수 α : 열전달률 (kcal/m

h℃) Q

: 압축기 입구의 유량 Q

: 압축기 출구의 유량

C

: 오리피스 유량계의 유출계수 ṁ : 질량유량 (kg/s)

ρ : 유체밀도 (kg/m

)

T

: 압축기 입구의 공기온도 (℃) T

: 압축기 출구의 공기온도 ( ℃) p

/p

: 압력비 (압축기 입구, 출구의 압력) c

: 정압비열 (kcal/℃)

c

: 습공기의 정적 열용량 (kcal/ ℃)

Key Words: Energy Consumption Index(ECI 에너지 소비 지수), Clean Dry Air System(CDA System 청정공기 건조 시스템), Temperature(온도), Relative Humidity(상대습도), Evaporative Cooling(증발냉각)

초록: CDA(Clean Dry Air) System 에서 공기 압축기는 핵심 설비이자 소비되는 전력의 대부분을 차지한 다. 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 연구 에서는 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 설치하였 을 때 압축기성능이 개선됨을 알았다.

Abstract: 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.

§ 이 논문은 대한기계학회 2013 년도 학술대회(2013. 12.

18.-20., 강원랜드) 발표논문임

† Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers

c

: 습공기의 정압 열용량 (kcal/ ℃) c

: 건공기의 정압 열용량 (kcal/℃) c

: 수증기의 정압 열용량 (kcal/ ℃) W

: 압축기의 이론 동력 (kWh/m

) W : 압축기의 실제 동력 (kWh/m

)

ν

: 습공기 비체적 (kg/m

)

ν

: 건공기 비체적 (kg/m

)

1. 서 론

최근 우리나라의 경제규모가 커짐에 따라 공장 가동전력의 사용량이 급격히 늘어나고, 가정이나 사무실에 냉/난방기, 각종가전제품 등의 보급확대 및 대형화로 인해 소비전력이 늘어나는 추세이다.

이렇게 실생활뿐만 아니라 각종산업분야 등에서 전력소비가 늘어나 전력에 대한 공급보다 수요가 많아져 전력난이 심각해지고 있다. 이에 따라 CDA 공장의 전력소비를 줄여 전력료를 절감할 필 요가 있다. 따라서 CDA System 의 핵심설비이자 전력소비의 대부분을 차지하고 있는 공기 압축기 의 운전 효율을 향상시키는 것이 전력소비를 줄이 는 가장 효과적인 방법이다.

공기 압축기의 운전 효율을 향상시키기 위해서는 기본적으로 압축기를 평평하고 수평면인 바닥에 위 치시키고, 빗물이나 유해가스의 침입을 방지해야 하며, 습기와 먼지를 줄이고 통풍이 잘되도록 유지 해야 한다. 특히 실내온도가 높게 되면 압축기의 성능이 저하되고 공기 압축에 장해가 발생될 수 있 으므로 실내온도를 40℃이내로 유지 해야 한다. 이 처럼 공기 압축기의 운전 효율 개선을 위한 요소에 는 여러 가지가 있지만 그 중 인입공기의 온/습도 조건은 일반적으로 압축기 성능에 상당한 영향을 미치는 인자로 알려져 있다. 종래의 많은 연구

를 통해 이와 같은 조건이 압축기에 미치는 영향에 대해 잘 알려져 있으나, 본 연구에서는 인입공기의 온/습도 조건에 따라 압축기에서 소비되는 실제전 력과 토출유량의 상관관계를 도출하였다.

연구를 진행하기에 앞서 온도 및 습도를 제어하 기 위한 핵심설비인 항온항습장치를 설치하였으며, 이에 따른 압축기 및 유량계 등을 세팅하여 실험 을 수행하였다. 설치된 항온항습장치는 기화잠열 에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 인입되 는 공기의 온/습도 조건을 다양하게 변화시켜 압 축기로 공기를 인입하였고, 그 결과로부터 실제 압축기의 소비 동력에 대한 에너지 소비 지수(ECI) 를 도출하여, 그에 대한 경험식을 구하였다. 결과

적으로 증발냉각장치를 통하여 압축기 성능 개선 에 대한 정량적 효과를 도출하였다.

2. 개발 목적

CDA System 은 압축공기에 포함되는 먼지, 유분, 수분 등의 오염물질을 요구 정도에 기초한 기준 값 내로 제거해서 최적의 압축 공기를 공급하는 기계 장치이다. 이러한 CDA System 은 자동차, 항 공, 바이오산업, 제약, 전자산업 등 각종산업분야 에서 제품의 생산성 향상을 위해 설비되어 있으며, 최근 국내 반도체 산업을 중심으로 급격히 발전하 고 있다. CDA System 은 제품의 정밀도 및 신뢰도 를 달성하기 위한 필수적인 조건을 엄격한 수준으 로 제어 유지키 위해 공조된 대량의 공기를 고성 능 필터를 통하여 실내로 공급해야 하고, 이로 인 해 일반 건축물에 비해 상당히 많은 에너지를 소 비하게 된다. 이렇게 공기의 청정도를 유지하기 위한 과대한 에너지 소비는 결과적으로 생산성을 저하시키는 요인으로 작용할 가능성을 상존하고 있다. 이에 따라 CDA System 전력소비의 대부분 을 차지하고 있는 공기압축기의 운전 효율을 향상 시켜 전력소비를 줄이고자 한다.

장치는 기화잠열에 의한 건구온도를 감소시키는 방식으로, 공기 압축기로 인입되는 외기 공기의 온 도 및 습도를 조절하여 압축기 성능을 개선하고, 이에 따른 에너지소비 감소를 통해 생산성을 향상 시키고자 한다. 이때 외기의 조건을 국내 실정에 맞춘 조건으로(여름에는 고온다습, 겨울에는 춥고 건조한 기후) 국내의 대기조건에 맞춘 연구를 수행 하여 실질적인 에너지 절약을 이루고자 하고, 압축 기 인입공기의 온/습도 조건이 압축기에 영향을 주 는 인자로 알려져 있으나 정확한 상관관계를 알 수 없어 연구를 통하여 결과를 도출 해내고자 한다.

또한 부가적으로 Suction Room 의 설치로 수용성 산화 Chemical 을 제거하여 압축기 내부 오염(고착 산화물)을 개선하고자 한다.

Fig. 1 Schematics diagram of CDA evaporative cooling

system compressor

3. 압축기 소비동력에 대한 이론해석

본 연구에서는 문헌

을 참고하여 온도와 습도 에 따른 압축기 소비동력에 대한 이론해석을 후술 하는 바와 같이 수행하여 실험결과와 비교 분석하 였다.

3.1 원심 압축기의 이론 해석

연구에 사용된 압축기는 원심 압축기로 회전하 는 날개에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축하 는 방식의 공기압축기이다. 이러한 공기 압축기에 에너지 보존을 적용하여, 정상 유동 에너지 방정 식 (1)을 다음과 같이 나타낼 수 있다. 입구 및 출 구의 조건을 고려한 에너지 방정식 (1)에서 열전 달률 α는 극미량으로 열전달에 사용할 수 있는 영역이 작기 때문에 무시할 수 있고, 또한 운동 및 위치에너지의 변화가 무시된다. 따라서 입력되 는 압축일은 단열 압축률에 의해 식 (2)와 같이 주어진다. 식 (2)는 가역과정뿐만 아니라 비가역과 정 모두에서 유효하다. 제공된 실제 엔탈피는 비 가역적 압축의 경우 출구에 사용될 수 있다. 다음 의 열역학적 관계를 사용하여

, 압 축에 의한 등엔트로피 과정에 의해 식 (3)이 주어 진다.

2 ) ( 2 )

(

2 2 2 1

2 1

1

v gz

h m W v gz

h

m + + =

+ + +

+ ɺ - ɺ

-

⁽¹⁾

) (h₂ h₁ m

W_C =

_ɺ

(2)

















 −



 



= 



 



 −

=

−

=

−

p 1 T p c m T 1

T T c m ) T T ( c m W

) 1 (

1 2 1 p 1

2 1 p 1 2 p C

γ γ

ɺ ɺ

ɺ

⁽³⁾

3.2 상대습도

현재 포함한 수증기량과 공기가 최대로 포함할 수 있는 수증기량(포화수증기량)의 비를 퍼센트 (%)로 나타내는 것이다. 포화수증기량은 온도에 따라서 변하기 때문에 공기가 포함한 수증기량이 일정하여도 상대습도는 온도에 따라 다른 값을 가 진다. 이에 따라 습도를 고려한 압축기의 동력 방 정식을 얻기 위해 습공기의 정압 열용량과 습공기 의 정적 열용량인 식 (4), (5)를 사용하였다. 여기 서 x 는 습도의 비율, R

는 습공기의 기체상수로 상대습도에 의존하는 것을 알 수 있으며, 이로부 터 습공기의 비열비 (6)을 얻을 수 있다. 얻어진 비열비를 이용하여 습도를 고려한 압축기의 이론 동력 (7)을 얻을 수 있다. 최종적으로 압축기의 실

제 동력을 계산하기 위해 식 (8)을 사용하였다.

x c c

c_ph = _pd + _pwv

(4)

Rφ

c

c_vh = _ph−

(5)

vh ph

c

=

c

γ

(6)

] [ 1

) 1 (

1 2

1

KW

p T p c m

W

 







 







 −



 



= 

−

φ φ

γ γ

ɺ (7)

] ) [

( Wc KW

W

th

ma

η

η

=

(8)

3.3 ECI (Energy Consumption Index)

에너지 소비 지수(ECI)는 소비동력과 토출유량의 관계 지수로, 이 연구에서는 ECI 값을 얻기 위해 습도가 고려된 압축기 동력과 유량 값을 사용한다.

습도를 고려한 동력은 식 (8)과 같이 얻을 수 있으 며, 유량을 구하기 위해서는 사용된 압축기 및 오 리피스 유량계의 보정이 필요하다. 식 (10)은 압축 기 보정식으로 압축기에서 발생하는 흡입차압, 온 도, 압력 등을 고려하여 측정한 유량을 보정할 수 있다. 또한 사용된 오리피스 유량계를 보정하기 위 해서는 식 (11)과 같이 보정된 유량에서 유출계수 C

를 곱하여 입인되는 유량을 구할 수 있다. 유출 계수는 점도와 축류의 영향을 종합적으로 보정하는 실험적 계수로서, 유로의 형상, 레이놀즈수 등의 조 작 조건에 따라 변화한다. 사용된 유출계수는 설치 된 유량계(Orifice) 에서 발생하는 압력변동으로 인 해 측정값 변동이 발생할 수 있으므로 설치된 유로 에 대한 수치해석을 통하여 0.6 ~ 0.9 로 설정하였다.

그리하여 연구초기에는 이러한 유량 값으로 ECI 를 도출하였으나, 실제 다단 압축기에서 습공기가 인 입되어 출구로 나갈 때 공기속에 분포하는 수증기 등이 압축기 내부에서 증발 및 걸러지게 되고 출구 에서는 건공기만 남게 되어 최종적으로 실제토출유 량을 구하기 위해서 건공기의 비체적 (12)와 습공 기의 비체적 (13)을 이용하여 습도를 고려한 유량 을 식 (14)와 같이 계산하였다. 이를 통해 외기의 온/습도 조건에 따른 토출유량과 소비동력의 상관 관계인 압축기 에너지 소비 지수인 ECI 를 식 (15) 와 같이 도출하였다. 이러한 ECI 는 낮아질수록 압 축기 성능이 개선되고, 높을수록 성능이 저하된다.

] / [

/ Q W Nm

W

ECI = (9)

( ) ( ) ( 1 . 0332 ) ( 273 . 15 ) ^{[ / ]}

15 . 273 0332

.

1

1

1

m h

T P

T Q P

Q

+

⋅ +

+

⋅

× +

= (10)

in d

th

C Q

Q

(11) ]

/

1 [

_

kg m

m V

dry dry dry

sp

ρ

ν = = (12)

] / 1 [ ₃

_ kg m

m V

h h h

sp

ρ

ν

(13)

] / [

_ _

h Q m

Q

h sp

in

out

ν

ν ^×

= (14)

] / [W Nm³ Q

ECI W

out

=

(15)

4.

이 연구는 물의 기화잠열에 의한 건구온도 감소 로 압축기 성능 향상이 있을 것으로 예상하고 증 발냉각 장치를 설치하여 실험을 수행하였다.

실험 장치는 Fig. 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 공 기는 Suction Room 으로 인입되고, Suction Filter 로 들 어가 공기중의 먼지, 유분, 수분 등의 이물을 제거하 여 압축기로 이동하는 시스템이다. 온도는 냉수쿨러 에서 5℃인 냉수를 사용하여 온도를 조절하였고, 습 도는 물을 가열하여 증발되는 수증기를 이용하여 조 절하였다. 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 용 량은 10,000CMH, 동력:1,119kW 이며, 토출압력을 8kgf/cm

으로 고정하고, BOV(Blow Off Valve)는 61%, IGV(Inlet Guide Vane)는 Auto 로 설정하였다. 유량계 는 오리피스 유량계를 사용하였으며 20℃, 0.9bar 로 설정하였다.

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 반올림하였 다. 그 결과로부터 인입공기의 온/습도 조건이 압 축기 성능에 미치는 영향을 조사하였고, 최적의 온/습도 조건을 도출하였다.

Fig. 2 Variation of ECI with temperature for different humidity ratio

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 3 Comparison of ECI with temperature between

experimental and analytical results

Fig. 4 Variation of ECI with relative humidity for different temperature

(a)

(b)

(c)

Fig. 5 Comparison of ECI with humidity between experimental and analytical results

5.

5.1 온도 변화에 따른 압축기의 성능

CDA System 에서 인입되는 공기의 온/습도 조건 을 다양하게 변화하며 실험한 이 연구에서는 외기 의 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.

Fig. 2 은 온도변화(5~35℃)에 따른 ECI 의 변화를 나타낸 그래프로 습도를 각 구간별로 고정하여 나 타내었다. 온도가 증가함에 따라 ECI 값이 증가하 고, 상대습도가 높은 구간으로 갈수록 ECI 의 기 울기가 점점 커진다. 이로 인해 온도의 증가 에 따라 압축기 성능이 저하되고, 습도가 높아질수록 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 커졌다.

Fig. 3 은 상대습도가 30%, 40%, 50%, 60%일 때의 온도의 변화에 따른 측정 ECI 의 값을 이론 ECI 값 과 비교하여 나타낸 그래프이다. 그 결과 약간의 차이가 발생하나 동일한 경향을 나타내었다. 여기 서 발생하는 차이는 압축기 내부에서 부수적으로 발생하는 손실과 수시로 변화하는 대기조건에 의 한 것이라 판단되며, 온도의 증가에 따라 ECI 가 선형적으로 증가하는 것을 알았다.

실험 결과로부터 온도가 증가할수록 ECI 값 또 한 증가하고, 고습구간으로 갈수록 온도가 압축기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를 통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 온도를 낮추어 야 유리하다는 것을 알 수 있었다.

5.2 습도 변화에 따른 압축기 성능

Fig. 4 는 상대습도변화(0~100%)에 따른 ECI 변화 를 나타낸 그래프로, 온도를 각 구간별로 고정하 여 나타내었다. 상대습도가 증가함에 따라 ECI 값 이 증가하고, 온도가 높은 구간으로 갈수록 ECI 의 기울기가 점점 커졌다. 이로 인해 상대습도의 증가에 따라 압축기의 성능이 저하되고, 온도가 높아질수록 습도가 압축기 성능에 미치는 영향이 커졌다.

Fig. 5 는 온도가 18℃, 23℃, 28℃일 때 상대습도 의 변화에 따른 측정 ECI 의 값을 이론 ECI 값과 비교하여 나타낸 그래프이다. 그 결과 약간의 차 이가 발생하나 동일한 경향을 가졌다. 앞선 결과 와 마찬가지로 여기서 발생하는 차이는 압축기 내 부에서 부수적으로 발생하는 손실과 수시로 변화 하는 대기조건에 의한 것이라 판단되며, 습도의 증가에 따라 ECI 가 선형적으로 증가하는 것을 알 았다.

이를 통해 상대습도가 증가할수록 ECI 값 또한

증가하고, 고온 구간으로 갈수록 상대습도가 압축

기 성능에 미치는 영향이 큰 것을 알았다. 이를

통해 압축기 성능이 개선되기 위해서는 습도를 낮

추어야 유리하다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 6 On-site measurement data for ECI

Fig. 7 ECI distribution calculated by an empirical formula based on measurement data

5.3 압축기 최적 성능 및 온/습도 조건

위의 결과를 통해 온도와 습도가 증가할수록 ECI 도 증가하여 압축기성능이 감소되는 것을 알 수 있었다. 즉, 압축기의 성능이 인입공기의 온도 와 습도의 변화에 의존한다는 것을 알 수 있다.

이에 따라 측정한 전체 실험구간에 대한 ECI 분 포 그래프 Fig. 6 을 그려 그 결과를 분석하였다.

고온 다습한 지역으로 갈수록 ECI 값이 커져 압축 기 성능이 저하되는 것을 확인하였으며, 측정된 구간에서 약간의 이상치가 발생하나 이 또한 압축 기 내의 부수적인 손실과 수시로 변화하는 대기조 건에 의한 것 이라 판단 된다. 이러한 측정 결과 로부터 경험식 (ECI = 118.897 x T

x RH

)을 도출하여 측정값과 비교 분석하기 위해 동일한 구 간의 ECI 분포 그래프를 습공기선도상에 Fig. 7 와 같이 나타내었다. 그 결과 그래프의 구간이 좀더 알아보기 쉽게 나타났고, 이러한 경험식의 신뢰도 를 알아보기 위해 실제 측정한 ECI 값과 경험식으 로부터 얻은 ECI 값을 비교하여 보았다. Fig. 8 과 같이 측정값과 경험식을 통해 개선된 값이 잘 일 치하는 것을 확인하였다.

Fig. 7 의 측정결과로부터 상대습도가 동일한 조 건일 때 온도가 10℃ 감소할 경우 압축기 성능은

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 8 Comparison between on-site measurement and empirical formula

1.3% 증가하고, 온도가 동일한 조건일 때 습도가 50% 감소할 경우 압축기 성능은 0.3% 증가하였다.

이러한 결과로부터 습도의 영향보다 온도의 영향

이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었고, 고온저습의 외기조건을 가지는 현장에 증발냉각장치를 설치 시 압축기 성능 개선효과가 극대화 되는 것을 알 았다. 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 1.0% 개선되는 것을 확인하였으며, 외 기의 흡입조건 및 운전조건 등을 고려할 때 증발 냉각장치를 설치하는 것이 압축기 성능개선에 유 리하다는 것을 알 수 있었다.

6. 결 론

인입공기의 온/습도 조건이 압축기의 성능에 미 치는 영향을 실험적으로 조사하고, 증발냉각장치 의 설치를 통해 얻어지는 성능개선효과를 연구하 여 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 실험 결과 압축기 인입공기의 온/습도가 모 두 낮을수록 압축기 성능은 향상된다. 이 두 조건 중 습도에 비해 온도가 압축기 성능에 미치는 영 향이 상대적으로 크다.

(2) CDA System 에 증발냉각장치를 적용하면 흡 입공기의 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 극대 화 된다.

(4) CDA 압축기에 증발냉각장치를 설치함으로써

압축기 성능이 개선되고 이로 인해 과대한 전력료 를 절감할 수 있다.

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