드라이어
•
건조기(dryer, 드라이어)는 공기압축기의 토출 공기 라인에 설치하며 압축공기중의 수분을 제거하여 필요한 건조공기로 만들기 위한 것이다. 최근에는 압축공기를 하이테크 등의 제어용도로까지 다양하게 활용하게 됨에 따라 압축공기에 대한 요구청정도도 높아지고 있다. 따라서 드라이어 장착비율은 다음 그림에 도시한 바와 같이 높아지고 있으며 거의 대부분의 사용자가 드라이어를 필요로 한다. 이러한 드라이어의 종류에는 냉동식, 흡착식, 중공사막식 드라이어가 있다.
[그림 1] 일반적인 압축공기 시스템의 드라이어 설치 예
1. 냉동식 드라이어
1) 제습방법
•
냉동식 드라이어는 압축공기를 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 압축 공기 중에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 방식이다. 그림 10.23은 냉동식 드라이어의 구조를 보여준다. 그림에 나타낸 바와 같이 압축기로부터 냉동식 드라이어에 유입하는 압축공기의 온도는 공랭식 압축기의 경우 통상적으로 대기온도 +15°C 정도이다. 최초로전 냉각기(Pre-Cooler)에서 저온 압축공기에 의하여 예냉되어 열교환기에 들어가게 되며, 내부에서 냉매가스와 열교환하여, 압력하에서 4〜10OC (압력하 노점)으로 냉각된다. 냉각전의 드라이어로 유입하는 압축공기의 포화수증기량과 압력하 노점온도에서 포화수증 기량의 차만큼의 응축 드레인이 발생하며 일정시간 간격으로 전자밸브 등으로 배출된다.
•
이러한 저온의 압축공기는 전냉각기 내로 유입해 오는 압축공기에 의하여 재가열되어 상대습도를 낮추어 라인으로 보내진다.
[그림 2] 공기압축기의 냉동식 드라이어 설치비율
[출처] 성 에너지형 공기압축기시스템
[그림 3] 냉동식 드라이어의 구조
•
공기 드라이어에 의하여 공급되는 압축공기의 노점은 부하의 대소에 따라 달라진다. 압축공기의 압력이 높을수록 온도가 낮을수록 유량이 작을수록, 또 주위의 공기온도가 낮을수록 부하가 작아지며, 노점은 낮아지게 된다. 그러나 반대의 경우는 부하가 크고 노점은 높아지게 된다. 단위 질량당 공기중에 포함되는 수증기는 온도가 같은 경우 압력이 높을수록 적어지게 되며, 압력이 같은 경우에는 온도가 낮을수록 적어지게 된다. 또 주위의 공기 온도가 낮으면 응축기로부터 방열효과가 높아지게 되며 부하가 감소하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.
•
따라서 2차측에서 요구되는 노점과 부하의 크기로부터 드라이어의 크기가 결정된다. 요구하는 노점은 공기를 사용하는 조건, 목적에 따라 달라지지만 냉동식 드라이어의 경우 노점은 가압하에서 10”이하로 하는 것은 액적의 동결로 인해 곤란하다. 따라서 보다 낮은 노점을 필요로 하는 경우에는 흡착식 드라이어를 사용하는 것이 일반적이다.
•
열교환한 냉매가스는 냉동기에서 응축하여, 응축기에서 액화한 후 캐필러리 (Capillary)관 등에서 증발시켜 저온 냉매가스로서 밀폐회로를 순환한다. 이 경우 소비동력은 공기압 축기 소비전력의 3〜5% 정도이다.
2) 냉매의 종류
•
프론 냉매의 규제에 따라 5.5kW 이하의 공기압축기에 탑재되는 냉동식 드라이어에서는 HFC 냉매 R134a가 자주 사용된다. 또 7.5kW 이상에서는 HFC 냉매 R407c가 주류이며 이급에서는 HOTC 냉매 R22도 사용되지만 2004년부터 생산이 제한되고 있어 종래에 비하여 65% 2010년 35% 2015년에는 10% 그리고 2020년에는 완전히 폐기하는 것으로 되어 있다.
3) 냉동식 드라이어 용량
•
기본적으로 드라이어로의 부하는 열교환량에 의하여 결정되기 때문에 요구노점의 고저의 영향은 물론 냉동식 드라이어로 유입하는 공기의 온도가 높을수록 유입하는 압축공 기의 압력이 낮을수록 그리고 열교환기 내에서 통과속도가 클수록 냉동기로의 부하는 증가한다. 이들 요인에 의한 사이즈의 영향계수는 드라이어 제조사가 확보하고 있으므 로, 이들 자료를 고려하여 냉동식 드라이어의 사이즈를 결정한다.
4) 노점(Dew Point)
•
압력하에서 30℃ 대기온도, 유입 압축공기의 온도가 45℃인 표준적인 조건인 경우 압력하 노점범위는 3〜10℃：이지만, 대부분 10℃로 되도록 선정하는 경우가 많다. 극소형의 공기압축기에서는 15℃를 압력하 노점으로 하는 경우도 있다.
•
압축공기를 사용하는 경우에 수분이 응축해서는 아니 되는 정밀기기제작 고정도 기계가공 등, 공조상태를 엄격하게 유지하여야 하는 공장 내에서 설정온도는 연간 거의 일정하게 유지되므로 예를 들면 23°C의 공조 설정이라면 동남아시아(외기온도는 41〜42℃까지로 된다)나 하절기 등 외기온도가 상승하는 환경이라고 하더라도, 연간 가장 엄격한 사용조건, 환경조건에서 압력하 노점은 23℃ 미만이 되도록 설정할 필요가 있다. 다음그림은 냉동식 드라이어 노점의 상한을 표기하며, 실제적으로는 이 조건을 충족하도록 하면 제반 트러블의 발생은 줄어든다.
[그림 4] 냉동식 드라이어 노점의 상한
[출처] 성 에너지형 공기압축기시스템
2. 흡착식 드라이어
•
흡착식 드라이어에는 비가열 재생식(히트레스)과 가열 재생식 드라이어가 있으며, 가열 재생식은 배열드라이어와 피크가열 재생식 드라이어가 있다.
1) 비가열 재생식
•
다음 그림은 비가열 재생식 드라이어의 구조를 보여 준다. 흡착제로 압축공기 중의 수분을 흡착하여 건조시킨 압축공기를 송출하는 흡착통과 후 얻어지는 건조공기의 일부를 흡착제로 다시 흘러 보내, 건조시켜 흡착제를 재생시키고 수분을 포함하는 재생용 공기를 대기로 퍼지하는 재생통 등, 2개의 통으로 구성된다.
[그림 5] 비가열 재생식 흡착식 드라이어의 구조
•
일정 시간 간격으로 흡착통과 재생통을 교대로 운전시켜 드라이어 기능을 하도록 하는 방식이다. 0.69MPa의 사용압력에서 재생공기의 소비량은 15〜20%로 많으며, 에너지 효율적으로는 좋지 않기 때문에 대량의 공기량 건조처리에는 적합하지 않다. 또 요구되는 압력하 노점이 낮을수록 필요한 재생 소비공기량은 증가하게 되며, 압력하 노점은 대략 -20℃ ~ -70℃ 정도이다.
2) 가열 재생식
가. 압축열 로터리 드럼
•
압축열 로터리 드럼 드라이 오일프리식 스크류 공기압축기용으로는 압축기가 토출하는 고온의 압축공기를 이용하여 흡착제를 재생하는 압축기 배열이용 흡착드라이어가 있으 며, 2개의 통으로 구성되는 형식과 회전드럼식이 있다. 대개의 경우, 회전 드럼식이 많이 사용된다. 다음 그림은 압축열 로터리 드럼 드라이어의 외관과 계통도이다.
[그림 6] 압축열 로터리 드럼 드라이어의 외관
[출처] 아틀라스콥코 - 압축열 로터리 드럼 드라이어
[그림 7] 압축열 로터리 드럼 드라이어 계통도
[출처] 성 에너지형 공기압축기시스템
•
배열드라이어의 내부에는 세라믹을 하니 컴상으로 성형하여 흡착제를 화학적으로 결함 시킨 흡착드럼이 있으며 원통단면의 일부를 구분하여 재생구역으로 한다. 여기에 압축기의 고온토출 압축공기(130.20(TC)를 흘러 보내, 흡착제에 포함되는 수분을 건조시킨다.
•
이러한 재생용 고온공기는 바이패스 냉각기에서 냉각되어, 수분은 응축 드레인으로 배출 된다. 수분배출후의 재생용 공기는 이젝터에 의하여 주공기류에 합류되어 드럼의 흡착건조 구역에서 건조시킨다.
•
위와 같은 방식의 드라이어의 최대 특징은 대기로 퍼지하는 압축공기의 손실이 없고 드라이 오일프리식 스크류의 압축열을 이용하기 때문에, 가열에너지의 손실도 거의 없다.
•
따라서 성에너지 성능이 매우 우수한 것이 장점이다. 압력하 노점은 +10°C ~ -25°°C 정도이다.
나. 히터 가열 재생식
•
다음 그림에는 히터 가열 재생식 흡착드라이어의 구성을 나타내며 대기로부터 흡인하는 공기를 전기히터나 증기히터로 고온으로 한 후 재생 흡착 통으로 유입시킨다. 이때 흡착 제에 포함되어 있는 수분을 제거하여 대기로 퍼지하는 방식이다. 압력하 노점은 -20°C ~ -70°C 정도 이다.
[그림 8] 히터가열 재생식 흡착 드라이어
3) 중공사막(Membrane) 방식
•
일명 중공사막 방식 드라이어로도 불리워지며 고분자로된 수증기만을 통과시키고, 공기 분자는 통과시키지 않는 분리막을 이용하는 방식이다. 분리능력은 막간의 수증기 분압차와 분리막 면적 분리된 수분을 운반하여 대기로 퍼지하는 건조공기량에 비례한다. 이러한 방식은 비교적 소유량에 적합하며 간편하게 설치할 수 있는 특징이 있어 클린룸 (Clean Room)등에 설치하여 국소적으로 노점을 낮추어 압축공기를 이용하는 응용에 적합하다.
•
구조적인 면으로부터 외중형식과 중외형식의 두 종류가 있으며, 다음 그림에는 중공사막 방식 드라이어의 구조를 도시한다. 압력하 노점은 +10℃ ~ -25℃ 정도이다.
[그림 9] 중공사막 방식 드라이어의 구조
4) 습도등급과 드라이어 종류
공기 드라이어의 압력하 노점에 관해서는 다음 표와 같이 압력하 노점등급이 정해지며, 이것에 적합한 공기 드라이어의 종류가 JIS B 8391-2:2000에 규정되어 있다. 다음 표에는 공기 드라이어의 형식별 압력하 노점 등급을 요약한다.
3. 압축공기 제습방안
•
압축 공기내의 수분은 배관 라인내에는 부식 및 Scale을 발생시키고, 각종 공압기기에는 오동작을 유발시켜 효율을 저하시킨다. 뿐만아니라 제품의 질에 있어서도 좋지 않은 영향을 미치고 있다. 이에 압축기내의 수분을 제거하고자 여러 종류의 제습기가 개발되어 사용되어지고 있다.
1) 노점과 수분량
•
다음 표는 압력별 대기압에서의 노점과 수분량의 관계를 도시 하였다.
<표 2> 대기압하 각 노점에서의 수분량
단위 : g-수분/㎥-노점의공기
압력
(kg/cm2)
노점(℃) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
90 | 420.1 | 433.6 | 448.5 | 464.3 | 480.8 | 496.3 | 514.3 | 532.0 | 550.3 | 569.7 |
80 | 290.8 | 301.7 | 313.3 | 325.3 | 337.2 | 349.9 | 362.5 | 375.9 | 389.7 | 404.9 |
70 | 197.0 | 204.9 | 213.3 | 222.1 | 231.1 | 240.2 | 249.6 | 259.4 | 269.7 | 280.0 |
60 | 129.8 | 135.6 | 141.5 | 146.6 | 153.9 | 160.5 | 167.3 | 174.2 | 181.6 | 189.0 |
50 | 82.9 | 86.9 | 90.9 | 95.2 | 99.6 | 104.2 | 108.9 | 114.0 | 119.1 | 124.4 |
40 | 51.0 | 53.6 | 56.4 | 59.2 | 62.2 | 65.3 | 68.5 | 71.8 | 75.3 | 78.9 |
30 | 30.3 | 32.0 | 33.8 | 35.6 | 37.5 | 39.5 | 41.6 | 43.8 | 46.1 | 48.5 |
20 | 17.3 | 118.3 | 19.4 | 20.6 | 21.8 | 23.0 | 24.3 | 25.7 | 27.2 | 28.7 |
10 | 9.40 | 10.0 | 10.6 | 11.3 | 12.1 | 12.8 | 13.6 | 14.5 | 15.4 | 16.3 |
0 | 4.85 | 5.19 | 5.56 | 9.95 | 6.14 | 6.80 | 7.26 | 7.75 | 8.27 | 8.12 |
-0 | 4.85 | 4.52 | 4.22 | 3.95 | 3.66 | 3.40 | 3.14 | 2.94 | 2.73 | 2.24 |
-10 | 2.35 | 2.18 | 2.02 | 1.87 | 1.73 | 1.60 | 1.48 | 1.36 | 1.26 | 1.16 |
-20 | 1.067 | 0.982 | 0.903 | 0.928 | 0.761 | 0.698 | 0.640 | 0.586 | 0.536 | 0.490 |
-30 | 0.448 | 0.409 | 0.373 | 0.340 | 0.309 | 0.281 | 0.255 | 0.232 | 0.210 | 0.190 |
-40 | 0.172 | 0.156 | 0.141 | 0.127 | 0.144 | 0.103 | 0.093 | 0.083 | 0.075 | 0.067 |
-50 | 0.060 | 0.054 | 0.049 | 0.043 | 0.038 | 0.034 | 0.030 | 0.027 | 0.024 | 0.021 |
-60 | 0.019 | 0.017 | 0.015 | 0.013 | 0.011 | 0.0099 | 0.0087 | 0.0076 | 0.0067 | 0.0058 |
-70 | 0.0051 |
2) 제습기 종류별 특징
공기로부터 수분을 제거하는 데는 비용이 소요되며, 공기를 더 많이 건조시키기 위해서는 더 많은 비용이 소요된다. 필요한 것보다 너무 큰 용량을 선정하면 비용을 낭비하게 되므로 드라이어의 용량은 공기압 시스템의 용도에 맞게 선정하여 실질적으로 운전비용이 절감되도록 하는 것이 필요하다.
<표 3> 대기압하 각 노점에서의 수분량
구분 | 압력하 노점 온도 | Purge율 | 원리 및 장/단점 |
냉동식 드라이어 | 4℃ | - | 압축공기를 냉동기로 냉각해서 수분을 응축하여 수분을 제거한다. 설
치/유지비용이 저렴하나 노점온도가 높아 정밀 또는 도장 공정에는
사용하기 어렵다. |
Purge형
(Heaterless) | 40℃ | 12 | 압축공기속의 수분을 알루미나겔과 같은 흡착제의 미세한 구멍에 모
세관현상을 통해 수분을 흡착 제거하는 방식이며 흡착제 재사용을
위한 건조시 생산한 건조공기를 이용하는 방식이므로 많은 퍼지에어
가 소모되어 에너지 낭비가 심하다. 구조가 간단하고 고장이 적으며,
수분제거율이 뛰어나다. |
Heater형 | -40℃ | 8 | Heaterless 타입과 제습방식은 동일하나 흡착제 건조방식이 전기 또
는 스팀히터를 이용하므로 고장율과 제습제 손상이 많고 전기에너지
소모도 많고 또한 쿨링시에 건조공기를 퍼지에어로 사용하므로 압축
공기 소모도 있다. |
Non
Purge,
Heater형 | -10℃ | - | Heaterless 타입과 제습방식은 동일하나 흡착제 건조용 열원을 공기
압축과정에서 발생되는 폐열을 이용하므로 전기에너지를 대폭 절약
할 수 있다. 그러나 흡착제가 고가이며, 노점온도가 높아서 초정밀 공
정에는 적합하지 않다. |
Blower형 | -40℃ | 5 | Heater형과 같은 제습원리를 가지고 있으나 히팅시에 건조공기를 퍼
지에어로 사용하는 대신 블로워를 사용함으로써 퍼지에어를 줄여 에
너지를 절감하는 에너지 절약형 제습기. |
복합형 제습기 | -60℃ | 3.5 | 냉동식 제습기와 흡착식 제습기를 조합해서 구성되어 있으며, 전단에
냉동식 제습기에서 수분을 90%이상 제거한후 후단에서 흡착식 제습
기로 완전 건조하는 방식이다. 초기 투자비용이 다소 소요되나, 수분
제거율이 뛰어나고 흡착식 제습기를 소형화할수 있기 때문에 유지비
용이 기존의 흡착식보다 적게 든다. |
[출처] 명성에어플러스
참고문헌
1. 성 에너지형 공기압축기시스템(저자 이재형, 김희동) - 홍릉과학출판사