펌프이론/원리 - 성능 측정방법(유량,압력) + NPSH + 펌프효율 + 펌프 성능곡선

 

- 펌프의 성능을 측정하는데 측정해야할 요소들

- 캐비테이션과 NPSH

- 펌프의 효율 : 인풋 대비 아웃풋

 

 

 펌프의 성능을 측정하는데 측정해야할 요소들

 

유량 : 특정 시간 동안 시스템/펌프내에 흐르는 액체의 양

ㄴ 부피유량 : 시간당 부피의 이동 값으로, 보통 LPM을 많이 쓴다. Liter per Minute , L/m

ㄴ 질량유량 : 시간당 펌프가 이송시키는 질량

 

기본적으로 비압축성 유체를 다룰 때는 (액체, 물, 오일 등등) 온도 파라미터, 밀도를 제외하고 고려하지만

온도 변화가 크고, 온도에 따른 유량 차이가 크다면 온도 또한 고려해주어야 한다

보통은 온도에 따른 밀도, 물성 변화 표를 가지고 고려해준다.

 

냉난방, 공조, 방열시스템의 경우, 이러한 온도 텀이 중요하게 작용한다.

 

 

 

압력 : 면적당 힘

          전압 = 정압 + 동압

ㄴ 정압 : 유체 흐름에 수직으로 놓인 압력게이지에 측정되는 값 ~ 보통 우리가 압력계, 차압계로 측정하는 값

ㄴ 동압 : 유체의 흐름에 의한 압력 ~ 운동에너지와 연관되며, 유체의 속도에 의한 텀이다

대략적인 측정 방법 : 왼쪽부터 동압 정압 (동압-정압) 측정법이다.

 

2023.09.28 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - [유동] 압력이란, 압력의 종류 - 압력, 게이지압, 절대압, 서지압

[유동] 압력이란, 압력의 종류 - 압력, 게이지압, 절대압, 서지압

압력의 종류에 대해선 위의 글 참고

 

2021.06.13 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 펌프의 양정에 대해 (흡입양정, 토출양정, 실양정, 전양정, 손실양정)

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2021.06.13 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 손실양정, 관마찰 손실헤드 ~ (길이)(마찰계수)(유속)/(직경)

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에너지 값을 양정, 보통 피토튜브? 라고 부르는 녀석으로 고등학생때 측정해본

그 높이들을 양정이라 부르며

펌프의 성능에 대해 나타낼 때도

펌프가 시스템의 몇 압 까지 뚫고갈 수 있느냐에 대한 성능을 나타내는 지표로 양정을 사용한다

실제로 공용품/양산 펌프 제품에서 성능을 나타내는 지표 중 하나가 양정이다

 

물이나 특정 액체를 펌프로 쏘아줄 경우,

펌프가 내는 출력,

펌프가 최대로 밀어낼 수 있는 압력값 만큼의 양정만큼,

액체를 위와 같이 올려보낼 수 있다.

보통 1bar 의 물은 11m 정도이다. (액체의 물성에 따라, 1bar 당 몇 m까지 올리는지 결정된다)

ㄴ 관여하는 물성이 밀도, 점성 등

 

--> 펌프 성능곡선에서 보면, y절편값이다. (유속 0LPM일 때, 펌프가 내는 압력)

Koolance사의 펌프 리스트

 

 

 

 캐비테이션과 NPSH

 

캐비테이션을 말하기 위해 일단 펌프의 원리를 간단히 말하자면

2021.02.24 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 펌프의 원리(원심력, 임펠러, 벌루트), 캐비테이션

펌프의 원리(원심력, 임펠러, 벌루트), 캐비테이션

자세한 건 위 참고,

펌프는 회전을 통해 내부를 음압/0압에 가까이 만들어 흡입하고

이를 임펠러를 통해 회전해 내보낸다

벌루트는 속도와 압력의 적절한 값을 만들어주는 역할을 하는데

상압에서 음압이 되었다 다시 정압/고압이 되는 과정에서

액체 속에 기포가 들어가면

해당 기포들이 압축 팽창을 하며

임펠러에 충격을 주고

그 충격에 의해 임펠러가 망가지며 펌프가 재성능을 못 내는 것이 캐비테이션이다

 

요새 듣기로,

임펠러를 사용하지 않는 기계식? 기어식? 펌프는 캐비테이션에 강하다고 한다.

// 캐비테이션이 일어나면 펑프의 성능이 확연히 떨어지고 이상한 소음이 난다

애초에 기포가 들어가면 펌프 소리가 좋지 않으니, 이상하다 싶으면 끄고 시스템을 점검하자

기어식 펌프

임펠러식 펌프

 

 

NPSH : 유효흡입수두 (Net Positive Suction Head)

펌프가 구동하기 위해 필요한 흡입 상태

 

이를 설명하기 위해선 또 위의 펌프의 원리와 연결된다.

펌프는 음압을 만들어 흡입하는 장치로

대기압 1압에

절대 0압까지 내려갈 수 있다.

즉 흡입할 수 있는 최대치의 힘/에너지/압력은 1압이다.

하지만 절대 진공 시스템을 만드는 것은 보통의 비용/노력으로 가능하지 않고

이 또한 절대 진공 0압까지 내려갈 수는 없다.

 

즉, 실제 펌프가 흡입하는 힘/에너지/압력은 대략 0.7bar 정도라고들 한다.

즉 펌프가 흡입할 수 있는 것은 0.7bar 정도고

이를 위에서 설명한 수두 개념으로 환산하면

물의 경우 11 * 0.7 = 7.7m 정도의 높이를 끓어 올릴 수 있다.

하지만 이정도 끓어 올린 후로는 에너지가 부족해 토출능력이 크게 감소할 것이다.

 

이렇게 펌프가 구동하기 위해 필요한 흡입 상태,

레조버(저수지, 물이 고인 부분, 순환하며 액체가 쌓이는 섬프부분)에서

펌프까지의 높이 및 흡입 컨디션(관내 경, 길이, 저항정도, 차압정도)의 정도를 고려해주는 것이 NPSH이다.

Ha 대기압에

Hz(높이), Hf(손실수두), Hv(속도수두), Hvp(액체 포화 증기압). 즉 흡입 시스템에서 발생하는 손실들을 빼주어

펌프가 빨아들일 수 있는 상태/정도가 어떠한지 판단하는 것이다.

Ha에 대기압이 들어가지만,, 펌프가 절대 진공까지 들어가지 못하니, 0.7bar 정도의 값을 넣어야 한다 고려된다.

 

앞서 말한 펌프의 최대 흡입 능력인 7m 가량에서

펌프가 어느정도 구동하기 위해 업체마다 제시하는 필요흡입수두가 있을 것이다.

이것이 NPSHr (Required) 이다.

 

 

NPSH가 낮으면 캐비테이션 발생 확률이 높아진다 한다

펌프가 그만큼 힘들어 하는 것이고

시스템을 잘못 설계한 것이다.

위의 NPSH의 Hz의 - 값을 줄이기 위해 (혹은 +로 전환하기 위해)

펌프는 모든 시스템의 최하단에 위치하며

비교적 제한이 덜한 토출압/에너지를 사용하여 액체/유체를 끌어 올리는 역할을 하는 것이다.

2023.02.06 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 펌프의 역할과 사용법 - 아래에서 위로 / 시스템곡선 / 펌프 성능곡선 [기계공학, 유체역학, 전기펌프]

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

 

 

 

 펌프의 효율

 

펌프의 효율은

펌프 하우징의 형상, 임펠러와 디퓨저 설계, 각 부품의 표면 거칠기 등에 의해 결정된다.

거기에 더해 펌프에 들어가는 모터의 효율에 의해 결정된다.

 

Koolance사의 펌프 리스트

 

위에 올려둔 펌프 성능 곡선이다.

펌프는 일반적으로 동일한 전력(input power)아래 시스템 요구 압이 늘어나면 펌프가 뿜어낼 수 있는 유량이 줄어든다

위와 같은 얼추 반비례한 그래프는 갖는 것이다.

 

하지만 위의 경향을 이겨내고 최대한 모든 시스템 압(저항)에서 비슷한 유량, 요구하는 높은 유량을 내기 위해

펌프에 회로가 달리고

회로가 토크를 올림으로써 전류를 더 빨아들여

더 높은 전력(input)을 사용해 어떻게는 요구되는 압과 유량(output)을 맞추고자 한다.

 

 

단, 이럴경우, 데이터를 보면

요구되는 높은 output 정도를 맞추기 위해 무리해 input을 때려넣고

그렇다 보니 효율이 급감한다.

일반적인 펌프의 효율곡선을 봐도

효율의 증감을 표현한다.

아마, input을 더 때려 박으며, 효율은 그대로 곤두박질.. 치는게 아닌가 싶다

(물론 곤두박질 까진 아니고, 어느정도 유지하며 완만히 떨어진다.)

MNEXS 기업 소개 자료 ??

좌측동글에 제어기 기판/회로가 달리고 (하드웨어)

오른동글에 보통의 임펠러/기어식펌프 내부 등의 기구적인 부분이 들어간다

이러한 펌프들이 현재 전기모터 업계에 오일/물 순환 (냉각/윤활) 하는데 사용된다.

 

 

효율 ~ 유량x압력 / in전류 x in전압

 

 

 

 

 

마치며