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기체 밸러스트는 무엇이며 어떻게 작동합니까?

1935년 볼프강 게데가 개발한 기체 밸러스트 설비는 펌프에서 증기의 응축을 억제합니다. 로터리 베인, 로터리 플런저 및 트로코이드 펌프에 사용되는 기체 밸러스트 설비는 영구 기체 펌핑뿐만 아니라 더 많은 양의 응축성 기체 펌핑을 가능하게 합니다.

기체 밸러스트의 이점

기체 밸러스트 설비(그림 2.13)는 펌프의 펌프 챔버에서 증기 응축을 방지합니다. 증기를 펌핑할 때 펌프 온도에서만 포화 증기 압력까지 압축할 수 있습니다. 예를 들어 70°C(158°F)의 펌프 온도에서 수증기를 펌핑하는 경우 증기는 312mbar(70°C(158°F)의 수증기 포화 압력, 표 XIII 참조)까지만 압축될 수 있습니다. 그 이상 압축하면 수증기가 응축되고 압력이 증가하지 않습니다. 펌프에 과압이 발생하지 않고 배출 밸브가 개방되지 않습니다. 대신 수증기가 펌프 속에서 물로 남아 펌프의 오일에 유화됩니다. 이 경우 오일의 윤활 속성이 매우 빠르게 손상되고, 너무 많은 물을 가져올 때 펌프가 고착될 수도 있습니다. 

작동 원리

실제 압축 공정을 시작하기 전에(그림 2.13 참조) 정확하게 정의된 공기의 양("기체 밸러스트")이 펌프의 펌핑 챔버에 유입됩니다. 펌프의 압축비가 최대 10:1로 감소합니다. 이제 펌프에 의해 유입된 증기는 기체 밸러스트로 압축될 수 있으며, 이후 응축점에 도달하여 펌프에서 배출됩니다. 하지만 흡입된 증기의 부분 압력은 특정 값을 초과하지 않을 수 있습니다. 10의 계수로 압축할 경우 펌프의 작동 온도에서는 증기가 응축될 수 없도록 낮아야 합니다. 수증기를 펌핑할 때 이 임계값을 "수증기 허용 오차"라고 합니다.

그림 2.14는 응축성 증기를 펌핑할 때 로터리 베인 펌프에서 발생하는 펌핑 공정(기체 밸러스트 유무에 따라 다름)입니다. 

증기를 펌핑할 때 다음 두 가지 요구 사항을 충족해야 합니다. 
1) 펌프가 작동 온도여야 합니다. 
2) 기체 밸러스트 밸브가 개방되어야 합니다. 
(기체 밸러스트 밸브가 개방된 상태에서 펌프의 온도가 10°C(50°F) 정도 증가합니다. 증기를 펌핑하기 전에 기체 밸러스트 밸브가 열린 상태에서 30분 동안 펌프를 작동해야 합니다.) 

표 XIII -100°C(-148°F)에서 +140°C(+284°F)의 물의 포화 압력 p5 및 수증기 밀도 eD

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그림 2.13 기체 밸러스트가 있는 로터리 베인 펌프 내 작업 공정

  1. 1–2 흡입
  2. 2–5 압축
  3. 3–4 기체 밸러스트 입구
  4. 5–6 배출 
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그림 2.14 응축성 물질을 펌핑할 때 가스 밸러스트 유무에 따른 로터리 베인 펌프의 펌핑 공정 다이어그램

a) 기체 밸러스트 미사용

1) 펌프는 이미 공기가 거의 비워진(70mbar) 용기에 연결됨, 따라서 대부분의 증기 입자를 운반해야 합니다.
2) 펌프 챔버가 용기에서 분리되고, 압축이 시작됩니다.
3) 펌프 챔버의 내용물은 이미 압축된 상태이므로 증기가 응축되어 물방울이 형성됨, 아직 과압은 달성되지 않습니다.
4) 잔류 공기는 이제 필요한 과압만을 발생시키고 배출 밸브를 개방하지만 증기는 이미 응축되어 펌프 내에 물방울이 침전됩니다.

b) 기체 밸러스트 사용
1) 펌프는 이미 공기가 거의 비워진(70mbar) 용기에 연결됨, 따라서 대부분의 증기 입자를 운반해야 합니다.
2) 펌프 챔버가 용기에서 분리되고, 이제 기체 밸러스트 밸브가 열리며, 이 밸브를 통해 펌프 챔버가 외부에서 추가 공기로 채워집니다. 이 추가 공기를 기체 밸러스트라고 합니다
3) 배출 밸브가 개방되고, 증기 및 기체 입자를 밀어냅니다. 전체 펌핑 공정 시작 시 응축이 발생할 수 없으므로 보충 기체 밸러스트 공기로 인해 이 과정에서 과압이 조기에 발생합니다.
4) 펌프가 공기 및 증기를 추가로 배출합니다.

기체 및 증기의 동시 펌핑

진공 시스템에서 영구 기체와 응축식 증기를 동시에 펌핑하는 경우 영구 기체의 양이 펌프 내부의 증기 응결을 막기에 충분할 때가 많습니다. 펌프 내 응축 없이 펌핑될 수 있는 증기의 양은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 

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(2.1)

여기에서, pvapor = 펌프 흡기 시 증기의 부분 압력.
Pperm = 펌프 흡기 시 펌핑된 모든 영구 기체의 총 압력. 
pvapor,sat = 온도에 따라 달라지는 펌핑된 증기의 포화 압력(그림 2.15 참조). 
psum = pexhaust + Δpvalve + Δpexhaust filter 
Δpvalve = 펌프의 유형 및 0.2~0.4bar의 작동 조건에 따른 배기 밸브의 압력 차이.
Δpexhaust filter = 배기 필터의 압력 차이(0~0.5bar).  

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그림 2.15 포화 증기 압력: 온도가 포함된 표

로터리 베인 펌프와 외부 오일 미스트 필터가 직렬로 장착되어 수증기와 공기의 혼합물이 펌핑됩니다. 다음 값은 등식 (2.1)에 사용됩니다. 

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공기/수증기 혼합물의 수증기 압력은 혼합물의 총 압력의 23%를 초과해서는 안 됩니다. 

수증기 허용 오차

증기 허용 오차의 주제와 관련하여 위에서 언급한 일반적인 고려 사항에서 중요한 특수 사례는 수증기 펌핑의 허용 오차입니다. PNEUROP 수증기 허용 오차는 다음과 같이 정의됩니다. 

"수증기 허용 오차는 정상 주변 온도 및 압력 조건(68°F/20°C, 1013mbar)에서 순수한 수증기를 지속적으로 유입하고 운송할 수 있는 최고 압력으로, mbar 단위가 사용되며", PW, O로 지정됩니다.

이 특수 사례에 등식 (2.3)을 적용한다는 것은 다음을 의미합니다. 

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(2.4)

50% 습도의 기체 밸러스트 기체 대기가 사용되는 경우 pvapor, g.b. = 13mbar이고, B/S = 0.10(실제 일반적 수치)이며 psum(총 배기 압력) = 1330mbar입니다. 펌프의 온도 함수로서의 수증기 허용 오차 pW,0은 그림 2.16의 최하단 곡선으로 표시됩니다. 다른 곡선은 수증기-공기 혼합물의 펌핑에 해당하므로 pperm = pair O이며, 이 값은 pL(밀리바)로 표시됩니다. 이러한 경우 다이어그램에 표시된 것처럼 더 많은 양의 수증기 부분 압력 pw를 펌핑할 수 있습니다. 따라서 카탈로그에 나와 있는 pW, 0에 대한 수치는 하한값을 기준으로 하는 것이 안전합니다. 

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그림 2.16 공기의 다양한 부분 압력 pL에 대한 펌프 온도의 함수로서 펌프 내 응축 없이 기체 밸러스트 밸브가 개방된 상태에서 펌핑될 수 있는 수증기의 부분 압력 pw. 최하단 곡선은 펌프의 수증기 허용 오차 pw,o에 해당합니다.

등식 2.4에 따르면 기체 밸러스트 B가 증가하면 수증기 허용 오차 pW,0이 증가합니다. 실제로, 특히 1단계 기체 밸러스트 펌프의 경우, B의 증가는 기체 밸러스트 밸브가 개방된 상태에서 작동하는 기체 밸러스트 펌프에 대해 도달 가능한 최종 진공이 기체 밸러스트 B의 증가에 따라 더 심해진다는 사실에 의해 제한됩니다. 증기 허용 오차 pvapor에 대한 일반 등식 2.3에도 유사한 고려 사항이 적용됩니다. 

펌프 다운 프로세스가 시작될 때 기체 밸러스트 펌프는 항상 기체 밸러스트 밸브가 개방된 상태에서 작동해야 합니다. 거의 모든 경우에 용기의 벽에 얇은 층의 물이 존재하게 되고, 이는 점진적으로 증발합니다. 낮은 최종 압력을 얻기 위해서는 증기가 펌핑된 후에만 기체 밸러스트 밸브를 폐쇄해야 합니다. Leybold 펌프는 일반적으로 33~66mbar 사이의 수증기 허용 오차를 제공합니다. 2단계 펌프는 크기가 다른 펌핑 챔버가 있는 경우 각 단계 간의 압축비에 해당하는 다른 수준의 수증기 허용 오차를 제공할 수 있습니다. 

밸러스트로서의 다른 기체

일반적으로 대기 공기는 기체 밸러스트 매체로 사용됩니다. 폭발성 또는 독성 기체를 펌핑하는 경우와 같이 특별한 경우 희귀 기체나 질소 같은 다른 영구 기체를 사용할 수 있습니다.

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참고 자료

진공 기호

진공 기술 다이어그램에서 펌프 유형 및 펌핑 시스템의 부품을 시각적으로 표현한 기호 용어집

 

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단위 용어집

진공 기술에 사용되는 측정 단위 개요 및 기호의 의미, 그리고 과거 단위와 현재의 등가 단위

 

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참고 자료 및 출처

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