작성자: Donaldson Torit OEM 현장 판매 소속 Paul Richard
대부분의 열 용사 작업에는 열 용사 영역에서 과도한 화합물을 배출하기 위해 일종의 환기가 필요합니다. 잘 설계된 열 용사 공정조차도 실제로 대상에 안착하는 용사된 재료의 양에 있어서는 비효율적인 경향이 있습니다(50% 침전 효율은 양호한 것으로 간주됨).
한 가지 발전 영역은 보다 비용 효율적인 와이어 아크 시스템을 사용하여 플라즈마 및 HVOF 공정의 보다 복잡하고 비용이 많이 드는 코팅을 복제하려는 시도입니다. 아크 공정은 배기 가스 흐름에서 적절하게 제거하기 어려울 수 있는 매우 미세하고 대개는 가벼운 입자를 생성합니다. 열 용사 분진을 처리할 수 있는 입증된 집진 시스템은 있습니다. 하지만 이러한 시스템의 대부분은 상대적으로 조악한 에어 플로우(air flow) 관리 제어로 작동됩니다. 본 문서에서는 열 용사 배기에 스마트한 기술을 사용하여 얻을 수 있는 운영상의 이점과 비용 절감을 중점적으로 다룹니다.
적절한 시스템 설계
규모가 큰 열 용사 작업에는 일반적으로 실제 용사가 발생하는 밀폐된 공간이 포함됩니다. 사용하지 않은 용사 화합물은 신선한 공기가 유입되는 동안 인클로저에서 환기됩니다. 인클로저의 설계와 용사되는 대상의 모양에 따라 최적의 공기량을 파악하여 방해 입자를 적절하게 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 인클로저에는 적절한 분진 제어를 위해 분당 10,000 세제곱피트(cfm)가 필요할 수 있습니다. 이보다 많으면 낭비가 되고 적으면 불충분합니다.
이 시작점부터 적절한 집진 시스템을 설계할 수 있습니다. 여기에는 일반적으로 분진을 운반하는 덕트, 공기에서 분진을 제거하는 필터 및 에어 플로우(air flow)를 생성하는 에너지를 제공하는 팬이 포함됩니다. 10,000 cfm 시스템의 배기 팬에는 30~40에 해당하는 마력이 필요할 수도 있습니다. 에어 플로우(air flow) 요구사항은 일반적으로 고정되어 있으며 인클로저를 재설계하지 않는 한 변경해서는 안됩니다. 일반적으로 3,500~4,000 fpm의 속도가 원형 덕트에서 분진을 운반하는 데 최적인 것으로 용인되고 있습니다1. 공기를 천천히 이동하면 분진 입자가 이탈하고 덕트 바닥에 가라앉아 화재 위험이 발생하고 잠재적으로는 덕트가 막힐 수도 있습니다. 공기를 빨리 이동하면 팬 에너지가 낭비되고 덕트에 불필요한 마모가 발생합니다. 예를 들어, 분당 3,500~4,000 피트의 속도로 분당 10,000 세제곱피트를 이동하려면 직경이 22 인치인 원형 덕트를 선택해야 합니다. 이렇게 선택하면 횡단면이 2.6398 제곱피트가 되므로 속도는 분당 3,788 피트가 됩니다.
팬 및 정압
산업용 환기 팬은 시스템을 통해 공기를 흡입하는 부분적인 진공을 생성합니다. 이 부분 진공은 정압이라고 하며, 일반적으로 ""wg"로 측정됩니다. 시스템 설계자는 다양한 수학적 모델을 사용하여 원하는 에어 플로우(air flow)를 얻는 데 필요한 정압을 추정합니다. 필요한 정압에 영향을 미치는 시스템의 요소는 다음과 같습니다.
- 열 용사 인클로저의 크기 및 형상
- 덕트의 엘보(또는 회전) 수 및 반경
- 시스템의 총 덕트 길이
- 사용된 덕트의 직경과 공기의 속도
- 집진기 선택
- 애프터 필터 항목(예: HEPA 필터 또는 배기 소음기)
이러한 요소 중 상당수는 시스템 운영 과정에서 변경되지 않습니다. 집진기 필터와 HEPA 필터는 예외입니다. 분진이 필터에 쌓이면 필터 전체의 압력 강하 또는 저항이 증가합니다. 필터 표면에 쌓인 분진을 극복하려면 시스템에 추가 정압이 필요합니다.
일반적으로, 필터의 유효 수명이 다했을 때 에어 플로우(air flow)를 유지하기에 충분한 정압을 포함하여 필터 수명 주기 동안 에어 플로우(air flow)를 적절하게 보장할 수 있는 팬을 선택해야 합니다. 서비스 수명이 다한 필터는 새 필터보다 압력 강하가 더 큽니다. 서비스 수명을 연장하기 위해 열 용사 집진기의 필터는 시스템이 실행되는 동안 온라인으로 클리닝되도록 설계되었습니다. 분진이 반복적으로 쌓인 다음 집진기의 셀프 클리닝 주기가 이어지면 시스템 정압 요구사항에 약간의 변동이 발생하게 됩니다. 이 부분을 해결하지 않으면 덕트 또는 열 용사 인클로저 내부에 분진이 쌓이는 문제와 함께 에어 플로우(air flow)가 감소 및 증가할 수 있습니다.
열 용사 인클로저를 통과하는 과도한 에어 플로우(air flow)는 용사된 재료를 대상 부품에서 배출하여 코팅 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 잠재적인 문제를 방지하려면 공기량을 제어해야 합니다. 팬을 제어하는 데 사용되는 가장 일반적인 장치는 댐퍼로, 팬에 인공 부하를 생성하여 원하는 에어 플로우(air flow)로 다시 "다이얼을 돌립니다". 에어 플로우(air flow)를 유지하려면 덕트에서 원하는 속도를 유지하기 위해 필요에 따라 댐퍼를 열거나 닫아야 합니다2. 이 작업은 시스템을 통해 규정된 에어 플로우(air flow)를 지속적으로 달성하는 데 필요한 정확도로 수행되는 경우가 거의 없으며 수동으로 수행하는 경우 자격을 갖춘 사람의 지속적인 감독이 필요합니다. 비용이 많이 들고 어려울 수 있는 작업이라는 점 때문에 대부분의 열 용사 작업은 팬 제어와 관련하여 "설정 후 잊어 버리기(set and forget)" 방식을 선택하게 됩니다.
주파수 변조 드라이브 및 에어 플로우(air flow) 제어 시스템
팬을 제어하고 시스템에서 일정한 에어 플로우(air flow)를 유지하기에 더 좋은 방법은 주파수 변조 드라이브(VFD)를 사용하는 것입니다. VFD는 헤르츠 주파수 조정에 따라 특정 회전 속도로 팬 모터를 작동합니다. 북미의 일반적인 3상 전력은 일반적으로 60 Hz 주파수에서 실행되는 반면, VFD를 사용하면 작업자가 팬의 회전 속도를 늦추거나 가속하는 특정 주파수를 선택할 수 있습니다. 이상적인 시스템에서 시스템은 오염된 필터의 정압 부하에 필요한 경우에만 최대 속도로 실행됩니다. 나머지 시간 동안 팬은 필요한 양의 정압을 정확히 생성하기 위해 더 느린 속도로 작동합니다. 이 작동 방법은 비용 절감의 이점을 제공합니다. 열 용사 인클로저의 완전한 환기를 보장하기 위해 항상 필요한 것보다 빠른 속도로 집진 시스템을 실행하는 "설정 후 잊어버리기(set and forget)" 접근 방식을 사용하는 작업자와 비교했을 때, VFD 접근 방식은 정확히 필요한 에어 플로우(air flow) 속도로 실행되는 스마트 시스템을 사용하여 에너지를 절약합니다.
몇 가지 간단한 가정과 일부 시스템 변수를 사용하여 이를 입증할 수 있는 수학적 모델이 존재합니다. 일반적으로 VFD 및 에어 플로우(air flow) 제어 시스템으로 업그레이드하면 2년 이내에 비용을 지불할 수 있으며 더 중요한 것은 집진 시스템이 적절한 속도로 실행된다는 것입니다. 이를 통해 시스템, 특히 열 용사에 필요한 고급 표면 포집 필터의 마모를 줄일 수 있습니다. VFD 및 에어 플로우(air flow) 제어 시스템으로 업그레이드하기 위한 모든 결정에는 다음에 대한 절감 효과가 포함되어야 합니다.
- 필터 비용
- 인건 비용
- 폐기 비용
- 재고 비용
- 배송 비용(새 필터 및 기존 필터 폐기)
- 품질 공정
- 시스템의 작동 안정성 및 시스템의 적절한 에어 플로우(air flow) 유지
VFD 제어
VFD 사용 결정이 내려지면 다음 단계는 연속 입력을 제공하는 방법을 결정하는 것입니다. 목표는 시스템 정압의 변동에 관계없이 원하는 에어 플로우(air flow)를 유지하는 것입니다. 컨트롤러는 덕트 시스템에 설치된 에어 플로우(air flow) 측정 장치를 사용하여 팬 속도를 조정해 변경 사항을 수정할 수 있습니다. 이러한 기기는 청정 공기 환경에 가장 적합하므로 일반적으로 공기가 필트레이션된 후 덕트가 있는 위치에 설치됩니다. 이는 시스템을 통해 이동하는 전체 에어 플로우(air flow)를 원활하고 안정적으로 표시하는 데 필요한 길이의 팬 배기구 덕트일 수 있습니다.
대안은 공기가 집진기로 유입되기 직전에 덕트 시스템의 한 지점에서 실제 에어 플로우(air flow)가 아닌 시스템 정압을 측정하는 것입니다. 규정된 에어 플로우(air flow)에서 필요한 정압의 양은 시스템이 기계적으로 변경되지 않는 한 변함없는 요소의 함수입니다. 필터가 오염되면 깨끗하게 펄싱되지만 시스템이 규정된 에어 플로우(air flow)로 작동하는 경우 집진기 흡입구에 필요한 정압은 동일하게 유지됩니다. 정압을 유지하는 컨트롤러는 집진 시스템에서 VFD를 효과적으로 제어하는 가장 간단한 방법입니다. 필터에 저항이 쌓이면 팬이 전달하는 에어 플로우(air flow)가 떨어집니다. 이러한 에어 플로우(air flow) 감소는 집진기 앞의 덕트에서 낮은 정압 요구사항을 생성하므로, 컨트롤러는 VFD에 전력을 높이도록 지시해 정압을 유지합니다. 반대로 필터가 깨끗하게 펄싱되면 시스템의 저항이 떨어지고 VFD는 동일한 수준의 정압을 유지하기 위해 전력을 낮춥니다. 그 결과 에어 플로우(air flow)가 원활해지고 그에 따른 이점과 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
고려 사항
VFD를 사용할 경우 에어 플로우(air flow) 제어 시스템의 이점이 제한되는 상황이 있습니다. 다중 열 용사 셀 시스템에서 단일 집진기(및 단일 팬)를 사용하여 한 번에 한 개 또는 두 개의 셀만 간헐적으로 정비하는 경우에는 팬의 가변 전력을 효과적으로 활용하는 간단한 방법이 없습니다. 이는 VFD의 제한이 아닌, 덕트 시스템의 제한입니다.
결론
열 용사 기술은 진화하고 있으며 새로운 접근 방식은 대개 배기 시스템과 같은 관련 구성요소에 더 큰 문제를 야기합니다. 또는 하위 구성요소의 발전은 전체 열 용사 작업을 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 실제로 존재하는 거의 모든 열 용사 집진 시스템은 주파수 변조 드라이브를 사용하여 이점을 얻을 수 있습니다. 정밀한 에어 플로우(air flow) 제어가 중요하다는 사실이 점점 더 분명해지고 있고, 에너지 절약도 추가적인 이점이 될 수 있습니다.
