1. 서 론
공기충전기는 Figure 1과 같이 공기호흡기 용기에 호흡 가능한 신선한 공기를 고압으로 충전하는데 사용되는 장비이다. 공기충전기는 주로 화재 진압 및 인명 구조 시 사용되는 필수 장비이며, 소방관서에서는 1년간 최소 200 h에서 최대 1000 h 이상 사용된다. 이처럼 장시간 사용되는 공기충전기는 항상 신선한 공기가 생산 및 충전되도록 공기 흡입 과정에서 발생하는 이물질 및 유해성분을 제거하기 위해 공기 정화 필터를 장착하고 있다. 공기 정화 필터는 수분 제거를 위한 제올라이트 성분의 제습제와 oil mist 및 냄새 제거를 위한 활성탄으로 구성된다. 이 중 제습제는 필터의 정화 성능과 교체 주기를 결정하는 주요 구성 요소이다. 기본적으로 공기충전기로 흡입되는 공기 중에 포함된 이물질 및 유해성분은 유입 단계에서 이물질 배출 시스템(drain system)을 통해 제거된다. 이 과정은 흡입되는 공기가 내부 압축기(compressor)를 통해 고온⋅고압의 상태로 공기를 압축하여 공기 중에 포함된 수분과 동시에 다양한 오염물질을 제거하게 된다. 최종적으로, 공기호흡 용기에 공기가 들어가기 직전에 설치한 정화 필터를 통해 남아있는 수분을 제거한다. 이러한 일련의 과정은 공기충전기의 원리를 말해주고 있다. 즉, 공기충전기는 수분 제거를 통해 다양한 이물질 및 유해성분을 제거한다. 수분을 충분히 제거하지 못한다면, 공기의 순도는 급격하게 저하되며 oil 및 악취와 유증기 등이 공기 호흡 용기에 유입되기 때문에 사용자에게 매우 불편함을 제공할 수 있다.
현재 공기충전기의 공기 정화 필터 수명은 기온 20～25 °C, 습도 30～40% Rh 조건에서 약 50 h이다. 그러나 여름철의 경우, 기온 30～40 °C, 습도 60～90% Rh (우천 시) 조건에서는 공기 중 수분의 함량이 급격하게 높아져, 필터의 유효 수명이 20～30% 이상 감소한다. 이처럼 공기 정화 필터의 수명은 기후조건 및 공기 중 수분의 함량에 따라 크게 영향을 받기 때문에 사용자에게 사용 및 관리에 많은 불편을 초래하고 있다. 또한, 교체 주기를 놓치는 경우 공기충전기의 사용이 불가능하게 되어 소방서의 구조 및 화재 대응 업무가 마비 혹은 원활하지 않게 된다. 따라서 공기 정화 필터의 수명이 영향을 받지 않는 장치의 연구개발이 필요한 상황이다.
본 연구에서는 공기충전기와 같은 장치와 관련된 유체에 포함된 수분 제거에 대한 원리 및 응용 방법에 대해 조사하였다. Dinh와 Kim(1)은 공기 오염도를 측정하는 배출 모니터링 시스템(continuous emission monitoring system, CEMS)의 정확도 향상을 위하여 흡입되는 공기의 수분을 제거하기 위한 여러 방법을 비교⋅분석하였다. 이를 통해 냉각기법을 사용한 수분 응축 방법(condensation method)과 얇은 막(membrane)을 활용한 침투 방법(permeation method), 수분 이외의 공기 중에 포함되어있는 불필요한 입자도 함께 제거할 수 있는 희석 방법(dilution method)에 대하여 각각의 원리와 차이점을 파악하였다. Yin 등(2)은 액체 흡착 장치(liquid desiccant system)의 수분 제거방식에 관하여 연구하였다. 이 연구를 통해 주입되는 공기 유량과 온도와의 관계를 파악하였고, 최적의 수분제거 유량과 온도를 제시하였다. Srivastava 등(3)은 열전기(thermoelectric)를 활용한 수분제거 방법에 대해 연구하였다. 이를 통해 열전기를 활용하여 공기를 냉각시켜 수분을 제거할 수 있는 장치를 개발하였다. Sung 등(4)은 고순도 필터 시스템을 개발하기 위하여 이물질에 대하여 수동 드레인 시스템이 아닌 자동 드레인 시스템을 적용하여 수분을 포함한 이물질을 쉽고 빠르게 제거하여 필터 수명 시간을 연장시켰다. 이외에도 다양한 장치에 대한 수분제거 방법에 대하여 연구가 진행되고 있으며, 많은 영역에 적용되고 있다. 하지만, 공기충전기와 같이 고온⋅고압 상태의 공기 중에 포함되어있는 수분을 제거할 수 있는 연구개발이 미비한 상황이다. 또한, 국내에서는 수분을 제거할 수 있는 장치를 적용한 공기충전기에 관한 연구가 부족하다.
따라서, 본 연구에서는 냉매 가스를 활용하여 필터 전단에 수분을 제거할 수 있는 냉각형 수분 제거기를 연구 개발하고자 한다. 이를 통해 필터에 유입되는 수분의 양을 획기적으로 감소시켜, 필터의 사용시간을 기존 50 h에서 약 150 h까지 연장하는 것을 목표로 한다. 또한, 기후조건에 대한 영향력을 최소화할 수 있도록 연구를 진행하였다. 이를 위해 유입되는 공기에 함유된 수분을 냉매 가스를 통해 결빙시켜 제거하는 방식을 적용하였다. 이 방식의 적합성을 판단하기 위하여 냉각형 수분 제거기를 통과한 공기를 수집하여 수분 수치를 확인하였다. 이는 한국소방산업기술원(KFI)의 기술기준인 ｢공기호흡기 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣(5)에서 제시한 수분 한계수치인 25 mg/m3 이하 범위 내에 있는지 확인하기 위함이다. 수분 한계수치는 Figure 2와 같이 Factair사의 앰플식 수분 검지기를 사용하여 수분을 확인하였다.
2. 기초실험
본 연구에서는 냉각을 통한 수분 제거에 대한 기초 자료를 수집하고 이와 동시에 장치 작동 시 발생할 수 있는 문제를 파악 및 개선하기 위하여 확장형 냉각시스템을 제작하여 기초실험을 실시하였다.
2.1 확장형 냉각시스템 구조 및 원리
확장형 냉각시스템은 Figure 3과 같은 방식으로 공기충전기로 흡입된 공기 중에 포함되어있는 수분을 냉매 가스를 활용하여 액화시켜 수분을 제거한 후 다시 기화시킬 수 있도록 설계하였다. 또한, Figure 4와 같이 외기온도로 인해 냉매 가스가 흐르는 배관에 미치는 영향을 최소화시키기 위하여 보온재를 활용하였다. 이는 냉매 가스가 배관을 통해 배출되는 과정에서 발생하는 외기와의 온도 차로 배관 표면의 결빙을 방지하기 위해 사용하였다. 또한, 수분을 최대한 제거하기 위하여 Figure 5와 같이 냉각드라이어를 제작하였다. 이 시스템의 핵심 장비인 냉각드라이어는 열 교환기 역할의 필터케이스와 냉매 가스가 이동할 수 있는 스프링 형태의 유로로 구성되어 있다.
냉각드라이어는 4가지 과정을 거쳐 수분을 제거한다. 첫 번째, 압축기를 통해 고온⋅고압의 상태로 공기가 필터케이스 내부로 주입된다. 두 번째, 주입된 공기에 포함된 수분을 최대한 제거하기 위하여 냉매 가스와의 접촉 면적을 극대화한 스프링 형태의 유로에 냉매 가스를 주입한다. 세 번째, 유입된 공기와 냉매 가스와의 온도 차로 인하여 결빙 현상이 발생하며 수분이 제거된다. 네 번째, 열 교환기 역할인 필터케이스와 외기와의 온도 차이로 인해 공기는 기화되어 배출된다. 이 시스템을 활용하여 수분을 제거하며 또한, 공기 냉각 중 발생하는 현상과 배출온도, 수분 제거량, 습도 등 냉각시스템 개발 시 필요한 주요 요소들의 변화량을 확인하였다.
2.2 기초실험 결과
확장형 냉각시스템의 성능과 역할의 적합성을 확인하기 위하여 냉각드라이어 및 가습기 설치 여부에 따라 실험을 실시하였다. 실험 종료 시점은 KFI의 기술기준인 ｢공기호흡기 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에서 제시한 수분의 한계수치인 25 mg/m3 에 도달하는 순간이며, 수분 수치를 포함하여 온도도 함께 연속적으로 측정하였다. 또한, 주입되는 공기에 온도를 함께 변화시켜 온도와 수분 수치와의 관계를 확인하였다.
본 연구에서는 확장형 냉각시스템의 성능에 대하여 비교⋅분석하기 위하여 냉각시스템이 없는 상태에서의 필터 수명을 측정하였다. 또한, 실험 결과의 객관성 및 정확성을 확보하기 위하여 실제 공기층전기의 작동시간 및 종료 시간을 토대로 결과를 나타내었다. 실험 조건은 Table 1과 같다. 실험은 자연대기 실내상태 환경에서 압축기에 의한 토출압력이 170～200 kg/cm3를 유지하였다. 또한, 온도 변화에 따른 수분 한계치 도달 시점을 확인하기 위하여 대기 온도를 5 °C 전후와 10 °C 전후로 변화시켜 실험을 진행하였다. 작동 정지 시점은 수분 수치가 1～25 mg/m3에 도달하는 시간으로 하였다.
Basic Experimental Conditions
| Condition | Value | |
|---|---|---|
| Ambient Temperature | Entry1 | Entry2 |
| 5 °C | 10 °C | |
| Compressor (M20) | 170∼200 kg/cm3 | |
| Filter | MP31 | |
결과는 Figure 6과 같다. 5 °C의 경우(Figure 4(a)), 약 3 h (최종 필터 수명: 21 h)가 소요되었으며, 10 °C의 경우(Figure 4(b)), 약 2 h (최종 필터 수명: 17 h)가 소요되었다. 이를 통해 외기온도가 높을수록 수분 한계수치까지 도달하는 시간이 짧다는 것을 확인할 수 있었다.
이 결과를 토대로 확장형 냉각시스템의 성능을 분석하였다. 확장형 냉각시스템은 수분 제거 성능과 함께 열교환 성능까지 함께 확인하였다. 압축기(compressor)에 의한 토출압력과 수분 한계치는 기존 시험과 마찬가지로 각각 170～200 kg/cm3, 25 mg/m3로 고정시켰다. 열 교환 성능은 냉각시스템 통과 후 최종적으로 배출되는 공기의 온도를 확인하였다. 이는 공기충전기로 공기가 유입될 때 압축기로 인해 온도가 상승한 공기가 냉각시스템으로 인해 충분히 냉각되어 수분이 원활하게 제거되는 정도를 분석하기 위하여 측정하였다.
확장형 냉각시스템의 성능을 확인하기 위한 실험 조건은 Table 2와 같다. 본 실험에서는 가습기 설치 여부를 통해 수분 제거 정도와 성능의 차이와 최종 배출되는 공기 온도를 확인하였다. 1차 실험에서는 가습기를 설치하여 습도를 70% 이상 유지시켰다. 이를 통해 여름 장마철 환경을 가정하여 수분 제거 정도 및 필터 수명 연장 가능성을 파악하였다. 2차 실험에서는 가습기가 없는 조건에서 최종 배출 공기의 온도를 확인하였다.
Table 2
Experimental Conditions of Extended Cooling System
| Condition | Value | |
|---|---|---|
| Ambient Temperature | 10~20 °C | |
| Humidifier Installation | Entry1 | Entry2 |
| O | X | |
| Compressor (M20) | 170~200 kg/cm3 | |
| Filter | MP31 | |
결과는 Figures 7과 8과 같다. 1차 실험에서는 가습기를 설치하여 습도를 70% 이상으로 유지하여 수분 한계치까지 도달하는 시간을 측정하였다. 수분 한계치까지 도달 시간은 약 9 h (최종 필터 수명: 40 h)로 나타났다. 이는 확장형 냉각시스템을 설치하지 않는 10 °C 경우와 비교하였을 경우 약 4.5배 시간이 연장되었다. 2차 실험에서는 가습기를 설치하지 않은 상태에서 실험을 실시하였다. 수분 한계치까지 도달 시간은 약 11 h (최종 필터 수명: 56 h)로 나타났으며, 냉각시스템을 설치하지 않는 10 °C 경우와 비교하였을 경우 약 5.5배 시간이 연장되었다. 이를 통해 확장형 냉각시스템을 설치할 경우 여름 장마철과 같이 외기에 수분이 많이 포함된 상황에서도 충분한 필터 연장 효과를 나타낸다는 것을 확인하였다.
하지만, 확장형 냉각시스템을 통한 필터 연장의 효과를 확인할 수 있었지만, 최종 배출 공기의 온도는 상대적으로 상승하는 것으로 나타났다. 현재 공기충전기를 통해 공기호흡기 용기로 저장되는 공기의 적정 온도는 약 35～45 °C로 설정되어 있다. 적정 온도 이상으로 공기호흡기 용기로 공기가 충전될 경우 공기실린더에 충전할 수 있는 공기의 총량이 감소되어 소방대원들의 구조시간이 단축되는 등의 결과를 초래할 수 있다. 하나의 예로 냉매를 통해 공기가 순간적으로 냉각되어 액화 및 결빙의 상태로 수분이 제거되지만, 압축기를 통해 다시 고온⋅고압의 상태로 공기호흡기 용기에 저장된 공기는 상온으로 점차 온도가 낮아지며 이상기체 상태방정식에 따라 공기의 부피가 줄어들게 된다. 이로 인해 공기호흡기 용기에 충분한 공기가 저장되지 않아, 화재 및 인명 구조 시 공기호흡기를 사용하는 구조대원에게 치명적인 피해를 야기할 수 있다.
따라서, 수분 제거 성능뿐만 아니라 최종적으로 공기호흡기 용기에 저장되는 공기 온도를 적정 온도로 유지할 수 있는 냉각시스템이 필요하다. 이를 위해 냉각시스템 내부 열 교환기의 크기 및 구조의 설계 변경하였다.
3. 냉각형 수분제거기
본 연구에서는 기초실험을 통해 확인한 문제점을 보안을 유지하여 Figure 9와 같이 프로토타입(prototype)의 냉각형 수분제거기를 제작하여 성능을 확인하였다.
3.1 냉각형 수분제거기 구조 및 원리
개선된 냉각형 수분제거기는 기초실험에서 나타난 열교환의 문제점을 해결하기 위하여 열교환이 활발하게 이루어지게 할 수 있는 재료를 활용하였다. 냉각형 수분제거기의 구조 및 원리는 상기 언급한 Figure 3과 동일하지만, 동 파이프(5.5 m, 12.7 ø)와 스테인리스 파이프(6 m, 8 ø)를 활용하여 열 전달률을 향상시킬 수 있는 2중 파이프 방식을 적용하였다. 또한, 결빙 현상을 방지하기 위하여 보온재를 사용하였다.
공기충전기가 냉각형 수분제거기를 통해 전체적으로 수분이 제거되는 과정은 Figure 10과 같다. 공기충전기로 흡입되는 공기가 1차 필터를 통해 이물질이 제거되며 이후 압축기를 통해 공기를 기체에서 액체로 상변화를 일으킨다. 이후 냉각형 수분제거기를 통해 수분이 제거된 후 대기 상태로 온도가 변화하며 다시 액체에서 기체로 상변화가 일어난다. 끝으로, 최종 필터로 이동하여 남아있는 수분과 이물질을 제거한 후 공기 호흡 실린더에 충전된다. 이외의 구조와 원리는 상기 언급한 기초실험에서와 마찬가지로 4가지 과정을 거쳐 수분을 제거한다. 개선된 냉각형 수분제거기를 활용하여 수분 한계치 도달 시점과 최종 배출 공기 온도를 측정하였다.
3.2 냉각형 수분제거기 성능실험 결과
냉각형 수분제거기의 수분 제거 및 열교환 성능을 확인하기 위하여 Table 3과 같이 실험 조건을 설정하였다. 압축기(compressor)에 의한 토출압력과 수분 한계치는 기존 시험과 마찬가지로 각각 170～200 kg/cm3, 25 mg/m3로 고정시켰다. 또한 수분 제거 성능을 분석하기 위하여 가습기를 설치하였다. 가습기를 통해 습도를 70% 이상으로 유지하여 수분 한계치까지 도달하는 시간을 측정하였다. 결과는 Figure 11과 같다. 열 교환기를 개선한 냉각형 수분제거기는 수분 한계치까지 도달하는 시간이 약 15 h (최종 필터 수명: 84 h) 소요되었다. 확장형 냉각시스템의 1차 실험 결과치인 9 h 보다 약 1.67배 시간이 연장되었다. 최종 배출 공기 온도는 최저 36.4 °C, 최고 44.1 °C로 수분 한계치까지 도달하는 순간까지 적정 온도 구간에서 유지하였다. 이를 통해 열교환의 문제는 열전달이 활발하게 이루어질 수 있는 재료를 통해 보완할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 원활한 열교환은 더욱 많은 수분을 제거하며 전체적인 공기충전기의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
Table 3
Experimental Conditions of the Prototype Moisture Eliminator
| Condition | Value |
|---|---|
| Ambient Temperature | 20∼25 °C |
| Humidifier Installation | O |
| Compressor (M20) | 170∼200 kg/cm3 |
| Filter | MP31 |
이러한 프로토타입의 냉각형 수분제거기 구조와 실험결과를 활용하여 실제 현장에서 사용될 수 있는 장비를 Figures 12와 13과 같이 제작하였다. 시제품의 더욱 정확한 공기질을 분석하기 위해 온도 (20.0 ± 15.0) °C, 습도 (50 ± 30) % Rh 조건에서 150 h 동안 가동 후 수집한 공기를 KFI에 공기질 분석을 의뢰하였다.
결과는 Table 4와 같다. 수분, 산소 등의 모든 수치는 기술기준 범위 내에 있는 것으로 나타났다. 분석 결과를 통하여 필터의 수명이 150 h까지 연장된 것으로 확인하였다. 이를 통해 냉각형 수분제거기를 통한 공기충전기의 성능은 단순히 수분 제거뿐만 아니라 이외의 정화기능까지 확보한 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 냉매 가스를 통해 수분을 제거할 수 있는 냉각형 수분제거기을 개발하여 필터의 수명을 약 150 h로 연장하고자 하였다. 이를 위해 기초실험, 프로토타입을 활용한 실험, 시제품 실험을 수행하였다. 이러한 실험을 통하여 최적의 냉매순환장치, 열전달이 원활하게 이루어질 수 있는 열교환 구조를 제작 및 도입하여 수분의 제거 효율 및 최종 배출 공기 온도 유지 성능을 보완하였다. 최종적으로 개선된 냉각형 수분제거기는 공기충전기의 필터 수명을 종전 보다 3배인 150 h로 연장시켰다. 또한, KFI에 의뢰한 공기질 분석 결과를 통해 수분 제거 성능뿐만 아니라 정화기능에도 도움을 줄 수 있는 것으로 나타났다.
이러한 필터 수명의 연장은 필터 폐기로 인한 폐기물의 발생량 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 폐기물 처리로 인한 환경오염 예방 및 비용 절감 효과까지 나타낼 것으로 사료된다.
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