우리 생활 속 숨어있는 동력원, 압축 공기의 기본 원리는?
2024년 7월 10일 (수)
자전거 타이어부터 고무 풍선, 휴대전화까지. 압축 공기는 우리의 주변에서 알게 모르게 사용되고 있습니다. 이제는 우리 생활 속에 없어서는 안될 동력원으로 자리 잡은 압축 공기의 기본적인 지식과 원리를 알려드립니다.
압축 공기에서 생성되는 압력의 원인은 무엇인가요?
출퇴근 시간의 지하철을 타보신 적이 있으신가요? 지하철의 문이 열리게 되면 지하철 내의 사람들이 빠르게 나오게 됩니다. 압축 공기의 압력은 이러한 원리를 생각해보면 쉽게 알 수 있습니다. 압축 공기의 분자는 처음 방출되는 순간에 빠르게 분산됩니다. 바로 이 점을 이용하여 압력을 생성하게 됩니다. 일반적으로 대기 중의 공기는 1bar의 압력을 갖고 있습니다. 그리고 이 공기를 압축시킬 때 최대 414bar의 압력을 가할 수 있습니다. 이 원리에는 세가지 과학적인 법칙으로 설명됩니다.
• 열역학 제1법칙에 따르면, 고립된 계의 에너지는 일정하다고 설명합니다. 때문에 에너지는 다른 것으로 전환될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수는 없습니다. 즉, 압력의 증가는 열의 상승과 비례합니다.
• 보일의 법칙은 기체의 압력, 온도, 부피 사이의 관계를 나타내는 기체 법칙으로, 용기의 부피가 감소할 때 용기 내 기체의 압력이 증가하는 경향을 나타내는 실험 법칙입니다.
• 찰스의 법칙에 따르면 공기의 양은 온도에 정비례하여 변합니다.
이 세 가지 법칙을 통해 압력, 부피 그리고 온도는 모두 비례한다는 사실을 알 수 있습니다. 그리고 이 공식을 컴프레셔에 적용하여 필요에 따라 압축 공기의 공기량과 공기압을 제어하고 늘립니다.
압축 공기는 왜 뜨거울까요?
공기의 분자는 공기를 압축하는 과정에서 물리적인 힘을 받아 급격하게 움직이게 됩니다. 그리고 이와 같은 빠른 분자 이동이 열을 발생시켜 뜨거워지는 것입니다. 컴프레셔에서 방출되어 나오는 압축 공기는 일반적으로 압축 공기 탱크의 내부만큼 뜨겁지는 않습니다. 하지만 압축 공기의 온도는 응용 분야와 사용 방법에 따라 수백도 또는 수천도까지 올라가기도 합니다. 이처럼 뜨거운 공기는 위험하기 때문에 컴프레셔 설계를 할 때, 압축 공기의 온도를 낮추기 위한 애프터 쿨러가 포함되기도 합니다.
압축 공기 사용의 이점은 무엇인가요?
압축 공기는 공장설비에서 많이 사용되는 동력원 중 하나로, 제 4의 동력원으로 불리기도 합니다. 압축 공기는 공압 공구 뿐 아니라 컨베이어, 수송기계, 제조 공정을 포함하여 점점 확대되고 있는 추세입니다. 그렇다면 압축 공기를 사용하는 이유는 무엇일까요?
• 안전하고 사용하기 쉬움 : 압축 공기를 사용하는 주된 이유 중 하나는 바로 안전입니다. 전기를 사용하는 장비는 때로 감전이나 화재사고로 이어져, 우리의 안전을 위협하기도 합니다. 압축 공기는 타 동력원과 비교하였을 때 안전한 축에 속합니다. 하지만 컴프레셔를 사용하기 위해서는 안전 교육을 이수하고, 안전규칙을 지키는 것이 가장 중요합니다.
• 압축 공기의 유연한 활용 : 압축 공기의 사용은 유연하여 광산, 건축 현장 등과 같은 외부에서도 원격 통제가 가능하여 세밀하게 예측하고 유지 보수가 가능하기 때문에 쉽게 사용할 수 있습니다.
• 낮은 운영 비용 : 컴프레셔의 초기 구매 비용은 전기를 사용하는 장비 비용보다 약간 높을 수 있습니다. 하지만 운영 비용이 낮기 때문에 장기적인 측면에서 더욱 유용합니다. 더불어 설계가 간단하여 더 적은 수의 부품이 사용됩니다.
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