펌프이론 1.5 – 액체 – 태진에프티

1.5.1 점성 액체

펌프가 이송하는 가장 일반적인 액체는 물이지만, 펌프는 사용 분야에 따라 오일, 프로필렌 글리콜 (propylene glycol), 가솔린 등 다양한 액체를 이송해야 한다. 이런 액체들은 물과 비교하여 밀도와 점도가 다르다.

점도는 액체의 두께 정도를 나타낸다.

점도가 높으면 액체는 두꺼워진다. 예를 들면 프로필렌 글리콜과 모터오일은 점도가 높고 두꺼운 액체이며, 반대로 가솔린과 물은 점도가 낮고 얇은 액체이다.

점도에는 다음과 같이 두 가지 종류가 있다. :

절대점도 (Dynamic viscosity) : Pa.S 또는 Poise 로 표시
(1 Poise = 0.1 Pa.S )
동점도 (Kinematic viscosity) : centistokes 또는 ㎟/s (1 cSt = 1 ㎟/s)

동점도( )는 절대점도( )를 유체의 밀도로 나눈 값이다 (우측 공식 참조).

동점도 (Kinematic viscosity) 에 대한 설명은 다음과 같다.

액체의 점도는 온도에 따라 변화하게 된다. Fig. 1.5.1을 보면 50%의 프로필렌 글리콜은 온도가 +20에서 –20로 낮아질 때 점도는 10배 증가하는 것을 볼 수 있다.
액체의 점도에 관한 더 자세한 정보는 부록 L 편을 참조.

1.5.2 비-뉴튼 액체

지금까지는 뉴튼 액체에 관해 설명하였다. 뉴튼 액체의 점도는 액체의 노출되는 면적이나 움직임에 의해 영향을 받지 않는다. 그 예로 석유와 물은 전형적인 뉴튼 액체이다. 반면에 비-뉴튼 액체는 휘저을 경우(교반 시) 점도가 변하게 된다.

비-뉴튼 액체의 몇가지 예는 다음과 같다.

크림과 같은 딜레이턴트 (Dilatant) 액체 – 교반 시 점도가 증가
캐첩과 같은 소성(Plastic) 액체 – 항복치 (yield value)를 가지고 있어 교반 시 이 값을 초과해야 액체가 흐르기 (유동되기) 시작하고, 그때부터 점도는 감소
페인트와 같은 씩쏘트로픽 (Thixotrophic) 액체- 교반 시 교반력이 증가하면 점도가 감소

비-뉴튼 액체에는 앞서 설명한 점도에 관한 공식이 적용되지 않는다.

1.5.3 점성이 높은 액체 이송 시 원심펌프의 성능 변화

물보다 점도 혹은 밀도가 높은 액체는 다음과 같이 원심펌프의 성능에 영향을 미친다.

소비동력이 증가한다. 예를 들어, 일반 물 이송 시와 같은 성능을 발휘하기 위해서는 더 큰 동력의 모터가 요구 된다.
유량, 양정 및 펌프 효율이 감소한다.

0℃ 이하의 액체를 사용하는 냉각시스템을 예를 들면, 액체가 어는 것을 방지하기 위하여 프로필렌 글리콜과 같은 부동액을 첨가한다. 글리콜 혹은 비슷한 부동액이 펌프 내 액체에 첨가되었을 때 액체는 물과 다른 속성을 갖게 된다.

펌프 선정과 시스템 구성 시에 앞에 열거한 속성들을 반드시 고려하여야 한다. 밀도가 높을수록 동력이 증가되며, 점도가 높을수록 유량 및 양정 또한 모터 동력의 증가에 따라 효율은 감소하게 된다. Fig. 1.5.2 참조

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Fig. 1.5.3을 읽는 방법은 다음과 같다.

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Fig. 1.5.4는 펌프 선정과 펌프 축동력을 고려한 모터 동력 선정에 대한 방법을 제시하고 있다.

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1.5.4 부동액 이송용 펌프 선정

펌프의 특성은 일반적으로 온도 20℃, 동점도 1cSt, 밀도 1,000 kg/㎥ 상태의 물을 기초로 한다.
0℃ 이하의 부동액을 포함하고 있는 액체 이송 시 펌프가 시스템이 요구하는 성능을 발휘할 수 있는지 혹은 더 큰 동력이 필요한지에 대한 검토가 필요하다.
다음 장에서는 점도가 5-100 cSt 이고 밀도가 최대 1,300 kg/㎥ 인 액체를 이송해야 하는 시스템에서 정확한 펌프 성능곡선을 계산하기 위해 사용되는 간단한 방법이 설명된다.

1.5.5 점도에 따른 동력 계산의 예

냉각시스템에 사용되는 순환 펌프는 –10℃의 프로필렌 글리콜 40%의 액체를 이송시켜야 한다. 시스템에서 요구하는 유량 Q = 60 ㎥/h 이고, 양정 Hs = 12m 이다. 이러한 유체 정보를 기초로 시스템의 사양점을 만족하는 펌프의 선정과 성능곡선의 특성을 알아 낼 수 있다. 다음 단계로 펌프 종류와 크기가 결정되면 펌프에 장착되는 모터가 펌프의 적합한 성능을 발휘하는 데에 적당한지 알아 볼 수 있다.

액체의 기본 정보는 다음과 같다.
동점도 : 20cSt , 밀도 : 1049 kg/㎥

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