펌프

3. 펌프의 분류

펌프는 변위 방식에 따라 전자기 펌프, 양정 펌프, 충격 펌프, 속도 펌프, 중력 펌프, 증기 펌프 및 무밸브 펌프로 분류할 수 있다. 펌프에는 크게 양정, 원심, 축류 펌프의 세 가지 기본 유형이 있다. 원심 펌프에서는 유체가 임펠러를 통과하면서 유체 흐름 방향이 90도 변경되는 반면, 축류 펌프에서는 유체 흐름 방향이 변경되지 않는다.^[1][2]

3. 1. 작동 원리에 따른 분류

그 외에도 전자기 펌프, 충격 펌프, 속도 펌프, 중력 펌프, 증기 펌프, 무밸브 펌프 등으로 분류할 수 있다.^[1][2]

3. 2. 용도에 따른 분류

• 정량 펌프: 일정 용량의 액체를 주입하는 데 사용된다.
• 라인 펌프: 배관 중간에 설치하기 쉽도록 흡입구와 토출구가 일직선으로 되어 있다.
• 잠수 펌프: 방수형 전동기와 직결된 것으로, 물속에 넣어 사용한다.
• 보어홀 펌프: 긴 샤프트로 원동기와 연결된 것으로, 심정의 양수 등에 사용된다.
• 진공 펌프
• 흡배기 펌프
• 워터 펌프, 오일 펌프, 연료 펌프, 분사 펌프 (차량 등)
• 석유 펌프
• 공기 펌프
• 소방 펌프

4. 펌프의 성능

펌프의 효율($\backslash eta\_P$)은 실제 펌프에 필요한 동력($P\_\{P\_\{act\}\}$)에 대한 펌프가 유체에 전달하는 동력($P\_P$)의 비율로 정의된다.

:$\backslash eta\_P\; =\; \backslash frac\{P\_P\}\{P\_\{P\_\{act\}\}\}$

펌프는 마력, 체적 유량, 미터(또는 피트) 단위의 배출 압력, 흡입 피트(또는 미터) 단위의 흡입 흡입압으로 평가된다. 양정은 대기압에서 펌프가 물기둥을 들어 올리거나 내릴 수 있는 피트 또는 미터 수로 설명할 수 있다.

초기 설계 단계에서 엔지니어는 비속도를 사용하여 특정 유량 및 양정 조합에 가장 적합한 펌프 유형을 식별한다. 순 양정 압력(NPSH)는 펌프 성능에 중요하며, NPSHr(필요 양정)과 NPSHa(유효 양정) 두 가지 측면이 있다. 최적의 펌프 작동을 위해 NPSHa는 항상 NPSHr을 초과해야 한다.

펌프가 유체에 전달하는 동력(P)은 다음과 같이 계산할 수 있다.

:$P\; =\; \backslash frac\{\backslash Delta\; p\; Q\}\{\backslash eta\}$

여기서 Δp는 입구와 출구 사이의 전압 변화(Pa), Q는 유체의 체적 유량(m³/s)이다. 전압에는 중력, 정압, 운동 에너지 성분이 포함될 수 있다. η는 펌프 효율이며, 펌프 곡선과 같은 제조업체 정보에 제공되거나, 유체 역학 시뮬레이션 또는 시험을 통해 얻어진다.

:$\backslash Delta\; p\; =\; \{(v\_2^2\; -\; v\_1^2)\; \backslash over\; 2\}+\backslash Delta\; z\; g+\{\backslash Delta\; p\_\{\backslash mathrm\{static\}\}\backslash over\backslash rho\}$

일반적인 "펌핑" 구성에서 일은 유체에 전달되므로 양수이다. 유체가 펌프에 일을 전달하는 경우(즉, 터빈) 일은 음수이다. 펌프를 구동하는 데 필요한 동력은 출력 동력을 펌프 효율로 나누어 결정한다.

펌프의 성능을 나타내는 지표는 다음과 같다.

4. 1. 성능 곡선

4. 2. 수격 작용 방지

펌프를 급정지하거나 급가동하면 유속과 압력이 급격하게 변하면서 수격작용이 발생하여 관로가 파손될 수 있다. 수격 작용을 방지하는 방법은 크게 압력 급강하에 따른 부압 방지책과 압력 급상승에 의한 고압 방지책 두 가지로 나뉜다.^[42]

• 부압 방지책: 토출측 관로에 플라이휠, 조압수조, 공기 밸브, 공기실 등을 설치한다.^[42]
• 고압 방지책: 토출측 관로에 체크 밸브, 안전 밸브 등을 설치한다.^[42]

4. 3. 공동 현상 방지

공동현상을 방지하기 위해 펌프 회전수를 줄이거나, 펌프 설치 위치를 낮게 하거나, 관 직경을 크게 하거나, 손실 수두를 감소시키는 방법이 사용된다.^[1] 펌프의 비속도는 특정 유량 및 양정 조합에 가장 적합한 펌프 유형을 식별하는 데 사용되는 값이다. 순 양정 압력(NPSH)는 펌프 성능에 매우 중요하며, NPSHr(필요 양정)과 NPSHa(유효 양정) 두 가지 주요 측면이 있다. 최적의 펌프 작동을 위해 NPSHa는 항상 NPSHr을 초과해야 하며, 이는 펌프가 공동 현상을 방지하기에 충분한 압력을 가지도록 한다. NPSH(Net Positive Suction Head, 유효흡입수두)는 캐비테이션 발생 가능성을 나타내는 지표로, 흡입압력과 액체의 증기압 차이를 수두로 환산한 값이다. 펌프 운전 조건에서 NPSH가 필요 NPSH보다 높아야 캐비테이션으로 인한 진동, 효율 저하, 기계적 손상 등을 방지할 수 있다.

4. 4. 최소 유량 보호

대부분의 대형 펌프는 최소 유량 요구 사항이 있으며, 이 미만으로 작동하면 과열, 임펠러 마모, 진동, 씰 고장, 구동축 손상 또는 성능 저하로 인해 펌프가 손상될 수 있다.^[43] 최소 유량 보호 시스템은 펌프가 최소 유량 미만으로 작동되지 않도록 한다. 이 시스템은 배출 라인이 완전히 닫힌 경우, 즉 펌프가 차단되거나 데드 헤드된 경우에도 펌프를 보호한다.^[44]

가장 간단한 최소 유량 시스템은 펌프 배출 라인에서 흡입 라인으로 돌아가는 파이프이다. 이 파이프에는 펌프의 최소 유량이 통과할 수 있도록 크기가 조정된 오리피스 플레이트가 장착되어 있다.^[45] 이러한 구성은 최소 유량이 유지되도록 하지만, 펌프를 통과하는 유량이 최소 유량을 초과하더라도 유체를 재순환시키므로 낭비적이다.

좀 더 정교하지만 비용이 많이 드는 시스템(위 그림 참조)은 펌프 배출구에 유량 측정 장치(FE)를 포함하여 유량 제어기(FIC)로 신호를 제공하고, 이는 재순환 라인의 유량 제어 밸브(FCV)를 작동시킨다. 측정된 유량이 최소 유량을 초과하면 FCV가 닫힌다. 측정된 유량이 최소 유량보다 낮아지면 FCV가 열려 최소 유량을 유지한다.^[43]

유체가 재순환되면 펌프의 운동 에너지로 인해 유체의 온도가 상승한다. 많은 펌프의 경우 이러한 추가 열 에너지는 배관을 통해 소산된다. 그러나 원유 파이프라인 펌프와 같은 대형 산업용 펌프의 경우 재순환 라인에 재순환 냉각기가 설치되어 유체를 정상적인 흡입 온도로 냉각시킨다.^[46] 또는 재순환된 유체는 정유소, 석유 터미널, 해양 설비의 배출 냉각기 상류로 되돌릴 수 있다.

5. 펌프의 활용

펌프는 사회 전반에 걸쳐 다양한 목적으로 사용된다. 초기에는 물을 퍼 올리기 위해 풍차나 물레방아를 이용했다. 오늘날에는 관개, 급수, 휘발유 공급, 에어컨 시스템, 냉장(보통 압축기라고 함), 화학 물질 이동, 하수 이동, 홍수 제어, 해양 서비스 등 다양한 분야에서 활용된다.

이러한 다양한 용도에 맞춰 펌프는 매우 크거나 작은 것부터 기체나 액체를 다루는 것, 고압에서 저압, 고용량에서 저용량에 이르기까지 다양한 형태와 크기로 제작된다.

5. 1. 한국의 펌프 활용

6. 펌프 관련 기타 장치

• 축밀봉: 액체가 새는 것을 막기 위해 사용된다.
• 메커니컬 실(Mechanical Seal)
• 그랜드 패킹(グランドパッキン)
• 베어링
• 원동기
• 방진장치

참조

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