[전체1등 & A+] 인천대 기계공학실험(2) 원심펌프 실험 레포트

문서 내 토픽

1. 원심펌프

원심펌프는 임펠러라는 하나 이상의 구동 로터에서 회전에너지를 전달하여 유체를 이동시키는 데 사용되는 기계 장치입니다. 흡입부로 들어온 유체는 임펠러의 중심으로 유입되는데, 임펠러가 회전하면 원심력에 의해 유체가 임펠러의 바깥쪽으로 밀려나면서 속도가 빨라집니다. 이 때 유체의 속도를 더 빠르게 하고 싶다면, 임펠러의 크기를 키우거나 회전속도를 증가시키면 됩니다. 이와 같은 원심력을 이용한 것은 유년시절에 놀이터에 있던 뺑뺑이를 탑승하면 회전 속도가 빨라질수록 중심부에 다가가기 힘들었던 것을 알 수 있습니다. 하지만 이 펌프는 유체를 흘려보내는 기계이고 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것을 배웠지만, 임펠러는 유체의 속도만 높일 뿐, 압력을 높여주진 않습니다. 또한 외부로의 에너지 손실이 없다고 가정할 때, 우리는 계의 에너지가 보존되는 것을 알고 있습니다. 따라서 우리는 운동에너지를 띈 유체의 속도가 압력에너지로 바뀐 것을 알 수 있습니다. 이처럼, 속도와 압력사이의 관계를 정리한 것이 베르누이의 정리입니다.
2. 이상적인 펌프 & 실제펌프의 성능곡선

이상적인 펌프에서는 입/출구의 유입각과 출구각을 구할 수 있고, 회전속도와 반경에 따른 날개속도, 유체의 상대속도와 벡터합을 통하여 유체의 절대속도를 구할 수 있습니다. 이를 이용해 축토크와 축동력을 계산할 수 있고, 입구쪽의 유체는 예선회가 없기 때문에 펌프로 들어온다. 따라서, 이상수두상승을 계산하면 으로 도출됩니다. 이 식은 유량에 관한 1차식임을 확인할 수 있습니다. 그림과 같이 펌프의 수두-유량 곡선에서 손실효과는 유량이 커짐에 비례하여 손실이 많아짐을 알 수 있습니다. 또한 실제 수두는 이론수두보다 항상 작으며 Q에 대한 비선형적인 결과를 보여줌을 알 수 있습니다.
3. 시스템의 성능곡선

펌프에 입구센서와 출구센서를 설치하고, 베르누이 방정식을 정리하여 시스템의 수두에 관하여 나타내면, 이다. 유량에 관하여 나타내면 이다. K는 파이프의 크기 및 길이, 마찰계수, 부차적 손실계수에 의존합니다. 이 식은 펌프의 실제수두와 파이프, 비커 같은 유체유동시스템 요소 사이에 어떠한 관계가 이루어져 있는지 알려주는 방정식입니다.
4. 작동점과 최고 효율점

시스템의 곡선과 펌프의 성능곡선의 교점이 작동점이며, 효율이 최고점을 찍는 곳이 최고효율점입니다. 작동점의 유량과 수두는 곧 시스템, 펌프식을 만족시킵니다. 작동점이 펌프의 최고효율점에 다다를수록 이상적인 그래프입니다. 또한 펌프가 동일하더라도 엘보우, 직관적 손실 값, 위치가 변화한다면 시스템 식이 달라지며, 작동점도 바뀌게 됩니다. 이것을 최소화하면서 동시에 작동점을 최고효율점에 근사시켜려면 펌프를 직렬 또는 병렬로 배치하여 많은 수두와 유량을 얻어주는 것이 바람직합니다.
5. 실험 결과 및 고찰

실험을 한 펌프를 이용해서, 설정한 시스템에 적용해보려 한 결과, 입구와 출구, 엘보우에서 minor loss가 발생하였고 총 부차적 손실 계수의 합은 ∑kL= 1.8 이었습니다. 수두상승 곡선, 축동력 곡선, 효율 곡선을 그려 performance curve를 도출하였고, system curve도 그려 작동점(OP)과 최고효율점(BEP)을 확인하였습니다. 그 결과 BEP와 OP가 일치하지 않았는데, 이는 압력 측정 오류로 인한 것으로 판단되었습니다. 두 지점을 일치시키기 위해서는 펌프를 직렬로 배치하여 system head를 증가시키는 방법을 고려할 수 있습니다.
6. 이상적인 performance curve와 실제 performance curve 비교

이상적인 performance curve는 수두와 유량이 선형적으로 도시되지만, 실제 performance curve는 비선형적이고 유량의 제곱에 비례하는 그래프를 보입니다. 이는 펌프 내부의 마찰손실, 유동 박리현상, 3차원 유동 미끄러짐 현상, 임펠러 블레이드와 케이싱 사이의 틈새유동으로 인한 추가 손실 등 다양한 요인들이 작용하기 때문입니다. 따라서 입구와 출구에 압력, 속도, 온도 센서를 설치하고 높이차이를 계산하여 펌프의 실제 performance를 계산하고 그래프로 나타내면 비선형적인 결과를 얻게 됩니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 원심펌프

원심펌프는 회전하는 임펠러를 통해 유체에 운동량을 전달하여 압력을 상승시키는 펌프입니다. 이 펌프는 단순한 구조와 높은 효율성으로 인해 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다. 원심펌프의 성능은 임펠러의 형상, 회전 속도, 유체의 특성 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다. 따라서 원심펌프의 설계 및 운전 최적화를 위해서는 이러한 요인들을 종합적으로 고려해야 합니다. 또한 실제 운전 환경에서의 성능 저하 요인들을 파악하고 이를 보완하는 것이 중요합니다.
2. 이상적인 펌프 & 실제펌프의 성능곡선

이상적인 펌프의 성능곡선은 유량-양정 관계를 나타내는 곡선으로, 펌프의 이론적인 최대 성능을 보여줍니다. 반면 실제 펌프의 성능곡선은 이상적인 곡선과 차이가 있는데, 이는 펌프 내부의 마찰 손실, 누설 등 다양한 요인으로 인한 것입니다. 실제 펌프의 성능곡선은 이상적인 곡선보다 낮은 양정과 효율을 나타내게 됩니다. 따라서 펌프 설계 시 이상적인 성능곡선을 기준으로 하되, 실제 운전 환경에서의 성능 저하 요인을 고려하여 최적의 설계 및 운전 조건을 도출해야 합니다.
3. 시스템의 성능곡선

펌프가 설치된 시스템의 성능곡선은 시스템 저항 곡선과 펌프 성능곡선의 교점으로 결정됩니다. 시스템 저항 곡선은 배관, 밸브, 기타 부속품 등 시스템 구성 요소의 특성에 따라 달라지며, 펌프 성능곡선은 펌프의 설계 및 운전 조건에 따라 결정됩니다. 따라서 시스템 성능곡선을 분석하면 펌프와 시스템의 상호작용을 이해할 수 있으며, 이를 통해 최적의 운전 조건을 도출할 수 있습니다. 또한 시스템 변경 시 성능곡선 분석을 통해 펌프 선정 및 운전 조건 조정이 필요한지 판단할 수 있습니다.
4. 작동점과 최고 효율점

펌프의 작동점은 펌프와 시스템의 교점으로 결정되며, 이 지점에서 펌프가 실제로 운전되게 됩니다. 한편 펌프의 최고 효율점은 펌프 성능곡선상에서 효율이 가장 높은 지점을 의미합니다. 이상적으로는 펌프의 작동점과 최고 효율점이 일치하는 것이 가장 바람직하지만, 실제로는 시스템 요구 조건에 따라 작동점이 최고 효율점과 다를 수 있습니다. 따라서 펌프 선정 및 운전 시 작동점과 최고 효율점의 관계를 고려하여 시스템 전체의 에너지 효율을 최대화할 수 있도록 해야 합니다.
5. 실험 결과 및 고찰

실험을 통해 얻은 결과를 분석하고 고찰하는 것은 펌프 및 시스템의 성능 평가와 최적화를 위해 매우 중요합니다. 실험 결과를 통해 펌프의 실제 성능곡선, 최고 효율점, 작동점 등을 확인할 수 있으며, 이를 바탕으로 이상적인 성능과의 차이를 분석할 수 있습니다. 또한 실험 결과 분석을 통해 펌프 및 시스템의 문제점을 파악하고 개선 방안을 도출할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 펌프와 시스템의 성능을 최적화할 수 있으며, 에너지 효율 향상과 운전 비용 절감 등의 효과를 얻을 수 있습니다.
6. 이상적인 performance curve와 실제 performance curve 비교

이상적인 펌프 성능곡선은 펌프의 이론적인 최대 성능을 나타내지만, 실제 펌프의 성능곡선은 이상적인 곡선과 차이가 있습니다. 이는 펌프 내부의 마찰 손실, 누설, 기타 요인으로 인한 것입니다. 따라서 실제 펌프의 성능곡선은 이상적인 곡선보다 낮은 양정과 효율을 나타내게 됩니다. 이러한 차이를 분석하고 이해하는 것은 펌프 설계 및 운전 최적화를 위해 매우 중요합니다. 실제 펌프의 성능곡선을 바탕으로 시스템 성능곡선을 분석하고, 작동점과 최고 효율점의 관계를 파악하여 전체 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있는 방안을 모색해야 합니다.