공기를 압축하면 왜 많은 물이 생기는가?

공기를 압축하면 왜 많은 물이 생기는가?

우리가 숨쉬고 있는 대기는 습도가 아무리 높아도 상대 습도는 100% 미만이다.

기상청의 기상 정보에 따르면 우리나라의 경우 습도가 높을 때인 장마철이라 해도 RH=85% 정도라고 한다. 그런데 이런 대기를 압축하고 나면 왜 많은 응축수가 생길까?

오늘은 그 이유에 대해서 알아보자.

대기를 압축할 때 응축수가 생기는 이유에 대해서 논의 하기 전에 몇가지 중요한 물리량에 대해서 알아보자.

  1. 노점(Dew Point) : 대기중의 수증기가 과 포화 상태가 되어 물이 맺히기 시작하는 온도.
  2. 포화 수증기 양(g/m^3) : 임의의 조건(온도 및 압력)에서 가질 수 있는 최대의 수증기 양.
  3. 포화 수증기의 양은 온도 및 압력에 따라 결정되며 온도 및 압력이 증가하면 포화 수증기 양도 증가하고 온도, 압력이 감소하면 포화 수증기 양 역시 감소한다.
  4. 온도 변화가 없을  때 대기를 압축하면 보일의 법칙에 따라 체적은 감소하고 압력은 증가 한다. (V2/V1=P1/P2)
    그러나 대기에 존재하는 수증기의 절대 양은 변화가 없다.

위 그림의 (A)와 같이 단위 공기마다 에 5개의 수분을 가지며 RH=20%인  9개의 단위 공기가 있다고 가정하면 단위 공기의 포화 수증기 양은 수증기 25개가 된다.(5개/20% = 25)

이 공기를 그림 (B)와 같이 압축비 1/3로 압축하면 체적은 1/3로 감소 하고, 압력은 3배로 증가 한다.(단 온도 변화는 없다고 가정한다.)
압축 전 단위 공기마다 5개의 수증기를 가지고 있었기 때문에 체적이 1/3로 감소 한다면 각 단위 공기의 수증기 양은 증가하며 그 수는 15개가 된다.(5개 * 3 =  15개)
이때 단위 공기의 포화 수증기 양이 25개 였으므로 압축 후 상대 습도는 60%가 된다(15/25 = 60%)

같은 과정으로 그림(C)와 같이 체적 비 1/9로 압축되는 경우에는 단위 공기는 9개에서 1개가 되고 압력은 9배(절대 압력 기준)로 증가 한다.
이때 1개의 단위 공기 중 수증기 양은 45개가 되고 포화 수증기 양인 25개를 초과 한다.
포화 수증기 양을 초과한 수증기는 응축된다고 했으니 25개를 초과한 수증기 20개는 물로 응축된다.

이상과 같이 공기를 압축하면 체적 변화에 따라 습도가 높아지고 과 포화 된 즉,  RH=100%를 초과한 수증기는 물로 응축되는 것을 알았다.

논의를 단순화 하기 위해 위에서 알아본 압축 과정에서는 온도 변화를 고려하지 않았다. 그러나 공기를 압축하면 온도 상승이 동반되므로 통상의 경우 체적 비 1/9로 압축 하더라도 온도 상승에 따라 포화 수증기 양 역시 증가하기 때문에 수증기가 응축하는 경우(과 포화)는 없다

그러나 공기 압축기의 부하율이 매우 낮거나 과 냉각될 때 등 압축기의 운전 온도가 지나치게 낮아지는 경우 공기 압축기 내부에서도 수증기가 물로 응축되는 경우가 있어 압축기 운전 온도에 주의 해야 한다.

압축기에서 공기가 압축된 직후에는 높은 온도를 유지 하기 때문에 수증기가 응축되지는 않지만 된 압축기 내부에 있는 열 교환기 및 압축기 후단에 있는 보조 설비 등을 통과하는 과정에서 온도 변화(온도 하강)가 발생되기 때문에 압축 공기 중 수증기가 과포화 상태에 이르며 초과된 수증기는 물로 응축되는 것이다.

이런 과정에서 발생되는 응축수의 양은 지금까지 알아본 봐와 같이 압축 하기 전 대기의 온도 및 습도 조건과 압축기의 압축비에 따라 결정 될 뿐 공기 압축기의 특성에는 영향을 받지 않는다.

마지막으로 실제 압축기 운전 과정에서 발행하는 응축수의 양이 얼마나 되는지 알아 보기로 하자.
아래 그림은 응축수 발생 양을 계산하기 위해 개발된 Sheet를 캡춰 한 것이다.

응축수 발생 양 계산을 위해 입려되야 할 Data는 아래와 같다.

압축기 유량 : 20m^3/min, 운전 압력 8.5kgf/cm^2, 부하 율 70%, 하루 10시간 가동, 흡입 온도 30℃, 상대 습도 60%  조건일 때 공기 압축기를 1일 가동 했을 때 각각의 단계에서 발생하는 응축수의 양은 아래와 같다.

제습 처리 하지 않았을 때 총 응축수 양 : 153.2 Liter/day(1.532M^3/day)
Air Tank에서 Drain 되는 응축수 양 : 90.6 Liter/day
After Cooler에서 Drain되는 응축수 양 : 33.4 Liter/day
냉동식 드라이어에서 Drain되는 응축수의 양: 23.0 Liter/day
흡착식 드라이어에서 흡착되는 응축수의 양 : 6.1 Liter/day 가 된다.
(위 계산 결과는 참고용을 계산된 것이며 압축기 내부, Filter 등 기타 설비에서의 drain 양은 계산에 반영하지 않았습니다)