펌프의 역할과 사용법 - 아래에서 위로 / 시스템곡선 / 펌프 성능곡선 [기계공학, 유체역학, 전기펌프]

 

 

- 펌프의 역할

- 펌프의 사용법 - 위치

- 펌프의 사용법 - 압력과 토출량

- 펌프의 성능곡선

- 시스템 곡선

 

펌프의 역할

 

안녕하세요,

열쟁이 였다가

기구쟁이가 되고

유동을 맡아 하게 되면서 펌프를 공부하고 써보고 있습니다 ;ㅁ;

 

자동차 전기모터의 펌프의 사용에 대해 공부하다

한번 정리가 되어 포스팅하러 왔습니다 :)

 

 

펌프의 역할은 간단합니다.

아래에서 위로 올려주기 위해 고안된 기구?제품?

펌프는 물의 위치에너지를 높히는 역할을 하고
펌프는 물의 운동에너지를 높히는 역할을 합니다.

 

아래에서 섬프를 통해 빨아들인 물을 임펠러로 돌리며 원심력으로 속도를 높여 쏘아올리는 겁니다.

2021.03.06 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 펌프의 원리(원심력, 임펠러, 벌루트), 캐비테이션

펌프의 원리(원심력, 임펠러, 벌루트), 캐비테이션

 

 

 

 

펌프의 사용법 - 위치

 

펌프는 아래에서 위로 물을 올려주거나

유체의 운동에너지를 높혀주는 장치라 했습니다.

 

아래에서 위라는 말에 집중하면

펌프는 보통의 시스템에서, 유동이 있는 시스템에서 전체 유동 기준 아래에 위치합니다.

이유는 석션하는 공간이 펌프보다 너무 아래에 있다면 석션력이 딸려 올라오지 못하는데

이는 자연의 섭리상..? 최대 10m (수두개념)

2021.07.06 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 펌프의 양정에 대해 (흡입양정, 토출양정, 실양정, 전양정, 손실양정)

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곡관, 관형에 따른 수두손실 + 엘보/T관/밸브 사용 시 수두손실

그냥, 압력을 보기 편하게 길이로 환산한 개념이 수두 입니다.

피토관 개념이랄까요..?

펌프의 역할과 사용법

 

 

 

하지만 실제적으론 손실, 대부분 만들어지는 장치/시스템의 비용적인 합리성을 찾는

6~8미터가 최대 입니다.

단, 여기서 이 높이만큼 올라가 있다면

석션, 빨아들이는 힘과 속도가 딸리게 될 테니 그 이상에 펌프가 위치할 경우, 물이 펌프에 도달하지 못하게 됩니다.

펌프는 석션하는 위치, 섬프 공간 높이와 비슷하게 위치. 전체 유동 시스템의 하단에 위치하는 것이 일반적이고 유리합니다.

(반면에 토출, 쏘아보내는 힘은 10미터라는 제약없이 제품의 설계와 가해지는 출력에 따라 상당히 높이 올라갈 수 있습니다 :ㅇ)

 

또, 전체 유동에서 너무 아래에 위치하지 않는 이유는

(즉, 시스템을 너무 위아래로 길게 만들지 않고, 루프를 돌 경우 높이차를 줄이는 것이 펌프의 사용에 도움됩니다.)

결국 아래로 가면 올리는데 에너지를 쓰기 때문입니다.

이는 Loss 값이 되니 되도록 섬프 공간(전체 시스템의 최하단) 높이에 비슷하게 위치하지 더 내리진 않습니다.

2023.02.06 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 베르누이 방정식 정리, 사용법 - 입자의 에너지 보존 [기계공학, 유체역학]

베르누이 방정식 정리, 사용법 - 입자의 에너지 보존 [기계공학, 유체역학]

높이 개념은 베르누이 방정식을 통해 에너지 보존, 에너지의 전달로 다른 힘이 높이로 전환된다 보면 됩니다.

 

 

펌프의 사용법 - 압력과 토출량

 

펌프는 작용점이라는 개념이 있습니다.

 

펌프의 역할과 사용법 - 펌프 성능곡선 시스템곡선 작동점

 

가로는 유량 (Q)  세로는 압력 혹은 수두 (H) 로 나타내는 그래프에

2차함수마냥 라가는 그래프가 시스템곡선

파란, 내려오는 그래프가 펌프의 성능 곡선입니다.

 

간단히 말하면,

펌프는 저 시스템곡선과 펌프 성능곡선의 교차점인 작동점(operating point)에 맞는 (x, y 값)

유량(x)과 압력(y)으로 유체를 내뿜으며

시스템에 해당 유량만큼을 공급하게 됩니다.

(유량은 보통 LPM, Liter Per Minute, 시간당 부피 단위를 사용합니다.)

 

펌프의 역할과 사용법

 

 

펌프의 성능곡선

 

펌프의 역할과 사용법 - 펌프 성능곡선 NVH 진동 소음 이슈

 

펌프 성능곡선을 찾아보시면

우선 우하향하는 그래프가 나옵니다

펌프에 요구되는 압력이 크면

(요구되는 압력은 설계된 시스템에 의해 결정됩니다.)

그만큼 유량을 적게 낼 수 밖에 없고

(압력을 펌프에 걸리는 Load라고 봐도 되겠습니다.)

 

펌프에 요구되는 압력이 적다면

그만큼 큰 유량을 뿜어낼 수 있습니다.

단, 성능그래프 한 줄은, 특정 전력/하나의 설계된 펌프의 힘에서 만들어지는 property 곡선, 성능 곡선입니다.

(즉, 전력과 설계 차이로 해당 곡선은 변할 수 있습니다. ~ 다음 포스팅에서 자세히)

 

펌프의 역할과 사용법 - 펌프 성능곡선 효율곡선

 

그리고 펌프 성능 곡선에는 효율곡선이 포함되기도 하는데

그냥 효율이라는게 전력 대비 아웃풋을 얼마나 내냐 하는 개념으로만 받아들였으나

(효율이 좋으면, 전기에너지 넣는 대비 최대의 운동에너지/hydro 에너지를 발생시키는 것이니 이득인 부분..! 까지만 생각했으나)

 

첫번째 그래프를 보니,

손실되는 에너지가 열에너지 뿐만 아닌, 진동 소음 에너지로도 많이 발생하나 봅니다.

펌프도 모터로 임펠러를 돌려주기에 전기에너지 로스, 임펠러와 유체의 마찰손 등의 손실이 발생합니다.

그렇기에 펌프를 지나가는 냉각수의 온도도 상승하고, 펌프 자체의 손실 에너지가 열로써 손실되어 펌프의 온도를 높힙니다.

하지만 진동 소음 로스도 음.. 상당한가 봅니다 :)

전기차, 우리 주변에 쓰이는 모터들, 장비들은 많이들

소음 진동 이슈를 줄이고자 합니다.

그런 의미에서 펌프의 효율 곡선 또한 사용하는데 따져준다면 도움이 되겠습니다..!

 

펌프 효율곡선은 보니,

업체에서 주지 않으면

NPSHR? 저 값이던가.. 하단에 표시되는 값으로 구해주는 것 같던데

공부되면 포스팅해보겠습니다 :p

 

펌프의 역할과 사용법 - 측정장비? :p

 

펌프 제공 협력사와 얘기를 하다 보면

기존에 공급했던 정보가 적기도 합니다.

그냥 대부분의 요구 압력/유량에 맞는 펌프다 라는 정보만 주지

(= 몇 압력에서 몇 유량을 내보낼 수 있는  펌프 입니다.)

 

이 펌프의 전체적인 성능 그래프나

위의 작동점이 어느 지점의 어느 효율에 해당하는지는 알려주지 않더라구요 ;;

(유럽 회사는 주던뎅..)

 

펌프 제작 사에서 이런 성능 그래프를 길고 자세하게 빼는 대는

측정 장비를 사용하는데

(사진은 그냥 넣어둔 사진 ... )

이런 장비 시스템이 얼마나 잘 구축되어 있느냐에 따라

제공할 수 있는 정보의 양과 질이 결정되겠습니다 :)

 

 

시스템곡선

 

 

펌프의 역할과 사용법 - 시스템곡선

 

시스템 곡선은

그냥 내가 펌프를 통해 유량을 제공하고자 하는 전체 시스템,

그 시스템에서 특정 유량을 흘렸을 때 걸리는 시스템 전체 차압을 나타냅니다.

(해당 유량으로 시스템을 지나 끝까지 도달아기 위해 ! 뚫고 나가는데 필요한 힘?!)

펌프의 토출부 부터 석션/섬프 공간 혹은 오리피스 등을 통해 뿜어지면 대기압과의 압력 차이

 

솔직히 시스템이 복잡해지고 길어지면

전체 시스템의 요구 압력을 다 구하기 어렵습니다.

거기다가.. 시스템의 사양이 계속 바뀐다면 ??!

난리납니다..

울어요..

 

https://flow3d.co.kr/ - 그냥 사진만 가져왔어요 :p - 펌프의 역할과 사용법

 

그래서 대부분 시스템을 가볍게 만들어 (유동이 흐르는 부분만 모델링 때어내어)

해석을 하곤 하죠 :)

스칼라로 푸는거 말고 스트림라인? 파티클웍스? 그게 좀 더 가볍고 유동 해석을 하기엔 편하다고 하던데 ..

 

단, 해석을 해서 결과를 얻는 다고 해도

주먹구구식으로 머리 박으면.. 노가다가 됩니다.

어떤걸 수정하면 어떻게 변하는지 대강 감이 와야~

엔지니어 아니겠습니까 :D ㅋㅋㅋ

그렇기에, 다른 포스팅에서 !

음.. 경향성? 에 대해 정리해보겠습니다 :D

 

/////////////

 

펌프의 역할과 사용법 - 시스템곡선

 

다시 시스템 곡선으로 돌아와서

 

펌프의 성능곡선과 반대로

y축인 Head, 수두(압력)가 늘어남에 따라

유량이 커집니다.

 

반대로 보면

시스템에 공급되는 유량이 많아짐에 따라

시스템에 걸리는 수두/압력/차압이 커지는 것입니다.

 

즉, 어떠한 이유로 시스템에 공급되는 유량이 늘어나면

= 유체의 속도가 빨라지고

= 양이 많아지면

유체가 지나가며 긁히고 걸리고 저항받는 그 힘도 커지게 됩니다.

이게 수두/압력/차압 값으로 나타나고

위와 같은 시스템 곡선을 갖게 됩니다.

 

음.. 이건 그냥 간단한 시스템 곡선이 뭔지

뭘 의미하는지만 포스팅한 기본이고

자세한 사항은 역시나 다음 포스팅에 따로 ..

 

 

 

마치며

 

긴 글 읽으시느라 고생하셨습니다 ! b

 

하지만,

펌프의 성능곡선 ?

시스템 곡선 ?

뭔가 따로 놓고 보니 에베베? 이어지지 않잖아요?

간단히 말하면 그 둘 그래프가 겹치는 지점에서 펌프의 압력/내보내는 유량이 결정되고 시스템에 흘러다니는 유량이 결정됩니다.

 

https://www.hyundaimotorgroup.com/story/CONT0000000000002995 - 겨울에도 다른 전기차에 비해 에너지 보존이 잘되는 히트파이프 시스템을 선전했던,, 현대차 사진입니다. 가운데 부분에 큰 모터 왼편에 하얀 펌프가 달려있네요 :)

 

그런데 뭔가,, 풀리지 않았잖아요?

그래서 시스템 곡선,

시스템의 압력은 어떻게 결정되요?

펌프의 성능곡선은 회사에서 제공되는데 인터넷 찾아보면 성능곡선도 조절한단 말이죠?

시스템 압력/유량 결정됨이 먼전가요? 펌프의 성능곡선에서 유량과 압력 중 어떤게 먼저 결정되는거죠?

이러한 해답들은,,

추후의 포스팅에서 !

((포스팅하고 여기에 링크 걸어두어 편히 이어가게 해드리겠습니당 >< ))

 

즉, 자세한 펌프의 조작/조절법

유량을 변화시키는 방법은 추후에 따로 포스팅 하겠습니다.