펌프이론 3.1 – 시스템 특성

앞 절, 1.1.2장에서 펌프 성능곡선의 기본적 특성에 대해서 기술하였다.
이 장에서는 시스템의 전형적인 특징뿐만 아니라 다양한 운전조건에서의 펌프 성능곡선에 대해 기술하였다.
최종적으로, 이 장에서는 펌프와 시스템 사이의 상호 작용에 대해 주로 기술하였다.

시스템의 특성은 유량 Q와 양정 H관계로 시스템에서 표현된다.
시스템의 특성은 시스템 종류에 따라 좌우되는데 이 장에서는 시스템 종류를 다음의 두 종류로 나누었다. : 폐쇄형, 개방형

● 폐쇄형 시스템
폐쇄형 시스템이라 하면 순환 시스템으로써 난방 혹은 냉방 시스템을 일컫는다. 이 시스템에선 파이프, 피팅류, 밸브 등 시스템 내부에서 발생되는 마찰 손실을 펌프가 보상해야 한다.

● 개방형 시스템
상하수도 시스템과 같이 유체를 이송시키는 시스템을 개방형 시스템이라 한다.
이 시스템에서는 펌프가 시스템 내의 배관과 부속류에 의한 마찰 저항과 정수두를 만족시켜야 한다.

펌프 특성이 한 시스템에서 서로 작용하는 것으로 표시되면 펌프 곡선에 대해서는 두개의 곡선이 그리는 선이 만나는 지점을 운전점으로 결정하는 것이 가능하다. Fig. 3.1.1 참조

개방형과 폐쇄형 시스템은 여러가지의 저항 요소들(밸브, 파이프, 열 교환기 등)로 구성되며 이들은 직렬 또는 병렬 등의 펌프 연결방식에 따라 시스템의 특성은 변화한다. 따라서, 이 장에서 개방형과 폐쇄형 시스템에 대해 다루기 전에 각각의 저항 요소들이 시스템의 특성에 어떤 형태로 작용하는지에 대해 간략히 기술하였다.

3.1.1 한 개의 저항요소만 다루는 경우

시스템 내에 모든 부품, 요소들은 시스템 내 모든 요소에 대해서 지속적으로 수두 손실을 일으키는 유량에 대에서 지속적인 저항을 가지게 된다.
아래의 공식은 양정 손실을 계산하는데 사용된다.

ΔH = k · Q²

k는 상수(이 값을 부품의 종류에 따라 좌우된다) Q는 각 부품을 통과하는 유량. 공식에 있는 것처럼 양정 손실은 유량을 제곱한 값에 비례한다.
만약 시스템에서 유량을 낮추는 것이 가능하다면, 양정의 손실 값은 상당히 감소하게 된다.

저항이 직렬로 연결된 경우
몇 개의 부속품들이 직렬로 연결되어 있는 경우에 시스템의 전체 양정 손실값은 각각의 부품들이 가지는 손실량을 합한 것과 같다.
Fig. 3.1.2는 밸브와 열교환기가 직렬로 연결된 시스템이다.
만약 파이프에서 일어나는 손실을 고려하지 않는다면 이 시스템에서 발생하는 전체 양정 손실은 부분에서 발생되는 손실의 합으로 나타낼 수 있다.

ΔHtot = ΔH1 · ΔH2

게다가, Fig.3.1.2은 이 시스템에서 보이는 특성 곡선을 보여주고 만약 이 두 개의 부품이 결합된 폐쇄 시스템에서 운전점이 어디로 설정된지를 보여준다.
그림에서 보이는 것과 같이 주어진 유량에서 변화된 양정 손실 ΔH를 부가함으로 펌프 특성을 확인 할 수 있다. 마찬가지로, 그림에서는 시스템에 저항이 추가되면, 특성 곡선이 더욱 급격하게 변화 될 수 있음을 알 수 있다.

저항이 병렬로 연결된 경우
직렬로 저항이 연결된 시스템에 비하여, 시스템 내에서 병렬로 저항이 연결된 경우에는 직렬의 경우에 비해 보다 평평한 시스템 성능 곡선이 그려진다.
그 이유는 병렬로 연결된 부분들은 시스템 내에 전체의 저항을 줄여주므로 양정 손실을 줄여주게 된다.
병렬로 연결된 부분들에서 압력의 차이는 언제나 같다. 시스템에서 결정된 특성은 특별 양정 ΔH에 적용된 모든 부품의 개별 유량을 합함으로써 얻어진다.
Fig. 3.1.3은 병렬로 연결된 밸브와 열 교환기가 있는 시스템을 나타낸다.
이 시스템의 특성곡선은 아래와 같은 식으로 양정 손실을 계산해 낼 수 있다.

Qtot = Q1 + Q2

3.1.2 폐쇄, 개방형 시스템

앞에서 기술한 것과 같이 펌프의 기본 시스템은 폐쇄형과 개방형 시스템으로 구분된다. 이 절에서는 이들 시스템의 기본적인 특성에 대해 기술하였다.

폐쇄형 시스템
보통 폐쇄시스템은 열 에너지를 전달하는 난방 시스템, 냉방 시스템, 냉각처리 시스템 등이다. 이들 시스템의 공통적인 특징은 열 에너지를 운반하는 유체가 시스템에서 순환한다는 것과 열 에너지는 실제 시스템이 운반해야 하는 것이다.

펌프를 포함한 폐쇄형 시스템은 시스템에 설치된 모든 구성부분에서 발생되는 마찰 저항만을 고려하면 사용 될 수 있다는 특성이 있다.
Fig. 3.1.4는 펌프가 물을 난방장치에서 콘트롤 밸브를 통해 열교환기로 순환시키는 폐쇄형 시스템을 도시화한 그림이다.

Fig.3.1.5에서 보이는 것처럼 파이프와 피팅을 포함한 모든 부속품들은 시스템의 특성을 결정한다. 폐쇄형 시스템 (시스템 곡선이 도시된)에서 요구 압력은 시작 지점을 (Q,H)=(0,0)으로 시작해서 포물선으로 그려지고 아래와 같은 수식을 만족한다.

H = k · Q²

공식과 그래프 곡선에서 보면, 유량이 떨어질 때 압력손실은 0으로 떨어진다.

개방형 시스템
개방형 시스템들은 유체를 한 지점에서 다른 지점으로 옮기는 시스템으로, 상수도 시스템, 관개 시스템, 산업 처리 시스템 등이 있다.
이 시스템에서 펌프는 유체의 이송에 요구되는 정수두와 배관과 부속품들에서 발생되는 마찰 손실, 이 두 요소들을 모두 만족시켜야 한다.

개방형 시스템은 아래와 같이 두 시스템으로 나뉜다.

● 저수조가 급수조 보다 아래 있는 경우, (+) 수두차
● 급수조가 저수조 보다 위에 있는 경우, (-) 수두차

저수조가 급수조 보다 아래 있는 경우
Fig. 3.1.6을 보면 펌프는 물을 저수탱크에서부터 건물 위에 있는 급수탱크까지 공급해야한다. 무엇보다, 펌프는 최단 거리의 마찰 수두 보다 높은 양정을 공급해야 한다. 둘째로 펌프는 두 탱크 사이 파이프, 치구류, 밸브 등에서 발생되는 전체 마찰 손실(Hf) 이상의 압력을 제공해야 한다.
양정 손실은 유량에 의해 변경한다. Fig. 3.1.7 참조

그림에서 보면 만약 최대 펌프 양정(Hmax)이 수조간의 수두차(h)보다 낮은 경우에 이 개방형 시스템에서 유체의 흐름은 없다. 오직 H > h 인 경우에 한해서 유체는 저수조에서 급수조로 흐르게 된다. 시스템 곡선을 보면 낮은 유량에서는 낮은 마찰 손실(Hf)이 있고 그 결과로 펌프의 전력사용량은 낮아진다.

유량(Q1)과 펌프 크기는 특정 시스템에 대해서 그 필요에 따라 조정해서 선택되어야 한다.
유체를 이송하는 시스템에서 절대 변하지 않는 원칙이 있는데 그것은 유량이 크면 높은 압력 손실이 있고 적은 유량은 적은 압력 손실을 가져온다는 것이다. 결론적으로 낮은 소비 전력을 필요 한다는 것이다.

급수조가 저수조 보다 위에 있는 경우
이 경우의 전형적인 시스템 예로서는 상수도 가압용 시스템을 들 수 있다.
비록 펌프가 운전하지 않아도, 최단 양정(h)은 저수조에서 시작해서 사용자 또는 급수조까지 물을 이동시킨다. 수조간 유체 높이의 차이와 물의 고도(h)는 이와 동등한 가치를 지닌 Qo 를 가지게 된다.
하지만, 여기에서 양정은 요구 유량(Q1)을 소비자에게 보내기 위해서는 부족하다. 그래서, 시스템 내에서 시스템 내의 마찰 저항(Hf)을 보상하기 위해서 펌프는 양정(Hf)을 H1 수준까지 끌어 올려야 한다. Fig. 3.1.8 참조
시스템 특성 곡선과 펌프 성능곡선 Fig. 3.1.9 참조

시스템 특성 곡선은 H축 (0,-h)에서 시작하여 포물선 곡선을 그린다.

시스템 내에서 유량은 탱크내 유체의 수위에 좌우된다. 만약 탱크 내 유체 수위를 줄이면 높이(h)는 감소한다. 이 결과로 수정된 시스템 특성 곡선, 시스템에서 감소된 유량은 Fig. 3.1.9에서 볼 수 있다.