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  컴프레셔 열역학 과정에 대한 질문
  글쓴이 : 이니에스타   고유ID : cncdngud     날짜 : 23-04-25 16:19     조회 : 215    
안녕하세요 컴프레셔 데이터 시트를 보던중 왕복과 원심컴프레셔의 차이가 있어 질문 드립니다.
압축을 하게 되면 완벽히 단열상태가 아니라서 어떤 압축기라도 폴리트로픽으로 계산이 되어 질 것 같은데 왕복 컴프레셔의 경우는 단열과정으로 계산을 하더군요
이러한 이유가 따로 있을까요?
생각을 해보다가 왕복은 피스톤링 등에 의한 마찰열이 미미하여 단열로 해도 큰 관계가 없나 싶기도 하고 원심은 임펠러깃 이나 디퓨저등 많은 요소들에 가스들이 마찰열을 발생 시키므로 단열로 보기는 어려워서 그런건가 생각 도 해봤지만 명쾌하지 못해 질문 드립니다.

Stefano    23-04-26 00:23
가스를 압축하는 경우 압축에 의해 상승하는 압력뿐 만 아니라 압력상승과 동반되는 온도상승에 의해 불필요한 동력이 늘어나게 됩니다.    상용압축기는 원심압축기이든지 왕복압축기든지 모두 단열상태로 운전되지 않습니다.  열손실이 동반될 뿐만 아니라 동력절감 및 부품 보호를 위해 일부러 냉각장치를 두기 때문입니다. 

압축과정이 단열상태이고 가역적인 상태로 진행되는 경우는  Isentropic (Reversible & Adiabatic) Compression Process인데 이는 마찰손실이나 열전달이 동반되지 않기 때문에 상용압축과정에 적용되지 않는 열역학적으로 이상적인 과정에 해당합니다.  이 과정에서의  압력과 부피의 관계식에 사용하는  P*V^k = Constant의 상수 k는  Cv/Cp와 정확히 일치합니다.

따라서 모든 압축기는 Polytropic (Irreversible & Non-adiabatic) 상태로 운전됩니다.  원심압축기 뿐만 아니라 왕복압축기도 동일합니다.  이 과정에서  P*V^n = Constant 관계식에서 n은 압축과정에서의 비가역성(마찰영향)과  열전달량의 정도에 따라 다르기 때문에 압축기마다 제각각 다른 상수값을 가집니다. 

왕복압축기의 경우 특히 대부분 압축 단과 단 사이의 Intercooler 를 사용하기 때문에  각단에서의 동력계산은 흡입측온도를 기준으로 동력이 계산되어야 합니다.  Intercooler 외에 Cylinder Jacket에서 냉각매체를 사용하거나  방영Fin이 달려있어 공기 냉각하는 경우도 있어서  단열상태로 운전되는 경우는 거의 없습니다.  따라서 Intercooler에서 방출하는 열을 별도로 고려하여야 하고,  각 단별에서의 동력을 Polytropic Exponent를 사용하여 구하여 합산해야 전체 동력이 구해집니다.
     
이니에스타 cncdngud   23-04-26 07:46
늦은시간에도 답변 감사 드립니다.
완전한 단열 / 등온 과정이 될 수 없어 그 사이에 폴리트로픽 과정이라 알고 있었으니 실제로 설비의 데이터 시트에는 왕복압축기는 : 단열 / 원심 압축기는 : 폴리트로픽으로  표시 하여 질문 드렸습니다.

왕복 압축기 데이터 시트에서 단열 온도 와 예상되는 온도 두가지를 기입 하는 이유가 계산을 용이 하기 위해 이상적인 가역,단열로 가정하여 계산 하는 것인가요?
스테파노 Stefano   23-04-28 20:28
원임압축기이든 왕복압축기이든 실제의 압축시 도달 온도는 Isentropic Compression 이나 단열 압축의 경우보다 훨씬 낮습니다.
데이타 시트에는 Isentropic Exponent (Cv/Cp)값이나  Compressibility Factor 정도의 값을 운전조건에 정해주면 되고 나머지는 제작자가 기기제작 후 기기와 함께 데이터 시트에 적어 제출하돌고 하면 됩니다. 

설계자가 단열압축시 온도를 주려는 의도는 배출최고온도에 적응성이 있는 재료를 부품에 사용하라거나 압축비가 너무 커서 단의 수효를 늘일 필요가 있는지 검토해 보라는 의도입니다.  왕복압축기의 배출온도는 대체로  250~275℃ 전후의 값을 를 넘지 않도록 하여야 Piston Ring이나 Cylinder Head Gasket 재료 선정에 용이하고 압축효율을 비교적 높에 유지가능하다는 것이 일반적 인식입니다.  온도가 꽤 높다면 단을 더 나누고 각 단의 압축비를 균일 하게 유지해 주며 중간에 Intercooler를 두는 것이 제작자 입장에서 추구하는 합리적인 시스템 설계입니다.
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