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두 가지 기본 압축 원리: 체적형 압축 및 다이나믹형 압축

Compressor Types Compressors Basic Theory Compressed Air Wiki Compressed Air

다른 공기압축기와 압축 방법에 대해 알아보기 전에 기체 압축의 두 가지 기본 원리를 소개하겠습니다. 그런 다음 두 방법을 비교하고 해당 범주의 다른 공기압축기에 대해 살펴보겠습니다.

압축의 두 가지 기본 원리

체적형 압축 및 다이나믹형 압축

공기(또는 기체) 압축에는 정변위 압축과 다이나믹형 압축의 두 가지 일반 원리가 있습니다. 예를 들어, 정변위 압축은 왕복(피스톤) 공기압축기, 오비털(스크롤) 공기압축기 및 다양한 유형의 로터리 공기압축기(스크류, tooth, 베인)를 포함합니다. 정변위 압축에서는 공기가 하나 이상의 압축실로 유입된 이후에 흡입구가 폐쇄됩니다. 각 압축실의 부피가 점차적으로 감소되면서 공기가 내부적으로 압축됩니다. 압력이 설계된 기본 압력비에 도달하면 포트 또는 밸브가 열리고 압축실의 부피가 지속적으로 감소하면서 공기가 배출구 시스템으로 방출됩니다.

다이나믹형 압축에서는 공기가 빠르게 회전하는 압축 임펠러의 블레이드 사이로 유입되어 높은 속도로 가속됩니다. 그러면 기체가 디퓨저를 통해 방출되면서 운동 에너지가 정압으로 변환됩니다. 대부분의 다이나믹형 압축은 축류 또는 방사류 패턴을 가진 터보 압축기입니다.

정변위 공기압축기란?

피스톤 압축기

자전거 공기 주입 펌프는 공기가 실린더로 유입된 후 움직이는 피스톤에 의해 압축되는 가장 간단한 형태의 정변위 압축입니다. 피스톤 압축기는 작동 원리가 동일하며 커넥팅 로드와 회전하는 크랭크축에 의해 피스톤이 앞뒤로 이동합니다. 피스톤의 한쪽 면만 사용하여 압축할 경우 단동 압축기라고 합니다. 피스톤의 상부와 하부가 모두 사용되는 경우 복동 압축기입니다.

압력비는 흡입구와 배출구의 절대 압력 관계입니다. 대기압(1bar)에서 공기를 흡입하여(a) 7bar의 과압으로 압축하는 기계는 (7 + 1)/1 = 8) 압력비로 작동합니다.

정변위 공기압축기의 압축기 다이어그램

아래 두 그래프는 각각 피스톤 압축기에 해당하며 이론적인 공기압축기와 현실적인 공기압축기 다이어그램의 압력-부피 관계를 보여줍니다. 행정 부피는 흡입 단계 중에 피스톤이 이동하는 실린더 부피입니다. 클리어런스 볼륨은 흡입 밸브와 배출 밸브의 바로 아래와 피스톤 위에 해당하는 부피이며, 기계적인 이유로 인해 피스톤 상부의 전환점에서 유지되어야 합니다.


행정 부피와 흡입 부피의 차이는 흡입이 시작되기 이전에 클리어런스 부피에 남아 있는 공기가 팽창하여서 발생합니다. 이론적 p/V 다이어그램과 실제 다이어그램 사이의 차이는 공기압축기(예: 피스톤 압축기)의 실제 설계로 인해 발생합니다. 밸브가 완전히 밀폐되지 않으므로 피스톤 스커트와 실린더 벽 사이에 항상 약간의 누출이 있습니다. 또한 최소한의 지연도 없이 밸브가 완전히 열렸다가 닫힐 수는 없으므로 기체가 채널을 통과할 때 압력 강하가 발생합니다. 이러한 설계로 인해 기체가 실린더로 유입될 때 가열됩니다.


등온 압축 공식

등온 압축을 통한 압축 작업:

등엔트로피 압축 공식

등엔트로피 압축을 통한 압축 작업:


이러한 관계에 따라 등온 압축보다 등엔트로피 압축에 더 많은 작업이 필요합니다.

다이나믹형 공기압축기란?

다이나믹형 공기압축기에서는 기체가 흐르는 동안 압력이 증가합니다. 유동 기체는 임펠러의 회전 블레이드로 인해 높은 속도로 가속됩니다. 그런 다음 디퓨저에서 팽창 중에 감속되면서 기체의 속도가 정압으로 변환됩니다. 사용되는 기체의 주 흐름 방향에 따라 이 공기압축기를 방사류 공기압축기 또는 축류 공기압축기라고 합니다. 체적형 공기압축기에 비해 다이나믹형 공기압축기는 작동 압력의 작은 변화에도 유량이 크게 변경되는 특징이 있습니다.

각 임펠러 속도에는 유량의 상한과 하한이 있습니다. 상한은 기체의 유속이 음속에 도달하는 경우를 의미하고, 하한은 역압이 공기압축기의 압력 증가보다 커져서 공기압축기 내부로 환원되는 경우를 의미합니다. 이로 인해 맥동, 소음, 기계 손상 위험이 발생합니다.

다양한 단계로 압축

이론적으로 공기 또는 기체를 등엔트로피 방식(일정한 엔트로피)이나 등온선상으로(일정한 온도) 압축할 수 있습니다. 두 과정은 이론적으로 가역 순환 과정의 일부일 수 있습니다. 압축된 기체가 압축 후 최종 온도에서 즉시 사용 가능한 경우 등엔트로피 압축 과정이 분명한 이점이 있습니다. 실제로는 공기 또는 기체가 압축 후 바로 사용되는 경우는 드물고, 일반적으로 사용되기 이전에 외기 온도로 냉각됩니다. 결과적으로 등온 압축 과정이 필요한 작업이 더 적어서 선호됩니다. 이 등온 압축 과정을 실행하는 일반적이고 실질적인 방법에는 압축 중 기체 냉각 과정이 포함됩니다. 7bar의 유효 작동 압력에서 등엔트로피 압력은 이론적으로 등온 압축보다 37% 더 높은 에너지가 필요합니다.


기체 가열을 줄이는 실질적인 방법은 압력을 여러 단계로 나누는 것입니다. 또한 그러면 에너지 효율이 높아지고, 각 압축 단계의 압력비가 동일할 때 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 압력 단계의 수를 늘리면 전체 과정이 등온 압축에 접근하게 됩니다. 하지만, 실제 설치를 설계하는 데 사용 가능한 단계 수에 대한 경제적인 제한이 있습니다.


터보 압축기와 정변위 공기압축기의 차이점은 무엇입니까?

일정한 회전 속도에서 터보 압축기의 압력/유량 곡선은 정변위 공기압축기의 등량 곡선과 큰 차이를 나타냅니다. 터보 압축기는 가변 유량 가변 압력 특성을 가진 기계입니다. 이에 반해, 체적형 공기압축기는 일정한 유량에 가변 압력 특성을 가진 기계로서, 낮은 속도에서도 더 높은 압력비를 제공합니다. 터보 압축기는 대량의 공기 유동에 적합하도록 설계되었습니다.


관련 문서

an illustration about compressed air in the atlas copco air wiki.

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