수봉식 펌프의 압축 특성(vs. 건식 펌프)

수봉식 진공펌프(Liquid Ring Vacuum Pump)에서의 단열 압축(Adiabatic Compression) 현상 발생 여부와 그 특성에 대하여 다음과 같이 기술한다.

 

 

 

수봉식 펌프의 압축 특성(vs. 건식 펌프)

단열 압축 현상의 발생 여부

수봉식 진공펌프에서도 가스가 압축되는 과정 자체는 열역학적으로 단열 압축의 원리를 기반으로 시작된다. 그러나 실제 운전 과정에서는 건식 펌프와 달리 등온 압축(Isothermal Compression)에 가까운 거동을 보인다.

• 이론적 배경: 가스의 부피가 급격히 줄어들면 물리적으로 압축열이 발생한다.
• 실제 거동: 발생한 압축열이 내부에 존재하는 밀봉액(작동액, 주로 물)으로 즉각 전달되기 때문에 가스의 온도 상승이 극도로 억제된다.

 

 

수봉식 펌프에서 온도 상승이 억제되는 이유

수봉식 펌프가 건식 펌프와 차별화되는 가장 큰 특징은 압축실 내부에 존재하는 방대한 양의 밀봉액이다.

• 열용량(Heat Capacity)의 차이: 물의 비열은 가스(공기 등)에 비해 매우 크다. 압축 과정에서 발생하는 열량을 밀봉액이 흡수하더라도 밀봉액 자체의 온도 변화는 미미하다.
• 직접 접촉 냉각: 가스가 임펠러와 수환(Liquid Ring) 사이의 공간에서 압축될 때, 액체와 직접 접촉하며 현열(Sensible Heat) 교환이 일어난다.
• 잠열(Latent Heat) 흡수: 압축열의 일부는 밀봉액 일부를 증발시키는 기화열로 소비되어 가스의 온도 상승을 방해한다.

 

 

건식 펌프와의 비교 (열역학적 관점)

수봉식 펌프와 건식 펌프의 압축 특성을 비교하면 다음과 같다.

구분	수봉식 진공펌프 (Liquid Ring)	건식 진공펌프 (Dry Pump)
주요 압축 과정	등온 압축(Isothermal)에 근접	단열 압축(Adiabatic)에 근접
냉각 방식	밀봉액에 의한 직접 냉각	하우징 자켓에 의한 간접 냉각
토출 온도	밀봉액 온도보다 약 5 ~ 10°C 상승	압축비에 따라 100 ~ 200°C 이상 상승
안전성	인화성/폭발성 가스 취급에 유리	고온에 의한 중합 및 발화 위험 존재

 

 

주의사항 및 한계

수봉식 펌프가 단열 압축에 의한 온도 상승을 효과적으로 제어함에도 불구하고, 다음과 같은 공정상 제약이 따른다.

• 밀봉액의 증기압(Vapor Pressure): 압축열에 의해 밀봉액의 온도가 상승하면 액체의 증기압이 높아져 도달 가능한 진공도가 저하된다.
• 공동현상(Cavitation): 밀봉액이 과열되어 국부적으로 비등(Boiling)할 경우 펌프 내부의 손상을 초래할 수 있다.
• 열교환기 필요성: 밀봉액이 흡수한 열을 외부로 방출하기 위해 폐쇄 루프 시스템(Closed Loop System)에서는 별도의 열교환기(Heat Exchanger) 설치가 필수적이다.

 

출처:

KOSHA Guide P-160-2022 (진공펌프의 안전운전 및 유지보수에 관한 기술지침)

API Standard 681 (Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors)

일반 열역학 (Thermodynamics) - 등온 및 단열 과정의 비교 분석 기초