설비의 에너지 효율을 극대화하는 특수 윤활솔루션

최근 지속가능성(Sustainability)이 기업경영의 중요한 이슈로 대두되면서, 산업체들은 그 어느 때보다 생산공정과 서비스과정에서 에너지 소비절감과 CO2 감축을 위해 노력하고 있다. 적은 비용과 노력으로 지속가능성 목표를 달성하여 설비의 수명을 연장시키고 에너지 비용을 절감하여, 비용절감 효과를 최대화할 수 있는 방법을 소개하고자 한다.

필자:  이정업, 크리버 코리아 Energy Efficiency Specialist

기유별 오일 교환 주기

특수윤활의 경제성
설비효율의 증대에 효과적이고, 간과할 수 없는 부분이 바로 기어효율이다. 기어의 효율을 높이기 위한 즉각적이고 효과적인 방법은 기어 윤활제를 광유에서 합성유로 변경하는 것이다. 시중에 유통되고 있는 합성유는 일반적으로 PAO(poly-alpha-olefin), ester, PAG(poly-alkylene-glycol) 등이 있다. 광유에서 합성유로 기어 윤활제를 변경하여 에너지비용 절감과 기어의 수명 및 정비주기가 연장된 사례는 다양한 산업에서 찾아볼 수 있다. 기어의 효율 증대는 기어의 유형에 따라 다소 차이가 있다. 스퍼(spur) 또는 베벨(bevel)기어와 같이 슬라이딩 마찰의 비율이 낮은 기어, 즉 효율이 높은 기어들은 상대적으로 낮은 잠재력을 가지는 반면 슬라이딩 마찰의 비율이 높은 기어는 높은 수준의 효율증대를 기대할 수 있다. 특히 웜 기어의 경우 기어윤활제를 PAG오일로 변경하면 매우 극적인 효율증대를 기대할 수 있다. 오일변경과 동시에 기어박스의 온도가 낮아지고 효율성은 최대 35%까지 향상되어 오일의 수명은 광유에 대비하여 최대 6배 정도 연장이 가능하다. 합성오일로 전환하면 특히 많은 수의 기어가 운전되는 시설에서 엄청난 잠재력을 가지게 된다. 이와 같이 마찰공학과 관련된 윤활기술은 기계와 구성요소의 성능을 높이는 데 결정적인 역할을 한다. 일반적으로 합성유는 광유보다 초기 투자비용이 높지만 오일 교환주기, 오일 보충, 부품의 수명연장 등 효율성 측면에서 훨씬 이익이 된다. 이때 설비에 최적화된 합성유를 사용하면 비용회수(Pay-back) 기간은 짧아지고 효율은 극대화된다.

특수윤활과 내마모성

크리버 웜기어 테스트: PAG 윤활제별 중량 손실 및 마모율 비교

PAG오일은 웜 기어에 최상의 마모 감소를 의미한다. 이는 독일의 산업규격 DIN 3996에서도 확인할 수 있다. Klüber의 웜기어 테스트장비를 활용하여 다양한 PAG 기어오일의 마모 특성을 조사한 결과 Klüber의 PAG오일은 DIN 3996에 규정된 한계 마모수치에 비해 훨씬 낮은 값을 나타냈다. [Figure. 2]은 표준 PAG오일과 거기에 특수 첨가제가 처방된 Klüber의 고성능 PAG 기어오일을 Flender사의 기어박스를 활용하여 시험하고 마모수치를 비교한 도표이다. 시험결과를 보면 특수 첨가제의 활용에 따라 그 성능이 개선되고 있다. 이는 PAG계 특수윤활제를 사용할 경우 웜 휠(worm wheel)은 동일한 하중에서 더 오래 견디며, 치수변화 없이 출력토크를 증가시킬 수 있다. PAG오일을 사용하여 설비운영자가 누릴 수 있는 추가적인 이점은 유지보수 간격이 길어지고 설비 고장률이 낮아져 생산성 향상으로 이어지고, 이는 기업의 이익으로 환원된다.

특수윤활과 에너지 효율성

크리버 웜기어 테스트: PAG 윤활제별 온도 및 효율 비교

기어박스(감속기)에서 최대 에너지효율은 주어진 In-put 전력에 대해 최대의 Out-put Torque를 생성하는 것을 의미한다. 기어박스에서 손실된 에너지는 소음과 열에너지의 형태로 나타난다. (예: 베어링, O-링 씰 또는 기어 휠) 기어 효율이 높아지면 그만큼 에너지손실이 줄어 기어박스 내부의 온도가 내려가게 된다. 이는 오일의 수명증대와 설비효율을 향상시킨다. 윤활공학에서 적용되는 10K Rule(오일의 온도가 10℃ 증가할 때마다 그 오일의 수명은 절반으로 줄어드는 법칙)을 감안하면 작은 온도차이라도 무시할 수 없는 부분이다. [Figure. 3]에서 다양한 PAG제품을 대상으로 일정한 시험조건에서 기어박스 내부온도와 효율을 확인할 수 있다.

DIN 3996에 따르면 기어의 맞물림 효율은 윤활제의 마찰계수에 영향을 받으며 결과적으로 마찰 계수가 낮은 윤활제는 기어 효율을 높일 수 있다. [Figure. 4]를 보면 특수첨가제가 처방된 Klüber의 특수 PAG기어 오일이 DIN 3996의 표준 PAG 오일의 마찰계수 수치보다 현저히 낮은 마찰계수를 나타냄을 알 수 있다. 이와 같이 광유 기반의 기어오일을 합성 기어오일로 전환하는 것은 기어의 마모를 최소화하고 에너지 효율을 향상시키는 간단하고 효과적인 방법이 될 수 있다. 여기에서 가능한 최적화 정도는 개별 기어 유형에 따라 다르지만 PAG계 오일이 웜 기어에 사용되는 경우 최상의 결과가 나올 수 있다. 결론적으로 이러한 윤활제의 적용은 주어진 동력에 더 낮은 에너지 소비와 수명연장을 가능하게 한다. 아울러 절감된 에너지만큼 CO2배출량* 도 줄어들어 친환경적인 이점을 살릴 수 있다.

PAG 윤활제별 마찰 계수 비교