제5장 압축기 및 펌프(펌프) (2)

 안녕하세요. 여러분, 미루고 미뤄왔던 가스기사에 대한 포스팅을 시작하려고 합니다. 이제 긴 호흡으로 주욱 달려볼 텐데요. 가스기사를 공부하며 수험서만 가지고는 부족함을 느꼈습니다. 그래서 수험서에  고법, 도법, 액법의 3가지 법령과 특히, KGS Code를 곁들이는 방법을 추천드립니다.

 먼저, 가스기사 필기 5과목 중 '가스설비'  과목을 알아보겠는데요.  '가스설비'는 실기시험에서도 그 출제 비중이 높아 60점만 넘는다는 생각은 지양하고, 가능한 최고 득점을 목표로 공부하는 것을 추천드립니다.

 아울러 가스기사 시험 자체가 암기량이 아주 많은 시험이라 자주 보고 또 보고 해야하는데, 대중교통을 이용할 때 등 잠깐 잠깐 시간이 되실 때 가볍게 활용하기 좋은 포스팅으로 생각해주시면 감사하겠습니다. 꼭 암기해야 하는 부분과 제가 만든 암기법이나 재야에 떠돌고 있는 필살 암기법을 종종 넣을 예정이니, 합격하시는데 조금이나마 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 자! 시작하겠습니다.

 

2. 펌프 (필수암기 ★★★)

 : 펌프란 사전적 의미로 전기적, 기계적인 에너지를 받아 유체(기체, 액체)에 힘을 가해 압력, 속도 등을 높임으로써 낮은 곳에서 높은 곳으로의 이송, 관을 통한 수송, 압력용기 등에 가압하는 기계라고 정의하고 있으나, 섬유, 모래등의 고형물을 이송하는 특수펌프도 있어 넓은 의미에서 보면 유체뿐만 아니라 고체도 취급대상이 된다.

 : 수처리 Plant를 중심으로 보면 펌프는 가장 중요한 역할을 하는 기계로 물을 이송하거나 가압하는 등의 목적에 사용되며 원심펌프가 약 70% 이상을 차지하고 있다.

 

(1) 펌프의 분류

• 터보형 펌프: 임펠러의 회전력으로 액체를 이송하는 형식으로 원심 펌프, 사류 펌프, 축류 펌프가 있다.
• 용적형 펌프: 일정용적을 갖는 실에 액체를 흡입하고 압력을 상승시켜 토출하는 형식으로 왕복 펌프, 회전 펌프가 있다.
• 특수펌프: 제트 펌프, 기포 펌프, 수격 펌프

 

 

(2) 터보형 펌프의 종류 및 특징

• ① 원심(Centrifugal) 펌프: 밀폐된 케이싱 내에서 여러 개의 날개(Vane)가 달린 임펠러를 고속으로 회전시켜 임펠러 중앙(축방향)으로 흡입된 물을 원심력에 의해 밖(직각방향)으로 밀어내는 한편, 진공상태인 임펠러 내부로 물 공급이 연속적으로 공급되도록 하는 펌프로 와류 또는 와권펌프라고도 한다.
  • 특징 
    1. 원심력에 의하여 유체를 압송한다.
    2. 용량에 비하여 소형이고 설치면적이 작다.
    3. 흡입, 토출 밸브가 없고 액의 맥동이 없다.
    4. 기동 시 펌프 내부에 유체를 충분히 채워야 한다.
    5. 고양정에 적합하다.
    6. 서징 현상, 캐비테이션 현상이 발생하기 쉽다.
  • 종류
    1. 벌류트(Volute) 펌프: 임펠러 바깥둘레에 안내깃(베인)이 없고, 바깥 둘레에 바로 접하여 와류실이 있는 펌프로 일반적으로 임펠러 1단이 발생하는 양정이 낮은 것에 사용된다.
    2. 터빈(Turbine) 펌프: 임펠러 바깥둘레에 안내깃(베인)이 있는 것으로 양정이 높은 곳에 사용한다.
  • 펌프 성능곡선(=Pump Performance Curve, 특성곡선): 일정한 rpm에서 가로축에 유량(Q), 세로축에 양정(H), 효율(eta), 축동력(L)을 표시한 것으로 펌프의 성능을 나타낸다.
    1. H(양정)-Q(유량) Curve 해석: 유량이 증가할수록 펌프가 양정은 감소한다. 유량이 0일 때(펌프의 토출밸브를 잠궜을 때), 양정은 최대가 되며, 체절양정이라고 한다.
    2. Efficiency Curve(효율)-Q(유량) 해석: BEP는 Best Efficiency Point는 해당 펌프가 최고 효율을 낼수 있는 지점을 말합니다. 펌프선정시에는 보통 BEP의 80~110% 범위 내에 들어오도록 선정합니다.
    3. NPSHr Curve(축동력)-Q(유량) 해석: 유량이 증가함에 따라서 증가하는 양상을 보입니다.

 

• 축봉장치: 펌프의 케이싱을 관통하여 회전하는 부분에 설치하여 액의 누설을 방지하는 것이다.
  1. 그랜드 패킹: 내부의 액이 누설되어도 무방한 경우에 사용
  2. 매커니컬 실: 내부의 액이 누설되는 것이 허용되지 않는 가연성, 독성 등의 액체 이송시 사용한다.

 

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• 펌프의 축동력

PS 단위	HP 단위	kW 단위
여기서, gamma: 액체의 비중량(kgf/m^3), Q: 유량(m^3/s), H: 전양정(m), eta: 효율

• 압축기의 축동력

PS 단위	HP 단위	kW 단위
여기서, P: 압축기의 토출압력(kgf/m^3), Q: 유량(m^3/s). eta: 효율

 

• 펌프의 전양정: 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 양수할 때 펌프가 물에 주어야 하는 압력(수두)의 총합을 의미한다. 즉, 실양정 + 압력손실이며, 압력손실의 종류에는 배관마찰손실수두, 각종 부속품의 저항, 토출 속도수두가 있다.
• 전양정 = 실양정 + 배관마찰손실수두 + 각종 저항 + 토출 속도수두
• 실양정: 20m
• 배관마찰손실수두
  1.  직관부: （20m+5m）* 0.2mAq=5mAq
  2.  곡관부(=국부): (%로 주어질 경우) > 국부저항은 직관저항의 50% = 5mAq*0.5=2.5mAq
  3.  곡관부(=국부): (속도로 주어질 경우) > (국부저항계수*V^2)/2g 으로 계산
• 각종 저항: 3mAq * 2=6mAq
• 토출속도수두: V^2/2g

 

 

• 비속도(비교회전도): 펌프의 성능상태를 나타내는 방법으로서, 실제 펌프와 기하학적으로 닮은 펌프를 가상화하고, 이 가상펌프가 토출량이 1m^3/min, 양정 1m가 발생하도록 그 임펠러에 주어져야할 매분 회전수(rpm)를 실제 임펠러의 비교회전도라 한다.
  • 비속도가 작으면, 토출량이 적고 고양정의 펌프가 된다.
  • 비속도가 크면, 토출량이 많고 저양정의 펌프가 된다.

 

펌프의 형식		비속도의 범위
원심식		100~700
사류식		700~1,200
축류식		1,100~2,000

 

• 상사의 법칙

유량
양정
축동력
여기서, Q_1, Q_2: 변경 전, 후의 유량, H_1, H_2: 변경 전 후의 양정, L_1, L_2: 변경 전, 후의 동력, N_1, N_2: 변경 전, 후의 회전수, D_1, D_2: 변경 전, 후의 지름

• 원심 펌프의 운전 특성
  • 직렬운전: 양정 증가, 유량 일정
  • 병렬운전: 양정 일정, 유량 증가
• ② 사류 펌프: 원심펌프와 축류펌프의 중간형태이며, 임펠러에서 원심력과 양력에 의하여 토출되는 물의 흐름이 축에 대해여 비스듬히 토출된다. 임펠러에 하는 물을 가이드 베인에 유도하여 그 회전 방향성분을 축 방향성분으로 바꾸어서 토출하는 형식과 원심 펌프와 같이 벌류트 케이싱에 유도하는 형식이 있다.
  1.  
• ③ 축류 펌프: 임펠러에서 양력에 의하여 토출되는 물의 흐름이 축 방향으로 토출된다. 사류 펌프와 같이 임펠러에서의 물을 가이드 베인에 유도하여 그 회전 방향 성분을 축 방향으로 변화시켜 이것에 의한 수력손실을 적게 하여 축 방향을 토출하는 것이다.

 

• 원심펌프의 특성
  1. 프라이밍: 펌프를 운전할 때 펌프 내에서 액이 없을 경우 임펠러의 공회전으로 펌핑이 이루어지지 않는 것을 방지하기 위하여 가동전에 펌프 내에 액을 충만시키는 것으로 원심펌프에 해당한다.

 

 

(3) 용적식 펌프의 종류 및 특징

•  ① 왕복 펌프: 실린더 내의 피스톤 또는 플런저가 왕복운동으로 액체에 압력을 가해 이송하는 펌프이다.
  • 특징
    1. 소형으로 고압·고점도 유체에 적당하다.
    2. 회전수가 변하여도 토출압력의 변화가 적다.
    3. 토출량이 일정하여 정량토출이 가능하고, 수송량을 가감할 수 있다.
    4. 송출이 단속적이라 맥동이 일어나기 쉽도 진동이 있다.(맥동현상을 방지하기 위하여 공기실을 설치한다.)
    5. 고압으로 액의 성질이 변할 수 있꼬, 밸브의 그랜드 패킹이 고장이 많다.
  • 종류
    1. 피스톤 펌프: 피스톤의 로드의 단면보다 큰 구조로 유량이 크고, 압력이 낮은 경우에 사용한다.
    2. 플런저 펌프: 피스톤과 로드의 단면이 동일한 구조로 유량이 적고, 압략이 높은 경우에 사용한다.
    3. 다이어프램 펌프: 정량 펌프라 하며 특수약액, 불순물이 많은 유체를 이송할 수 있고 그랜드 패킹이 없어 누설을 방지할 수 있다.
• ② 회전 펌프: 원심 펌프와 모양이 비슷하지만 액체를 이송하는 원리가 완전히 다른 것으로 펌프 본체 속의 회전자의 회전에 의해 생기는 원심력을 이용하여 유체를 이송한다.
  1. 특징
     1. 왕복 펌프와 같은 흠입·토출 밸브가 없다.
     2. 연속으로 송출하므로 맥동현상이 없다.
     3. 점성이 있는 유체의 이송에 적합하다.(윤활유 등)
     4. 고압 유압 펌프로 사용된다.(안전밸브를 반드시 부착한다.)
     5. 운동부와 고정부가 밀차고디어 있다.
  2. 종류
     • 기어 펌프: 두 개의 기어가 맞물려 회전할 때 액체를 이송하는 것으로 고점도 액의 이송에 적합하고 회전 펌프 중에서 흡입양정이 크다.
     • 베인 펌프: 펌프 본체와 회전자의 중심을 편심시킨 후 회전자에 베인(깃)을 조립하여 회전자의 회전에 의해 액체를 이송한다.
     • 나사 펌프: 케이싱 내부에 나사 형태의 구조를 갖는 회전자를 회전시키면 액체가 축 방향으로 이송되도록 한 것이다.

 

(4) 특수 펌프의 종류 및 특징

• ① 제트 펌프: 노즐에서 고속으로 분출되는 유체에 의하여 흡입구에 연결된 유체를 흡입하여 토출하는 펌프로 2종류의 유체를 혼합하여 토출하므로 에너지 손실이 크고 효율이 30% 정도로 낮지만 구조가 간단하고 고장이 적은 강점이 있다.
• ② 기포 펌프: 압축공기를 양수관 하부에서 내부로 분출시켜 액체를 이송하는 것이다.
• ③ 수격 펌프: 펌프나 압축기 없이 유체의 위치에너지르 이용하여 액체를 이송하는 것이다.
• ④ 재생 펌프: 마찰 펌프, 웨스코 펌프라 하며 소유량·고양에 적합하다.

 

(5) 펌프에서 발생되는 현상

• ① 케비테이션(Cavitation) 현상: 배관 내의 액체가 빠르게 운동할 경우 액체의 압력이 그 수온의 증기압력보다 낮아져 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상
  • 발생조건
    1. 흡입양정이 지나치게 클 경우
    2. 펌프의 흡입관경이 작을 경우
    3. 흡입배관의 유속이 빠를 경우
    4. 흡입관의 마찰손실이 증대될 경우
    5. 펌프의 임펠러 회전수가 클 경우
    6. 관로 내의 온도가 상승될 경우
  • 일어나는 현상
    1. 소음과 진동이 발생
    2. 깃(임펠러)의 침식
    3. 특성곡선, 양정곡선의 저하
    4. 양수 불능
  • 방지법
    1. 펌프의 위치를 낮춘다.(흡입양정을 짧게 한다.)
    2. 수직축 펌프를 사용하여 회전차를 수중에 완전히 잠기게 한다.
    3. 양흡입 펌프를 사용한다.
    4. 펌프의 회전수를 낮춘다.
    5. 두 대 이상의 펌프를 사용한다.

• ② 수격현상(Water hammering): 배관 내에서 흐르는 유체가 정전 등으로 펌프가 급히 멈추는 경우 관 내부 유체의 관성으로 인해 압력 파동이 발생하는 현상이다.
  • 발생원인
    1. 밸브의 급격한 개폐
    2. 펌프의 급격한 정지 또는 가동
    3. 유속·유량이 급변할 때
  • 일어나는 현상
    1. 배관파손
    2. 밸브 및 장치 고장
    3. 소음과 진동
  • 방지법
    1. 밸브 조작 속도 조절
    2. 수격 방지기(=조압수조(Surege tank)) 설치
    3. 펌프에 플라이휠(Flywheel)을 설치한다.
    4. 밸브를 송출구 가까이 설치하고 적당히 제어한다.
• ③ 서징현상: 맥동현상이라고도 하며, 펌프를 운전 중에 주기적으로 유량과 압력이 규칙적으로 변동하는 현상으로 압력계의 지침이 일정범위 내에서 움직이는 것을 말한다.
  • 발생원인
    1. 양정곡선이 산형 곡선이고, 곡선의 최상부에서 운전했을 때
    2. 유량조절 밸브가 탱크 뒤쪽에 있을 때
    3. 배관 중에 물탱크나 공기탱크가 있을 때
  • 방지법
    1. 임펠러, 가이드 베인의 형상 및 치수를 변경하며 특성을 변화시킨다.
    2. 방출 밸브를 사용하여 서징현상이 발생할 때 양수량 이상으로 유량을 증가시킨다.
    3. 임펠러의 회전수를 변경시킨다.
    4. 배관 중에 있는 불필요한 공기탱크를 제거한다.

• ④ 베이퍼 로크(Vapor lock) 현상: 배관 속을 흐르는 저비점 액체가 파이프 속에서 가열, 기화되어 압력이 변화되면서 끓는 현상이 발생하고 이 때문에 액체의 흐름을 방해하는 현상
  • 발생원인
    1. 흡입관 지름이 작을 때
    2. 펌프의 설치위치가 높을 때
    3. 외부에서 열량 침투 시
    4. 배관 내 온도 상승 시
  • 방지법
    1. 실린더 라이너 외부를 냉각
    2. 흡입배관을 크게 하고 단열처리
    3. 펌프의 설치위치를 낮춘다.
    4. 흡입관로의 청소