2016년 10월 29일 토요일

설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System)  – 펌프3        

By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사

의문 : 펌프의 선정시 병렬로 혹은 직렬로 하는 경우는 어떤 목적이 있는지 ? 단순히 유량대비 댓수로 병 렬 분할해도 별 문제가 없는것인가? 직렬로 하면 양정이 곱하기 2 배인가? 그럴 것이다라고 쉽게 생각할수도 있지 않을까?

- 펌프2대를 유량기준으로 나누기 2 해서 선정할 경우 설계자들도 보통은 별 신경을 쓰지 않는 걍 우가 많습니다. 이는 분명 시스템 상의 최대 부하 또는 최대용량이 필요한 시점에서는 그 용량이 처음 계산할 때와는 달리 부족하게 됩니다. 이는 1 대로 가능한 유량이 100 일때 2 대일때는 200 이 되질 않는다는 이야기 입니다. 왜냐하면 1 대일때 보다 2 대로 병렬 운전할때의 양정에 대한 배관 손실 저항이 증가하여 유량이 2 배에 못 미치게 된다는 것입니다. 그래서 유량 부족이 발생 할수 있다는 것을 반드시 인식하고 있어야 하며, 펌프 선정을 의뢰시 총유량이 얼만데 , 2 대로 병렬 운전을 하고자 한다는 의사를 펌프 선정 의뢰회사에 분명히 밝혀야 할 필요가 있다. 만약에 직접 선정 코자 한다면 해당 제작사 펌프의 성능곡선에 대한 이해가 우선 필요하고 , 이런 일이 불편하다면 다소 여유있게 해 둘 필요가 있다. 물론 부하를 100% 다 사용하여 병렬 운전되는 경 우의 수가 시스템 설계 당시부터 작기 때문에 , 또는 달리 표현하면 늘 안전율이 적용된 설계가 되고 있기 때문에 별 무리없어 보일뿐이지, 실제 최대값의 부하발생의 경우라면 부하처리가 100% 안 된다는 이야기 입니다. 어찌보면 펌프를 병렬로 할 때 다소 큰 유량을 선정하는 것이 바람직 한지 , 설계 초기부터의 안전율 적용으로 부하계산한 것이 바람직한 것인지는 의문 스럽지만 중 요한 것은 가장 경제적인 설계 원칙을 찾아야 한다는 것입니다.

  - 또 직렬도 마찬가지로 양정이 2 배로 증가하지 않는 다는 점을 인지할 필요가 있습니다. 1 대의 양정특성 곡선과 2대의 양정 특성곡선이 서로 배관 손실 저항의 영향이 있어 양정이 2배보다 줄 어든 점입니다.  결론적으로 말한다면 병렬이든 직렬이든 2 대일때의 유량과 양정은 그 시스템에 서 1대를 기준으로 가능한 유량,양정만큼의 유량,양정처럼 2배로 확보되지 않는다는 것입니다.병 렬유량이 1 대기준이 100 이라면 두대로 가동하면 시스템 특성에 따라서 70~80 정도(1대기준)밖 에 안 나오며 2 대를 합한 유량은 140~160 정도밖에 안된다는 것이며, 직렬인 경우 양정이 1 대 가 50이더라도 두대를 동시에 가동할 경우 35~40 정도(1대기준)밖에 안된다. 2대를 합치면 100 이 되어야 하겠지만 70~80 정도 밖에 안나온다는 이야기 입니다. 물론 상기 수치들은 시스템상의 운전 특성에 따라 그 정도는 달라지는 것입니다.즉 이는 일정한 증가율이 있지는 않고 배관 양정 특성에 따라 다 다르다는 의미입니다. 

- 어찌되었던 병렬은 유량을 증가시킬 필요가 있을 때 적용하고 직렬은 양정을 증가시키고자 할 때 적용하는 시스템입니. 병렬운전은 냉온수 시스템의 댓수제어나 비상시 대유량의 펌핑이 필요 한경우(예로 배수용 펌프등의 경우) 적용하면 나름대로 적절하며 , 직렬은 소유량이지만 양정이 많이 높을 경우나 부스터 펌프를 두어야 할 경우등에서는 장점을 가진다고 볼 수 있습니다 . 직 렬배관에서는 2차측의 펌프의 경우 내압허용한도도 검토해 볼 필요가 있다. 즉 1 차 펌프의 압력 이 그대로 2차 펌프에 영향을 주고 있으니까 말입니다. 직렬로 하면 유량은 동일하고, 병렬로 하 면 양정은 동일하다고 보면 일반적으로 무리가 없습니다.

의문 : 펌프의 유효흡입수두라는 용어는 어떤 의미인가? 흡입이 필요한 펌프의 흡입불능이 왜 생기는가? 빨아들이지 못하면 뱉어 낼 수도 없지 않은가?

- 음료수를 스트로로 빨아 들일 때 빨대끝이 음료수안에 잠기지 않고 약 절반이 공기와 접촉해서 빨리고 있다면 만족스럽지 않은 빨대속의 음료수 양이 느껴진 경험이 있으시지요? 빙수 혹은 얼 음이 든 음료수을 먹을때도 마찬가지로 빨대끝이 완전히 음료수와 접하지 못하는 상태에 동일한 현상이 발생합니다.빨대속의 공기의 압력상태는 대기압이하, 즉 진공상태로 흡입이 유도 되는 것 입니다. 이는 펌프의 유효흡입양정을 이해할수 있는 기초 개념의 출발입니다.공기가 흡입된 빨대 안의 음료수는 빨기도 어렵겠지만 양도 적습니다. 우 - 급수펌프나 냉온수 순환펌프 혹은 냉각수 순환펌프의 흡입측에는 이와 비슷한 성격의 상태가 발 생할 경우 흡입이 안되는 것입니다. 펌프 제작사가 제공하는 각 펌프별로의 흡입측의 압력이 있 고 , 건물의 시스템별로 해당 펌프의 흡입측에 필요한 압력이 있는데 ,  흡입수두(NPSH: net positive suction head) 라고 합니다만, 이 흡입수두는 이 펌프를 사용하려면 펌프의 흡입측에 이 정도의 압력이 필요한데 이 것을 만족하지 않으면 펌프 시스템과 상관 없이 최소한 흡입능력이 상실된다는 의미입니다.근데 펌프가 출고될 때는 이 흡입 수두가 정해져서 생 산되는데 이걸 시스템에 반영하게 되면 배관 마찰이나 유체의 종류,온도에 따른 압력 변동이 생 겨 추가 소요되는 ,즉 진실로 필요한 흡입수두값은 증가 하는것입니다. 그래서 펌프를 시스템에 반영할때는 펌프 고유의 흡입수두에 비해 실제 흡입수두가 약 1.3배 이상의 여유가 있어야 한다 는 것이 통론입니다.  다시 돌아가서 빨대에는 진공이 생겨 흡입이 생기는데 만약에 이 진공이 깨지고 공기가 빨려 들 어 온다면 흡입능력이 상실된다는 것인데,그럼 펌프는 왜? 펌프의 흡입측의 배관에 공기가 빨려 들어오도록 설계는 안하죠, 그럴일도 사실 별로 없지만요, 당연합니다, 하지만 흡입되는 배관안에 서 공기가 생겨버리면, 다시 말해보면 물속에 포함된 공기가 유체 압력의 포화증기압 이하 상태 {물의 증기압, 100C 유체온도라면  10332mmH2O 일때는 끓습니다. 즉 대기압상태이지요,유체온 도가 0C 일때는 61mmH2O 가 되면 끓게 됩니다. 진공상태입니다. 그 유체온도의 증기압과 밀도 에 의해서 수두(포화증기압수두)로 환산이 가능하지요. [Pv / r , 증기압/밀도=수두]  , 온도가 높은 유체일수록 증발이 쉽게 발생한다는 의미.} 로 되어서 기체화 된다면?즉 전에도 말씀드린적이 있 지만 진공상태 혹은 포화증기압이하상태에서의 유체에 썩여있는 공기가 흡입되는 유체속에 포함된다면(이경우 전문용어로는 펌프 캐비테이션(CABITATION)이 발생했다고 합니다.) 흡입되는 펌프 에 양수 불능 혹은 흡입 불능을 초래할수 있다는 것입니다. 즉 빨대에는 공기가 외부에서 들어오 지만, 펌프속의 유체는 자체 공급될수도 있다는 이야기 입니다. 효과는 동일하죠? 압력이 변동되 는 과정에서   유체의 증발현상이 생기지 않도록 어느정도의 압력을 가해줄 필요가 있는데(즉 압 력이 있는 상태에서는 액체에서 기체화 되기 힘든상태가 인위적으로 만들어 진다는 의미) 그 압 력이 시스템상에서 흡입수두라고 표현하는것입니다.그러면 일반적으로 배관 시스템 상에서의 그 계산 공식은 아래와 같습니다.

Pa /r1 - Pv/r2 - Ha – Hf = Hav(유효흡입수두)    
 Pa = 대기압(10.332m)  r1 : 밀도(1.0)    :  Pv = 증기압(해당유체,해당온도) ,  r2 : 밀도(해당유체,해당온도) =표에서 찿아 볼 필요    :  Ha = 수두(m) (펌프흡입인경우 – 적용,압입인경우 + 적용)    :  Hf  = 마찰저항 손실수두(m) 

- 여기서  나온 Hav 값이 실제 펌프 고유의 Hre 보다 1.3배 이상이 확보 되도록 할 필요가 있 습니다. 그렇지 않으면 양수불능이 될수 있다는 의미입니다.  펌프는 흡입측의 상기 수두를 확보하기 위하여 가급적 흡입마찰 손실 수두가 작게 될수 있 도록 설계하여야 하고 , 고온의 유체일경우는 반드시 검토가 필요한 경우가 많고,때로는 고 온유체의 경우는 흡입불능의 경우가 많습니다. 유체가 펌프의 상부에서 압입상태로 흡입될수 있도록 가급적 배관을 꾸밀 필요가 있습니다. 펌프 SUCTION 측의 배관은 편흡입보다는 양 흡입측이 유리하고 , 흡입배관경이 토출배관경보다 보통 1단계 큰 사이즈로 배관이 되고, 흡 입배관의 길이는 가급적 짧게 유지하도록 하며, 1대의 큰 펌프보다는 병렬로 2대이상유지 하 는경우가 많습니다. 상기의 원론적인 문제가 해결되지 않은 시스템의 경우 흡입 불능이외에 양수 불량, 유체에 포함된 공기의 펌프 임펠러 출구에서 고압에서 다시 액체화 되는 과정에서의 WATER HAMMER 의 발생, 배관내의 SCALE 문제 , 배관 침식 및 배관내의 수명단축등 매우 많은 공 기로 인한 문제점 및 유체이송상의 문제등과 함께 수명단축의 원인 제공의 하나가 됩니다

댓글 없음:

댓글 쓰기