작성자: Scott Galloway, 글로벌 판매 관리자, Donaldson Company, Inc.
압축 공기는 산업 시설의 주요 동력원입니다. 종종 물, 전기, 가스와 함께 "제4의 유틸리티"라고 불리는 압축 공기는 기계를 작동하고, 재료를 운반하고, 유압 시스템에 압력을 가하고, 그 외에도 셀 수 없는 기능을 수행합니다.
이 모든 작업에는 에너지가 필요합니다. 미국 에너지부에 따르면 평균적으로 압축 공기 생성은 플랜트 전기료의 10~30%를 차지합니다.¹ 이는 비용에 상당한 영향을 미치는 수치입니다. 따라서 시설 관리자는 압축기의 에너지 수요를 줄이는 데 깊은 관심을 갖고 있으며, 압축기 제조업체는 최대의 효율을 제공하는 장비를 설계하는 데 노력을 기울임으로써 이에 대응하고 있습니다. 또한 전 세계 정부들은 압축 공기 장비에 대한 더 엄격한 효율 요건을 법규화하고 있습니다(사이드바 참조).
압축기 필트레이션 시스템은 시스템 효율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 낮은 비용으로 압축 공기를 생성하려면 3개의 독립된 필터가 조화롭게 작동하여 시스템의 공기 이동을 지나치게 제한하지 않으면서 에어 플로우에서 미립자를 여과하고 오일 미스트를 분리해야 합니다. 한 곳의 필터 효율은 나머지 두 필터의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 압축기 제조업체는 시스템 전반에 최고의 필트레이션 기술을 적용하여 에너지 보존을 지원하고 장비에 필요한 윤활유를 절약할 수 있습니다.
다음에서는 시스템 성능을 최적화하는 데 있어서 각 압축기 필터와 기술이 하는 역할을 소개합니다.
필터 에코시스템: 개요
그림 1에 나와 있는 것처럼, 업계에서 가장 일반적으로 사용되는 기술인 급유식 스크류 공기 압축기에는 3개의 기본 필터 구성요소인 흡기 필터, 오일 필터 또는 "윤활유" 필터와 에어 오일 세퍼레이터가 있습니다.
흡기 필터는 파티클(Particle)을 최대 효율로 여과할 수 있도록 설계되었습니다. 오일 필터는 오일 속의 미립자를 최대한 많이 포집할 수 있도록 설계되었습니다. 에어 오일 세퍼레이터는 압축 공기가 시스템에 토출되기 전에 남아 있는 오일 미스트를 분리할 수 있도록 설계되었습니다. 그림 2와 같이, 이 3개의 구성요소는 모두 필트레이션 에코시스템을 구성합니다.
고품질 흡기 필터를 구성하는 요소는 무엇인가요?
첫 번째 필트레이션 방어 라인이 압축기 시스템에서 깨끗한 공기를 유지하므로, 에어필터는 최적의 효율과 최소한의 저항으로 공기 중의 파티클(Particle)이 압축기에 유입되는 것을 방지합니다. 그림 3과 같이, 일반적으로 카트리지에 포함된 몇 가지 유형의 섬유 기반 미디어(Media)를 사용하면 이러한 효과를 얻을 수 있습니다.
흡기 필터 미디어(Media)는 전통적으로 셀룰로스 섬유 또는 셀룰로스-합성섬유로 제작되어 왔습니다. Donaldson의 Ultra-Web® 기술과 같은 최신 기술은 직경이 0.2~0.3 미크론인 연속 탄성 합성 섬유를 생산하는 전기 방사 공정을 통해 제작된 미세섬유 미디어(Media)를 사용합니다. 그림 4와 같이, Ultra-Web은 섬유 사이의 공간이 매우 작은 미세섬유층을 형성하여 미디어(Media) 표면에서 먼지를 포집합니다.
그림 5와 같이, 기존의 일반적인 셀룰로스 필터는 약 99%의 효율을 제공하지만, 미세섬유 기술은 99.99%의 효율을 제공할 수 있습니다.
셀룰로스 필터는 99%가 넘는 효율을 제공할 수 있지만, 조밀한 섬유 구성으로 인해 압축기에 사용하는 데 있어서 매우 제한적입니다.
구체적으로 말하면, 미세섬유 필터는 높은 "초기 효율"을 제공합니다. 초기 효율이란 처음사용할 때의 에어필터 요소의 효율을 나타냅니다. 이 필터는 미디어(Media)의 심층부가 아닌 미디어(Media) 표면에서 먼지를 포집하여 파티클(Particle)이 에어 플로우에 유입되는 것을 방지하고 필터 수명을 늘립니다. 이 표면 포집 기술은 장시간 동안 작동 압력 강하(Pressure drop)를 줄이고 필터의 수명을 늘려 에너지 사용을 줄여 준다는 사실이 입증되었습니다.
그림 6에 나와 있는 것처럼, 200 CFM(분당 입방피트)의 에어 플로우에서 Ultra-Web 필터는 7 inH₂O(경쟁사 필터의 경우 10 inH₂O) 미만에 상응하는 저항을 생성합니다.
또한 흡기 필트레이션 성능이 향상되어 다운스트림 필터 구성요소인 윤활유 필터 및 에어 오일 세퍼레이터의 수명이 연장됩니다. 먼지 및 기타 파티클(Particle)로 인한 오염은 윤활유 필터와 에어 오일 세퍼레이터의 수명을 단축시키는 주된 요인입니다. 이러한 필터는 에어 플로우에 미세먼지가 유입되는 것을 방지하여 더 오랫동안, 그리고 더 효율적으로 기능할 수 있습니다. 압축기는 다운스트림 오염을 줄여 AOS 및 윤활유 필터의 저항을 높이므로, 정해진 양의 압축 공기를 제공하는 데 필요한 전기를 줄여 전체 운영비를 절약하는 데 도움을 줍니다.
막힌 AOS 미디어(Media)의 예가 그림 7의 확대 이미지에 나와 있습니다. 깨끗한 AOS 미디어는 표면 영역의 100%를 흡착(coalescing)에 사용할 수 있습니다. 미세먼지가 포집된 미디어는 흡착(coalescing)에 사용할 수 있는 표면 영역이 줄어들기 때문에 AOS의 효율이 감소합니다.
오일을 깨끗하게 유지하는 윤활유 필터
필트레이션 에코시스템에 있는 다음 필터는 오일 필터 또는 ‘윤활유’ 필터입니다. 공기가 압축될 때 오일과 공기가 섞이면서 새로운 오염물이 유입되는데, 오일 필터는 오일에서 이러한 파티클(Particle)을 여과하는 기능을 수행합니다. 이를 통해 미립자가 아래쪽으로 이동해 에어 오일 세퍼레이터를 막을 수 없도록 방지할 뿐 아니라 Airend의 베어링을 보호합니다.
오일 필터는 충분한 먼지 용량 및 효율을 제공하도록 설계해야 합니다. 그림 8과 같이, 오일 필터는 일반적으로 자동차 오일 필터와 모양이 비슷한 캐니스터에 설치됩니다.
미디어(Media) 크기를 늘리거나 미디어(Media)를 개선하여 윤활유 필터 수명을 확장할 수 있습니다. 필터 크기가 증가할 경우 종종 넓은 공간이 사용되므로 추가 비용이 발생합니다. 따라서 미디어(Media)를 개선하는 방법을 이용하면 더욱 높은 효율을 얻을 수 있습니다.
Donaldson Synteq™ XP 미디어(Media)는 압축기 윤활유 필터에서 뛰어난 효율을 발휘하는 것으로 입증되었습니다. 균일하며 기공이 셀룰로스 미디어(Media)보다 더 많으므로 효율과 수명이 증가합니다. 그림 9와 같이, 독점적인 이성분 섬유(bi-component fiber)가 강력한 결합력을 제공합니다.
Synteq는 Resin-free 미디어(Media)입니다. 따라서 그림 10과 같이, 표준 셀룰로스 미디어(Media)보다 유체 저항이 낮습니다. 또한 전통적인 Resin-bonded 셀룰로스 미디어(Media)보다 수명이 더 길고 먼지 포집 용량과 유지율을 극대화합니다.
에어 오일 세퍼레이터: 마지막 단계
공기가 압축기에서 나오기 전 마지막으로 거치는 단계인 에어 오일 세퍼레이터는 대개 최적화된 압축기 에코시스템에서 가장 먼저 고려해야 할 요소입니다. 에어필터 또는 오일 필터의 기능이 떨어진 경우에는 바로 알아차리기 어려울 수 있지만, 에어 오일 세퍼레이터 성능이 저하될 경우 그 영향은 더 명백하게 드러납니다. 압축기에서 나온 공기에는 오일 미스트가 지나치게 많이 포함되어 있을 수 있습니다.
에어 오일 세퍼레이터는 공기가 압축기에서 나오기 전에 공기 오일 혼합물에서 남아 있는 오일 미스트를 분리하도록 설계되었으므로, 에어 오일 세퍼레이터의 성능은 압축기 에코시스템에 매우 중요합니다. 다른 필터 구성요소와 마찬가지로, 미디어(Media)의 효율은 올바른 성능을 발휘하는 데 있어 매우 중요합니다. 그림 11과 같이, Donaldson의 랩핑형 에어 오일 세퍼레이터는 대부분의 압축기 유형에 적합하며, Donaldson의 독점적인 Synteq™ 미디어(Media)와 함께 표준 사양으로 제공됩니다. Donaldson은 절곡된 에어 오일 세퍼레이터도 제공합니다. 이 세퍼레이터는 표면적을 늘려 더 많은 공기가 흐를 수 있게 하는 추가 설계 유연성을 선사합니다.
Donaldson의 프리미엄 에어 오일 세퍼레이터는 독점적인 Synteq XP™ 흡착(coalescing) 미디어(Media)를 사용하여 기존의 미디어(Media)보다 수명이 길고 동시에 성능을 극대화합니다. Synteq 미디어(Media)를 사용하면 오일 캐리오버 요건을 충족할 수 있는 것은 물론, 그림 12와 같이 최저 압력 강하(Pressure drop)를 유지할 수 있습니다. 이 ‘Resin-free’ 미디어(Media)는 효율적인 배출과 자유로운 에어 플로우를 보장하여 저항을 줄이고 더 나아가 에너지 사용량을 줄여 줍니다. 에너지 절감 외에도 오일 캐리오버를 낮춰 고도로 가공된 고가의 윤활유가 압축기 안에 머무르게 해 줍니다. 따라서 필요한 공정 오일의 양이 줄어들고, 더 나아가 공정 문제와 고객 불만을 유발할 수 있는 압축 공기 시스템의 오일 다운스트림 양이 감소됩니다.
에코시스템 구성요소의 연동 방식
필트레이션 구성요소가 서로에게 미치는 영향은 에어필터가 에어 오일 세퍼레이터의 수명에 미치는 영향을 관찰하여 확인할 수 있습니다. 그림 13과 같이, Ultra-Web 에어필터는 셀룰로스 미디어(Media)를 사용하는 에어필터보다 느린 속도로 에어 오일 세퍼레이터의 저항을 높입니다. 한 사례에서는 에어 오일 세퍼레이터의 수명이 2배 넘게 증가했고, 다른 사례에서는 수명이 약 65%까지 증가했습니다. 이러한 결과는 노스캐롤라이나에 있는 한 섬유 플랜트에서 2개의 독립적인 600-HP 압축기를 테스트하여 얻은 값입니다. Donaldson은 원래 장비의 셀룰로스 미디어(Media)(빨간 선)를 사용하여 새로 정비한 기계로 기본 테스트를 수행한 다음, 새 오일과 AOS를 사용하여 압축기를 다시 정비하고 에어필터를 Ultra-Web 버전으로 교체한 후 다시 테스트했습니다. 그 결과 이러한 압축기의 AOS 수명이 증가했습니다(파란색 선).
궁극적으로 압력 강하(Pressure drop)는 압축기의 효율을 떨어뜨립니다. 압력 강하(Pressure drop)가 발생하는 경우, 동일한 양의 전기를 사용해도 더 적은 양의 압축 공기가 생성됩니다. 경험 기반의 기본적인 법칙에 따르면, 그림 14와 같이 1 psi의 압력 강하(Pressure drop)가 발생할 경우 압축기의 제동 마력이 0.5% 감소합니다. 예를 들어, 200-HP 장치의 에어 오일 세퍼레이터에서 압력 강하(Pressure drop)가 3 psi만 증가해도 경우에 따라 연간 비용이 최대 1,460달러까지 증가할 수 있습니다.
에어 오일 세퍼레이터
경험 기반 법칙:
1 PSI ΔP = 0.5% HP
| $/Yr = 연간 비용 | $97,329 |
| BHP = 제동 마력 | 200 |
| $/kwhr = 킬로와트시당 전기료 | 0.07 |
| m.e. = 모터 효율 | 0.94 |
| hrs/yr = 압축기 작동 시간 | 8760 |
AOS에서 3PSI의 압력 강하(Pressure drop) 추가 시 - $1,460/yr
결론
압축기에 에코시스템 방식을 적용하면, 시스템의 성능이 "최약 연결고리"에 의해 좌우된다는 사실을 분명히 알 수 있습니다. 하나의 필트레이션 구성요소가 손상되면 다른 구성요소에 부정적인 영향을 미쳐 궁극적으로 전체 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다. 압축기 오일은 고도로 가공된 오일이라 표준 윤활유보다 가격이 더 비쌉니다. 따라서 압축기 시스템 소유자는 손실을 최소화하고 효율을 극대화해야 합니다. 효율이 높아지면 비용이 절약되어 플랜트 운영자/소유자의 부담이 줄어듭니다. 압축기 소유자는 Donaldson의 기술 및 엔지니어링 지원을 통해 필트레이션 구성요소와 잘 맞는 에코시스템 기반 제품 솔루션을 찾아 효율을 최적화할 수 있습니다.
압축기 효율 규정
최근의 규제 변화로 인해 압축기 소유자가 압축기 효율을 개선해야 하는 일이 더 중요해지고 있습니다. 2016년 12월에 미국 에너지부(DOE)는 회전식 공기 압축기에 대한 에너지 효율 표준을 발표했습니다. DOE는 이 새로운 표준을 충족하는 압축기가 30년간 판매된 압축기 대비 160조 BTU 또는 약 156억 킬로와트 시간을 절약할 것이며, 이후 구매한 압축기의 경우 2~4억 달러의 순 절감 효과를 제공할 수 있을 것으로 예상합니다. 또한 이러한 에너지 소비 감소로 인해, 해당 시점 이후 820만 미터톤의 CO2 배출량을 방지할 수 있을 것으로 예상합니다.
캐나다 규격 협회도 압축기 성능 측정 향상을 중점적으로 다루는 문서(C837-16 "압축 공기 시스템 모니터링 및 에너지 성능"). 를 발행했습니다. 이 표준에서는 수집해야 할 정보와 전력, 에너지, 흐름, 압력 및 생산량과 같은 시스템 매개변수를 유효성이 검증된 일관되고 반복적인 측정 방법을 사용하여 측정 또는 계산하는 방법에 관해 설명합니다. 그리고 에너지 성능 지표 및 전체 에너지 관리 시스템의 일환으로 활용할 에너지 기준을 수립하기 위한 방법론을 정의하는 데 필요한 지침을 제공합니다. 또한 에너지 성능의 측정, 평가 및 보고에 대한 일관된 방법론을 개략적으로 설명하는, 압축 공기 시스템의 구체적인 요구사항이 제공됩니다.
유럽 연합은 친환경 설계 지침을 발행했으며, 관련 요구사항은 아직 결정되지 않았습니다. 이 지침에는 다음과 같은 내용이 명시되어 있습니다. "에너지 관련 제품의 설계 단계에서는 제품의 수명 주기 중에 유발된 오염이 확인되고 관련 비용의 대부분이 이를 해결하는 데 사용되므로... 이 단계에서 조치를 취해야 합니다. 작업 계획이 도입될 때까지 에너지 효율 향상을 통한 온실가스 완화를 가장 중요한 환경 목표로 고려해야 합니다." - 통합 제품 정책: Building on Environmental Life-Cycle Thinking(유럽 연합 관보).
