디와이산업개발 숏츠 「화공과가 알아야 할 것 ② 펌프」 12편을 한 영상으로 모았습니다. 원심형과 용적형이라는 두 갈래 원리에서 시작해 임펠러와 볼류트, 성능 곡선과 체절 운전, 용적형 펌프 옆의 릴리프 밸브, 슬러지를 미는 공기구동 다이어프램 펌프, 프라이밍과 NPSH, 캐비테이션과 그 진단, 병렬·직렬 운전과 운전점, 그리고 축 밀봉(패킹·메커니컬 실)까지 차례로 짚어 봅니다. 편마다 하나의 질문으로 시작해 한 가지 결론으로 끝납니다. 영상은 이해를 돕는 3D 개념도이고, 형식·설계·공정 조건에 따라 달라지는 일반 원리를 정리했습니다.
이 글에서 다루는 내용은 세 묶음입니다.
궁금한 편만 골라 읽으셔도 되고, 편 제목 옆 시간 링크를 누르면 그 편부터 바로 보실 수 있습니다.
생김새는 제각각이어도 펌프 원리는 크게 두 가지입니다. 하나는 날개(임펠러)를 빠르게 돌려 액체에 속도를 붙이는 원심형, 다른 하나는 일정한 공간에 액체를 가뒀다가 밀어내기를 되풀이하는 용적형입니다. 기어·나사·피스톤·다이어프램 펌프가 모두 용적형입니다. 원심형은 묽은 액체를 많이, 용적형은 고점도 액체를 정량으로 보낼 때 흔히 씁니다. 막혔을 때의 반응도 대개 반대여서, 처음 보는 펌프는 속도를 붙여 미는지 가둬서 밀어내는지부터 보면 성격이 짐작됩니다.
원심펌프 날개가 물에 주는 것은 압력이면서 큰 속도이기도 합니다. 날개를 떠난 빠른 물은 달팽이 모양 통로인 볼류트에 모여 출구로 가고, 출구 쪽에서 느려지면서 운동에너지 일부가 압력으로 바뀝니다. 날개가 압력과 속도를 올리고 볼류트가 속도 일부를 압력으로 회수하는 구조입니다. 그래서 성능표에는 압력 대신 양정(높이)이 적혀 있고, 점도가 물과 비슷한 액체라면 같은 펌프는 물이든 기름이든 거의 같은 높이까지 올립니다(점도가 높은 기름은 성능이 떨어져 보정이 필요합니다). 비중이 큰 액체는 같은 양정이라도 압력과 동력이 더 듭니다.
토출 밸브를 조금 잠그면 원심펌프는 보통 덜 보냅니다. 유량이 줄수록 양정이 오르는 관계를 그린 것이 성능 곡선이고, 끝까지 잠가도 압력은 성능표의 체절 양정 근처까지만 오릅니다. 토출 밸브를 완전히 닫아 유량이 0이 된 상태를 체절 운전이라고 하며, 밸브를 일부 조여 유량을 맞추는 운전과는 다릅니다. 유량은 흔히 토출 밸브로 맞추고 흡입 쪽은 조이지 않습니다. 체절이나 지나친 저유량으로 돌리면 동력이 열로 바뀌어 안의 액체 온도가 빠르게 오르고 펌프가 상할 수 있어서, 제조사가 정한 최소 유량과 운전 범위를 지킵니다. 원심펌프는 저항이 커지면 덜 보내는 쪽으로 반응하기 때문에, 배관에 스케일이 쌓여도 덜 보내는 정도로만 티가 나기 쉽습니다. 압력계 하나로는 부족하고, 실제 유량은 유량계로 확인합니다.
용적형 펌프는 한 바퀴나 한 왕복마다 정해진 양을 밀어내서, 저항이 커져도 양이 거의 그대로입니다. 대신 토출 쪽이 막히면 갈 곳 없는 액체의 압력이 치솟고, 배관이나 펌프 중 약한 곳이 버티지 못할 때까지 오를 수 있습니다. 그래서 용적형 펌프에는 설정 압력을 넘으면 액체를 되돌려 보내는 릴리프 밸브를 흔히 붙입니다. 운전 지침대로 용적형은 켜기 전에 토출 밸브가 열려 있는지부터 봅니다.
※ 근거: 유체기계 기초(1~4편), 펌프 표준(ANSI/HI) 분류(1편), 미국 에너지부 펌프 시스템 자료(3편). 분류는 단순화한 것이며 실제 펌프는 더 세분됩니다.
공기구동 다이어프램 펌프는 날개 없이 막과 공기로 액체를 밉니다. 양쪽 방에 막이 하나씩 있고, 공기가 한쪽 막을 밀면 액체가 나가고 반대쪽 막은 당겨져 액체를 빨아들입니다. 두 막은 연결봉으로 이어져 공기 방향이 바뀔 때마다 번갈아 움직이고, 볼 체크밸브가 흐름을 한쪽으로 보냅니다. 맞는 크기의 알갱이는 액체와 함께 지나가서 슬러지에 강합니다. 공운전에도 잘 상하지 않고 자가흡입도 됩니다. 용적형이지만, 흔한 1:1 형식은 토출 쪽이 막히면 토출 압력이 공급 공기압과 비슷해진 지점에서 그대로 멈춥니다(증압형은 다르므로 모델별 최대 압력을 확인합니다). 출렁이며 나오는 흐름은 맥동 완충기로 줄이기도 합니다.
열린 수조에서 펌프가 관 속 압력을 낮추면 대기압이 물을 밀어 올립니다. 관이 공기로 차 있으면 보통 원심펌프는 헛돌기만 해서, 처음에 물을 채워 공기를 빼 주는 일을 프라이밍이라고 합니다. 자가흡입 원심펌프는 몸통에 머금은 물을 돌려 공기를 조금씩 내보내고, 공기가 다 빠지면 보통 펌프처럼 돕니다. 스스로 빤다는 펌프도 맨 처음 한 번은 몸통에 물을 채워야 합니다. 토출 쪽에 공기가 빠질 길이 없으면 갇힌 공기 때문에 물이 올라오지 않습니다.
펌프가 빨아들이는 힘의 한계를 재는 숫자가 NPSH(유효흡입수두)입니다. 설비가 주는 여유는 수면의 절대압을 높이(수두)로 바꾼 값에 수면과 펌프의 높이 차를 더하거나 빼고, 흡입관 마찰손실과 증기압 수두를 뺀 값이고, 펌프가 필요한 여유는 펌프마다 성능표에 적혀 있습니다. 설비가 주는 여유가 더 작으면 펌프 안에서 물이 끓어 성능이 떨어집니다. 뜨거우면 여유가 줄어서 80℃ 물의 증기압은 20℃의 약 20배입니다. 성능표 값은 흔히 양정이 이미 3% 떨어진 지점이라, 딱 맞추면 문제가 이미 시작된 뒤일 수 있습니다. 펌프 표준은 여유를 더 두라고 하며, 펌프를 낮추고 흡입관을 짧고 굵게 하는 방법이 있습니다.
물은 압력이 증기압보다 낮아지면 끓고, 끓는점은 압력이 정합니다. 임펠러 입구 부근은 압력이 낮아서 증기압 아래로 떨어지면 기포가 생깁니다. 이것이 캐비테이션이고, 진공 탱크 속 물이 끓는 것과 같은 원리입니다. 기포는 날개를 따라 압력이 높은 쪽으로 밀려가다가 순식간에 붕괴하며 미세 물줄기로 표면을 때립니다. 침식이 주로 생기는 곳은 기포가 생긴 자리보다 표면 가까이서 꺼지는 자리입니다. 교재는 흡입 쪽 밸브로 유량을 조이지 말라고 하는데, 흡입 압력이 더 떨어지기 때문입니다.
※ 근거: 유체기계 기초(5·6·8편), 펌프 표준 ANSI/HI 9.6.1·펌프 성능시험 규격 ISO 9906(7편), 물 증기압 표 NIST(7·8편). 설정·시험 조건의 수치는 편에서 다룬 범위만 옮겼습니다.
펌프에서 자갈 구르는 소리가 나면 안에 돌이 든 것으로 생각하기 쉽지만, 기포가 꺼질 때도 비슷한 소리가 납니다. 소리와 함께 진동이 커지고 압력과 유량이 흔들리기도 합니다. 원인은 흔히 흡입 쪽의 스트레이너 막힘, 길고 가는 흡입관, 뜨거운 액체이고, 모두 설비가 주는 여유를 깎는 일입니다. 흡입관 이음부로 공기가 새어 들어가도 비슷한 소리가 날 수 있고, 흡입이 멀쩡해도 유량이 너무 적으면 흡입 재순환으로 비슷한 소리가 날 수 있습니다. 소리가 날 때는 스트레이너, 이음부, 유량 순서로 짚어 봅니다.
펌프 두 대를 나란히 붙이면 유량이 두 배가 될 것 같지만 대개 그렇게 되지 않습니다. 병렬은 같은 양정에서 유량을 더하는데, 유량이 늘면 배관 마찰손실이 더 가파르게 커집니다. 실제 유량은 합성 곡선과 배관 곡선이 만나는 점에서 정해져서, 배관 마찰이 클수록 두 대를 붙여도 두 배보다 적게 늡니다. 앞뒤로 이은 직렬은 양정을 더하지만 실제로는 두 배보다 덜 오르기 쉽고, 블로워와 같은 틀입니다. 병렬 운전에는 정지한 펌프로 역류하지 않도록 펌프마다 체크밸브를 둡니다.
같은 펌프인데 물이 덜 나오는 날이 있습니다. 펌프 곡선은 양정이 높을수록 보낼 수 있는 유량이 준다는 관계이고, 배관 곡선은 올릴 높이(실양정)에 유량 따라 커지는 마찰손실을 더한 것입니다. 펌프가 실제로 도는 운전점은 두 곡선이 만나는 점입니다. 호스가 길어지거나 가늘어지면 배관 곡선이 가팔라져 유량이 줄고, 실양정이 커져도 펌프는 그대로인 채 운전점이 옮겨 갑니다. 최고 효율점에서 멀어지면 전기요금뿐 아니라 진동이 커지고 수명이 줄 수 있습니다. 호스 길이와 실양정을 알면 배관 곡선으로 나올 양을 가늠할 수 있습니다.
도는 축과 멈춘 몸통 사이에는 틈이 생기고, 막는 방법은 크게 둘입니다. 패킹은 꼰 링을 축 둘레에 여러 겹 넣고 그랜드로 조여 막는데, 일부러 조금 새게 둡니다. 새는 물이 식혀 주기 때문에 꽉 조이면 과열됩니다. 메커니컬 실은 회전 링과 고정 링의 평평한 두 면을 맞대고, 두 면 사이의 아주 얇은 액체 막이 면을 식히고 미끄럽게 합니다. 그래서 액체 없이 건운전을 하면 면끼리 비벼 상할 수 있습니다. 알갱이 섞인 슬러지는 실을 빨리 닳게 해서 깨끗한 물로 플러싱하기도 합니다.
※ 근거: 유체기계 기초(9·12편), 미국 에너지부 펌프 시스템 자료(10·11편), 펌프 표준(ANSI/HI)(9·11편). 병렬·직렬의 증가량은 배관 곡선에 따라 달라지는 일반 원리입니다.
지금까지 「화공과가 알아야 할 것 ② 펌프」 12편을 함께 봤습니다. 영상은 이해를 돕는 3D 개념도로 표현한 일반 원리이며, 형식·설계·공정 조건에 따라 다릅니다. 설비별 사양과 절차를 함께 확인하세요. 끝까지 봐주셔서 감사합니다.
디와이산업개발(주)은 산업청소·탱크청소·열교환기 정비·함수율 높은 무기성 오니 처리와 관로 준설·CCTV 조사를 하고 있습니다.
