Tech Story ▶ ▶ ▶ * 자료 : 한국스파이렉스사코(주)    www.spiraxsarco.com/kr

펌프를 이용한 Package 장비가 최근에 많이 생산된다. 또한 펌프를 설비시스템에서 제외한다면 심장 없는 인체와 같다고 할 수 있다. 대부분의 사람들은 설계에서나 현장에서 펌프 관련 용어와 기술적인 부분에 익숙해 보이지만 명확한 의미를 아는지는 부족한 부분이 있다. 펌프를 취급하는 경우에 유량이나, 양정 선정관련해서 이해할 부분이 무엇인지, 그리고 펌프의 캐비테이션 현상 및 유효흡입수두(NPSH; Net Positive Suction Head)의 의미에 대하여 알아보도록 하겠다.   <편집자 주>

펌프의 종류

액체의 경우에 한해서만 언급해도 펌프의 종류는 지면을 다 할애해도 모자라지만, 일반적인 HVAC 시스템에서 취급하는 종류는 원심식, 축류식, 사류식으로 나눌 수 있다.

원심식은 흡입과 토출 방향이 90°인 즉, 유체가옆(측면)에서 들어와서 위로 나가며 다시 볼류트식과 터빈식으로 세분할 수 있다. 일반적으로 축류식은 밑에서 유체를 흡입하여 위로 토출하는 것처럼 유체의 입구방향이 출구방향과 한 방향선을 가지고 있다. 그 중간쯤에 있는 것이 사류(약 45°)타입이 있으며, 원심식의 터빈펌프는 펌프날개(impeller)에 추가로 날개차(guide)가 있다.

또 다른 설치형태별로는 누워있는 수평형(horizontal type)과 서있는 형상인 입형(vertical type)으로 분류할 수 있다. 요즘은 입형이 기계실 공간 점유도 적고, 방진적용도 없고, 효율도 많이 좋아서 활용도가 매우 높아진 편이다. 그러나 축류와 입형은 같은 의미는 아니다.

또 다른 구분은 임펠러 단수를 기준으로 단단, 다단으로 나눌 수 있는데 고양정으로 갈수록 펌프의 임펠러를 직렬로 연결하여 이용한다.

이때 2단, 3단, 4단 등은 다단이라는 용어를 사용하며, 단단은 1단이며 임펠러 단수가 적으므로 고양정용으로는 사용하기 어렵다. 급수용으로 많이 쓰는 부스터 펌프는 입형이며, 다단에 속하고, 원심식이다. 부스터 펌프는 축류 타입처럼 보이기도 하는데 그 이유는 펌프 3~4대를 병렬로 설치하여 출구를 조정하기 위한 과정에서흡입/토출이 한 방향으로 보이기 때문이다. 그러나 원심식이므로 내부에서는 90。로 각이 있으며, 흡입 토출의 위치는 상하차이가 있다.

<그림 1> 펌프의 종류(흐름 방향에 의한 분류)

<그림 2> 펌프의 종류(형상과 단수에 따른 분류)

펌프유량

펌프의 유량 선정은 설계자만의 몫이라고 생각 할 수 있겠지만, 모두가 알 필요도 있으므로 접근해 보도록 알아보자. 만일 냉동기의 용량이 100 RT이라고 한다면 302,400kcal/h(1 RT(US)=3,024 kcal/h)이 되고, 냉방용의 공조기에서 부하를 담당하는 코일 입출구 온도를 7℃→ 12℃로 하여 △T가 5℃가 된다면 냉수 순환펌프용량은 302,400kcal/h÷60min/h÷5℃=1,008 LPM이 되고, 대수 제어를 한다면 대수 만큼 나누면 된다.

[열량 / 온도차] 개념은 일정하므로 온수용도 마찬가지로 유량을 계산한다. 그러나 냉온수 겸용펌프로 사용해야 하는데 온도차(온도차 10℃인 경우도 많음)가 다를 경우는 펌프를 구분하거나, 냉온수를 별도로 동절기, 하절기 대수 제어를 할 수 있도록 유도해야 한다.

펌프의 유량이 적어지면 유체의 부하처리온도 △T가 상승되므로, 부하처리에 필요한 △T가 5℃될 경우에 공조기 부하를 처리 할 수 있으나, 작은 유량으로 부하를 처리하려면 공조기 출구 온도가 상승되어(즉, 7℃→ 12℃여야 하나 7℃→ 157℃가 될 수 있다. 이 경우도 부하처리는 할 수 없다. 즉 공조기를 거쳐서 나오는 출구공기온도가 냉방에 필요한 온도가 안 된다는 의미), 정해진 부하를 처리할 수가 없게 된다. 반대로 펌프 유량이 과유량이 되면 부하 처리에는 문제가 없으나, 펌프의 동력비가 상승하고, 냉동기외 기타 장비들에 대한 효율이 낮아진다. 만약에 부하처리 온도차 기준을 처음부터 107℃로 하여 열교환기 및 공조기 풍량의 △T를 수정하여 적용한 경우라면 그 온도차에 맞는 펌프유량이 선정될 것이다. 냉각수(냉각탑용) 순환펌프의 경우도 마찬가지이다. 펌프의 유량선정에 있어서 위생용(급수용 펌프, 오배수용펌프, SUMP용 펌프 등)이나, 소방용(스프링 쿨러 펌프, 옥내소화전 펌프, 채수구 펌프 등)인 경우, 기준이 온도차가 아닌 토출 유량만으로 선정할 수 있다. 이 펌프 등은 온도차개념 적용이 없으니 단순 필요 유량산정이 쉽다.

또 다른 선정방법으로는 배관의 방열 손실량에 대한 유체의 이송개념으로 적용하는 펌프가 있다. 이때 사용하는 펌프가 급탕 순환펌프이며, 이 경우는 앞의 2가지 경우와는 매우 다르게 접근해야 한다. 이는 배관 열 손실량을 구한 다음 급탕 공급 온도가 늘 일정하게 유지될 수 있도록 배관에 의한 방열 손실에의 해급탕수 온도저하를 방지할 정도의 유체량만의 이송을 지속적으로 유지하는 것이다. 이것을 정확히 말하자면 온도차에 의한 펌프 유량 선정 개념인 것이다. 우리가 증기공급배관에서 발생되는 응축수를 드레인 시키기 위해 트랩선정 시배관 방열량에 따라 트랩을 선정하는 기준처럼 대체로 그 유량은 배관방열 손실을 정확히 산출하기란 설계과정에서 매우 번거롭고 힘든 일(배관/보온재/공기를 열이 통과하는 과정에서 총괄 전열계수값, 배관의 표면적, 길이, 단열재두께, 종류, 배관내부와 외부공기와의 온도차, 바람의 속도 등을 고려하여 계산함)이므로 개략적인 유량(예를 들면 최대급탕량의 1/2~1/4 수준, 지역난방기준은 급탕량의 30% 수준)으로 진행한다. 이외에 기타 다른 펌프의 유량선정은 극히 HVAC 시장에서는 미미하므로 이 정도로 유량선정은 마치도록 한다.

펌프양정

펌프의 양정 기준은 HVAC 시장에서 밀폐회로 배관계인가 또는 개방회로 배관계인가에 따라 다르다. 개방회로라 함은 급수시스템 등과 같이 공급측과 회수측의 배관이 밀폐되어 있지 않고 개방된 경우이고, 밀폐 배관계는 냉온수 순환시스템의 수배관시스템이 외부로 개방되어 있지 않는 밀폐된 배관루프를 이루는 경우이다.

개방회로 시스템은 정수두를 극복해야 하는 양정 값이 추가가 되고, 밀폐회로 배관에서는정수두개념의 양정은 없다. 예를들면 개방계의 급수용 펌프의 양정 산정 시 정수두(수직 높이)가 50m, 최말단 급수기구 공급 필요압 7m(수도꼭지 물 방수압력=0.7kg/㎠), 배관마찰손실 100m×0.02mAq/m×1.5(fitting류 개략적용)=3m라고 하면 양정이 60m가 필요하다.

이와는 달리 밀폐계의 예를 들면 냉온수 순환펌프의 경우, 냉온수 헤더손실 2m, 냉동기 냉수계 마찰손실 5m, 배관마찰손실 300m(왕복거리)×0.02mAq/m×1.5(fitting류 개략적용)=9m, 각종 control valve 마찰손실 2m, 기타 열교환기류 3m라고 하면 양정으로 21m를 적용할 수 있으나, 시스템의 배관길이 및 장비의 수량에 따른 마찰손실 값 등의 변동요인이 있을 수 있다. 이와 같은 개념으로 밀폐배관과 개방배관의 양정 적용기준이 정리될 수 있다.

특이한 양정 적용이 몇 가지 더 있다. 급탕 순환펌프의 양정은 최고 6m 이내로 가급적 적용이 될 필요가 있고(배관마찰 손실값에 의한 극복 수두 값을 너무 크게 적용할 경우 급탕수전에서 부압이 생겨서 급탕이 안 될 경우가 있음), 보일러 급수펌프는 보일러 드럼의 증기 공급압을 펌프양정에 포함할 필요가 있고, 냉각수 순환펌프는 밀폐 게이지만 냉각탑의 냉각수가 외기에 접하는 부분에 해당하는 정수두 높이 값(약 5m)이 적용되어야 한다. 이는 밀폐/개방이 혼합되어 있는 시스템으로 본다는 것이다. 또 특별하게 소방용의 경우는 모두 개방식이지만 말단 기구방사 압력이 소화전이나 스프링클러인 경우 각각 다르게 적용된다(방사 압력이 각각 17m, 10m). 이외에 공장의 공정라인의 경우는 요구 수압이 50m가 필요한 장비도 있다는 것도 고려할 필요가 있다.

펌프의 유량-양정곡선

원심펌프의 운전점은 펌프의 유량에 따라서 또는 펌프의 양정에 따라 변한다. 원심펌프의 특성은 임펠러의 회전수가 일정할 경우 유량이 증가하면 양정이 떨어지고 유량이 감소하면 양정이 증가하는 상호작용을 갖고 있다. 특히 펌프 용량이 과대하게 선정되면 현장에서 운전이 될 때는 펌프의 저항을 증가하여 유량을 줄이므로 펌프의 효율이 떨어져 동력비를 증가시키게 된다. 따라서 펌프를 선정 시 효율이 가장 높은 지점에서 펌프의 운전점이 될 수 있도록 선정하는 것이 이상적이다.

<그림 3> 펌프의 종류(형상과 단수에 따른 분류)

펌프의 캐비테이션

물의 경우 100℃가 되면 끓지만 이것은 대기압에서 일어나는 현상이며 압력이 대기압 이하로 떨어지면 비등점은 점점 내려가게 된다. 액체에는 액체의 온도에 해당되는 포화증기압이 존재하며 액체의 압력이 그 온도에서의 포화증기압보다 내려가면 액체내부에서 증발현상이 발생되어 기포가 발생되는 현상을 캐비테이션이라고한다.

펌프흡입 측의 경우 압력이 떨어지므로 이러한 캐비테이션 현상이 발생할 가능성이 크고 생성된 기포가 펌프출구 측에서 급격히 붕괴되는 현상이 반복됨에 따라 펌프의 성능저하, 진동, 소음을 수반하고 펌핑량의 감소 또는 펌핑이 불가능하게 된다.

·흡입수두

캐비테이션을 없애기 위해서는 펌프흡입측이 액체의 온도에 해당되는 포화증기압 이하로 떨어지지 않도록 해야 한다. 이러한 현상이 발생되는 것을 근본적으로 피하기 위해서는 펌프 흡입조건에 따라 정해지는 유효흡입수두(NPSHav; Net Positive Suction Head Available)와 펌프마다 필요로 하는 필요흡입수두(NPSHre; Net Positive Suction Head Required)에 대한 개념을 알아야 한다.

1) 유효흡입수두

펌프가 설치되어 사용될 때 펌프 흡입구 중심까지 유입되어 들어오는 액체에 가해지는 절대압력에서 흡입액체의 온도에서의 포화증기압을 뺀 것을 말한다.

[계산식]
Hav=Ps/Υ-Pv-Ha-Hf
Hav : 이용 유효흡입수두
Ps : 흡수면에 작용하는 압력 (kg/㎡ abs)
Υ : 사용온도에서의 단위체적당 중량(kg/㎥)
Pv : 사용온도에서의 액체의 포화증기압(kg/㎡ abs)
Hs : 흡수면에서 펌프 기준면까지의 높이(m),
       (펌프 흡입인 경우-적용, 압입인 경우 적용)
Hf : 흡입측 배관에서의 총손실 수두(m)

2) 필요흡입수두

회전차 입구 부근까지 유입되어지는 액체는 회전체에서 가입되기 직전에 일시적인 압력강하가 발생되는 이에 해당하는 수두를 말한다.

 <그림 4> 펌프 흡입측에서 경로별 압력 분포도

캐비테이션을 피할 수 있는 유효흡입수두는 얼마나 커야 하는가?

캐비테이션 현상이 발생되지 않도록 펌프를 안전하게 운전하기 위해서는 펌프 입구 직전에서의 전압력을 액체의 포화증기압보다도 NPSH re x 1.3에 상당하는 압력 이상으로 높여야 한다. 즉 NPSHav > NPSH re ×1.3의 관계를 유지해야 한다.

펌프의 병렬과 직렬 운전

병렬운전은 냉온수 시스템의 대수제어나 비상시 대유량의 펌핑이 필요한 사용처에 적절하며 직렬운전은 소유량이지만 양정이 매우 높거나 부스터 펌프를 두어야 하는 곳에서의 사용에 적절하다. 또한 직렬운전은 유량이 동일하고 병렬운전은 양정이 동일하게 된다.

<그림 5> 펌프의 병렬과 직렬 운전

펌프 2대를 병렬로 사용한다면 유량을 기준으로 나누기 2해서 선정하게 된다.

그러나 실제로 시스템에서 최대 부하 또는 최대 용량이 필요한 경우, 예측했던 것과는 달리 펌프의 용량이 모자라게 되는 경우가 생긴다.

다시 말하면 펌프 1대로 가능한 유량이 100일 때 2를 사용한다고 해서 200이 되는 것이 아니라는 것이다.

2대로 병렬 운전을 할 경우 양정에 대한 배관 손실저항이 증가하여 유량이 정확히 2배가 되지 못한다.

물론 실제로는 부하가 100%인 경우의 수가 적고 안전율이 적용된 설계 때문에 사용상에는 무리가 없어 보이지만 정확한 값으로 위와 같이 펌프를 선정하게 되면 유량이 모자라게 될 것이다.

직렬 운전의 경우도 양정이 100인 펌프를 2대 사용해도 200에는 모자라게 된다.

두 경우 모두 유량과 양정은 원하는 200이 아닌 140~160에서 운전된다. 여기서 시스템의 운전 특성에 따라 그 정도는 달라질 것이다.

따라서 펌프를 2대 이상의 병렬 또는 직렬로 운전을 할 경우에는 해당 펌프의 성능곡선에 대한 이해와 시스템의 양정 특성을 확인하여 가장 경제적인 설계/운전원칙을 찾아야 한다.

일반적인 유량선정과 달리, 설계자가 동절기의 하루중 가장 추운 시간과 낮 시간 때와 같이 덜 추운 시간으로 나누어 필요유량에 따라 펌프 운전방법을 구분하였다면, 이러한 경우 설계자의 의도는 펌프의 동력비를 절감하려는 의도였을 것이다.

실제로 건물 유지관리 경비에서 가장 큰 비용은 전기료이다.

예를 들어, 실제 백화점의 총 시설유지 관리비용을 보면 전기료가 전체 사용 운전비용의 약 70%에 이른다. 따라서 전기료를 절감하는 것이 일반 HVAC 분야에서의 절약효과가 매우 크다고 할 수 있다. 그래서 전체 냉난방 용량 또는 급수용량에 비해 펌프운전은 부분 부하 운전의 가능성이 있다.

최초 설계자는 건물의 특성에 따라 펌프 운전을 24시간용, 8시간용, 간헐 운전용, 온도차가 다른 용도 등으로 지역(zone)을 구분하여 부분부하 운전이 가능하도록 설계한다. 즉 병렬운전이 되도록 펌프 대수를 나누어서 부하에 적절한 유량만큼 냉동기가 가동되고 이와 연동하여 냉수 순환펌프가 운전되도록 한다.

보일러의 경우도 마찬가지로 온수 순환펌프의 운전과 연동하여 시스템을 구성한다. 위의 것들은 모두 에너지(동력비)를 절약하기 위한 것들이다.

펌프의 회전수 제어

하나의 펌프가 유량과 양정이 결정되어 있는 상태에서 더욱 에너지를 절약하려는 것이 펌프의 회전수 제어이다.

회전수 제어를 다른 말로 표현하면 INVERTER CONTROL이라고 한다.

“왜 동력비 절감을 위해 펌프의 회전수를 제어하는가?”라는 의문을 가지게 된다. 이것의 답은 펌프의 상사법칙으로 설명할 수 있다.

원심 펌프는 원심식 송풍기처럼 가변 토크 기계이며 송풍기에 적용되는 법칙과 동일한 법칙을 따른다.

가변 토크라는 용어는 펌프 또는 송풍기를 돌리기 위해 요구되는 마력이 그것의 속도에 정비례하지 않는다는 것을 말한다.

그것은 속도의 세제곱에 비례한다.

대부분의 용적식 펌프와 같이 고정 토크 펌프는 회전수에 정비례한다. 펌프 성능은 회전수, 유량, 양정, 임펠러의 직경의 변화에 따라 변한다. 기본적인 상사법칙은 다음과 같다.

<식 1> 임펠러의 직경이 고정되어 있는 경우

<그림 6> 펌프의 상사법칙

예를 들어, 회전수가 3500rpm(분당 3500번 회전)인 펌프의 유량이 1000LPM, 양정이 50M, 동력이 10kW라고 할 때 회전수를 절반인 1750rpm으로 줄이면 유량은 500LPM, 양정은 12.5M, 동력은 1.25 kW로 변화한다는 것이다.

그림 a는 이들 세 가지 법칙을 그래프로 나타냈다.

이 법칙은 고정양정 및 변동양정 모두가 존재하는 배관시스템에 설치된 펌프의 성능을 나타내는 것이 아니다.

그림b는 20ft(6.1m)의 일정한 실양정을 갖고 운전되는 변속펌프에서 유량, 양정, 소비전력의 변화를 나타낸다.

이와 같이 회전수의 감소에 따라 동력은 세제곱으로 감소하여 매우 큰 동력비의 절감이 이루어진다는 것이다.

일반적인 동력규모가 큰 경우 부하의 운전성격이 다양하게 변화될 가능성이 있는 시스템이라면 비용의 절감측면에서 적용할 만한 가치가 충분히 있다.

아래 그림은 회전수제어 시 소비동력의 변화를 보여주고 있다.

<그림 7> 회전수 제어 시 상대적인 소비 동력

급수용 부스터 방식의 경우 대부분에서 펌프의 회전수 제어(이하 인버터 시스템)가 적용되고 있다. 1차적으로 펌프로 3~4대로 대수 분할하여 에너지 절감을 유도하고, 그 중 1대의 펌프에는 인버터 시스템을 적용하여 또 한 번 추가로 에너지를 절감하겠다는 의도인 것이다.

같은 아파트라 하더라도 시간대 별로 사용량의 변화는 매우 큰 차이가 있다. 출근 시간과 같이 대다수의 사람이 물을 사용하는 경우도 모두가 자는 시간에 단 한 명이 샤워를 할 수도 있다.

만일 1000세대 아파트가 펌프 3대의 병렬시스템으로 급수를 하고 있다고 가정을 하자. 한 명의 사용시와 같은 최소한의 유량만이 필요한 경우에 단순히 정속펌프나 1대의 단독운전은 큰 낭비가 아닐 수 없다.

인버터 운전은 압력 센서에 의해 펌프 토출측의 정해놓은 압력에 따른 신호를 받아 압력이 떨어지면(급수량이 많아지면) 펌프 1대가 가동하고 압력이 더욱 떨어지면 펌프 2대가 가동하는 식으로 펌프가 우선 병렬운전을 하고, 압력이 올라가다 정해놓은 압력까지 오면 펌프가 모두 정지하게 된다. 이때 아주 소량의 급수가 사용되어 압력이 약간 떨어지면 1대를 가동하여 인버터제어만으로 유량을 공급하도록 하는 것이다.

이외에도 냉동기가 여러 대 운전되고 이에 맞물린 냉각탑도 병렬로 여러 대 운전되고 있는 경우 냉각탑 1대에는 인버터용 냉각탑 팬을 적용해 놓으면, 냉각수 온도에 따른 냉각탑 팬의 회전수 제어를 병렬 운전이외의 추가적인 에너지 절감이 가능하며, 실제로 설계시스템에서 적용하고 현장에서 운전하고 있다.

이것은 압력이 아니라 온도에 따른 인버터 시스템인 셈이다. 한겨울에 냉방이 필요하여 냉동기의 운전을 해야 하는 산업용공장, 항온항습건물, 클린룸설비 등에는 겨울철 냉각탑의 팬 인버터 시스템의 활용도는 더 높다.

부하에 대응한 냉수의 냉동기 정유량 확보 필요성을 고민한다면 1, 2차 펌프시스템이 아닌 경우, 즉 1대의 단독 펌프 시스템으로 인버터 적용의 효과를 보기에는 그 해당 유량범위가 작을 것이다.