펌프의 양정: 흡입/토출양정, 실양정, 전양정 쉽게 정리

 

기계는 내용이 다 어렵게 나와있어서 이해하기가 어려우니..

이해하기 쉽게 정리해보았다..

 

펌프는 전동기, 엔진 등으로부터 동력을 전달 받아 유체를 낮은 곳에서 높은 곳 등 원하는 다른 장소로 수송할 수 있는 기계이다.

우리 주변의 물만 생각해봐도 중력에 의해 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는데, 펌프는 이 자연의 섭리를 거슬러 물을 위로 퍼올릴 수 있다.

광산에서의 지하수 배수, 농업용수를 위한 관개, 고층건물으로의 양수, 발전소용, 공장용 등 ‘유체’가 필요한  곳이면 어디든 존재한다. (여기서 유체라 함은, 보통 액체류.)

대부분의 경우 ‘물’의  이동을 위해 쓰이나 석유, 염산, 슬러지 등 화학성이 짙은 특수한 유체의 이동을 위해도 쓰인다. (따라서 수송유체에 부식/손상 되지 않게 펌프를 잘 설계/선정하는 것이 중요.)

 

# 펌프의 기본 원리

 

유체는 압력이 높은곳에서 낮은곳으로 흐른다.

 펌프는 흡입측 압력을 내려가게 만들어 유체를 빨아올린다.

빨대를 생각하면 쉽다. 빨대로 주스를 마실 때를 떠올려보자.

빨대를 빨면, 빨대 속 공기를 우리가 '흡입'해버리며 빨대 속의 압력은 대기압보다 낮아지게 된다. 이 압력 차이에 의해 주스가 압력이 작은 곳으로 밀려 올라가게 된다. 이렇게 우리가 빨대를 빨아, 내부의 압력을 낮춰주는 것처럼 펌프 역시 같은 원리를 이용한다.

펌프는 또한, 빨아들인 액체를 위로 밀어 올려내야 되는데 이는 너무 길어지므로 나중에 쓰겠다.

 

#양정(head)

펌프가 유체를 운송할 수 있는 높이 또는 압력. 보통 m단위로 표시된다.

(H=P/ρ·g 의 공식으로 양정과 압력간의 관계를 나타낼 수 있다. 

H= 양정, P=압력[N/m²], ρ=액체의 밀도[kg/m³], g=중력가속도[m/s²])

즉, 액체의 종류, 온도에 따라 양정은 달라진다. (액체의 밀도가 낮을수록 양정은 높고, 액체 온도가 높을수록 양정은 높다.)

 

#흡입양정(suction head)

 

: 흡입측 액면 ~ 펌프 중간까지 높이.

흡입하려는 유체가 물이고, 모든 손실이 없으며 펌프가 100%진공을 만들 수 있다고 가정하면 대기압  하에서 10.33m까지 물을 흡입할 수 있다. (이론상)

 

-> 만약 펌프가 흡입하려는 액면보다 10.33m 위에 위치하면 물을 흡입하여 수송할 수 없다.

-> 10.33m보다 낮은 곳에 펌프를 설치해야 한다.

  (10.33이라는 건 액체가 물이라는 전제이다. 만약 액체가 수은이라면 최대흡입가능 높이는 76cm. 토리첼리의 대기압측정 실험을 참조.)

 

(*토리첼리의 실험: 1기압인 곳에서 수은이 담긴 그릇에 1m의 유리관을 거꾸로 세우면 수은이 유리관 안으로 밀려들어오다가 76cm지점에서 더이상 올라오지 않고 멈춘다. -> 대기압(A)=수은기둥의 압력(B) )

(토리첼리가 일상에서 쉽게 구할 수 있는 물로 실험하지 않은 이유는, 물은 비중이 작아 10m가 넘게 올라가 실험하기가 힘들어서..)

(사진출처-http://koc.chunjae.co.kr)

대부분 펌프들의 흡상능력은 액체를 물이라 가정했을 때 많아봤자 8m이고 대부분 6~7m 정도 뿐이다. 이유는 '절대 진공'을 만들어 내기가 매우 어렵기 떄문이다. 아주 조그마한 틈새가 있어도 진공은 불가능한데 펌프를 절대진공으로 만들수 있으려면 그 비용이 엄청나서 경쟁력이 없어지고 그러한 비용을 치르면서 흡상능력을  100%되게 할 이유도 없다.

펌프 위치, 토출 능력을 바꾸면 되기 때문이다.

 

 

#토출양정(discharge head)

: 펌프가 최대로 올릴 수 있는 유체의 높이로 흡입양정과는 달리, 한계가 없다. (펌프 성능이 높을수록 높아짐)

토출 측에 압력계를 설치해 측정한다.

비중이 높은 유체일수록 감소한다.

->물보다 비중이 높은 수은을 퍼올리려면 더 큰 힘이 필요함..

 

-> 같은 성능의 펌프라면 비중이 낮은 유체일수록 높이 퍼올릴 수 있다. 

 

 

# 실양정(actual head)

 =흡입양정 + 토출양정

 

#전양정(total head)

=실양정+손실양정= 흡입양정+토출양정+ 마찰손실수두 ± 포화증기압에 따른 수두차이 ( + 유속양정)

-> 실양정은 펌프 배관과 유체의 마찰, 와류, 배관모양, 포화증기압 등을 고려하지 않은 양정이다.

그러나 실제는, 이런 마찰, 증기압 등은 반드시 존재하므로 실양정에 이러한 외부요인들 역시 고려하여, 펌프를 설계/선정해야 한다.

 따라서, 펌프 설계시 고려해야 하는 양정이 전양정.

 - 유속양정은 보통 매우 무시해도 좋을 만큼 값이 작아, 계산에 포함하지 않아도 된다.

 

# 펌프의 배관과 유체간의 마찰로 인한 손실

한 물체가 다른 물체와 접촉한 상태에서 움직이면, 그 접촉면에서는 ‘마찰’이 일어나 물체의 움직임을 방해한다.

마찰을 더 많이 일으키는 요소는 아래와 같다.

 

        - 배관이 길수록

        - 배관 표면이 거칠수록

        - 배관 직경이 작을수록

         - 배관이 구불구불할수록

 

         따라서, 마찰로 인한 손실수두(m)를 고려하여, 펌프를 더 낮은 곳에 설치하거나 (흡입양정에는 한계가 있으므로) 모터의 파워를 더 높여야 한다. (=에너지소모가 커짐)

 

        # 포화증기압 고려

          공기는 온도에 따라 머금을 수 있는 ‘최대’ 증기량이 존재하고, 특정 온도에서 공기가 머금을 수 있는 최대한의 증기(액체가 기화하여 발생한)를 갖고있는 것을 ‘포화’상태에 있다고 한다. 이 때 증기에 의한 압력을 포화증기압이라 한다.

          이렇게 액체는 주변 온도에 따라 기화하는 성질을 가지고 있다. 액체가 펌프의 배관 내에서 기화를 하면 그것이 형성한 증기에 의한 증기압이 생기고, 이는 대기압과 함께 액체를 밀어낸다.

             주변 온도가 높아질수록, 포화증기압도 따라서 커지고, 펌프가 흡입하기 위해 더 큰 힘이 필요하게 된다.

          -> 더 큰 힘 = 모터의 전력소모가 큼 = 유지비가 비싸짐

         이므로, 펌프가 설치되는 환경을 고려해 , 포화증기압이 높은 곳에선 펌프를 낮은 곳에 설치해야 한다.

 

 

 

           앞으로도 계속 공부겸 정리해서 포스팅. 글을 쓰면 생각이 정리되서 좋은 것 같다.