다양한 정량펌프 배관 설계

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다양한 정량펌프 배관 설계

전 정섭 2009. 11. 8. 15:04

액체의 증발

액체의 분자는 분자간 인력에 의해 서로 결합하고 있습니다. 동시에 주변의 열로 인하여 끊임없이 운동하여 서로 떨어지려고도 합니다. 그래서 어느 정도 열 운동이 격해지면 분자간 인력에 싸워 이기는 분자들은 이를 벗어나 밖으로 달아나는 분자도 나옵니다. 이 현상이 『증발』이며, 이때 달아난 분자를 『증기』라고 합니다.

온도가 상승하면 달아나는 분자의 수가 증가하여 압력이 높아집니다. 한편, 증발과는 반대로 분자운동으로 액체에 뛰어들어 다시 액체가 되는 현상을 볼 수 있습니다.

이것을 『응축』이라 합니다.

그리고 증기의 압력이 어느 치 정도 이상이 되면 달아나는 분자와 뛰어들어오는 분자의 수가 같아져 더 이상 압력이 늘지 않는 상태가 됩니다. 이때의 압력을 액체의 『(포화) 증기압』이라 합니다. 증기압의 크기는 액체의 종류에 따라 크게 다르지만 일반적으로 화학구조가 비슷하면 분자량이 많을수록 작아집니다.

액체의 비등

액면에 접한 공간 부의 압력이 (포화)증기압보다 작아진 경우를 생각해 봅시다. 이 경우, 액체를 벗어나려고 하는 힘 쪽이 억누르려는 힘 보다 커집니다. 따라서 액체의 분자는 표면에서 뿐만이 아니라 액 내부에서도 증발을 시작합니다. 이 현상을 『비등』이라 합니다. 그리고 포화 증기압과 액면상의 압력이 같아지는 온도를 『비등점』이라 합니다.

일반적으로 "물은 100℃에서 비등한다." 라 하는 것은 수면 위의 압력이 대기압인 경우 (1.033kgf/㎠)에 한합니다. 압력이 낮아지면 당연히 액을 누르는 힘이 작아져 비등점이 떨어집니다. 예를 들면 산 정상에서는 지상과 비교하여 볼 때 기압이 낮기 때문에 비등점이 낮아서 물은 대개 100℃ 이하에서 비등합니다. 반대로 압력솥 등을 사용하면 빨리 조리할 수 있는 이유는 솥의 내부가 고압이 되어 물의 비등점이 상승하여 재료를 100℃ 이상의 온도에서 익어 들어가게 할 수 있기 때문입니다.

즉 액체는 온도가 높아지기 때문에 비등하는 것이 아니라 그 온도일 때의 증기압이 액면에 작용하는 압력보다 커지는 때문에 비등하는 것임을 알 수 있습니다.

Cavitation(공동현상)과 NPSH(흡입측 정미압력)

일반적으로 펌프의 흡입측 액면위치가 너무 내려가든지 배관저항이 너무 크다든지 등의 이유로 펌프내부의 압력이 이송액의 포화 증기압 이하가 되면 그 부분에서 액이 비등합니다. 이 때문에 정량펌프로서의 기능을 발휘할 수 없게 됩니다. 결국 토출량이 감소할 뿐 아니라 소음이나 진동이 발생합니다. 이것이 『캐비테이션』이라 불리는 현상입니다. (공동현상)

캐비테이션을 발생시키지 않기 위해서는 펌프 흡입측의 배관 내, 및 펌프헤드 내부의 압력이 액체의 포화 증기압 이상이 되어야 합니다. 따라서 액체를 빨아올리는 높이와 배관저항을 뺀 나머지의 압력이 액체의 포화 증기압보다도 크면 캐비테이션은 발생하지 않습니다.

ㆍRe. NPSH

포화 증기압보다 어느 정도 압력을 높이면 케비테이션이 발생하지 않는지를 나타내는 지표입니다.
펌프가 움직이기 시작하면 정지해 있을 때보다 펌프 내부 등에서 압력 저하가 일어납니다. 어느 정도의 압력 저하가 일어나는 가는 그 펌프의 구조에 따라 정해지지만, 펌프 흡입 점에 있어서, 액체의 포화 증기압 보다 적어도 이 압력 저하분 이상은 액체의 압력, 또는 수두를 높게 해둘 필요가 있습니다.

ㆍAv. NPSH

약액의 종류나 온도 또는 프로세스 조건, 흡입측 탱크액면 등에 의해 펌프의 흡입 구에서 후에 어느 정도의 압력저하가 있었을 때 캐비테이션이 발생할지가 결정됩니다. 이 때의 압력의 여유 분을 말합니다. 다시 말하면, 펌프의 흡입 구에서 액체가 증발을 시작할 때까지의 압력 여유 분을 나타냅니다.

<참고>

※ NPSH : Net Positive Suction Head (흡입측 정미 압력)

※ Re. NPSH : Required NPSH (필요 NPSH - 제작자 사양)

※ Av. NPSH : Available NPSH (유효 NPSH - 사용자 사양)

★ 캐비테이션이 일어나지 않기 위한 절대 조건 ″Av. NPSH > Re. NPSH″

NPSH의 계산

(1) 밀어 넣는 배관

탱크의 액면이 펌프 해드 보다 높은 경우는 그 양 만큼 액의 흡입에 유리하게 됩니다.

∴ hs를 더합니다.

(2) 빨아올리는 배관

탱크의 액면이 펌프 해드 보다 낮은 경우는 그 양 만큼 액의 흡입에 불리하게 됩니다.

∴ hs를 뺍니다.

ㆍAv NPSH (유효 NPSH) 구하는 식

(1) 흡입측 탱크의 액면 쪽이 펌프 헤드 측보다 높은 경우 (밀어 넣는 배관의 경우)

(2) 흡입측 탱크의 액면 쪽이 펌프 헤드 측보다 낮은 경우 (빨아올리는 배관의 경우)

식		의미의 설명	단 위
Av. NPSH	=	유효 NPSH	㎏f/㎠
Pa	-	흡입측 탱크의 내압 (탱크가 밀폐구조가 아니면 대기압 임)	㎏f/㎠ abs
Pv	×	액체의 포화 증기압	㎏f/㎠ abs
γ	±	액체의 비중량 (밀도)	g/㎤
hs	-	펌프 헤드 부와 탱 액면과의 Level 차	cm
he		흡입측 배관 내의 손실 헤드 hi 또는 hf ㆍhi : 관성저항에 의한 헤드환산 계수 ㆍhf : 마찰저항에 의한 헤드환산 계수	cm

ㆍ캐비테이션의 방지법

ⅰ) 배관거리를 짧게 하여 배관저항을 작게 한다.

ⅱ) 3련식 무맥동 정량펌프를 사용하여 관성저항 값을 저하시킨다.

(2연식 무맥동 정량펌프의 경우는 흡입측에서 맥동이 발생하므로 주의해야 함.)

ⅲ) 흡입측 배관을 짧게 한다.

ⅳ) 펌프를 탱크 액면보다도 낮은 위치에 설치한다.

정량펌프의 배관상 유의점

지금까지 정량펌프에 관련된 여러 가지 문제에 대하여 생각해보았습니다. 정량펌프가 본래의 기능을 다하기 위해서는 특히 배관조건에 신경 쓸 필요가 있다는 것은 이미 알고 있는 사실입니다. 여기서 펌프 전후의 배관조건에 따르는 바른 설치 방법에 대하여 정리하겠습니다.

ㆍ토출측 배관에 대해..

Ps > Pd.

흡입측 쪽이 토출단의 레벨보다 높은 경우는 Over Feed 나 Siphon 현상이 발생합니다.

ⅰ) 토출량이 안정되지 않아 정량펌프로 사용 할 수 없습니다.

ⅱ) 펌프 정지 시에도 Check Ball을 밀어 올 려 탱크에서 액체가 감량 또는 아주 없어져 버리는 일이 있습니다.

Ps < Pd.

정량펌프의 특성이 잘 활용될 수 있는 상태임.

기타 토출측 배관의 설치예

<예1>과 같이 토출측 배관에 Back Press. Valve를 설치하여 Over Feed 나 Siphon 현상을 방지할 수 있습니다. 단, 슬러지 함유액은 Back Press. Valve Seal 부분이 마모되므로 제 성능을 유지할 수 없게 됩니다. 이러한 경우에는 <예2>와 같은 배관설계를 검토하여 주십시오.

<예3>과 같은 주 배관에의 압입(壓入) 및 <예4>와 같이 배압변을 설치하는 경우dp는, 토출측 배관(펌프 가까이)에 Air 빼는 Valve를 설치하여 줍니다. 탱크 내에 액이 없어지면 흡입측에서 공기를 흡입하여, 액을 채운 뒤 다시 가동해도 진공 상태로 되지 않아 액을 토출 할 수 없게 됩니다.

<예5>와 같이 압력이 있는 주 배관에 압입하는 경우는 주입점에 Check Valve를 설치합니다.

유지 보수에 편리하게 됩니다. 토출측 배관이 길 경우는 펌프 가까이 에도 Back Press. Valve와 Stop Valve를 설치합니다.