'펌프'에 대해 알고 싶은 진실 리스트

펌프에 대해 아는 우리의 상식은 다음과 같습니다. 

펌프는 유체를 이동시키는 기계이다.
펌프는 유체의 압력을 증가시키고 유체를 이동시킨다.
펌프는 선형 및 회전 운동에 의해 작동한다.
펌프는 대부분 액체를 이동시키지만 가스, 액체-고체 혼합물, 액체-기체 혼합물도 이동시킬 수 있다.
펌프는 자동차, 항공기, 선박 등 다양한 산업에서 사용된다.
펌프는 주로 화학, 석유, 수처리, 바이오 연구, 금속 가공 등의 산업에서 사용된다.
펌프의 크기와 성능은 펌프의 헤드, 유량 및 효율성과 같은 요소에 따라 결정된다.
펌프는 주로 동력원으로 전기, 열, 기계적 힘 등을 사용한다.
펌프는 장기간 사용하면 마모되므로 정기적인 유지보수가 필요하다.
펌프는 내구성이 높지만 오작동할 가능성도 있다.
펌프는 유체의 종류와 무게, 온도 등 다양한 요소에 대해 적합한 종류와 사양을 선택해야 한다.
펌프는 일반적으로 유동체의 압력을 측정하는 기기로서 게이지를 사용한다.
펌프는 일반적으로 실린더, 롤러, 농장 등에 사용된다.
펌프의 유량은 시간당 유체 이동량으로 측정된다.
펌프는 주로 동력과 효율성에 따라 분류된다.
펌프는 일반적으로 일정한 흐름을 유지하고 유체를 이동시키는 데 사용된다.
펌프는 수위 조절, 화학적 처리, 농업 및 환경 보호 등 다양한 용도로 사용된다.
펌프는 대기 중 액체가 기계 내부로 흡입되는 공기 경화 현상을 방지하기 위해 흡입 헤드가 있어야 한다.
펌프는 배출과 흡입 측면에서 개별적으로 설계되어야 한다. 

하지만 이게 전부가 아닙니다. 펌프를 더 정확히 이해하려면 알아야 하는 사실에 대해 적어 보겠습니다.  

펌프는 실제로 하나의 지점에서만 작동하도록 설계됩니다. 이 한 점의 헤드와 유량의 유압 상태가 최상의 효율 지점(BEP, Best Efficiency Point) 또는 최적 작동 지점으로 알려져 있습니다. 하지만, 곡선 집합의 어디든 다른 지점은 단순히 보여주기 식입니다. 대부분의 최종 사용자가 원하는 유압 상태를 갖도록 펌프를 설계하고 제작하는 것은 너무 비싸기 때문입니다.

제품 소개서에 기재된 펌프 곡선에 주의하십시오. 제조업체의 펌프 성능 곡선은 65도F(약 18.3도C) 정도의 맑은 물을 기준으로 합니다(기재되어 있지 않은 경우). 그들은 유체 점도에 대해 보정되지 않을 것입니다. 명시된 출력은 비중이나 점도에 대해 보정되었을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 제조업체의 제품 소개서 내의 펌프 곡선이 일정한 유량과 헤드 지점에서 멈출 때, 이를 설명하는 좋은 이유가 있습니다. 곡선의 끝에서 펌프를 작동하지 마십시오. 곡선 이상의 성능을 높일 수 있는 경우 제조업체는 곡선을 확장했을 것입니다. 곡선의 끝부분이나 근처에서 작동하면 성능 문제가 발생할 수 있습니다.

펌프는 어찌보면 그리 똑똑하지 않은 장치입니다. 원심 펌프는 주어진 유체 특성, 임펠러 기하학 및 운전 속도에 대한 시스템의 반응인 기계일 뿐입니다. 펌프는 성능 곡선이 시스템 곡선과 교차되는 지점에서 작동(유량 및 헤드)합니다. 시스템 곡선이 펌프가 작동할 위치를 규정합니다. 

시스템 곡선을 이해하세요. 시스템 곡선은 시스템에 내장된 모든 마찰, 정지 상태(static) 및 압력 헤드를 나타냅니다. 속도 헤드도 있지만 일반적으로 걱정할 만한 큰 요소는 아닙니다. 

펌프는 유체를 흡입하지 않습니다. 이것은 일반적인 오해입니다. 그러나 펌프가 흡입할 유체에 필요한 에너지를 공급하는 펌프 외의 다른 에너지원이 있어야 합니다. 일반적으로 이는 중력 및/또는 대기압입니다. 마지막으로, 유체에는 인장 강도가 없습니다. 결과적으로 펌프는 흡입하여 유체를 끌어들일 수 없습니다.

흡입 리프트의 최대값은 26피트 정도입니다. 만약 해수면에 있다면, 대기압은 14.7파운드/스퀘어 인치 절대(psia)가 될 것입니다. 이는 약 33.9피트의 절대 헤드로 변환됩니다(2.31로 곱하기). 따라서 완벽한 세계에서는 유체 마찰 또는 증기압이 시스템에 작용하지 않는다면 차가운 물을 약 33피트까지 들어올릴 수 있을 것입니다. 하지만 현실에서는 유체 마찰과 증기압이 작용하여 실제로는 26피트 이상의 유체 흡입이 불가능합니다. 항상 펌프가 요구하는 순진 양수력 헤드(NPSHr)값과 비교하여 순양수력 헤드(NPSHa)값을 계산하고 이 차이가 클수록 좋습니다.

역회전하는 펌프는 유량 방향을 반대로 하지 않습니다. 유량은 여전히 흡입구를 통해 유입되어 배출 노즐을 통해 나오게 됩니다. 일반적으로 특정 속도(Ns)에 따라(임펠러 기하학을 생각하세요) 유량과 머리의 크기가 감소하며, 이는 펌프의 효율이 현저히 낮아지기 때문입니다. 속도가 낮은 펌프의 경우 유량은 정격의 약 50%이고, 머리는 정격의 약 60%가 됩니다. ANSI(미국 국립 표준 협회) 펌프가 역회전하면, 임펠러가 축에서 나와 케이싱에 박혀버리는 현상이 발생할 수 있습니다.

펌프의 임펠러 눈에서 공기를 제거할 수는 없습니다. 펌프는 많은 면에서 원심분리기와 유사합니다. 따라서 더 무거운 물은 외경으로 밀려나고, 더 가벼운 공기는 중심에 남게 됩니다. 펌프를 적당한 위치에 설치한 후 쉬는 상태에서 공기를 제거해야 합니다. 중심선 방출형 펌프는 본질적으로 자체 방출 기능을 갖고 있습니다.

산업용 펌프는 "플러그 앤 플레이(Plug and Play)" 준비가 된 상태로 공장에서 나오지 않습니다. 이 주장에는 예외가 있지만, 절대로 가정해서는 안됩니다. 펌프 베어링 하우징에는 오일이 추가되어야 합니다. 플루이드(온도)에 맞게 임펠러 간격을 확인하고 설정해야 합니다. 드라이버는 펌프에 맞게 정렬되어야 합니다. 공장에서 정렬 작업이 수행되었을 수 있지만, 장치가 이동되면 정렬이 재설정되는 것이 일반적입니다. 팩토리에서는 결합부를 설치하지 않으므로, 설치 후, 그리고 베이스가 그라우트될 때마다 정렬을 다시 확인해야합니다. 회전 방향은 모터 드라이버의 위상 회전과 일치시켜야합니다. 기계 씰(mechanical seal)은 이러한 다른 단계가 완료된 후에 설정해야합니다. 대부분의 제조업체는 결합부(coupling)를 공장에서 설치하지 않기 때문에 결합부를 제거해야합니다.

거의 모든 펌프 문제는 흡입면(sunction side)에서 발생합니다. 펌프 작동 방식에 대한 일반적이고 광범위한 오해가 있습니다. 위의 내용을 참조하십시오. 문제 해결 시, 필드에서 문제를 해결할 때 세 개의 별도 시스템으로 생각하십시오. 즉, 흡입 시스템, 펌프 자체 및 펌프 다운 스트림 시스템입니다. 펌프 문제의 85%는 흡입면에서 발생합니다. 의심이 들 때, 해결책을 찾기에 좋은 시작점입니다.

항상 NPSHa를 계산해야 합니다. 이것은 현장에서 가장 흔하면서 가장 비싼 실수 중 하나입니다. 많은 흡입 압력 또는 침수 흡입이 있기 때문에 계산을 할 필요가 없다고 잘못 생각할 수 있습니다. 일부 마찰 또는 증기 압력에 따른 손실로 인해 NPSH 여유치가 소멸될 수 있습니다. 충분하지 않은 NPSHa는 펌프 임펠러에서 기포 발생을 초래합니다.

NPSHr는 시스템과는 무관하며, 펌프 제조업체에 의해 결정됩니다. 반면, NPSHa는 플랜트 소유자 또는 최종 사용자에 의해 결정되거나 계산되어야 합니다. 최근에는 NPSH 여유량이 충분하지 않을 때 "펌프가 성질을 내는"이라는 표현을 들었습니다.

* 유효흡입양정(NPSH: Net Positive Suction Head)은 펌프의 공동화현상(cavitaion)의 발생 가능성을 점검하는 척도이다. NPSHr (required)는 펌프의 제작자에 의해 결정되며, 동일 사양의 펌프라도 제작자 또는 설계자에 의해 다를 수 있다.

기포발생을 이해하세요. 기포발생은 유체의 증기압 아래로 떨어지는 경우 유체 스트림에서 기포 거품이 형성되는 것을 말합니다. 거품이 형성되는 지점은 보통 시스템에서 가장 낮은 압력을 갖는 임펠러 눈 앞쪽입니다. 그 다음에 기포 거품이 높은 압력 지역으로 이동하면서 붕괴됩니다. 기포 거품의 붕괴가 펌프 임펠러에 손상을 일으킵니다.

기포발생으로 인한 손상은 매우 심각합니다. 거품이 유체 스트림 중앙에서 붕괴된다면 손상이 거의 없을 것입니다. 그러나 거품이 금속 표면 근처에서 붕괴되면 비대칭적으로 붕괴되어 작은 마이크로젯이 생성됩니다. 이러한 붕괴는 나노 스케일(10억 분의 1)에서 발생하며 지역 압력 힘은 10,000 파운드 규격압력/제곱인치(psig) (689 바) 이상이고, 열이 생성됩니다. 이 현상은 초당 최대 300회 발생할 수 있으며 음속에 근접한 속도에서 발생합니다. 공기에서의 음속은 약 768마일/시간(1,236킬로미터/시간[k/h])이며 습도에 따라 다소 변합니다. 물에서의 음속은 약 3,350마일/시간(5,391 k/h 또는 초당 1,490미터)로 공기보다 4.4배 더 빠릅니다. 제가 처음으로 일한 분야인 잠수함 분야에서는 염수에서의 음속이 더 빠르다는 점을 언급해야 할 것 같습니다.

캐비테이션 손상은 인펠러의 다른 위치에서도 발생할 수 있습니다. "클래식" 캐비테이션 손상은 인펠러 날개의 하단(낮은 압력면 또는 오목한 면)에서 눈에서 약 1/3 정도 떨어진 위치에서 발생합니다. "클래식" 이라는 용어는 NPSHr 부족으로 인해 발생하기 때문입니다. 캐비테이션 손상은 다른 위치에서도 발생할 수 있지만, 이러한 경우 대부분은 디자인이나 BEP(최대 작동 효율 포인트, Best Efficiency Point)에서 벗어난 운전으로 인해 발생하는 순환 문제 때문입니다.

* 공동현상 또는 캐비테이션(cavitation)이란 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말하며 공동현상이라고도 한다. 공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다.

캐비테이션은 낮은 주파수에서 들리게 됩니다. 캐비테이션 소리(자갈을 펌핑하는 소리와 같은)가 들리면 캐비테이션 중입니다. 소리가 들리지 않는다고 해서 캐비테이션 중이 아니라는 것은 아닙니다. 대부분의 소리 범위는 인간 청각 범위 외부에 있기 때문입니다. 아마도 개를 훈련시켜 캐비테이션을 탐지하는 데 도움을 줄 수 있지 않을까요? 차가운 물은 일반적으로 캐비테이션에 의한 손상이 가장 심각한 유체입니다.

탄화수소의 경우 손상 측면에서는 최소한의 영향을 미칩니다. 탄화수소 보정 계수는 경험적 데이터를 기반으로 합니다. 보정 계수에 대한 규칙은 Cameron Hydraulic Data book에서 다루고 있습니다.

NPSHr은 NPSH3입니다. 제조업체가 특정 지점에서 펌프가 일정량의 NPSHr을 요구한다고 말할 때, NPSHr이 측정되는 방식은 3%의 헤드 감소를 가진 상태에서 이미 캐비테이션 중이라는 것을 이해해야 합니다. 더 큰 여유 마진을 확보하는 것이 더 중요합니다.

침수 한계치(Critical Submergence)는 휨현상을 방지하기 위해 필수적입니다. 유체 표면에서 펌프 입구까지의 수직 거리를 수버전스 수준이라고 합니다. 휨 현상으로 인한 공기 삽입을 방지하기 위해 필요한 거리는 침수 한계치(Critical Submergence) 수준입니다.

유체 레벨이 침수 한계치(Critical Submergence) 아래로 내려가면 펌프 작동을 하지 마십시오. 휨 현상은 유체 속도의 직접적인 영향을 받습니다. 방벽이나 벨 플랜지 같은 대형 파이프 지름을 사용하여 휨 현상을 방지할 수 있습니다. 흡입면 설계를 고려할 때 참고할 수 있는 많은 참조 차트가 있습니다. 가장 좋은 것은 하이드로리프트 연맹의 차트입니다. 보수적인 산출 방식으로는 1 피트당 유체 속도 1 피트 당 수버전스 1 피트을 갖추는 것입니다.

공기가 혼합된 유체를 펌프로 효율적으로 이동시킬 수 없습니다. 공기 함량이 4~5%를 초과하면 대부분의 펌프 성능이 저하되기 시작합니다. 대부분의 펌프 설계는 공기 함량이 14% 정도로 증가하면 작동하지 않게 됩니다. 디스크 펌프, 셀프프라이머 및 일부 보륵식 또는 새공식 펌프를 제외하고는 예외가 거의 없습니다.

"펌프 베어링이 뜨겁다"는 말은 일반적이지만 주관적인 것입니다. 120°F 이상인 베어링 하우징에 손을 대는 것은 일반인에게 어렵습니다. 베어링이 160~180°F에서 작동하는 것은 완전히 정상입니다. 온도를 측정하고 상황에 입각하여 대처하십시오.

점도(Viscosity)는 원심 펌프의 치명적 약점입니다. 대부분의 원심 펌프는 펌프 크기에 따라 다르지만 400~700 센티포이즈 범위에서 비효율적이거나 마력 제한을 초과합니다. 농도가 높은 유체를 펌핑할 때는 제조업체와 함께 보정된 곡선 및 프레임, 베어링 및 축에 대한 전력 한계를 확인해야 합니다.

펌프 곡선을 따라 진행되는 마력 요구 사항은 다른 임펠러 기하학에 따라 달라집니다. 저 및 중간 특성 속도 펌프는 곡선의 끝으로 진행할수록 더 많은 마력을 필요로 하며, 이는 꽤 직관적인 추론입니다. 특성 속도가 높은 펌프 (축류)의 경우 최대 마력 요구량은 낮은 유량에서 발생합니다. 이것이 이러한 종류의 펌프를 방전 밸브를 열고 시동을 걸어 오버로드되지 않도록 하는 이유입니다.

특성 속도를 생각하는 간단한 방법이 있습니다. 특성 속도 (Ns)는 가상의 임펠러의 성능과 기하학을 볼 때 디자이너가 사용하는 도구입니다. 수학에 갇혀있지 않고도 생각해볼 수 있습니다. 저 특성 속도 임펠러는 유체 흐름이 축 중심에 평행하게 들어오고 축과 90도 각도로 임펠러를 떠납니다. 중간 특성 속도 임펠러는 유체 흐름이 축에 평행하게 들어오고 임펠러에서 축과 45도 각도로 떠납니다. 높은 특성 속도 임펠러는 유체 흐름이 축 중심에 평행하게 들어오고 축과 평행하게 임펠러를 떠납니다. 

펌프에 대해 우리가 모르는 진실 같은 정보였길 바랍니다. 현업에 계시는 분들은 이미 다 아는 정보지만 이제 막 펌프 업종에 발을 들인 분이라면 도움이 되리라 봅니다. 감사합니다.