압축 공기의 난제 “응축수”에 대해서 알아보자

압축 공기의 난제 “응축수”에 대해서 알아보자

압축 공기의 품질을 정의하는 요소는 먼지(Dust), 유분(Oil Mist), 유해 가스, 미생물과 더불어 수분의 양으로 정의된다(ISO 8573-1).

위 5가지 요소 중 수분(응축수)은 다른 요소와는 다르게 압축 공기를 사용하는 대부분의 사업장에서 다양한 형태의 고장 및 장애의 원인이 되기 때문에 응축수를 분리, 제거하기 위해 큰 비용을 지출하며 다양한 설비 사용하고 있다.

그럼에도 불구하고 많은 사업장에서 응축수로 인한 문제로 어려움을 겪고 있는데 필자는 그 이유를 노점과 응축수에 대한 이해가 부족하기 때문이라고 생각한다.

적절 한 수준으로 응축수를 분리하고, 제거하기 위해서는 노점과 응축수에 대해 정확한 이해가 필요하기 때문이다.

(여기서 “완벽한 제거”가 아니라 “적절 한 수준”이라고 표현한 것에 유의하자.)

먼저 응축수에 대해서 알아보자.

응축의 사전적 의미는 “기체가 액체로 바뀌는 현상”으로 정의되며 응축수는 “응축되어 생긴 물” 이라고 할 수 있다.

우리가 숨쉬고 있는 대기에는 그 양의 많고 적음에 차이가 있을 뿐 반드시 수증기가 존재한다.

건조하다고 알려진 사막의 대기에도 극히 적은 양이기는 하지만 수증기는 존재한다.(사막에서는 노점과 응축수를 이용해 물을 만들어 마시는 곤충도 있다고 한다.)

응축수는 바로 대기중에 수증기 형태로  존재하던 수분이 특별한 조건에 놓일 때 응축을 시작하여 생긴 물인 것이다.

그렇다면 대기에 수증기 형태로 존재하던 수증기가 응축을 시작하는 그 특별한 조건은 무엇인가를 이해하는 것이 중요하게 된다.

이것을 알기 위해서는 상대 습도(RH), 포화 수증기량, 노점(Dew Point)에 대해서 알 필요가 있다.

먼저 상대 습도는 대기중에 존재하는 수증기의 양을 백분율 단위로 표시한 값이며 “상대”라는 어구의 의미처럼 어떤 기준 값에 대한 비교 값이다.  이 때 상대 습도를 정의하기 위해 기준 값으로 사용되는 것이 포화 수증기 양이다.

포화 수증기 양은 상대 습도를 표시해 할 대기의 조건(온도와 압력)과 동일한 대기가 가질 수 있는 최대의 수증기량을 의미 한다.

위 그림은 포화 수증기 선도를 나타내며  Y축의 수증기 압력(Water Vapour Pressure)은 수증기 분압을 의미하며 수증기 양과 같은 의미로 해석하면 된다.

적색 선은 포화수증기 선 이며 선 왼쪽은 과 포화된 상태를, 오른쪽은 불 포화 상태를 나타 낸다. 그래프에서 60℃의 RH=100% 공기의 온도가 80℃로 상승하면 상대 습도가 42%가 됨을 나타 낸다.

위 그림에서 보면 같은 온도의 대기(포화 수증기의 양이 같은 대기)에서 상대 습도가 높다는 것(Y축의 “+”방향)은 수증기의 양이 많다는 뜻이고, 상대 습도가 낮다는 것(Y축의 “-” 방향)은 수증기의 양이 적다는 뜻이다.

반대로 같은 양의 수증기를 가지고 있는 대기의 경우 온도가 높으면(X축의 “+” 방향) 상대 습도가 낮아 지고(과 포화 상태에서 불 포화 상태로 이동), 대기의 온도가 낮아지면(X축의 “-” 방향) 상대 습도가 높아(불 포화 상태에서 과 포화 상태로 이동)지는 것을 알 수 있다.

다시 말해 대기중에 수증기 형태로 존재하는 수분의 절대 양이 변하지 않더라도 대기의 온도 변화에 따라 상대 습도는 높아질 수도 있고 낮아 질 수 있다는 것이다.

그렇다면 냉장고 내부의 상대 습도는 높은가? 낮은가? (답은 이 글을 읽어보면 알 수 있다)

오른 쪽 그림을 보자

그림에서 적색으로 구분된 아래 부분은 그 온도(T6)에서의 포화 수증기 양을 의미 한다.

임의의 온도 T6에서 수증기량(옅은 파란색 표시부분)이 서로 다른 대기 Amb-1,2,3,4, 5, 6가 있다고 가정 때 Amb-6의 경우는 수증기의 양이 포화 수증기 양과 같은 상태이다.

다시 말해 T6 온도 조건에서 가질 수 있는 최대의 수증기 양을 가지고 있다는 뜻이다.

Amb-1은 포화 수증기량의 10%를, Amb-2는 포화 수증기량의 20%를 Amb-3는 포화 수증기량의 40%를, Amb-4는 포화 수증기량의 60%를, Amb-5는 포화 수증기량의 80%를 가지고 있으며, 이때의 상대 습도는 각각 10%, 20%, 40%, 60%, 80%가 된다.

이 상태의 대기(수증기 양의 변화 없이) 대기의 온도가 T6에서 T5로 내려 갔다면 오른쪽의 그림과 같이 될 것이다

온도 변화는 적색 Bar로 표시 됐다.

이 때 단지 온도가 내려갔을 뿐인데 상대 습도는 다음과 같이 변화 된다.

Abm-1 RH=12.5%, Abm-2 RH=25%, Abm-3 RH=50%, Abm-4 RH=75%, Abm-5 RH=100%가 되고 Abm-6의 경우 RH=100% 및 포화 수증기량을 초과한 수증기는 응축(청색 표시부분)된다.

또 오른쪽 그림과 같이 온도가 T5에서 T4로 낮아지면 Amb-1은 RH=16.7%, Amb-2는 RH=33.3%, Amb-3는 RH=66.7%, Amb-4는 RH=100%, Amb-5 및 Amb-6는 RH=100% 및 포화 수증기량을 초과한 수증기는 응축(청색 표시부분)된다.

여기서 응축된 수분은 외부에서 에너지가 공급되지 않는 한 다시 수증기 형태로 되돌아 가지 못한다는 것에 주의 하자. 따라서 압축 공기 시스템 내에서  발생된 응축수는 반드시 시스템 외부로 배출되어야 하는 이유가 된다.

오른쪽 그림에서 보이는 것처럼 Amb-1, 2, 3, 4, 5, 6와 같이 수증기 양이 서로 다르고, 매우 적은 경우라 하더라도 온도가 낮아져서 포화 수증기 양에 근접하게 되면 RH=100%가 되고 그 상태에서 온도가 조금이라도 낮아 진다면 수증기가 응축되게 된다.

이를 근거로 생각해 보면 냉장고 안의 상대 습도가 냉장고 외부의 상대 습도보다 높을 수 있다는 뜻이고 경우에 따라 냉장고 내부에서도 수증기가 응결되어 이슬이 맺일 수 있다는 뜻이다

마지막으로 노점(이슬점/Dewpoint)에 대하서 알아보자

노점(이슬점/Dewpoint)은 대기 속의 수증기가 이슬로 맺히기 시작하는 온도로 정의된다.

위 그림에서 보면 각각의 대기 Amb-1, 2, 3, 4, 5, 6는 그 때의 온도 T1, T2, T3, T4, T5, T6에서의 포화 수증기 양과 동일하다. 즉, 온도가 조금이라도 낮아진다면 포화 수증기 양을 초과한 수증기는 응축하기 시작하는데, 이때의 온도를 노점(이슬점/Dewpoint)이라고 한다.

즉 노점은 임의의 대기 조건에서 상대 습도가 100%가 될 때의 온도를 의미하며 위 그림의 대기 Amb-1, 2, 3, 4, 5, 6 에서의 노점은 T-1, 2, 3, 4, 5, 6이 된다.

마지막으로 노점은 대기압 노점과 압력 노점으로 구분되는데, 대기압 노점은 지금까지 알아본 것처럼 대기(압)에서의 노점을 의미한다.

반면 압력 노점은 공기를 압축했을 때 압축 공기에서의 노점을 의미하며 노점은 압력에 따라 변화한다. 압력이 증가하면 노점(상대 습도)은 높아지고, 압력이 낮아지면 노점(상대 습도) 역시 낮아 진다.아래 그래프 참조(자료 출처 : Testo)

이상으로 응축수와 노점에 대해서 알아 봤다.

다음 포스트에서는 위내용을 바탕으로 상대 습도 100%도 아닌 공기를 압축하는데 왜 그리 많은 응축수가 생기는지 알아보기로 한다.

또 응축수가 발생되는 양은 공기 압축기와 어떤 관계가 있는지에 대해서도 알아보자.