소방설비기사(기계) 필기와 실기에 단골로 출제되는 펌프 수동력, 축동력, 모터동력을 알아보자.
펌프의 작동원리를 간단하게 그려보면 다음과 같다.
1) 먼저 전기를 이용해 모터를 동작시킵니다.
2) 그러면 회전력이 발생하게 됩니다.
3) 그 회전력은 기어박스, 축을 거쳐 회전날개로 전해집니다.
4) 회전날개에 의해 물을 높은 곳으로 보낼 수 있게 됩니다.
여기서 중요한 점은 모터에서 발생한 힘이 모터 > 축 > 회전날개 > 유체(물)로 전달된다는 것이다. 이렇게 힘이 전달되는 과정에서 마찰, 진동으로 인해 손실이 발생하게 된다. 이것이 바로 모터동력, 축동력, 수동력으로 나뉘는 이유이다.
먼저 100L/s의 유량의 물을 50m로 끌어올려야한다고 가정해보자.
1) 수동력
펌프의 동력을 구하는 가장 기본 공식은
P = Q × H
P: 동력(kW)
Q: 유량($m^3/s$)
H: 양정($kPa$)
(굳이 위 단위대로 쓰지 않아도 된다. 필자는 저렇게 단위를 바꿔놓고 계산하는 게 편하다. 그리고 어차피 단위 변환이 필요하다.)
위 가정대로 대입해서 계산해보면
P = $0.1m^3/s$ × $50/10.332atm$ × $101.325kPa/atm$ = 49.034kW
수동력은 펌프가 아무런 마찰 및 손실이 없을 때 필요한 최소한의 동력이다.
압력단위환산 문제 푸는 법
<핵심> 압력단위환산 문제를 쉽게 풀려면 $atm$ 단위로 먼저 바꿔준 후 다른 단위로 바꿔주면 된다. 무슨 말인가 싶겠지만, 천천히 읽어보면 무슨 말인지 알 수 있을 것이다. 그리고 소방설비기사(
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2) 축동력
수동력 구했으면 끝 아닌가? 아니다. 위 그림에서 보았듯 모터에서 발생한 회전력은 축과 기어박스를 거쳐 회전날개에 힘을 전해준다. 기어박스와 축에서 마찰로 인해 동력손실이 발생한다. 그래서 위에서 계산한 49.034kW 만큼의 힘을 낼 수가 없다. 그래서 축동력을 계산할때는 펌프효율을 고려해야 한다.
일반적으로 펌프효율은 70%정도이다. (이것도 많이 잡은 것)
축동력 = 수동력 ÷ 펌프효율
위 계산결과를 이용하면
축동력 = 49.034kW ÷ 0.7 = 70.049kW
즉, 축과 기어박스에서 발생하는 마찰까지 고려하면 펌프는 최소한 70.049kW 만큼의 힘은 낼 수 있어야 한다.
3) 모터동력
이제 거의 다 왔다. 마지막인 모터동력이다.
펌프를 축동력만큼의 힘만 낼 수 있게 설계하면 펌프는 쉽게 고장이 날 수 있다. 설계유량보다 많은 유량을 송출해야하는 상황이 있을 수 있기 때문이다. 그래서 여유율까지 고려한 것이 바로 모터동력이다. 여유율을 고려하지 않으면 펌프가 과열되고 고장으로까지 이어질 수 있다.
보통 여유율은 10%로 계산한다. 여유율이 10%라는 것은 축동력에 1.1(110%)을 곱하면 된다는 뜻이다.
모터동력 = 축동력 × 여유율(1.1) = 70.049kW × 1.1 = 77.054kW
결론적으로 펌프의 모터부분에서 77.054kW 정도의 힘을 낼 수 있어야 축동력이 70.049kW 정도 될 수 있고, 수동력이 49.034kW 정도 나올 수 있게 된다.
이전 포스팅에서 펌프 및 모터에 대한 소용동력을 계산하는 이론에 대해 살펴보았다.
이를 바탕으로 실제로 펌프 및 모터 소용동력에 대해 계산해 보기로 하자.
펌프 소요동력 계산 사례
먼저 기 포스팅한 다음 자료 참조.
//sec-9070.tistory.com/221
펌프의 소요동력 계산
플랜트 설계단계에서 공장 전체의 소요전력 등을 계산한다든가 펌프의 Data Sheet 등이 없을 경우 펌프 모터의 동력을 산출할 필요가 발생한다. 그럴 경우를 대비하여 다음 내용을 공유하고자 한
sec-9070.tistory.com
100㎥/h 의 물(water)을 원심펌프를 이용해서 10m 헤드를 펌핑할 경우 펌프의 소요동력은 얼마일까?
(대략적으로 원심펌르의 효율은 70%로 가정하자.)
1. 수동력 (Hydraulic Power)
Ph (kW)
= Q ρgH / (3.6 x 10^6 )
= (100㎥/h) (1,000 kg/㎥) (9.81 ㎨) (10 m) / (3.6 x 10^6 )
= 2.7 kW
2. 축동력 (Shaft Power)
Ps (kW) = Ph (kW) / ηp
= (2.7 kW) / 0.7
= 3.86 kW
3. 모터 소요동력 (Required power to the Motor)
Pm (kW) = Ps (kW) x (1 + α )
= (3.86 kW) x (1 + 0.25)
= 4.83 kW
* 모터 여유율 α = 0.25 (API 610 10th edition에서 19 kW 이하)