압축 공기 시스템 설계의 기본


     압축공기 공급 시스템을 설계하기 위해서는 필요한 가장 기본적인 사항은 필요한 공기량의 결정과      요구되는 압력, 압축공기의 품질, 압축공기의 품질을 만족시키기 위한 압축기의 형식 결정과 압축기 주변기기의 선정입니다.(압축기 주변기기의 종류와 수량은 때때로 압축기의 공급압력에 영향을   미칩니다.)
     압축기와 압축기의 주변기기(부대설비)들을 배치하고 설치하는 순서는 대부분 정형화되어 있습니다.
     부대설비 중 순서가 바뀔 수 있는 것들은 드라이어의 위치와 리시버탱크의 위치 정도입니다.
     압축공기 공급 시스템의 설계에서 중요한 것은 배관 계획입니다. 압축공기 배관을 올바르게 설치
     하여야 압축공기를 필요로 하는 최종 사용위치에서 안정적인 압력을 얻을 수 있습니다.
       압축공기 공급 시스템을 설계할 때 압축공기를 필요로 하는 공장의 설비 상황에 따라 집중시스템으로 할 것인지, 분산시스템으로 할 것인지 결정할 필요가 있습니다.
 

   집중공급 시스템과 분산공급 시스템


   
1) 집중공급 압축공기 시스템의 장점
 
     공장에서 필요로 하는 압축공기 요구량을 생산하는 압축공기설비를 한 곳에 집중 설치하고 필요한 곳까지 압축공기 공급 배관으로 공급하는 방식입니다.
 
     가) 저렴한 설치 비용
 
      집중 공급 시스템은 분산 공급 시스템에 비하여 상대적으로 대형압축기를 사용하므로 설치비와
      설치시 필요한 공간이 작아집니다.
      압축기실의 통풍조건, 냉각수의 공급상태, 압축공기 제습장치(드라이어), 필터, 리시버탱크 등이
      한 장소에 위치하게 되고, 압축기의 소음에 대한 대처도 훨씬 용이합니다.
 
     나) 저렴한 유지비용
 
       (1) 완전부하 상태에서 대형의 압축기 한 대를 운전하는 것이 몇 대의 소형 압축기를  운전하는
            것보다 훨씬 경제적입니다.
       (2) 반복되는 정비작업에 대해서도 작업시간을 절약할 수 있습니다.
       (3) 압축기 및 공급 시스템에 대한 운전상태(온도, 압력) 감시가 용이해지고 원격운전에 의한
            제어나 대수제어 같은 제어장치를 적용하기가 용이합니다.

   
2) 분산된 압축공기 시스템의 장점 

     압축기와 부대설비를 압축공기를 필요로 하는 요소 요소마다 설치하므로,
 
       (1) 보다 작은 시스템으로 운영되기 때문에 배관의 길이가 짧고, 공기 누설이나 압력강하가 적습니다.
       (2) 각각의 분산 공급 시스템은 사용자의 요구에 따라 서로 다른 압력으로 운전 할 수 있습니다.
       (3) 압축공기 공급설비의 이상이 있거나, 정비작업을 실시할 때 유연하게 대처 할 수 있습니다.
 

    한 대의 대형압축기를 사용할 것인가? 여러 대의 소형 압축기를 사용할 것인가?


     압축공기 요구량이 100%라고 했을 때 한 대의 압축기로 운용 할 것인지 각각의 유량이 50%인
     두 대의 압축기로 운용 할 것인지를 결정할 때 다음을 고려해야 합니다.
 
      - 생산 공정의 정지시 손실과 부분적인 공정의 유지 가능 여부
      - 동력설비
      - 부하주기(
LOAD CYCLE)
      - 설치면적
 
     50% 유량을 가진 두 대의 압축기가 운전되고 있다면 예기치 못한 압축기의 사고시, 최소한 부분
     공정은 계속해서 진행 할 수 있습니다. 압축공기가 항상 100% 공급되어야 한다면 50% 유량의
     압축기 3대로 운전 할 수 있습니다. (1대는 예비기)  이러한 선택은 압축기의 주기적인 정비시에도
     압축공기의 부족함이 없이 연속적인 운전이 가능해지도록 합니다.

     주간과 야간의 압축공기 소요량이 다른 경우에는 각 각의 요구량에 적합한 대형 압축기와 소형
     압축기의 조합으로 시스템을 구성 할 수도 있습니다.

   효율적인 압축공기 분배



[그림 1] 압축공기배관에서 흐름
a=배관재 b=막층 c=유속  

    경제적인 압축공기 공급 시스템을 설치하여 사용하고자 할 때 에는 배관을 통한 압축공기의 효율적 배분을 고려해야 합니다. 압축공기 배관이 너무 작게 설계되면, 설비를 추가해서 압축기 용량이
    증가할 때 제대로 대처하지 못하게 됩니다. 이 경우, 압축공기의 유량이 더 많아지면 압축공기가
    좁은 배관을 빠르게 흘러, 압력손실이 많아지게 됩니다.

    가장 이상적인 배관내의 유속은 2∼3m/s이나 경제성을 고려하거나, 현장특성에 따라 배관경을 줄일 경우에도 10m/s를 초과해서는 안되며, 압력강하(ΔP)는 0.1 bar(a)보다 커서는 안됩니다.
    0.1 bar의 압력강하는 0.6%의 에너지 손실을 나타냅니다.

    다른 배관재료를 사용하여 압축 분배망의 에너지효율을 향상을 얻기도 어렵습니다. 배관의 거칠기는  압력 강하에 단지 작은 영향만 미치며, 이것은 플라스틱, 동관, 흑관 또는 아연관 중 어느것을 사용 하는가에 아무런 상관이 없습니다.
   
    효율적인 압축공기 분배를 위해서 배관은 반드시 전 길이에 걸쳐 동일한 관경을 가져야 합니다.
    [그림 1] 부가적으로 압축공기 분배시스템의 효율등급을 감소시키는 불필요한 역류(소용돌이)는
    너무 작은 관경의 분배관을 사용하거나 부적절한 밸브를 사용함으로써 야기됩니다.
 

   열 회수를 통한 에너지와 경비절약



[그림 2] 압축공기와 전기의 비교
A = 압축공기 B = 전기 C = 비용(%)
a = 에너지사용 b=열회수-압축기
c=기계의 작업속도
d = 유지비용 e = 유연성
 
 

    압축공기를 가동할 때에는 많은 양의 열이 발생하는데, 이 열을 회수하여 사용하면 압축공기시스템의 부가적인 효율증가를 얻을 수 있습니다. 압축기를 운전하는데 쓰이는 에너지의 최대 94%는 열의  형태로 사용됩니다.[그림 2]

    18.5 kW의 스크류 압축기의 경우 독립 가옥 한 채를 난방 하는데 충분한 에너지에 상당 하는 것입니다.

    열회수를 통해 절감할 수 있는 에너지 비용에 비하면, 에너지 절약용 열회수 시스템을 구입하는데
    필요한 비용은 비교적 적습니다.
 

   결론


[그림 3] 단일 및 다교대 운전시 요구되는
압축공기의 주요비용
a = 에너지비용 b = 원금 c = 유지비용
 

    회사에서 압축공기 공급시스템을 구입하는 비용은 대개 동일한 전력공급을 받는 기기보다 높지만,
    압축공기의 사용은 대다수 산업용 기기에서 동일전력의 기기보다 훨씬 더 매력적인 비용/이익을
    제공합니다.
    [그림 2] 에너지로써의 압축공기 사용의 장점은 다음과 같습니다.

    다용도이며, 압축기와 공압 장비를 사용하는데 필요한 요구조건이 낮고, 전기장비에 비해 무게가
    가볍고 다루기가 더 쉬울 뿐만 아니라 효율적인 압축기 제어방식 채택 및 열회수를 통해 에너지를
    절약 할 수도 있습니다.