공기 압력의 기본 사항: 변위 압축 및 다이나믹형 압축

아래 두 그래프에서는 이론적인 컴프레셔의 압력 부피 관계와 피스톤 컴프레셔의 실제 다이어그램을 확인할 수 있습니다(각각).

행정 부피는 흡입 단계 중에 피스톤이 이동하는 실린더 부피입니다. 간극 부피는 입구 및 출구 밸브 아래 및 피스톤 위에 있는 부피입니다. 기계적인 이유로 피스톤의 상단 회전 지점에 있어야 합니다.

행정 부피와 흡입 부피 간의 차이는 흡입이 시작되기 전에 간극 부피에 남아 있는 공기의 팽창으로 인한 것입니다. 피스톤 컴프레셔와 같은 컴프레셔의 실제 설계는 이론적 p/V 다이어그램과 실제 다이어그램 간의 차이를 가져옵니다.

밸브는 완전히 밀봉되지 않으며 피스톤 스커트와 실린더 벽 사이에 항상 어느 정도의 누설이 있습니다. 또한 밸브는 최소한의 지연 없이 완전히 열리고 닫힐 수 없습니다. 이로 인해 가스가 채널을 통해 흐르면 압력이 떨어집니다. 이 설계의 결과로 실린더로 흐르는 가스도 가열됩니다.

다이나믹형 컴프레셔에서는 기체가 흐르는 동안 압력이 증가합니다. 유동 기체는 임펠러의 회전 블레이드를 통해 높은 속도로 가속됩니다. 그런 다음 디퓨저에서 팽창 중에 강제로 감속되면서 기체의 속도가 정압으로 변환됩니다.

사용되는 기체의 주 흐름 방향에 따라 이 컴프레셔를 방사류 컴프레셔 또는 축류 컴프레셔라고 합니다. 체적형 컴프레셔에 비해 다이나믹형 컴프레셔에서는 작동 압력의 작은 변화에도 유량이 크게 변경됩니다.

각 임펠러 속도에는 유량 상한과 하한이 있습니다. 상한은 가스 유량이 음속에 도달한다는 것을 의미합니다. 하한은 카운터 압력이 컴프레셔의 압력 증가보다 크다는 것을 의미합니다. 즉, 컴프레셔 내부의 반환 유량을 의미합니다. 결과적으로 맥동, 소음 및 기계적 손상 위험이 발생합니다.

이론적으로 공기 또는 가스는 등엔트로피적으로(일정한 엔트로피) 또는 등온적으로(일정한 온도) 압축될 수 있습니다. 두 공정 모두 이론적으로 가역적인 주기의 일부가 될 수 있습니다. 압축 가스가 압축된 후 최종 온도에서 즉시 사용될 수 있는 경우, 등엔트로피 압축 공정에는 어떤 이점이 있을 것입니다.

실제로 공기 또는 가스는 압축 후 바로 사용되는 경우가 거의 없으며, 일반적으로 사용 전 대기 온도로 냉각됩니다. 따라서 더 적은 작업이 필요하기 때문에 등온 압축 공정이 선호됩니다. 이러한 등온 압축 공정을 실행하기 위한 일반적이고 실용적인 접근 방식으로는 압축 중에 가스를 냉각하는 것입니다. 7bar의 유효 작동 압력에서 등엔트로피 압축은 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.

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

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