가스 밸러스트: 더 높은 최종 압력, 더 긴 수명
거의 모든 대기압 작동을 위해 설계된 오일 밀봉 진공 펌프는 가스 밸러스트 장치가 장착되어 있습니다. 그런데 가스 밸러스트의 목적은 무엇일까요? 그것이 최종 압력에 도달하는 데 영향을 미치지 않나요? 또한 진공 펌프의 배기 시간이 더 길어지지 않나요?
이 짧은 기사에서는 가스 밸러스트의 다양한 응용 분야에 대해 설명하겠습니다.
가스 밸러스트
오일 밀봉 진공 펌프의 가스 밸러스트는 1935년 Wolfgang Gaede 교수의 발명품 (저압을 생성하기 위해 증기 및 가스/증기 혼합물을 전달하는 단일 또는 다단계 진공 펌프)에 그 기원을 두고 있습니다. 원래의 목적은 진공 펌프의 압축 단계에서 펌핑된 가스 증기의 응축을 방지하는 것이었습니다. 그러나 가스 밸러스트는 그 이상의 역할을 할 수 있습니다!
구조 및 기능
가스 밸러스트는 압축 단계에서 정의된 누출을 통해 가스를 도입하는 오일 밀봉 진공 펌프의 장치입니다. 흡입구는 보통 배기 밸브 근처에 위치합니다. 가스 밸러스트의 양은 다양한 옵션을 통해 다를 수 있으며, 스로틀 밸브로 조절할 수 있습니다. 일반적으로 가스 밸러스트를 통해 도입되는 가스의 양은 진공 펌프의 명목 펌핑 용량의 약 10% 정도입니다.
가스 밸러스트의 적용가능 분야:
1) 진공 펌프 예열
오일 밀봉 진공 펌프는 응축 가능한 증기 성분이 있는 가스를 자체 오염 없이 효율적으로 전달하기 위해 특정한 작동 온도가 필요합니다. 많은 진공 시스템에서는 진공 펌프를 켜자마자 가스 밸러스트를 열어둡니다. 진공 챔버의 배기 작업이 없는 경우에도, 진공 펌프는 가스 밸러스트 포트를 통해 들어오는 가스를 압축하여 이 압축 작업을 통해 펌프를 예열합니다. 진공 펌프는 가스 밸러스트를 통해 필요한 작동 온도에 더 빨리 도달할 수 있습니다.
2) 응축 가능한 증기의 전달 (수증기를 예로 들어)
수증기는 진공 펌프가 처리해야 하는 가장 일반적인 가스 중 하나로, 공정 요구 사항뿐만 아니라 표면으로부터의 탈착을 통해 진공 상태에서 마지막으로 방출되는 가스 중 하나입니다.
운전 온도가 약 80°C이고 물 증기 허용치가 10 mbar인 일반적인 오일 밀봉 진공 펌프를 고려해보세요 (펌프의 데이터 시트에 명시됨). 전달된 가스를 배출하기 위한 필요 압력은 1100 mbar 절대압입니다.
- 가스 밸러스트 없이 작동
먼저, 가스 밸러스트 없이 순수한 물 증기 10 mbar의 흡입 압력으로 작동할 때 발생하는 일을 생각해 봅시다. 진공 펌프에서는 물 증기가 약 475 mbar의 포화 증기압(psat,80°C)에 도달할 때까지 압축됩니다. 이후에는 물 증기가 응축되어 오일 내에 액체 상태로 남아 있기 때문에 더 이상 압력이 증가하지 않습니다. 결과적으로 진공 펌프의 최종 압력은 현저히 나빠지고, 윤활 특성이 감소하여 마모가 증가하며, 진공 펌프 오일의 수분 함량으로 인해 펌프 부식이 증가합니다.
- 가스 밸러스트와 함께 작동
표준 가스 밸러스트 크기로는 명목 펌핑 용량의 약 10%가 가스 밸러스트 포트를 통해 흐릅니다. 단순화를 위해, 펌프의 흡입 압력이 이제 대기압의 10%인 psuction = 100 mbar라고 가정해 봅시다. 이 중 10 mbar는 순수한 수증기이고, 최대 추가 3 mbar는 대기에서 온 수증기입니다. 따라서 진공 펌프에는 13 mbar의 물 증기와 87 mbar의 비응축 가스가 포함됩니다.
이 초기 압력 100 mbar는 1100 mbar의 배기 압력에 도달하기 위해 11배로 압축되어야 합니다. 물 증기의 부분 압력은 143 mbar (초기 물 증기 압력 13 mbar에 압축 계수 11을 곱한 값)로 증가합니다. 이 부분 압력은 포화 증기 압력보다 훨씬 낮아, 진공 펌프 내에서 물이 응축되지 않으며, 증기는 배기구를 통해 배출됩니다.
주의사항!
포화 증기압은 온도에 따라 달라집니다. 진공 펌프를 시작한 직후에는 온도가 약 20°C로, 이는 물 증기 포화 증기압인 psat,20°C=24mbar에 해당합니다. 따라서 차가운 진공 펌프는 수증기를 전달할 수 없습니다!
3) 공정 단계 간 또는 종료 전에 진공 펌프 건조
많은 응용 공정에서, 가스 밸러스트를 사용하면 시스템 압력이 너무 많이 증가할 수 있기 때문에 사용할 수 없습니다. 이는 예를 들어, 물 증기와 같은 응축물이 진공 펌프 오일에 오염될 수 있습니다. 오일은 수분을 흡수합니다.
이제, 공정 중단 시간이나 진공 펌프를 대기 모드로 종료하기 전에 가스 밸러스트가 열리면 다음과 같은 일이 발생합니다. 진공 펌프에서 생성된 저압은 오일에서 응축된 물이 증발하도록 합니다. 그런 다음 외부에서 들어온 공기와 함께 다시 압축됩니다 (2항 참조). 물 증기는 다시 응축되지 않고 진공 펌프의 배기구를 통해 배출됩니다. 그러나 모든 오일이 건조되도록 이 과정은 일정 시간 동안 실행되어야 합니다.
4)배기구에서 유해 가스 희석
코팅 공정은 때때로 순수한 산소(O2)를 반응 가스로 추가하는 방식으로 반응적으로 실행됩니다. 진공 펌프에서는 이 산소가 약 80°C에서 1100 mbar로 압축되어 진공 펌프 오일의 탄화 속도를 크게 가속화합니다.
이를 해결하기 위해, 가스 밸러스트를 통해 불활성 가스를 공급하여 산소의 농도를 크게 줄일 수 있으며, 따라서 오일에 대한 부담을 눈에 띄게 줄일 수 있습니다.
산소(O2) 외에도 부식성, 폭발성 또는 유독한 다양한 가스가 사용될 수 있으며, 적절한 가스 밸러스트 가스를 추가하여 이를 중화할 수 있습니다.
결론
올바르게 사용된 오일 밀봉 진공 펌프의 가스 밸러스트는 서비스 수명을 연장하거나 진공 펌프를 보호하는 데 탁월한 도구입니다. 높은 최종 압력의 단점은 많은 공정이 주기적으로 작동하기 때문에 일반적인 사용의 장점으로 충분히 보상됩니다. 따라서 특정 시간에 가스 밸러스트를 사용할 수 있습니다.