The Leader in Compressed Air Technologies

Agenda

목 차

1. AIR COMPRESSOR의 종류

2. CENTRIFUGAL COMPRESSOR의 원리

3. 공기압축기 및 드라이어 선정

4. INGERSOLL-RAND AIR COMPRESSOR 소개

Agenda 1. AIR COMPRESSOR의 종류

AIR COMPRESSOR 의 종류

AIR COMPRESSOR 의 종류

왕복동 컴프레샤 (RECIPROCATING)

스크류 컴프레샤 (ROTARY)

원심력 컴프레샤 (CENTRIFUGAL)

AIR COMPRESSOR 의 종류

TYPE ACFM BHP COOLING AIR PURITY

왕복동식 <1 to 3,018 <1 to 600 60Hp 이하 - Air 60Hp 이상 - Water

Lube or Oil Free

급유식 스크류 34 to 3,000 10 to 700 Air or Water Lube

무급유식 스크류 150 to 4200 60 to 900 Air or Water Oil Free

원심식 400 to 25,000 125 to 6,000 Water Oil Free

Agenda 2. CENTRIFUGAL COMPRESSOR의 운전원리

1. Inlet filter를 통해 깨끗한 공기 유입

6. 각 단마다 설정압력까지 1-5 단계의 압축과정 반복

2. 공기는 임펠러에 의해 압력과 속도가 높아진다. 이때 임펠러는 2/3의 압력을 생성

3. 디퓨져에서 공기의 속도가 저하되어 1/3의 압력이 생성

4. 인터쿨러에 의해 압축열이 제거. 재압축에 필요한 컴프레샤의 효율을 증대

CENTAC® 의 운전원리

5. 압축 공기는 stainless steel moisture separator를 통해 응축수 제거

공기 압축 과정 소개

Inlet filter를 통해 유입된 공기는 임펠러에 의해 압력과 속도가 증가하고 순차적으로 Diffuser 에서 속도가 줄어든다.

옆의 표는 일단 원심식 컴프레샤에서 발생하는 속도, 압력 그리고 온도의 변화에 대한 그래프이다.

Centrifugal Compressor 의 압축과정을 설명할 때는 주로 원심식 펌프의 이론을 이용한다. 공기를 유체와 같이 고려하고 같은 열역학 이론을 사용한다. Centrifugal compressor 에서 공기 1pound를 움직이는 일의 양을 펌프에서 말하는 “HEAD”라고 한다.

CENTAC® 의 운전원리

공기 압축 과정 소개

“HEAD”의 측정값 단위는 foot-pounds per pound (ft-lbs/lb)를 사용한다.

공기의 흐름은 “FLOW”로 나타내고 단위는 cubic feet per minute (ft3 /min)를 사용한다.

CENTAC® 의 운전원리

•압력과 유량

그래프는 일정 속도하의 backward-leaning bladed impeller를 가진 이론적인 1단 컴프레샤의 작동 시 압축과정을 나타낸 것이다.

이 표에서 이론적으로 압력과 유량이 상승함에 따라 ideal head plot은 오른쪽으로 내려감을 알 수 있다. 또한 flow가 증가함에 따라 압력도 감소함을 알 수 있다.

CENTAC® 의 운전원리

•압력과 유량

이상적인 표는 실제 컴프레샤에서 다양한 energy loss에 영향을 받는다. 표의 점선은 이러한 loss를 나타내고 있다.

실제 Curve 는 0 ~ Max. flow 까지의 모든 유량에 적용되지 않음을 보여주고 있다. 실제 Curve의 왼쪽에서는 유량이 증가함에 따라 압력 또한 상승하고있다. 컴프레샤가 안정된 상태를 유지하기 위해서는 유량이 증가하면 반드시 압력은 저하되어야 하기 때문이다. 따라서 왼쪽의 압력상승부분의 Curve는 컴프레샤에서 사용되어질 수 없다.

Curve의 오른쪽부분은 유량증가에 따라 급격히 압력이 감소함을 보여준다. 이것은 아주 작은 유량의 변화에도 많은 압력의 변화가 생기게 한다.

CENTAC® 의 운전원리

•압력과 유량

이 그래프는 실제 Centrifugal compressor 가 사용할 수 있는 실제 압력 곡선을 나타낸다. 즉, 이 곡선은 유량 증가에 따라 압력이 예상 가능하고 안정적인 부분을 나타낸다.

사용할 수 없는 왼쪽부분에서는 서지(Surge)가 발생하게 되고 오른쪽에서는 쵸크(Choke)가 발생하게 된다.

CENTAC® 의 운전원리

•서지 (Surge)

1. 단지 Discharge valve 만으로 컴프레샤의 유량을 조절하고 있다고 가정한다. Point Q

•Discharge valve가 닫히면 Discharge 압력은 상승하게 된다.

2. 유량이 감소함에 따라 압력은 상승하여 Point P로 향하게 된다.

3. Point P 에서 서지가 발생한다. ( Natural surge point)

4. 공기흐름의 역행으로 operating point 는 Point J 로 이동하게 된다. 서지는 기계의 이상소음을 발생시킨다.

5. 서지로 인해 압력은 J-K 선과 같이 감소한다.

6. 압력 축을 통하면서 순방향의 공기흐름이 재구성된다.

8. 압력은 다시 Q-P 선과 같이 상승하게 된다.

7. Point Q 에서의 유량은 Discharge valve를 통해 나갈 수 있는 것 보다 크다.

9. 압력이 Point P에 도달하면 서지는 반복하여 발생한다.

CENTAC® 의 운전원리

•쵸크는 컴프레샤를 토한 최고 유량의 한계이다.

•쵸크가 발생하면 컴프레샤 자체와 Discharge system에 손실로 인해 더 이상의 공기흐름을 기계적으로 발생할 수 없다.

•Centrifugal Air Compressor 에서 사용 가능한 범위와 쵸크사이의 경계를 “Stonewall” 이라 한다.

•Stonewall 의 기계적 의미 : 유속이 음속에 다다르는 지점.

•쵸크와 스톤월(Choke and Stonewall)

CENTAC® 의 운전원리

공기 압축기에서 체적, 압력 그리고

온도는 밀접한 연관이있다. 1m3 의 공기를 공기압축기를 통하여 7bar(101.5 psig) 로 압축한다면

공기의 부피는 기존의 1/8 로 축소된다.

공기압축과 압력, 온도

분자 사이의 공기 공간은 액체일 때보다 10배가 크다. 이와 같은 이유로 기체는 고체나 액체에 비해 매우 작은 부피로 쉽게 압축할 수 있다. 기체의 압축은 기체 분자 간의 충돌과 기체가 담겨진 용기의 표면에 충돌하여 이루어진다.

부피를 줄이면서 기체 분자가 더욱 밀집하게 되고 이와 동시에 압력은 상승하게 된다.

공기압축과 압력, 온도

기체의 응축은 분자의 냉각에 의한 운동에너지 감소에 기인한다. 즉 기체 분자가 분자간의 충돌을 방지하기 위해 충분히 빠른 속도로 움직이기 위해서는 온도의 영향이 크다. 각 온도별로 일정 부피, 일정 압력 하에서 분자가 존재할 수 있는 최대 분자량이 있다. 온도 상승 없이 일정한 최대부피에 더 이상의 기체분자를 추가하게 되면 분자 상호간의 당김 현상이 증가하여 응축이 시작된다. 고온에서는 분자는 상호간에 분리되고자 하고 결국 분자는 깨어져 원자핵과 전자로 구성되는 전리(Plasma) 단계가 된다.

공기압축과 압력, 온도

* 압력(pressure) 면 전체에 걸리는 힘을 전압력, 그 면의 단위면적 당 작용하는 힘을 압력의 세기라 한다. 압력의 크기만을 말할 경우에는 압력의 세기로 나타내는 것이 보통이다. 지표상에 있는 물체는 모두 대기압 아래 있으므로 압력의 크기를 나타낼 때는 대기압도 포함해서 말하는 경우와 대기압을 기준점 즉 0으로 하고 대기압 이외의 압력의 크기를 말하는 경우를 구별할 필요가 있다. 대기압을 포함할 경우를 절대압력, 대기압을 기준점으로 하는 경우를 보통압력 또는 게이지 압력이라 한다. CGS단위계로는 dyn/cm2, MKS단위계로는 N/m2(=Pa:파스칼)이 쓰이는데, 기상학에서는 hPa(헥토파스칼) ·bar(바) ·mbar(밀리바), 공업상으로는 기압 단위 또는 kgW/cm2가 주로 쓰인다. 액주(液柱)가 밑면에 미치는 압력은 액체의 밀도와 액주의 높이의 곱이 되므로, 액체를 지정(수은 ·물 ·알코올 등)해서 액주의 높이로 압력의 크기를 나타내어 mHg(수은주 미터) ·mmHg(수은주 밀리미터) 등으로 표시하기도 한다.

공기압축과 압력, 온도

* 기본 공식 1. 압력의 변환 Pabs : 절대압 Patm : 대기압 Pgauge : 게이지압 Pvac : 진공압 Conversion factor 14.7 psia = 408 inches of water 14.7 psia = 29.9 inches of mercury 1 inch of mercury = 25.4 mm of mercury

2. 밀도 (Density)

공기압축과 압력, 온도

* 기본 공식 3. 비체적 (Specific Volume)

4. 온도 (Temperature)

공기압축과 압력, 온도

* 기본 공식 5. 이상기체 상태방정식 (Ideal Gas Law)

보일-샤를의 법칙에 의해 얻어지는 방정식 PV = nRT n : 기체의 몰수 R : 기체 상수 (0.082) Boyle의 법칙 : 일정한 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례 P1V1 = P2V2 Charles의 법칙 : 일정한 압력에서 기체의 부피는 절대온도에 직접 비례

공기압축과 압력, 온도

* 기본 공식 6. 변환 공식 (Conversion Formulas) 1. ICFM - SCFM

520 P1 - PX460 + T1 14.7

T1 = Air Inlet Temperature in Deg. FP1 = Air Inlet Pressure at Compressor Flange in PSIAPx = Pv X RHPv = Partial Pressure of Water Vapor at T1

RH = Relative Humidity %

2. m3/h - Nm3/h

273 P1 - PX273 + T1 1.033

T1 = Air Inlet Temperature in Deg. C

P1 = Air Inlet Pressure at Compressor Flange in Kg/cm2(a)Px = Pv X RHPv = Partial Pressure of Water Vapor at T1

RH = Relative Humidity %

3. Nm3/h - SCFM

SCFM = ICFM xx

x

Nm3/h = 0.02832 x SCFM

Nm3/h = m3/h x

공기압축과 압력, 온도

Volumetric Flow

Dis

char

ge

Pres

sure

Compressor Curves

Centrifugal Compressor Operation

Natural Curve

Surge Line Pb = 14.4 P1 = 14.1 RH = 60% Tw = 80(27C) T1 = 95(35C)

Choke

Rise to Surge

Natural Surge Point

Throttled Surge

Volumetric Flow

Dis

char

ge

Pres

sure

Effect of Inlet Air Temperature Pb = 14.4 P1 = 14.1 RH = 60% Tw = 80 T1 = 65(18)

Pb = 14.4 P1 = 14.1 RH = 60% Tw = 80 T1 = 105(46)

Centrifugal Compressor Operation

Volumetric Flow

Dis

char

ge

Pres

sure

Effect of Cooling Water Temperature Pb = 14.4 P1 = 14.1 RH = 60% Tw = 65(18C) T1 = 95(35C)

Pb = 14.4 P1 = 14.1 RH = 60% Tw = 105(41C) T1 = 95

Centrifugal Compressor Operation

Volumetric Flow

Dis

char

ge

Pres

sure

Effect of Barometric Pressure Pb = 13.9 P1 = 13.6 RH = 60% Tw = 60 T1 = 95

Pb = 14.7 P1 = 14.4 RH = 60% Tw = 60 T1 = 95

Centrifugal Compressor Operation

Agenda 3. 공기압축기 및 드라이어 선정

• AIR COMPRESSOR 의 선정 시 고려할 사항 1. 평균 필요 공기량 2. 최대 필요 공기량 3. 공장 확장의 고려 4. 유지.보수의 고려 5. 충분한 배기 6. 공장에서 필요한 공기의 등급 7. 최소 필요 압력

AIR COMPRESSOR 의 선정

• 필요 공기량 (Air Volume Flow Rate Requirement)

필요 공기량은 유량 측정기 또는 기존 시스템의 Compressor 의 Load factor의 관찰에 의해 결정되어 질 수 있다. 정확한 필요 공기량 산정은 에너지 낭비 방지와 모든 장치에 적합한 공기를 분배 하기위해 꼭 필요하다. Load Factor 란 실제 공기 소모량과 최대 공기 소모량의 비율이다. Time factor 와 Work factor 로 구성되어 진다. Time factor : 장비가 실제로 사용되는 시간의 퍼센트(%) Work factor : 장비에 의해 수행되어지는 실제 일을 위해 필요한 분당 최대 가능 Output 의 비율(%) 또한, 시스템에서 Desiccant Dryer(흡착식)를 사용한다면 15%의 purge loss를 감안하여야 하며, 시스템내의 공기 누설(Air leakage)도 함께 고려하여야 한다.

AIR COMPRESSOR 의 선정

* 필요 압력 (Air Pressure Requirement) 일반적으로 100psig의 시스템 압력에서 1psi의 압력을 가압하는데 energy cost는 1.5% 상승한다. 압력을 산정할 때 시스템내의 차압을 신중히 고려하여야 한다. 주로 차압이 발생하는 곳은 Air Dryer, Filter, 그리고 부적절한 Piping이다. 배관은 차압을 고려할 때 일반적으로 30ft(9m)/sec 의 유속으로 결정을 하고 수분이 사용지점까지 유입되는 것을 방지하기 위해서는 20ft(6m)/sec 의 유속이 권장된다. 이론적으로 차압은 Compressor와 사용지점까지 10%를 초과하지 않는 것이 좋다. 표의 압력단위는 psi이고, 압축공기 125psig 가 1000ft(305m)의 파이프를 통과할 때 발생하는 압력 손실을 나타 낸 것이다.

AIR COMPRESSOR 의 선정

AIR COMPRESSOR 의 선정

• 압축공기의 등급설정 ( Compressed Air Quality )

시스템에서 요구되어지는 공기의 등급을 선택하여야 한다.

AIR COMPRESSOR 의 선정

• 적절한 Air Compressor 의 선택

1. 용량 (Capacity) 2. 압력 (Operating Pressure) 3. 전압 ( Voltage ), 주파수 (Hz) 4. 상대습도 (Relative Humidity) 5. 냉각수 온도 (Coolant Temperature) 6. 외기 온도 (Inlet Temperature) 7. 모터의 종류 (ODP or TEFC, IEC or NEMA) 8. 에너지 비용 (Energy Cost)

Complete Compressed Air

Solutions

Cooling Systems

Rotary & Recip Compressors

Centrifugal compressors including gas & steam driven units

Dryers including refrigerated, desiccant, heat of compression, blower purge, and drum dryers

System components such as air filters, receivers and piping

System controls Including competitive units

Aftermarket support & service including competitive parts & service

AIR COMPRESSOR 의 선정

0C1200-2000 CFM

300-450 HP/2-3 StgOBSOLETE

1C2100-3000 CFM

450-700 HP/3-4 StgOBSOLETE

2C3500-5500 CFM

800-1250 HP/3,4,5 StgOBSOLETE

3C6000-9000 CFM

250-2500 HP/3,4,5 Stg5 Stg is High Pressure

4C9000-15,000 CFM

1250-2500 HP/3,4,5 Stg5 Stg is High Pressure

Centac IOriginal Centac

Baseplate Mounted Motor1Pc. Cooler Cover

1ACII1500-3000 CFM350-700/2 Stgs

2CC2100-3500 CFM

350-800 HP/2-3 StgsCoupled CV2

2ACII3200-4500 CFM

800-1250 HP/2-3 Stgs

2CII3200-4500 CFM

800-1500 HP/2,3 Stg&DF3Stg is High Pressure

3CII6000-9000 CFM

1000-2000 HP/2-3

5CII12,500-30,000 CFM

2000-5000 HP/2-3 Stg

Centac IINew Version Centac

Baseplate Mounted MotorHas Cooler "Barrels"

CV0 (C100 - C200)350-800 CFM

100-200 HP/2 Stg

CV1 (C200 - C350)800-1400 CFM

200-350 HP/2 Stg

CV1B (C350 - C450)1400-2200 CFM

350-500 HP/2 Stg

CV1A (C350 - C450)1500-3000 CFM

350-700 HP/2 Stg

CV22100-3500 CFM

350-800 HP/2-3 Stg

CVFlange Mounted Motor

Has Cooler Barrels

CH3400-800 CFM

75-125 HPSingle Stg CV0

CH4700-1400 CFM

100-150 HPSingle Stg CV1

CH51500-3000 CFM

125-700 HPLow, Med. & High Press.

CH63200-5500 CFM

300-600 HPLow, Med. & High Press.

Single Stage MachinesFoot Mounted Motor

5CCH1500-3000 CFM

125-700 HPLow, Med. & High Press.

6CCH3200-5500 CFM

300-600 HPLow, Med. & High Press.

CHSingle Stage MachinesFlange Mounted Motor

Similar to CV

L Series2000-75,000 CFM

5-12 PSI

H Series2000-75,000 CFM

12-27 PSI

R Series5000-15,000 CFM

10-37 PSI

ST Series1000-75,000 CFM

Steam Compressor

S Series1000-12,000 CFM

5-9 PSI

X-FloSingle Stage Machines

Airend Purchased from KHIPackaged in Mayfield

Centrifugal CompressorProduct Line

AIR COMPRESSOR 의 선정

AIR COMPRESSOR 의 선정

Oil Free Rotary Screw Compressor

Model SIERRA® Product Line

AIR COMPRESSOR 의 선정

Contact Cooled Rotary Screw Compressor

Model SSR® Product Line

AIR COMPRESSOR 의 선정

RANGE STDSTAGES OF COMPRESSION 2 - 3 3MAXIMUM FLOW RATE, SCFM 1 - 25,000PRESSURE IN, PSIA 10 - 15 14.7TEMPERATURE IN, F 10 - 125 80MINIMUM PRESSURE OUT, PSIG 75 - 150 120MINIMUM TEMPERATURE OUT, F 210 - 400 250COOLING WATER TEMP, F 40 - 95 85COMPRESSOR APPROACH, F 2 - 25 20DRYER COOLER APPROACH, F 2 - 20 10MAXIMUM DRYER PRESS. DROP, PSI 1 - 15 7

POTENTIAL DEWPOINT, F H-43 OR@INLET WET BULB: 80 F -81 -100 USE BOOSTER

50 F -81 -100 HEATER FOR-4032 F -94 -112 CONTINUOUS

DEWPOINTSTRIPPING PURGE, SCFM: 54

AVERAGE: 20

PRESSURE DROP, PSI:DRYER: HEATING 2.2 2.2

COOLING 1.0AVERAGE 2.2 1.5

COOLER: 0.8 0.9

SEPARATOR: 0.4 0.4

AFTERFILTER: 0.5 0.2TOTAL SYSTEM PRESSURE DROP: 3.9 2.9

INPUT VARIABLES

68

HEAT OF COMPRESSIONENERGY FREE DRYER SELECTION

COMPRESSOR CONDITIONS

33,00014.7115100369

15105

HC-41

AIR DRYER 의 선정

Q1 ( SCFM) 206T1 ( DEGREES F) 120 P1( PSIG) 125

MODEL NUMBER 5

MODEL SELECTED TZ 400DESICCANT AVAILABLE 220 LBS/CHAMBERVESSEL DIAMETER 14 INCHESVESSEL AREA 0.99 FT^2SHELL LENGTH 51.63 INCHESL/D RATIO 3.7INLET/OUTLET CONNECTION 1-1/2"

FOR -40 C / - 40 F PRESSURE DEWPOINT 10 MINUTE CYCLEMODEL SELECTED TZ 400VELOCITY 24 FT/MINDESICCANT REQUIRED 175 LBS/CHAMBERDESICCANT AVAILABLE 220 LBS/CHAMBERCONTACT TIME 11.6 SECONDSPURGE LOSS 38.8 27.3DUMP LOSS 6.24OUTLET FLOW 161

TZ HEATLESS DRYER SIZING

ENTER VALUES

TZ 400

AIR DRYER 의 선정

Agenda 4. INGERSOLL-RAND AIR COMPRESSOR

Davidson,USA (800 employees) HIS Headquarters ISO 9001 plant Assembly up to 1250 Hp

Centac Plants Location

Vignate, Italy (320 employees) ISO 9001 plant Manufactures complete Centac Range

Mocksville, NC (550 employees) ISO 9001 plant Center of excellence for machining

Naroda, India (332 employees) ISO 9001 & 14001 plant Assembly up to 1250 Hp

1 A C V 1 8 M 2

Frame Generation Flow X 100

Driver

Stages

MODEL NUMBER

C 300-L

Frame

Horsepower

Pressure

L = 100 psig M = 115 psig H = 125 psig

MODEL NUMBER

C 3 0 0 L - 3S

Frame

Horsepower

Pressure # Stages

L = 100 psig M = 115 psig H = 125 psig HH = 150 psig

MODEL NUMBER

Oil Free Advantage

OIL CARRYOVER

HIGH MAINTENANCE COSTS

PRODUCT CONTAMINATION

FILTER PRESSURE

DROP

PAINT FISHEYES

Why Oil-Free Air?

Cus

tom

er C

ost I

mpa

ct

Maintenance Costs

Environmental Costs

Product Contamination

Customer Concerns

Poor Plant Controllability

Why Oil-Free Air?

Why Centac ?

1940: Reciprocating Compressors (70 – 80 moving parts per stage) 1960: Screw Compressors (20 – 30 moving parts per stage) 1970: Centrifugal Compressors (3 – 4 moving parts per stage)

Technology

Centac Package

Control Panel

Oil Reservoir

Motor Airend

Bypass Valve

Lube Oil Pump

Oil Cooler

Condensate Traps

Inlet Valve First Stage

Third Stage

Water Manifold

Compressor Airend

Vertically Split

Linebore

Gear Case

Cover

Gear Case Cover

Airend - Rotor Assembly

Rotor Assembly

• 15-5 pH stainless steel impeller • Alloy Steel Pinion shaft, and thrust collar • Helical gearing • Polygon(2 Stage)/ Key-Per (3 Stage)

attachment for reduced stress concentrations

• Complete assembly balanced as a whole

Features & Benefits

Airend - Rotor Assembly

Airend - Bearings

Bearings

Airend - Bearings

Fixed Tilted Pad Bearings (Plain Bearing) – Hydrodynamic bearing running on film

of oil – Virtually unlimited life – Good Load Carrying Capability – No moving parts

Tapered land or pocket type oil film bearing for thrust loads

– Single piece construction requiring no yearly inspection

– Long life, 2 to 3 times as long as an antifriction type

Features & Benefits

Airend - Air Coolers

Cooler

• Multi-pass counter flow for highest cooling efficiency

• Integral cooler for most compact design • Low inherent noise level • Lower water flow requirements • Stainless steel header and shroud with

copper tubes • CuNi tubes available as an option • Heresite coating available as an option

Airend - Air Coolers

Features & Benefits