Pre Separation in Screw Compressor

Pre Separation in Screw Compressor

Oil Injection Screw Compressor에서 가장 큰 골칫거리는 아마도 압축 공기와 섞여 나오는 오일 문제일 것이다.

공기 압축기 후단으로 송출되는 압축 공기는 공기 압축기 내부에 설치된 Air-Oil 분리기를 통과하면서 대부분의 오일은 분리, 제거 됨에도 불구하고 소량의 오일은 잔존하며, 그 허용 범위는 통상 3mg/m^3 이라고 알려져 있다.

공기 압축기를 사용하면서 정기적으로 소모품을 교환하는데 보통 4가지 부품을 교환하게 된다. 그 중 “Oil Separator”라는 부품이 제일 비싼데 이 부품이 Air-Oil 분리 기능을 한다. 그러나 Air-Oil 분리 과정에서 Oil Separator보다 더 중요한 것이 있는데 바로 Pre Separation 역할을 하는 Oil Sump(Reclaimer)가 바로 그것이다.

Oil Separator는 Oil Sump 내부에 설치되어 있으며 Air End로부터 압축 공기와 윤활유가 섞인 상태로 Oil Sump로 유입된다. 이때 Oil Sump에서 Pre Separation 되고, 2차로 Oil Separator를 거치며 대부분의 Oil이 분리, 제거 된다.

연구 결과 및 실험을 통해 Pre Separation 단계에서 Air-Oil 분리 효율은 약 93% ~ 95%로 알려져 있으며 나머지 5% ~ 7%를 Oil Separator가 담당하는 것으로 알려져 있다.
따라서 Oil Injection Screw Compressor에서 Oil Sump의 디자인은 매우 중요하다고 할 수 있다.

그렇다면 비싸고,  수명이 있어서 주기적으로 교체해야만 하는 Oil Separator보다 한번 설치되면 영구적으로 사용할 수 있는 Oil Sump의 어떤 구조가 Air-Oil 분리 성능이 뛰어난지 궁금하지 않을 수 없다.
이 궁금증을 해결하기 위해서는 간단한 물리 현상을 알아 볼 필요가 있다.

대포에서 발사되는 포탄이 날아가는 거리를 생각해 보자.
(수식은 필요 없다, 이미 우리가 경험적으로 체득해서 잘  알고 있는 현상이니까)

똑 같은 장약(힘/V)으로 포탄 (M1)과 포탄(M2)를 발사 했을 때 날아가는 거리(L)는 M1과 M2의 무게로 정해진다. 당연하게 가벼운 포탄이 무거운 포탄 보다 멀리 날아 간다.

즉 “M1 > M2” 일 때 날아가는 거리(L)는 “L1 <  L2” 가 된다.

압축 공기와 윤활유가 섞여 Air End로부터 송출될 때 압축 공기와 윤활유가 갖는 속도 에너지는 같다. 즉 동일한 장약으로 쏘아진 포탄이라고 할 수 있다.
그러나 압축 공기와 윤활유의 무게는 다르다. 우리가 경험적으로 공기는 무게가 없다고 생각할 수 있지만 세상에 무게가 없는 물질은 없으니 압축 공기도 무게는 있다. 너무 가벼울 뿐.
그렇다면 압축 공기의 무게는 얼마나 될까? 20℃ 공기 1기압의 무게는 대략 1.2kg/m^3 이다.
윤활유의 무게는 대략 880kg/m^3 이니까 무게 비는 대략 약 1/733 정도로  그 차이가 매우 큰 것을 알 수 있다.(공기를 7bar 까지 압축 했다면 약 1/105 의 무게 비를 갖는다)

즉 7bar로 압축 되었을 때 같은 속도로 Oil Sump에 유입되었지만 압축 공기보다 약 105배 무거운 윤활유는 얼마 가지 못하고 중력에 의해 낙하 하게 된다. 윤활유는 압축 공기와 섞여 있을 뿐 화학적으로 결합된 것이 아니기 때문에 에너지 차이에 따라 쉽게 중력의 영향을 받아 낙하 한다.

실제 실험 조건에서 이런 현상을 보게 되면 Oil Sump로 유입된 압축 공기에 섞였던 윤활유는 마치 폭포수 같이 분리되어 떨어진다.
그 때 상황을 동영상으로 저장한 것이 없어 그림으로 묘사 한 것이 왼쪽의 그림과 같다.

이런 현상을 극대화 하기 위해, 즉 속도 에너지를 급격하게 변화 시키기 위해서 Oil Sump는 여러가지 형태로 제작되는데 기본적인 설계 조건은 다음과 같다.

첫 번째, 급격한 체적의 증가 : 체적이 커질 수록 유속은 감소 한다.
두 번째, 유체 흐름을 방해 하는 구조물 설치 : 저항이 커질 수록 속도는 감소 한다.
세 번째, 마찰력 이용 : 관로 마찰이 커질 수록 유속은 감소 한다.

위 설계 조건을 만족하기 위해 공기 압축기 제조사는 다양한 구조로 Oil Sump를 설계한다.
Oil Injection Screw Comp. 에서 Oil Carry Over문제가 발생되면 거의 대부분 Oil Separator의 불량을 이야기 한다. 그러나 경험적으로 보면 Oil Separator의 제조 불량은 거의 없다고 본다. Oil Separator가 찌그러진 것도, Oil Carry Over의 직접적인 원인도 대부분 다른 원인으로 인해 발생되는 것들이 대부분 이다.

전체 Air-Oil 분리 효율 중 Pre Separation 차지하는 비중이 최소 93%라고 한다면 Oil Carry Over가 발생 될 때 무작정 Oil Separator 불량만 주장하는 것은 설득력이 떨어진다고 할 수 있다.

물론 이미 검증된 형태로 Oil Sump가 설계되었다면 큰 문제는 없겠지만 경험적으로 Oil Separator보다는 Oil Sump에서, 그리고 Oil Return Line 및 Check Valve일 가능성이 더 높기 때문이다.

아래 동영상은 급유식 Screw Compressor의 Oil Recalaimer내부에서 압축 공기 중 윤활유가 분리되는 과정을 보여준다.

본 동영상을 통해 Pre Separation 및 Oil Separator의 중요성을 확인 할 수 있다.

(출처 : Youtube, https://www.youtube.com/watch?v=qpkwVIyVrLg)