수중펌프 기본 원리 Sewage Engineering PART 04 01. 기본 김윤수 기자 2016-07-27 10:45:41

냉동, 공조 및 냉각수 순환 시스템은 빌딩 내에서 중요한 역할을 한다.

냉수는 산업기계의 냉각과 빌딩의 증발기 냉각을 위해 사용된다.

공조기는 열운반 매체를 필요로 하고 보다 빠른 열교환을 위해 순환펌프를 활용한다.

냉각탑의 경우, 유체는 펌프를 통해 유체 처리시설과 함께 또는 유체 처리시설 없이 업무를 수행한다.

열 운반매체는 유체이송을 위해 다양한 화학적,물리적, 기계적 그리고 경제적 요건을 충족시키는 펌프 및 시스템이 필요하다.


배관과 밸브류의 압력 강하

압력 강하는 구성품의 흡입구와 토출구 사이의 압력의 감소를 말한다.

이들 구성품에는 배관과 밸브류가 포함되며, 난류와 마찰로 인해 손실이 발생한다. 각 배관과 밸브류는 재질 및 표면 거칠기에 따라 자체 특정 강하값을 가지고 있다.(제조사의 사양을 참조) Wilo가 사용하는 밸브류와 그 강하값에 대한 개요는 추가정보에 나와 있다.(추가정보 표 6 “HDPE 플라스틱 배관의 유량에 따른 압력 강하” 참조)


개별 운전

펌프의 운전점은 펌프 곡선과 시스템 곡선의 상호교차점에 있는 펌프의 운전을 말한다.



환기

빌딩 내 설치물에 대한 환기 배관의 설계는 DIN EN 12050-1, 5.3에 기술되어 있다. 배설물이 포함된 폐수에 대한 리프팅 플랜트의 표준에 따라, 적어도 DN 50의 환기 배관 (지붕 높이 이상의 환기)이 현재 적절하며 반면 옛날 국가 가이드라인인 DIN 1986에는 DN 70으로 명기되어 있다. 이러한 환기 배관은 일차 및 이차 배관 모두에 공급이 된다. 환기장치 / 환기 밸브는 배설물을 포함하는 폐수에 대한 리프팅 플랜트의 환기 배관의 대체용으로는 허용되지 않는다.

폐수 리프팅 플랜트에는 환기가 필요하지만 그 유형과 방식은 EN 12056-2에 명시되어 있지 않다. 환기는 지붕 높이 이상으로 순환이 되거나 활성 탄소 필터가 장치되어 있어야 한다.


수직홈통(downpipe)

지붕 높이 이상에 환기장치를 가진 건물 안과 건물 위에 있는 모든 수직 배관을 말한다.

 

유속

하수 내의 고형물과 부유물이 배관에 침전을 일으키고 배수 시스템을 막히게 한다. 배관이 막히지 않도록 하려면, 다음의 최소 유속을 준수할 것을 권장한다



유체의 구성성분 (예. 높은 모래성분, 슬러지 펌핑)에 따라, 상기 표시된 값은 더 높아질 수 있다. 하지만, 적용되는 지역 및 국가별 표준과 가이드라인을 반드시 따라야 한다. 유속은 표면적(m2)의 단위에 따라 유량(m3/s)으로 측정하며 일반적으로 0.7m/s ~ 2.5m/s 사이가 되어야 한다. 배관 직경을 선정할 때는 다음 사항을 반드시 고려해야 한다


유속이 클수록, 침전물은 작아지며 막힘 현상도 줄어든다. 하지만, 배관의 저항은 유속이 증가할수록 증가하며 시스템을 비효율적으로 만들고 유체속의 마모성 성분을 통하여 시스템 부품에 조기 손상을 야기할 수 있다.


자유(볼) 통과

유체에 따라 내용물과 구성성분이 다르기 때문에, 하수 펌프와 그 수력 부품은 내용물과 구성성분을 고려해서 선택해야 한다. 하지만, 임펠러 설계는 각 유체와 그 구성성분에 가장 잘 맞도록 해야 한다.



그러나, 자유(볼) 통과를 확대하면 수력적 효율을 감소시킨다는 것을 주의해야 한다. 그 결과, 동일한 성능을 얻기 위해 더 많은 동력이 필요하며 이것은 운영비와 구매비에 영향을 준다. 따라서, 경제적 관점에서 세심한 설계가 필수적이다



중력식 배수 배관


중력식 배수 배관에서, 배수는 지형적 기울기에 의해 일어난다. 배관의 상부에만 부분적으로 유체가 채워져 있다.


토출 양정(delivery head)

펌프의 토출 양정 H는 펌프의 흡입구와 토출구 사이의 유체의 에너지 차이를 말한다. 토출 양정의 단위는 m 또는 bar (10m ~ 1bar)이다. 에너지양은 에너지 양정 (=토출 양정)으로 표시된다. 압력은 에너지 양정의 구성요소이지만 일반적으로 에너지 차이에 대한 동의어로 사용된다.(에너지 차이 = 압력)

 

펌프에서 공급되는 토출양정(에너지 차이)은 지형적 수직 높이 차이(= 정수두 차이)와 배관 및 밸브류 내 압력 강하 (= 미터 단위의 강하)의 합이다.



토출 양정을 명시할 때, 압력을 정확하게 지정해야 한다. 최적의 운전점의 압력, 펌프의 최상의 효율에서의 압력 (Hopt)과 펌프의 최대 압력 (Hmax) 사이에는 기본적인 차이가 있다. 만약 사양을 잘못 이해하여 펌프가 너무 크거나 너무 작은 펌프를 선택하면 설치물과 장치에 손상을 줄 수 있으며 시스템의 단기 고장을 야기할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 가능한 높은 운전점을 제공한다. 즉 배관의 최대 운전점은 Hgeo-max이다.




기울기가 다양하고 공기 빼기를 할 수 없는 토출 배관의 경우, 개별값은 높이의 변화에 따라 추가되어야 한다. 이것은 개별적인 높이 차이로 인해 배관이 부분적으로 채워질 수 있고 따라서 여러 번 겹쳐진 물기둥이 추가되어야 한다는 사실에 기인한 것이다.

 

부분적으로 물로 채워진 배관의 경우, 상승되는 부분배관이 추가된다



배관 시스템의 완전한 물채움을 가정할 경우, 탱크의 중간수위와 이송 사이의 실양정만 계산할 필요가 있을 것이다.

 

완전히 물로 채워질 경우



계산을 위한 도움

공기 빼기 없이 펌프를 기동한 경우. 하강 배관(배관 2)의 공기가 압축되므로 모든 하강 배관(배관 1 + 배관 3)을 계산에 추가한다. 왜냐하면 높은 압력지점을 극복하기 위하여 높은 압력이 필요하다.

 

공기 빼기 없이 운전하는 동안. 공기가 배관 밖으로 밀려나간 후, 배관은 완전히 물로 채워진다. 따라서 펌프에서 공급되는 압력은 토출 / 이송 NNA와 집수정 정지 수위 NN 사이의 최대 측지 높이 차 Hgeo가 된다.


공기 빼기 후 펌프 기동한 경우. 여기서, 집수정의 수위 (펌프 기동점)와 시스템의 최상 높이 지점 사이의 압력차이 Hgeo-max를 반드시 고려해야 한다.

 

운전하는 동안 공기 빼기가 되는 경우. 운전하는 동안, 펌프는 상기 “공기 빼기 없이 ”상태에 명시한 것과 동일한 방법으로 작동한다.



따라서, 펌프의 적절한 운전을 위하여, 완전한 채움과 부분적인 채움양을 계산해야 한다. 왜냐하면 운전점이 과감하게 변할 수 있고 이에 따라 펌프가 허용된 범위 밖에서 작동할 수 있기 때문이다.

 

유량 (= 전달 유량 = 유량)

유량 Q는 일정한 시간 단위 즉 l/s 또는 m3/h로 펌프에서 공급된 수력적 유량 (펌핑을 한 유체량)을 말한다. 유량 계산 시 포함 되지 않는 내부 냉각용수 및 누수 손실은 전력 손실이다. 펌핑될 양을 명시할 때, 이것이 운전시 펌프의 최적점 (Qopt)인지, 최대요구유량 (Qmax)인지 또는 최소요구유량 (Qmin)인지 반드시 명시해야 한다


만약 사양을 잘못 이해하여, 펌프가 너무 크거나 너무 작은 펌프를 선택하면 설치물과 장치에 손상을 줄 수 있으며 시스템의 단기 고장을 야기할 수 있다.


하수배관(Ground pipe)
하수가 흐르는 지하 배수관을 말한다.


캐비테이션 (NPSH 참조)

캐비테이션은 임펠러 인입구에서 압력 강하가 생기며 이 때 저압부가 형성 되어 그 압력이 액체의 포화 증기압보다 낮아져 기포(공동) 형성 및 내파를 말한다. 캐비테이션으로 인해 출력 (토출 양정)과 효율이 감소되며 가동이 순조롭지 않고 소음 및 펌프 내부의 재질 손상을 야기하게 된다. 압력이 더 높은 구역에서 아주 작은 공기 방울의 팽창과 파열(내파)을 통해 미시적 폭발은 압력 충격을 발생시켜 케이싱 및 임펠러를 손상 또는 파괴시킨다. 이에 대한 첫번째 신호는 임펠러 인입구로부터의 소음 또는 임펠러 인입구의 손상이다.

 

부품에 대한 손상은 그 구성성분에 따라 달라진다. 따라서, 스테인레스스틸 1.4408 (AISI 316)는 펌프 산업의 표준 재료인 주철 (GG25) 보다 무려 20배나 높은 강도를 가지고, 청동의 경우 주철 대비, 수명이 2배가 되는 것으로 추정한다.

 

유속, 압력 및 증발온도의 관계를 감안하면 캐비테이션을 방지할 수 있다. 높은 유속은 압력이 낮음을 의미하고 유체의 끓는 점도 더 낮아진다. 따라서, 예를 들어, 기포의 형성은 흡입압을 높이면 감소 / 방지할 수 있다.(예를 들어, 물을 더 많이 채워서, 집수정 내 수위를 더 높임). 추가 기동점에 대해서는 페이지 287의 “고장 진단” 편에 나와 있다.

 

임펠러 유형 - 사용의 장점

단일베인 또는 멀티베인 임펠러는 고형물을 포함한 유체에 적합하다.

이들은 또한 우수, 냉각수, 공정 용수 및 산업용수에도 사용된다.

 

볼텍스 임펠러는 얽혀있는 섬유 뭉치가 더 커지지 않도록 하기 때문에 긴 섬유입자가 들어있는 유체에 아주 적합하다. 강하고 조용하게 가동되므로, 이 유형은 빌딩 기술에 적용하면 이상적이다. 또 다른 탁월한 특징을 들면 모래와 같은 유체의 마모 성분에도 높은 내마모성을 가지고 있다는 점이다



중력 배수를 위한 배관 기울기

모든 하수 배수용 배관은 중력에 의해 자체적으로 비울 수 있어야 한다.

또한 유량소음과 침전물은 배관을 적절하게 설치하여 방지할 수 있다.

또한 모든 배관은 동결 방지를 위해 충분히 깊이 설치해야 한다. (독일의 권장 최소 깊이 >

80cm)




개방형 하향배관은 집수정 이후로 정압없이 배출할 수 있다.

 

최소 공칭 직경

최소 공칭 직경은 설치 시 가장 작은 공칭 직경 (연결 치수) 또는 가장 작은 요구 배관 치수를 말한다


저수조 유량

저수조 유량은 유체 누수에 대비해 제공된 추가 보호장치를 말한다. 이것은 발생된 폐수의 일일 평균량을 토대로 하며 그 수치의 25%로 산출한다. 이것은 펌프 시스템의 기동점과 유체 누수 사이에 제공되는 추가 유량과 동일하다. 실제로, 배관의 흡입측 유량은 안전율로 감안하여 계산에 포함된다



NPSH (캐비테이션 참조)

원심 펌프의 한 가지 중요한 값은 NPSH (유효흡입양정)이다. 이것은 캐비테이션 없이 작동하기 위해 이 펌프 유형에서 필요로 하는 펌프 흡입구의 최소압력을 말한다. 즉 유체의 증발을 방지하고 액체 상태로 유지하기 위해 필요한 추가 압력을 말한다


NPSH에 영향을 미치는 펌프 요소는 임펠러 유형과 펌프 속도이다.

NPSH에 영향을 미치는 환경적인 요소는 유체 온도와 수위 그리고 대기압이다. NPSH 값에는 두 가지 다른 유형이 있다.

 

1. NPSH pump = NPSH required

이것은 캐비테이션을 방지하기 위해 필요한 흡입압을 말한다. 수위 (집수정 내 펌프 흡입과 수위 사이의 높이 차이) 또한 흡입압에서 고려된다.

 

2. NPSH system = NPSH present

이것은 펌프 흡입구에 있는 압력을 말한다.

 

수중용 배수펌프의 경우, NPSHsystem은 대기압과 펌프 흡입측 가압을 더하고 사용액체의 포화증기압을 빼서 계산한다. 육상용 배수펌프의 경우 흡입양정 및 흡입 배관 내 총 손실수두를 빼야 한다. NPSH?pump는 캐비테이션 기준의 정의와 함께 제조자가 명시한다.

NPSH에 영향을 미치는 펌프 요소는 임펠러 유형과 펌프 속도이다.

NPSH에 영향을 미치는 환경적인 요소는 유체 온도와 수위 그리고 대기압이다. NPSH 값에는 두 가지 다른 유형이 있다.


병렬 연결



병렬 운전의 목적은 유량을 증가시키기 위한 것이며 병렬연결은 2대 이상의 펌프의 운전과 관련이 있으며 모든 펌프는 공유된 토출 배관(각 펌프는 자체 밸브류와 자체 공급배관을 가지고 있다)으로 동시에 토출한다. 만약 모든 펌프가 동시에 펌핑을 하면, 총 토출양정을 계산하기 위해 동일한 토출양정에 유량이 추가됨을 감안해야 한다.

 

개별 운전과 마찬가지로, 펌프 곡선의 운전점은 시스템 곡선과 함께 펌프 곡선의 교차점으로부터 얻을 수 있다. 각 펌프는 자체 펌프 곡선에서 계속 작동한다. 동일한 유형의 펌프의 경우, 이것은 모든 펌프가 동일한 유량을 가지고 있다는 것을 의미한다.(페이지 243의 그래프 참조) 하지만 주의할 점은 각각의 펌프 배관에 밸브를 가지고 있으므로 각각의 밸브 손실을 감안해야 한다. 이것은 운전점을 계산할 때 반드시 빼야 한다.


<월간 펌프 2016년 7월호>

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