펌프 유량 계산 - peompeu yulyang gyesan

펌프이론 2.2 – 펌프성능

펌프를 측정할 때, 고려해야 할 몇 가지 사항들이 있다. 펌프의 물리적인 조건을 점검할 때 펌프에 발생하거나 녹이 비정상적인 소음을 발생한다면, 성능결과를 예측하기 위해서는 몇 가지 값들을 정확히 알아야만 한다.
펌프의 성능을 측정할 때, 주안점이 되어야 할 요소는 다음과 같다.
수력학 용어, 전기 용어, 기계 용어, 액체의 속성.

2.2.1 수력학 용어

이장에서는 가장 중요한 수력학 용어인 유량, 압력과 양정에 대한 설명이다.

유량

유량은 특정한 시간동안 펌프 내에 흐르는 액체의 양이다. 이러한 유량은 두 가지, 부피유량과 질량 유량으로 나뉜다.

부피유량 (Q)
부피유량은 펌프 성능으로부터 얻을 수 있는 값이나 액체의 밀도와는 관계없이 시간당 부피의 이동 값이다.(m³/h) 예를 들어, 상수도 급수의 경우 부피유량은 가장 중요한 요소이다. 취수나 관개용수의 경우 특정한 부피의 양을 이송해야 하기 때문이다. 이 책에서 유량이라는 용어는 부피유량을 지칭한다.

질량유량(Qm)
질량유량은 시간당 펌프가 이송 시키는 질량이다.(kg/s). 액체의 밀도는 온도에 따라 변화하기 때문에 액체의 온도는 시간당 펌프가 이송 시킬 수 있는 질량유량에 영향을 준다.
냉난방 및 공조 시스템의 경우, 질량은 에너지를 이송 시키는 방법이므로 질량유량을 반드시 알아야 한다.

압력 (p)

압력은 면적당 힘의 측정값이다. 일반적으로는 정압과 동압, 전압을 구별하고 있으며, 전압은 동압과 정압, 이 둘의 합을 말한다.

정압
정압(Psta ) 은 움직이지 않는 액체 혹은 유체의 흐름에 수직으로 놓인 압력게이지에서 측정한 압력이다. Fig. 2.2.2 참조

동압
동압(Pdyn )은 액체의 유속에 의해서 발생한다. 동압은 일반 압력게이지에 서 측정할 수 는 없지만 아래식에 의해서 계산 되어진다.

p : 액체의 밀도 [kg/m³] v : 액체의 유속 [m/s]

동압은 유속이 감소하거나 증가함에 따라 정압으로 전환 가능 하다.
Fig.2.2.3은 배관 구경이 D1 에서 D2 로 증가할 경우 유속은 V1 에서 V2 로 감소하는 결과를 확인 할 수 있다. 시스템에서 마찰 손실이 없다고 가정할 경우 정압과 동압의 합은 수평배관을 통해 일정하다.

배관 구경의 증가는 Fig. 2.2.3에서와 같이 정압이 증가하는 현상을 압력게이지 P2로부터 확인 할 수 있다.

대부분의 펌프 시스템에서 동압(Pdyn )은 전압에 미비한 영향을 미친다.
예를 들면 물의 유속이 4.5m/s 인 경우, 동압은 약 0.1bar 이고, 이는 양정을 결정하는 데 영향을 미치는 동압력에 기술한다.

측정압력
압력은 Pa(N/m²), bar(10 Pa), PSI(lb/in²) 등으로 표기한다. 우리가 압력을 다룰 때 가장 중요한 요인은 압력측정에 대한 다양한 표현 방법이다. 압력 측정에는 절대압력과 게이지압력이 있다.

절대압력 (Pabs )
절대압력은 진공(0 atm)을 기준으로 표시한 압력이다. 일반적으로 절대압력의 값은 캐비테이션 현상과 연관된 계산을 할 때 사용된다.

게이지압력
게이지 압력은 대기압(1 atm)을 기준으로 표시한 압력이다. 일반적으로 압력 p 는 게이지 압력을 일컫는다. 대부분의 센서와 압력 게이지는 시스템과 대기사이의 압력 차이를 측정하기 때문이다. 이 책에서 지칭하는 압력은 게이지 압력이다.

양정(H)

양정이란 펌프가 얼마나 높이 액체를 끌어 올릴 수 있는 가를 나타내는 수치로써 일반적으로 미터(m)로 표기된다. 아래의 공식은 압력(p)과 양정(H)사이의 관계를 보여 준다.

H : 양정 [m] p : 압력 [Pa = N/m²] ρ : 액체의 밀도[kg/m³] g : 중력가속도 [m/s²]

일반적으로, 압력 p는[bar]로 표기하며 10Pa 과 같다. 다른 압력 단위는 Fig. 2.2.4 참조

압력과 양정의 사이의 관계는 Fig. 2.2.5 (펌프가 4가지 다른 액체를 이송하는 경우) 참조.
펌프의 양정은 액체의 형태에 따라 변한다. Fig. 2.2.5처럼 펌프는 액체에 따라 서로 다른 양정값을 가지고 있고, 그 결과 운전점이 달라진다.

양정을 결정하는 방법
펌프 양정은 Fig.2.2.6과 같이 펌프의 P2 와 P1 의 배관에 걸리는 압력에 의해 결정된다. 그러나 Fig. 2.2.6의 경우와 같이 만약 두 측정값에 차이가 발생하면, 그 차이에 대한 보상이 필요하다. 특히, 배관 구경이 다를경우 실제 양정은 수정되어야 한다.

실제펌프의 양정 H 는 다음의 공식에 의해 계산되어진다.

H : 펌프의 실제 양정 [m] P : 플랜지의 압력 [Pa = N/m²] ρ: 액체의 밀도[kg/m³] g : 중력가속도 [m/s²] h : 측지학적 높이 [m] v : 액체의 유속 [m/s]

액체의 유속 v 는 다음에 공식에 의해서 계산되어진다.

v : 유속 [m/s] Q : 부피 유량 [m³/s] D : 배관 구경 [m]

이 두 가지 공식을 조합하면, 양정 H는 다음의 요소들로 구할 수 있다.
압력 측정값 P1 ,P2 , 측정값 사이의 측지학적 높이 (h2 –h2 ) , 펌프를 통과하는 유량 Q 와 배관 구경 D1 , D2 .

배관구경 차이에 의한 교정 값은 동압의 차이에 의해 발생한다.
공식으로부터의 교정 값은 부록 F 계산도표를 참조.

양정 계산의 예
Fig. 2.2.7 그림은 다음과 같이 시스템 구성이 되어 있다.

Q = 240 m³/h
p1 = 0.5 bar
p2 = 1.1 bar
액체 : 20 ºC 물

흡입구경 D1 = 150 mm
토출구경 D2 = 125 mm
압력 게이지가 있는 두 구경의 높이차 (h2 –h2 )는 355mm 이다.

위의 값들로 펌프의 양정을 계산하면 다음과 같이 산정된다.

계산에서와 같이, 압력게이지에 의해 측정된 압력 차이는 실제 펌프가 운전하는 양정 보다 약 1.1m 낮다. 이것은 먼저 압력 게이지 사이의 높이차(3.6m)와 두 배관구경의 차이에 의해 발생하는 편차(0.77m)에 의한 것이다.

만약 압력 게이지들이 같은 높이에 위치하거나, 측정에 차압게이지가 사용된다면, 높이차 (h2 –h2 )를 보정할 필요가 없다. 인라인 펌프의 경우, 흡입구와 토출구가 같은 선상에 있을 때 이 두 구경은 일반적으로 같은 크기를 갖는다. 이러한 형태의 펌프의 경우 양정을 결정하는 간단한 공식이 사용된다.

차압(Δp)
차압은 두 지점에서 측정된 압력의 차이를 말한다. 예를 들어, 압력은 시스템에서 밸브의 전후로 떨어지게 된다. 차압은 압력과 같은 단위로 표현한다.

시스템 압력
시스템 압력은 펌프가 운전하지 않을 때, 시스템의 한 지점에서의 정압이다.
시스템 압력은 폐회로 시스템을 다룰 때에 매우 중요한 요소이다. 시스템은 액체로 채워져 있고 적절히 배수되어야 하므로 가장 낮은 점에서 Hsta 의 시스템 압력은 반드시 시스템의 높이보다 항상 높아야 한다.

캐비테이션과 NPSH
캐비테이션은 유체의 증기압 보다 낮은 압력이 발생하는 펌프 부위에서 발생한다. Fig. 2.2.9, 2.2.10 참조

펌프의 흡입측에서 압력이 유체의 포화수증기압 보다 떨어지게 되면 (Fig.2.2.10의 노란 점 부위) 작은 기포가 발생하기 시작한다. 이렇게 생성된 기포는 펌프의 압력이 상승하는 부위에서 붕괴되며 충격파를 발생하게 되고, 펌프의 임펠러는 이 충격파를 받아 에너지를 흡수하는 과정에서 파손된다. 임펠러의 손상 정도는 임펠러를 구성하는 재질에 따라 다르게 나타난다. 스테인레스 스틸 재질의 임펠러는 청동 보다, 청동은 주철과 같은 기타 재질의 임펠러 보다 캐비테이션 현상에 의한 마모에 강하다.
Fig. 1.6.3 참조.

캐비테이션이 발생하면 유량(Q)과 양정(H)이 감소하며, 펌프의 성능을 저하시킨다. Fig. 2.2.11 참조. 현장에서는 캐비테이션 현상에 의한 펌프의 손상은 펌프를 분해했을 때만 파악 가능하다. 캐비테이션 현상이 발생하면 소음과 진동이 증가하며 결과적으로 베어링 마모, 샤프트 씰과 용접 부위 손상을 가져온다.

캐비테이션 발생 위험 계산
펌프의 최대 흡상 높이를 계산하여, 캐비테이션을 방지하기 위하여 아래 공식을 사용할 수 있다.

hmax – 최대 흡상 높이
Hb – 펌프가 설치된 지역의 대기압, 이 값은 이론적으로는 펌프의 최대
흡상 높이이다. Fig. 2.2.13 참조
Hf – 펌프 흡입 배관의 마찰 압력 손실
NPSH=펌프의 정미 흡입 수두(Net Positive Suction Head),
Fig. 2.2.12의 유량에 따른 NPSH 곡선에서 읽을 수 있다.

NPSH 값은 펌프가 어느 정도까지 절대 진공압력에 이르지 못하는 가를 의미한다. 절대 진공 압력은 배관에 10.33m의 물기둥을 수직으로 끌어 올렸을 때 맨 위쪽 끝 단에서의 압력이다. Fig. 2.2.13 참조

정미흡입수두(NPSH)는 필요 정미유효흡입수두(NPSHr)와 유효정미흡입수두(NPSHa)로 구분된다.

NPSH required = 펌프가 필요로 하는 정미 흡입 수두
NPSH available = 시스템이 제공할 수 있는 정미 흡입 수두

펌프가 필요로 하는 NPSH 값은 ISO 9906 표준에 따른 펌프의 시험운전에 따라 결정되며, 다음과 같은 방식을 따른다.
펌프가 운전되는 동안에 펌프의 흡입 양정을 유량의 변화가 없는 한계점까지 낮춘다. 펌프의 흡입 토출 간의 차압이 3%로 떨어졌을 때 펌프흡입측 압력을 읽는다. 이 값이 펌프의 필요정미흡입수두(NPSHr)값이며 유량을 변동하여 시험을 반복한다. 이러한 정보들이 모여 각 유량에 대한 필요정미흡입수두(NPSHr) 그래프를 그릴 수 있다

펌프의 흡입 수두가 필요정미흡입수두(NPSHr) 값에 이르게 되면, 캐비테이션이 증가하여 펌프의 토출양정이 3% 감소하게 된다.

Hv – 유체의 포화수증기압, 물의 포화수증기압과 관련하여 더 많은 정보를 위해서는 부록 D 참조.

Hs – 안전 요소. Hs 값은 펌프가 설치된 상황에 따라 변경될 수 있으며 보통은 0.5~1m 사이의 값으로 설정하고, 가스를 함유하고 있는 액체의 경우 2m로 설정한다. Fig. 2.2.15 참조

2.2.2 전기 용어

펌프의 성능자료를 분석하기 위해서는 다양한 전기 수치들에 대한 이해가 필요하다. 본 장에서는 가장 기초적이며 중요한 전기 값들-전력 소모량, 전압, 전류, 역률에 대해 기술하였다.

동력 (P)

펌프는 Fig. 2.2.16과 같이 몇 가지 요소로 이루어져 있으며 각 요소의 동력값은 상이하며 다음과 같이 세 가지 동력이 존재한다.

P1 공급 전원을 통하여 모터로 입력되어 소모되는 전력, 실제로 펌프운전에 따른 에너지 비용을 산출하는 근거가 됨. (전기 동력)

P2 모터로부터 출력되는 동력, 커플링을 통한 동력전달이 이상적인 상태에서는 펌프로 전달되는 동력을 의미하며 축동력이라고 칭함.(기계동력)

PH 수동력-펌프를 통하여 유체에 전달되어 유량 및 압력으로 나타내어지는 동력.

일반적으로 펌프의 동력이라 함은 상기 P2 값을 의미하며 W 또는 kW 단위로 나타낸다.

효율 (η)

일반적으로 펌프의 효율은 주로 펌프 부분에만 해당하는 를 나타낸다.
펌프 부분의 효율은 펌프 하우징의 형상, 임펠러와 디퓨저 설계, 각 부품의 표면 거칠기 등에 의하여 결정된다. 하지만, 펌프의 운전에는 펌프 부분외에 모터의 역할도 중요하기에 펌프 전체의 효율 는 모터 효율을 고려해야 한다.

만일, 펌프의 회전 수를 제어하기 위하여 인버터를 사용할 경우 전체 효율 계산시 인버터 효율 까지도 계산해야 한다.

전압 (U)

배관 상에서 압력 차이에 의해 유체의 흐름이 발생하듯, 전기 회로에서는 전압에 의하여 전류가 발생한다. 전압은 볼트(V) 단위로 표기되며 1.5V 건전지와 같은 직류전원(DC)과 일반적으로 가정 등에 공급되는 교류전원(AC)이 있다.
교류 전원의 공급 체계는 각 국가마다 차이점이 있다. 하지만, 일반적으로 3상의 전원선과 (L1, L2, L3) 중립선 (N)으로 이루어져 있다.
이 4개 전선외에도 접지를 위한 전선이 추가된다. Fig. 2.2.17 참조.
예를 들어, 3x380V/220V 공급 전원의 경우, 각 상간의 전압은 380V이며, 각 상과 중립선 (N)과의 전압은 220V 이다.
상간 전압 및 각 상과 중립선(N) 간의 전압은 오른 쪽의 공식에 의하여 계산된다.

전류 (I)

전류는 전기의 흐름이며 암페어(A) 단위로 표기된다. 전기 회로에서의 전류량은 공급 전원의 전압과 회로 내의 저항 및 임피던스에 의하여 결정된다.

동력(P)와 역률 (cosφ or PF)

펌프의 운전과 관련하여 전력 소모량은 중요한 펌프 선정의 근거가 된다.
일반 교류 모터를 사용한 펌프의 경우, 펌프의 운전으로 인한 동력 소모량은 공급전원의 전압, 전류 , 모터의 명판에 표기된 역률 cosφ 값에 의하여 결정된다. 역률 cosφ 는 전압과 전류의 위상차이 이며 Power Factor (PF)로 표기되는 경우도 있다. 펌프의 운전에 따른 전력 소모량을 의미하는 P1 동력은 공급 전원이 단상인지 또는 삼상인지에 따라 오른쪽의 공식으로 계산된다.

2.2.3 액체의 물 성치

유체 시스템을 설계할 경우, 유체의 필수적인 세가지의 물성치인 유체 온도, 밀도, 비열 등은 사전에 반드시 고려하여야 올바른 설계를 할 수 있다.

유체의 온도(T)

유체의 온도는 섭씨(Celcius, ºC), 절대온도(Kelvin,K) 또는 화씨(Fahrenheit, ºF)로 표기된다. 섭씨( ºC)와 절대온도(K) 단위는 근본적으로 동일한 단위계이다. 하지만, 섭씨(ºC)에서의 물의 빙점은 0ºC이지만, 절대온도로는 273.15K로 표기된다.
마찬가지로 절대온도 0 K는 –273.15 ºC이다.
화씨(ºF)와 섭씨(ºC) 간의 관계는 다음과 같다.
ºF= ºC 1.8+32
화씨의 경우 물의 빙점은 32 ºF이며 대기압 하에서의 물의 끓는점은 100 ºC , 212 ºF이다.

유체의 밀도(ρ)

밀도는 단위 부피 당 질량을 나타내며, kg/m³ 또는 kg/dm³ 등으로 표기한다.

유체의 비열(Cp)

유체의 비열은 단위 질량의 유체를 가열하였을 경우 얼마나 많은양의 에너지를 유체가 내부에 보유할 수 있는가를 나타낸다. Fig. 2.2.18 에서 보이는 바와 같이 유체의 비열은 온도에 따라 변화한다. 비열은 에너지를 순환시켜 분배하는 시스템, 예를 들어 냉난방 시스템이나 공기 조화 시스템의 설계에 필수적으로 사용되는 유체의 물성치이다.
두 종류 이상의 유체가 서로 섞여 있는 경우, 예를 들어 냉방시스템에 쓰이는 물과 부동액의 혼합액에 대한 비열은 순수한 물의 비열보다는 작은 값을 가지며, 따라서 동일한 에너지를 이송하기 위해서는 더 많은 유체의 유량을 필요로 한다.

taejinft2019-02-14T11:56:05+09:004월 18, 2016|Categories: 펌프이론|Tags: (주)태진에프티, NPSH, 그런포스펌프 선정, 동력, 수력학, 압력, 양정, 역률, 유량, 유체밀도, 유체비열, 유체온도, 전류, 전압, 차압, 캐비테이션, 태진에프티, 펌프, 펌프개론, 펌프교체, 펌프기초, 펌프배관, 펌프성능, 펌프이론, 폄프, 효율|

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