학습 펌프의 원리

[하늘]

PUMP의 원리

광사림이라는 사전에 의하면, "펌프"란 공기, 액체 등을 한쪽 구멍에서 흡입, 다른 쪽 구멍으로 밀어내거나 토출 하도록 만든 기계-원문 직역-라고 되어 있습니다. 그러면 어떻게 해서 액체 등을 흡입, 또는 토출 하는 것일까요?
이 대답을 이해하기 위해서는 우선 공기의 압력에 대해 알 필요가 있습니다. 여기서, 우리에게는 없어서는 안될 공기에 대해 알아보기로 합시다.

- 공기의 무게

보통 별 관심 없이 호흡하고 있는 공기는 질소(N2)와 산소(O2)가 주성분이고 그 밖에는 탄산가스(CO2)와 아르곤(Ar)등을 함유하고 있습니다. 이들 분자는 눈에 보이지 않는 매우 작은 입자입니다만 약간의 무게를 가지고 있습니다. 그리고 우리들 주위를 자유롭게 날아다니며 대기를 형성하고 있는 것입니다. 공기의 분자는 지구의 인력으로 당겨져 지표에 가까울수록 대량으로 모여있고, 지표에서 떨어질수록 희박하게 됩니다. 높은 산의 정상에서 공기가 희박하게 되는 것은 이런 이유입니다.

대기의 압력
공기분자가 날아다니고 있을 때 어떤 장해물에 부딪치면 충격을 받습니다. 이것은 F=mα(운동방정식)라는 물리법칙에 따르지만 이 식은 물체가 무거울수록, 또 빠르게 움직이고 있을수록 (실제는 가속도가 클수록) 충격력이 크다는 것을 나타내고 있습니다. 예를 들면, 같은 속도로 달리더라도 덤프 카와 승용차는 파괴력이 전혀 다르며, 또 같은 덤프 카라도 고속과 저속과는 충격력이 다르다는 것을 이해할 수 있다고 생각합니다.
대기중에 한 개 한 개의 분자는 대단히 작으므로 그 충격력은 매우 적지만, 대량으로 모이면 꽤 큰 힘이 됩니다. 따라서 지표에 가까울수록 힘이 크고, 높은 곳일수록 힘이 작게 됩니다. 지표 부근에서는 1평방센티미터 당 약 1㎏의 힘이 작용하고 있습니다.

- 압력의 단위 ㆍkgf/㎠
   일반적으로 압력은 단위 면적 당 가해지는 힘으로 표시됩니다. 즉 1평방 센티미터의
   정방형에 몇 kg(g ton)의 힘이 작용하는가를 나타냅니다.
   보통은 1평방 센티미터 당 몇 kg의 힘이 작용하는가를 나타내며 kgf/㎠라는 단위로
   표시합니다. 여기서 kgf의 f는 force(힘)을 의미하며 1kgf는 1kg의 힘이 작용하고 있
   음을 나타냅니다.
ㆍ수주메타(mAq, mmAq, mHzO, mmHzO)
   물의 밀도가 4℃ 일 때 1㎖(㎤)당 1g(1g/㎤)인 것을 이용하여 표시한 압력입니다.
   예를 들면 대기압(1.033kgf/㎠)은 10.33mAq 또는 10330mmAq에 상응합니다.
ㆍ수은주 메타(mHg, mmHg)
   수은의 밀도가 약 13.55g/㎠임을 이용한 압력의 단위입니다. 수은의 물에 대한 비중
   은 13.55이므로 10.33mAq, 10330mmAq는 각각 0.76mHg, 760mmHg가 됩니다.
ㆍ실용단위와 절대단위
   상기의 압력단위는 실용단위로 불리우며 널리 사용되고 있습니다.
   (그 밖에 Bar 나 atm라는 표시법이 있습니다.)
   또, 절대단위라는 표시법도 있어 CGS 계에서는 dyn/㎠, MKR 계에서는 N/㎡가 됩니
   다. 더욱이 SI 단위에로의 전환으로 압력은 Pa(파스칼)라는 단위로 표시하게 됩니다.
   여기서 1Pa = 1N/㎡이 됩니다.
    참고 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    CGS 단위계      : 센티미터, 그램, 초를 요소로하는 단위계
   MKS 단위계      : 미터, 킬로그램, 초를 요소로하는 단위계
   SI     단위계      : 국제 단위계, 미터계 단위와 야드, 폰드계 단위를 통일하기 위해
                             1960년 제 11회 국제도량형 총회에서 채용, 약속된 단위계.
                             (International System of Units)
    ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 』.

 ㆍ절대압 (abs.) 과 게이지압 (G) 절대압 =
                                                 대기압 + 게이지압
    절대압은 진공을 기준으로 측정한 것으로, 게이지압은
    대기압을 기준으로 측정한 것입니다. 일반적으로 압력
    계(블루돈관 방식등)로 표시된 압력은 게이지압으로
    이 값을 대기압에 가산하면 절대압을 얻을 수 있습니
    다.
ㆍ진공의 압력
    밀폐용기에서 공기를 빼가면, 용기안의 공기분자수가
    점차로 감소해 그 결과 용기 안의 압력이 작아집니다.
    다시 완전히 공기가 없어지면, 이미 압력이 저하하지
    않는 상태, 즉 절대 진공 상태가 됩니다. 이 때의 압력
    은 수주미터로는 0mAqabs. 수은주미터에서는 0mHgabs.를 나타냅니다. 또 진공압력을 나타내는 단위로써 톨(torr)이 있고, 1torr은 1mmHgabs., 대기압을 기준으로 하면-759mmHgG가 됩니다.

  - 압력환산표

kgf/㎠	mmAq	mmHg(torr)	Pa	Bar	atm
1	1.0X104	7.36X102	9.81X104	9.81X10-1	9.68X10-1
1.0X10-4	1	7.36X10-2	9.81	9.81X10	9.68X10
1.36X10-3	1.36X10	1	1.33X102	1.33X10-3	1.32X10-3
1.02X10-5	1.02X10-1	7.5X10-3	1	1X10	9.87X10-1
1.02	1.02X104	7.5X102	1X10	1	1.02X104
1.033	1.033X104	7.6X102	1.013X10	1.013	1

『 참고 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    Psi 에 대하여......
   Psi 는 파운드스퀘어인치라 읽고, 1변이 1inch(in)의 정방형의 위에 몇파운드(lb)의 힘이 작용하는지를 표시하는 압력의 단위입
   니다.
   여기서 1inch는 2.54cm, 1lb는 453.6g에 해당하며 단위를 환산하면 1kgf/㎠ = 14.22Psi(lb/in2)가 됩니다.
   ※ Psi는 야드, 파운드법의 단위로서 ANSI(American National Standards Institute)규격이나  API(American Petrolem Institute)
      규격 등의 Flange 호칭에 이용되어 집니다.
   ※ 1 in = 1/12 ft
       1 ft (물) = 0.433 Psi
       [if] Hg 비중 = 13.546 [then] 0.433 X 13.546 = 5.87 Psi
 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 』

- 펌프의 원리

지금까지 공기의 압력과 진공에 대해 서술해 왔습니다만, 이것은 펌프의 원리를 이해하는 이상으로 대단히 중요한 개념입니다. 지금 긴 시험관을 수은 안에 완전히 가라앉히어 막힌 쪽을 수직으로 세우면 수은이 관내를 상승하게 됩니다. 그리고 약 76cm의 높이까지 올라오면 정지합니다. 왜 그럴까요?
시험관 안은 공기가 전혀 없기 때문에 무압 상태입니다. 여기서 수은은 외부의 대기압력에 눌려 시험관내를 상승해 가고 수은의 무게와 대기압에 의한 힘이 맞닿는 평형상태에서 정지합니다. 결국, 수은이 76cm 상승한 위치가 대기압(1.033kgf/㎠)과 같은 값 즉 760mmHg 이 됩니다.
이것은 수은 대신에 물을 이용하면 약 10m 나 상승한다는 것을 의미합니다. 또, 이것을 보는 법을 바꾸어 말하면 시험관 안에 발생한 진공에 의해 액체가 흡입되었다고 생각할 수도 있습니다. 이것이 펌프가 액을 흡입하는 원리입니다.
좀 더 친근한 예를 들어봅시다.
주스 등을 마실 때 스트로를 사용합니다. 왜 숨을 들이마시면 주스가 스트로를 통하여 입안에 들어오는 것일까요?
주스가 들어있는 컵 안에 스트로를 담갔다고 합시다. 스트로에 입을 대지 않았을 때는 스트로의 외부와 내부의 주스에 가해지는 공기의 압력은 같아집니다. 따라서 주스는 스트로 안을 상승할 수 없습니다. 다음에 스트로에 입을 대어 숨을 들이마시면 스트로 안의 공기가 적어져 압력이 저하합니다. 그러면 스트로 외부 공기의 압력이 높아져 주스는 이 압력에 눌려 스트로 안을 상승합니다. 결국, 주스는 숨을 들이마시는 힘만으로 스트로 안에서 상승하는 것이 아니고 숨을 들이마시는 것에 의해 스트로 안에 진공(부압)을 만들어 내어 주변의 공기압에 눌리어 저 상승하는 것입니다.
자! 이번에는 입에 들어 있는 주스를 스트로를 통하여 한꺼번에 배출했을 때의 일을 상상해 주십시오. 이때, 폐에 들어있는 (압축)공기를 토출 하는 것임을 알 수 있습니다. 즉, 대기의 압력보다도 강력한 힘을 가하면 주스를 배출할 수 있다는 것입니다.
그래서, 인간이 호흡하는 대신에 기계적으로 진공과 고압을 만들어 액체를 흡입하거나, 토출 하는 것이 PUMP입니다.
또, 이러한 일로부터 토출측 압력은 가격만(원가) 허락한다면 얼마든지 높이는 것이 가능하지만 흡입측에서는 아무리 우수한 펌프라도 10m 보다 아래에 있는 물을 흡입할 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 이것은, 아무리 우수한 펌프라도 절대진공 이상의 진공 도를 만들어 낼 수 없기 때문입니다.

- 펌프의 분류

펌프의 종류는 대단히 많고, 분류방법도 여러 종으로 다양합니다. 여기서는 회전식(원심)과 왕복동식으로 나누어 생각해 봅시다.

ㆍ회전식 펌프
   펌프 안의 회전날개나 프로펠라가 회전하여 그 때 발생하는 원심력이나 추진력에 의해 액체를 토출 합니다. 즉, 회전날개차의
   원심력에 의해 액체가 밀어 올려지면 여기에 진공에 가까운 부압이 발생하여 액을 흡입하는 것입니다. 그래서, 흡입측에 액체가
   충분히 있다면 연속적으로 흡입하여 밀어 올려지는 것이 가능해 집니다. 이 방식의 특징은 비교적 대량으로 더한층, 연속적으로
   액체를 이송할 수 있지만, 특히 토출측(펌프 출구 측)의 압력변동에 영향받기 쉬워 토출량의 재현성은 그다지 좋지 않습니다.
   회전식 용적펌프의 경우는 원심펌프 등과는 전혀 원리가 다릅니다. 오히려 왕복운동 펌프에 가깝고, 특히 고점성 액체에서 맥동이
   적고 또 재현성이 뛰어난 이송액 특성을 갖습니다. 어째든 물 같은 저점성 액체에서의 새어서 역류하거나 기아 등의 회전체와 케
   이싱(본체)의 마찰우려가 있습니다.
ㆍ왕복운동식 펌프
   PLUNGER나 DIAPHRAGM이 왕복운동 하는데 따라 액체를 흡입, 토출 하는 방식의 펌프입니다.
   『 참고 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
       각종 펌프의 개략도.

PUMP의 선정방법

펌프의 흡입구경 및 소요동력계산      Suction Dia        D=Q>2㎥/min인 경우 90 (㎥/min)        D=Q>2㎥/min인 경우 100 (㎥/min) 펌프의 동력 계산방법      (1) 수동력(이론동력) WATER HORSE POWER        WHP=0.163 rQH(kw)        WHP=0.222 rQH(HP)      (2) 펌프축동력 BRAKE HORSE POWER        BHP=0.163 rQH/ηp=WHP/ηp

MOTOR 여유율(α)

동력범위(kw)	여유율(α)
0?0.75kw 이하	0.30
19kw 이하	0.25
22?55kw	0.15
55kw 이상	0.10

MOTOR 출력

MHP=BHP(1+α)/η γ : 비중량(kg/㎥) Q : ㎥/min H : m ηp : KS 펌프효율(B효율기준) α : 전동기 여유율 η : 전달장치의 효율

(총양정계산법) Ht=Hs+Hd+Hf Ht : 총양정(M) Hs : 흡입양정(M) Hd : 토출양정(M) Hf : 관손실

 
전양정(M) (TOTAL HEAD)
     흡입수면으로부터 토출수면까지의 수직거리에 마찰손실 수두를 가산한 길이로 한다.
     만약 마찰손실수두를 알 수 없을 경우에는 다음 사항을 기재한다.
     1) 흡입관의 길이와 각종관 이음의 종류 및 개수
     2) 토출관의 길이와 각종관 이음의 종류 및 개수


양수량(㎥/min) (CAPACITY)      단위 시간당 필요한 양수량을 말한다.

액질 QUALITY OF FLUID
     1) 액의 종류 (예: 청수,M 산 알카리, 해수 등등)
     2) 비중량(kg/l 또는 ton/㎥)
     3) 온도 (。C 또는 。F)
     4) 점도 (Cp, Cst, SSU)
     5) 농도 (%)

회전수 (REVOLUTION)  비교회전도를 계산하여 효율이 높고 경제적인 임펠라의 형상이 될 수 있는 회전수를 택한 다.

펌프의 재질관계 (MATERIAL)  GC, SSC, BC, DI, SC 

[출처] 펌프의 원리및 산정방법|작성자 바우