Pump 동력 및 양정 개요

펌프 동력은 펌프가 유체를 이동시키고 압력을 높이는 데 필요한 에너지로 수동력 (Hydraulic Power), 축 동력 (Shaft Power), 모터동력(Motor Power)으로 구분하고 있다.

펌프 양정 (Pump Head)은 펌프가 유체를 들어 올릴 수 있는 최대 높이 또는 펌프가 유체에 가할 수 있는 압력을 높이로 환산한 값을 의미한다.

 

 

 

Pump 동력 및 양정 개요

Pump 동력 구분

펌프가 액체에 전달하는 수동력(hydraulic power, Ph​ )은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Ph​ =ρ⋅g⋅Q⋅h = γ⋅Q⋅h

여기서,

Ph​ : 수동력 (단위: W, kW)

ρ: 액체의 밀도 (단위: kg/m³)

g: 중력 가속도 (단위: m/s²)

Q: 유량 (단위: m³/s)

h: 양정 (단위: m)

γ : 비중량 (물의비중량 1,000 kgf /㎥)

 

 

1. 수동력(hydraulic power)

수동력(hydraulic power)은 유체의 속도와 압력을 증가시키기 위해 펌핑되는 유체에 전달되는 순수한 동력으로 펌프효율( ηp )  및 전달효율(또는 모터효율, ηm )을 고려치 않은 동력이다.

- 유량을 ㎥/ min 으로하고 동력은 1kW = 102kgf·m/s 이므로 (kW) 로 환산하면 수동력이 된다.

Ph​ (kW) = γ⋅Q⋅h x (1min/60s)/102

              = (1,000 kgf /㎥)·Q·h x (1min/60s)/102

              = 0.163·Q( ㎥/ min )·h

 

- 유량을 ㎥/ s 로하면

Ph​ (kW) = (1,000 kgf /㎥)·Q·h /102

              = 9.8·Q( ㎥/ s )·h

 

 

<수동력 계산 사례>

밀도 1000 kg/m³인 물을 펌프로 10 m 높이까지, 0.1 m³/s의 유량으로 끌어올릴 때의 수동력을 계산하라. (배관 마찰 손실은 무시)

Solution:

ρ=1000kg/m³

g=9.81m/s²

Q=0.1m³/s

H=10m

Ph​ =1000kg/m³⋅9.81m/s²⋅0.1m³/s⋅10m

     =9810 kg·㎡/s³(N·m/s) {( 1 N = 1 kg•m/s²)}

     =9810W {1 W = 1 J/s = 1 N•m/s}

     =9.81kW

따라서 이 펌프가 물에 전달하는 수동력은 9.81 kW이다.

1 kgf = (1 kg) × (9.8 m/s2) = 9.8 kg•m/s2 = 9.8 N

   

 

 

2. 축동력(shaft power)

축동력(shaft power)은 모터에서 펌프 샤프트로 에너지를 전달하는 데 필요한 동력(power)으로, 수동력에 펌프의 효율( ηp )을 보정한 동력이다.

Ps (kW) =  Ph (kW) / ηp

 

펌프의 효율( ηp )에 대한 Data느 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/221

펌프의 소요동력 계산

 

 

 

3. 소요동력(모터동력)

모터동력(motor power)은 펌프모터에 의해 펌프 샤프트를 회전하는데 소요되는 동력으로 전기 에너지(electric energy)를 운동 에너지(kinetic energy)로 변환하는데 동력 손실이 발생하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

Pm (kW) =  Ps (kW) / ηm

여기서,

Pm (kW)  = 모터 소요동력 (kW)

Ps (kW)  = 샤프트 동력 (kW)

ηm   = 모터 효율

 

또는 모터 효율(ηm) 대신 다음과 같이 여유율(α)을 감안할 수도 있다.

 

Pm (kW) =  Ps (kW) x (1 + α )

여기서,

Pm (kW)  = 모터 소요동력 (kW)

Ps (kW)  = 샤프트 동력 (kW)

α   = 모터 여유율(API 610 10th edition에서 19 kW 이하: 0.25, 22 kw ~ 55 kW : 0.15, 55 kW 초과 : 0.1 적용)

 

 

Pump 양정 

1. NPSH(Net Positive Suction Head, 흡입양정)

• 유효흡입양정(NPSHav)

NPSHav = Ha - Hf - Hv ± Hh
여기서, NPSHav : 유효흡입수두 (m)
Ha : 대기압환산수두 (m)
Hf : 마찰손실환산수두 (m)
Hv : 포화증기압환산수두 (m)
Hh : 낙차환산수두 (m)

 

• 필요흡입수두(NPSHre)
펌프 제조시 펌프에 부여하여 진공을 만드는 능력을 말하는데 진공을 만드는 능력 또한 손실로 작용한다.

- 이것은 흡입 배관내의 압력이 낮아지지 않아야 캐비테이션이 발생하지 않으므로 필요흡입수두 만큼 눌러주는 압력이 필요하다는 것을 의미하므로 손실로 작용한다. 
- 유효흡입양정(NPSHav) > 필요흡입수두(NPSHre) 이 되어야 흡입측 배관이 낮아지지 않으므로 Cavitation이 발생하지 않는다. 따라서 일반적으로 30%의 여유를 준다.

 

NPSHav ≥ NPSHre x 1.3

 

2. 전양정 (Total Head 또는 Dynamic Head)

펌프가 실제로 극복해야 하는 전체 높이로, 실양정, 마찰 손실 수두, 속도 수두 등을 모두 합한 값이다.

Htotal​=Hstatic​+Hfriction​+Hvelocity​+Hpressure​ (여기서 Hpressure​는 토출구에서의 압력 수두)

이 외에 화재안전기준상 법정 토출압을 고려하여야 한다.

<그림 1> Pump 양정(출처: edu-Fire 기술학원, 화재안전기준 입문 기초 유체역학)

 

 

• 실양정 (Static Head) = 흡입실양정 + 토출실양정
- 흡입실양정 : 수원의 수면에서 펌프 중심까지의 흡입측 수직거리
- 토출실양정 : 펌프의 중심에서 토출 측 말단 방수구 (옥내소화전,  스프링클러  헤드  등)까지의  수직거리 즉, 높이를 말한다.

 

• 마찰손실수두 (Friction Head) = 마찰손실(흡입 + 토출)
- 주손실 : 배관의 길이에 대한 마찰손실
- 부차적 손실 : 배관부속, 각종밸브 등에 의한 손실

 

• 법정토출압 : 화재안전기준상 법정 토출압을 별도 규정

- 옥내소화전 :  0.17MPa, 스프링클러 : 0.1MPa 등

 

•  속도수두 (Velocity Head ) : 흡입 및 토출 측의 속도에 의한 손실(양정계산시 미미하여 보통 고려하지는 않는다.)