특히 원심 펌프와 양변위 펌프 사이에서 올바른 펌프를 선택하는 것은 어려울 수 있습니다. 이 두 가지 유형의 펌프는 서로 다른 기능을 수행하며 고유한 작동 특성을 가지고 있습니다. 이 문서에서는 펌핑되는 액체의 특성과 시스템의 특정 요구 사항을 포함하여 고려해야 할 필수 요소를 안내합니다. 끝으로 주요 차이점을 이해하고 산업 응용 분야에서 효율성과 비용 효율성을 모두 최적화하는 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있는 역량을 갖추게 될 것입니다.
펌프는 모터 다음으로 가장 많이 사용되는 산업용 장비입니다. 현재 전 세계적으로 수백만 대의 펌프가 수천 가지 종류의 액체를 이송하며 작동하고 있습니다.
사용 가능한 수많은 옵션 중에서 적합한 펌프를 선택하는 것은 복잡한 작업입니다. 펌프 선택에는 특정 펌프의 기능을 시스템 요구 사항과 펌핑되는 유체의 특성에 맞추는 작업이 대부분 포함됩니다.
이 글에서는 사용자 요구 사항의 관점에서 펌핑되는 액체의 특성부터 살펴본 다음 펌프 선택의 세부 사항을 자세히 알아보겠습니다.
모든 애플리케이션에서 첫 번째 단계는 사용자가 펌프에 대해 가지고 있는 기본 요구 사항을 이해하는 것입니다. 예를 들어 유입구 조건, 필요한 유량, 차압, 온도, 점도, 마모성, 전단 민감도, 부식성 등의 유체 특성 등이 있습니다. 이러한 조건은 펌프를 선택하기 전에 모두 결정되어야 합니다.
펌프가 제대로 작동하려면 올바른 흡입 조건에서 작동해야 합니다. 실제로 펌프가 직면하는 가장 큰 문제는 잘못된 흡입 조건에서 찾을 수 있습니다. 액체를 밀어내는 펌프의 능력이 액체를 끌어들이는 능력을 훨씬 초과하기 때문에 흡입구 조건은 펌프의 용량 내에서 유지되어야 합니다.
차압은 특히 에너지 절약과 펌프 수명을 고려할 때 중요한 요소입니다. 더 작은 파이프 직경과 더 긴 파이프 길이를 사용하면 초기 시스템 비용을 줄일 수 있지만 펌프의 압력 차가 더 커질 수도 있습니다.
이렇게 높은 압력 차는 에너지 소비로 이어지고 펌프의 수명을 단축시켜 운영 비용 증가와 효율성 저하를 초래할 수 있습니다.
일반적으로 필요한 유체 특성은 알려져 있으며, 핵심은 주어진 펌프가 이러한 특성에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것입니다. 대부분의 사용자는 펌프에서 배출되는 액체가 펌프에 유입될 때와 동일한 상태이기를 선호합니다. 적절한 펌프 선택을 위해서는 재료의 호환성, 점도, 전단 민감도, 특정 물질 또는 고체의 존재 여부가 가장 중요합니다.
기본 요구 사항이 충족되고 액체의 특성을 알면 펌프 선택을 시작할 수 있습니다. 펌프는 일반적으로 원심 펌프의 가장 큰 유형인 키네틱 펌프와 양변위(PD) 펌프의 두 가지 기본 범주로 나뉩니다.
미국 상무부의 데이터에 따르면, 전체 펌프 판매량 중 약 70%가 원심 펌프이고 나머지 30%는 용적식 펌프입니다. 펌프 선택의 첫 번째 단계는 원심 펌프와 양변위 펌프 중 어떤 것이 고객의 요구에 더 적합한지 결정하는 것입니다.
대부분의 산업용 펌프는 원심 펌프이기 때문에 많은 사람들이 원심 펌프를 먼저 고려합니다. 원심 펌프의 비용은 일반적으로 양변위 펌프보다 저렴하며 많은 상황에서 사용하기에 적합한 펌프 유형이기도 합니다.
각 유형의 펌프는 고유한 방식으로 유체를 교반하며, 각각 고유한 작동 특성과 곡선을 가지고 있습니다. 중요한 점은 원심 펌프는 액체의 유량에 영향을 미쳐 배출구에 일정한 압력을 발생시킨다는 점입니다.
이와 달리 양변위 펌프는 먼저 특정 양의 액체를 흡입한 후 흡입구에서 토출구로 전달하여 액체를 교반합니다.
원심 펌프의 경우 압력이 먼저 형성된 다음 흐름이 생성됩니다. 양변위 펌프의 경우 흐름이 먼저 형성된 다음 압력이 나타납니다.
다양한 펌프 중에서 가장 적합한 유형을 선택하려면 이 두 가지 유형의 펌프의 작동 특성의 차이를 이해하는 것이 중요합니다. 성능 차트(그림 1a)를 보면 작동 원리가 얼마나 다른지 알 수 있습니다.
원심 펌프는 압력(또는 수두)에 따라 가변적인 흐름 현상을 보이는 반면, 양변위 펌프는 압력에 관계없이 어느 정도 일정한 흐름 현상을 보입니다.
점도는 펌프의 기계적 효율에 중요한 역할을 합니다. 원심 펌프는 모터 속도에서 작동하므로 펌프 내부의 마찰 손실이 커져 점도가 증가하면 효율이 떨어집니다. 원심 펌프의 효율 감소 속도는 점도가 증가함에 따라 빠르게 감소합니다(그림 1b).
또 다른 주요 차이점은 점도가 펌프 용량에 미치는 영향입니다. 유량 차트(그림 1c)에서 원심 펌프의 경우 점도가 증가하면 유량이 감소하는 반면, 양변위 펌프는 유량이 증가하는 것을 알 수 있습니다.
이는 점도가 높은 액체가 양변위 펌프 내의 공극을 채워 체적 효율이 높아지기 때문입니다. 그림 1c는 점도가 펌프 유량에 미치는 영향만을 나타냅니다.
시스템 내 파이프라인 손실도 증가한다는 점에 유의하세요. 즉, 펌프 차압이 증가함에 따라 원심 펌프 내의 유량이 더욱 감소합니다.
차압이 펌프 기계적 효율에 미치는 영향을 고려할 때, 운동 펌프와 양변위 펌프는 서로 다른 특성을 나타냅니다. 그림 1d는 압력 증가에 따라 펌프 효율이 어떻게 영향을 받는지 보여줍니다.
양변위 펌프의 경우 압력이 증가함에 따라 효율이 실제로 향상되는 반면 원심 펌프에는 최고 효율 지점(BEP)이 있습니다. 이 지점의 어느 쪽이든 전체 펌프 효율성 가 크게 감소합니다.
이 두 가지 유형의 펌프는 유입구 조건에 대한 요구 사항이 크게 다릅니다. 원심 펌프는 차압을 생성하기 위해 펌프에 일정량의 액체가 필요합니다. 액체가 없는 건식 펌프는 자체적으로 시동할 수 없습니다.
원심 펌프는 일단 작동을 시작하면 제조업체에서 권장하는 특정 유입구 압력 요구 사항을 충족해야 합니다.
용적식 펌프는 부피를 팽창 및 수축시켜 액체를 저어주기 때문에 입구에서 음압이 발생하여 펌프가 자체적으로 프라이밍을 할 수 있습니다.
경우에 따라 양변위 펌프와 원심 펌프 중 하나를 선택하는 유일한 결정 요인인 경우도 있습니다.
요약하면, 점도가 150cP를 초과하고 넓은 범위의 유량을 예측해야 하거나 자가 프라이밍이 필요한 경우 양변위 펌프를 고려할 수 있습니다. 원심 펌프와 양변위 펌프는 에너지 사용량에 상당한 차이가 있을 수 있으므로 원심 펌프와 양변위 펌프 중 하나를 선택할 때는 에너지 소비량도 고려해야 합니다.
이는 원심 펌프의 경우 효율 감소가 더 두드러지는 분당 100갤런 미만의 유속에서 특히 중요합니다.
체적 펌프를 사용하기로 결정한 후에도 고려해야 할 옵션이 많이 있습니다. 각 펌핑 작업의 세부 사항을 자세히 설명하기 전에 먼저 체적 펌프의 몇 가지 일반적인 작동 특성을 살펴 보겠습니다.
위에서 언급했듯이 회전식 체적 펌프는 샤프트가 회전할 때마다 동일한 부피의 유체를 토출합니다. 즉, 배출되는 유체의 유량은 회전 속도에 비례합니다.
즉, 펌프의 속도를 변경하여 유량을 간단히 제어할 수 있습니다. 점성이 높은 유체의 경우 샤프트 회전 수를 측정하는 것만으로 펌프의 유량을 측정할 수 있습니다.
체적 펌프의 구조상 내부 구성품이 단단히 맞아야 하고 일정한 작동 간격이 필요합니다. 이 여유 공간으로 인해 일부 유체가 토출 끝에서 흡입 끝으로 역류합니다.
이 현상을 "미끄러짐"이라고 합니다. 미끄러지는 유체의 양은 유체의 점도, 압력 차이, 펌프의 내부 간격에 따라 달라집니다. 점도가 낮을수록 일반적으로 더 많이 미끄러지는 반면, 점도가 높은 유체는 덜 미끄러집니다.
체적 펌프는 항상 같은 양의 유체를 배출하려고 하기 때문에 시스템에 필요한 과압 보호 장치를 갖추는 것이 중요합니다. 펌프 배출에 막힘이 발생하면 일반적으로 압력이 상승하게 되는데, 이는 부하가 모터의 한계를 초과하거나 시스템의 일부 구성 요소가 파손되어 압력을 방출하거나 펌프가 고장난 경우에만 멈춥니다. 이 모든 상황은 안전하지 않습니다. 체적 펌프에는 압력을 완화할 수 있는 방법이 필요합니다.
압력 완화를 위해 선택할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 압력 릴리프 밸브를 사용하는 것이 가장 일반적인 방법이지만 배출 라인의 파열 디스크를 사용할 수도 있습니다.
구동 토크는 체적 펌프 내부의 차압과 직접적인 관련이 있으므로 토크 제한 커플링도 사용할 수 있습니다. 핵심은 매우 높은 압력이 체적 펌프 내부에 축적될 수 있으며, 토출 막힘 또는 부분 막힘이 발생할 경우 이를 제한해야 한다는 점을 기억하는 것입니다.
체적 펌프는 여러 유형으로 나눌 수 있습니다. 펌프 제조업체들이 결성한 단체인 미국 유압학회는 펌프 유형과 표준에 관한 다양한 간행물을 발행했습니다. 여기에서는 회전식 체적 펌프를 임펠러, 피스톤, 캠, 기어, 링 피스톤, 스크류로 분류합니다.
또한 각 펌프 유형에 대한 하위 카테고리가 있어 체적 펌프의 종류도 다양합니다. 이 모든 펌프는 유체를 이송하는 기능은 동일하므로 올바른 펌프는 어떻게 선택해야 할까요?
대부분의 체적 펌프는 다양한 용도에 맞게 수정할 수 있지만, 일부 유형은 주어진 환경에 더 적합한 펌프가 있습니다. 다행히도 기본적인 유체 이송의 경우 몇 가지 펌프가 더 우수한 것으로 입증되었습니다. 다음 섹션에서는 내부 기어 펌프, 외부 기어 펌프 및 임펠러 펌프의 성능 특성에 대해 설명합니다.
내부 기어 펌프는 아이들러라고도 하는 내부 기어를 구동하는 역할을 하는 로터라는 외부 기어 구성 요소로 이루어져 있습니다(그림 2). 아이들러는 로터보다 약간 작으며 로터 내에서 작동하는 동안 고정 핀을 중심으로 회전합니다.
이러한 구성 요소가 분리되면 일정한 틈새 공간이 형성되어 액체가 펌프로 흘러 들어갈 수 있습니다. 이러한 구성 요소가 맞물리면서 공간의 부피가 점차 감소하여 액체가 토출구 밖으로 흘러나오게 됩니다.
액체는 로터의 기어와 펌프 헤드 아래의 홈을 통해 팽창하는 캐비티로 흐를 수 있습니다. 이러한 유형의 펌프 설계의 마지막 핵심 요소는 펌프 헤드와 통합된 초승달 모양의 배리어입니다.
초승달 모양의 배리어는 아이들러와 기어 사이의 액체를 밀봉하여 흡기 포트와 배출 포트 사이의 밀봉 역할을 합니다.
로터 기어는 기어 샤프트에 고정되어 있으며 샤프트 칼라 또는 마찰 방지 베어링에 의해 지지됩니다(그림 3). 아이들러 기어 어셈블리에는 펌핑된 액체 내에 위치하며 고정 핀을 중심으로 회전하는 칼라 베어링도 포함되어 있습니다.
샤프트 씰의 배열에 따라 로터 샤프트 지지 베어링은 펌핑된 액체 내에서 작동할 수 있습니다. 부식성 액체를 이송할 때는 지지 베어링을 부식시킬 수 있으므로 이 측면을 강조해야 합니다.
이러한 펌프의 실제 압력 한계는 로터 샤프트 지지 베어링의 작동에 따라 달라집니다. 대부분의 내부 기어 펌프의 차압 등급은 200psi이지만, 올바른 사용 조건에서는 더 높은 압력에도 사용할 수 있습니다.
내부 기어 펌프의 속도는 원심 펌프에 비해 상대적으로 느립니다. 일반적으로 최대 속도는 1150rpm이지만 일부 소형 설계 방식은 3450rpm까지 도달할 수 있습니다. 내부 기어 펌프는 저속으로 작동할 수 있기 때문에 점도가 높은 유체를 이송하는 데 적합하지만, 얇은 액체에도 성공적으로 적용할 수 있습니다. 내부 기어 펌프는 점도가 1,000,000cSt가 넘는 액체와 액체 프로판 및 암모니아와 같은 매우 낮은 점도의 액체를 성공적으로 펌핑했습니다.
이 유형의 펌프의 유량 범위는 0.5갤런/분에서 1500갤런/분까지입니다. 주철과 하스텔로이를 비롯한 다양한 내식성 합금을 재료로 사용합니다.
내부 기어 펌프는 제조 과정에서 엄격한 공차 설계를 채택하기 때문에 큰 고체를 펌핑할 때 손상될 수 있습니다. 이러한 유형의 펌프는 부식성 애플리케이션에서 작은 부유 입자를 이송할 수 있지만 마모되어 점차 성능이 저하됩니다.
부식성 애플리케이션에서는 부식 방지 소재를 선택하면 펌프의 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 이 경우 텅스텐 카바이드, 경화강 또는 다양한 코팅이 모두 우수한 결과를 제공할 수 있습니다.
내부 기어 펌프는 적용 범위가 매우 넓으며 전단에 민감한 액체에도 효과적으로 사용할 수 있습니다. 적용 분야에는 폐수, 폴리머, 전단에 민감한 페인트, 아스팔트 에멀젼, 마요네즈와 같은 특정 식품이 포함됩니다.
이 유형의 펌프를 사용할 때는 한 번에 아주 적은 양의 액체만 전단력을 받습니다. 또한 필요한 경우 전단력의 영향을 최소화하기 위해 간극과 속도를 조정할 수 있습니다.
외부 기어 펌프는 펌핑 동작에서 내부 기어 펌프와 유사하게 작동하며, 두 개의 기어를 맞물렸다가 풀어서 유체 흐름을 구동합니다(그림 4).
그러나 외부 기어 펌프는 완전히 동일한 두 개의 기어를 사용하여 서로 맞물려 회전합니다. 각 기어는 기어 샤프트에 의해 지지되며 각 기어의 양쪽에는 베어링이 있습니다. 일반적으로 4개의 베어링은 모두 펌핑된 액체 내에서 작동합니다.
기어가 양쪽에서 지지되기 때문에 외부 기어 펌프는 유압 장치 내부와 같은 고압 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.
유압 공급용으로 설계된 펌프는 평방인치당 수천 파운드의 압력을 견딜 수 있습니다. 산업용 컨베이어 펌프는 더 높은 압력을 견딜 수 있지만 액체의 특성으로 인해 압력 범위가 제한될 수 있습니다.
묽은 액체는 수백 psi에 달할 수 있고, 점성이 높은 액체는 유압 펌프의 압력에 근접할 수 있습니다. 일반적으로 소형 외부 기어 펌프는 1750~3450rpm 범위 내에서 작동해야 하며, 대형 외부 기어 펌프는 최대 640rpm의 속도로 작동합니다.
외부 기어 펌프의 유량 범위는 분당 몇 방울의 매우 낮은 유량부터 분당 1,500갤런의 매우 높은 유량까지 다양합니다. 외부 기어 펌프는 고급 합금을 포함한 다양한 원자재로 제조할 수 있습니다.
외부 기어 펌프 설계는 내부 기어 펌프보다 더 엄격한 허용 오차를 사용할 수 있습니다. 그러나 외부 기어 펌프는 펌핑되는 액체의 입자상 물질을 잘 견디지 못합니다. 기어의 양쪽 끝에 간격이 있기 때문에 마모에 대비해 끝 간격을 조정할 수 없습니다. 외부 기어 펌프가 마모된 후에는 재조립하거나 교체해야 합니다.
특히 점도가 높은 액체의 경우 속도를 올바르게 설정하는 한 외부 기어 펌프는 점성 액체와 수성 액체를 모두 처리할 수 있습니다. 점성 액체는 기어 톱니 사이의 공간을 채우는 데 시간이 필요하므로 점성 액체를 펌핑할 때는 펌프의 속도를 크게 줄여야 합니다. 이 펌프의 점도 제한은 실제로 1,000,000cSt에서 내부 기어 펌프의 점도 제한과 동일합니다.
임계 흡입 조건에서 외부 기어 펌프의 성능은 특히 휘발성 액체의 경우 이상적이지 않습니다. 휘발성 액체는 톱니 사이의 공간이 빠르게 팽창할 때 부분적으로 증발하는 경우가 많습니다.
베인 펌프의 작동 원리는 이론적으로는 부피가 팽창하고 수축하는 다른 체적 펌프와 유사하지만, 이 이론을 실현하기 위해 다른 메커니즘을 사용합니다(그림 6). 흥미롭게도 임펠러 펌프는 본질적으로 두 개의 펌프가 하나로 합쳐진 것입니다.
첫 번째 펌핑 동작은 임펠러, 로터, 펌프 케이스 사이의 부피 팽창에 의해 발생하며, 임펠러 아래 영역에서는 눈에 띄지 않는 펌핑 동작이 발생합니다.
이 영역에서 임펠러가 로터 슬롯에 들어가거나 빠져나오면 펌핑 동작이 형성되며, 실제로 전체 펌프 변위의 약 15%를 차지합니다.
일반적으로 이 영역은 임펠러 또는 로터 내부의 슬롯을 통해 환기됩니다. 특히 점성이 높은 액체를 다룰 때는 임펠러 사이의 영역으로 점성 액체가 들어오고 나가는 것이 더 어려울 수 있으므로 이 점을 이해하는 것이 중요합니다.
따라서 이 유형의 펌프에 권장되는 최대 중간 점도는 약 25,000cSt입니다.
흡입구와 토출구 사이의 주요 씰링 부품인 임펠러는 일반적으로 비금속 복합 재료로 만들어집니다. 금속과 금속의 접촉이 없기 때문에 임펠러 펌프는 프로판이나 암모니아와 같이 윤활 효과가 없는 저점도 액체에 자주 사용됩니다. 임펠러가 펌프 케이싱에 직접 접촉하고 내부 간극이 최소화되므로 묽은 액체의 슬립 특성을 최적화할 수 있습니다.
대부분의 컨베이어 임펠러 펌프는 압력을 125psi로 제한하지만 일부 펌프는 200psi로 정격화되어 있습니다. 임펠러 펌프의 압력 제한은 임펠러의 강도에 따라 크게 달라집니다.
비금속 임펠러와 매우 작은 작동 간격 덕분에 임펠러 펌프는 프라이밍 작업을 매우 잘 시작할 수 있습니다. 펌프가 프라이밍 작동을 시작하면 공기를 배출해야 하는데, 이때 배출되는 것은 매우 얇은 유체입니다. 임펠러 펌프는 이 작업을 잘 수행할 수 있기 때문에 진공 펌프로 사용되기도 합니다.
임펠러 펌프는 일반적으로 샤프트 슬리브 또는 마찰 방지 베어링으로 로터 양쪽을 지지합니다. 샤프트 슬리브 베어링을 사용하는 경우 액체에서 작동합니다. 마찰 방지 베어링을 사용하는 경우 베어링이 윤활유 또는 그리스에서 작동할 수 있도록 펌프의 내부 씰을 사용해야 합니다. 이 설계에는 로터의 각 측면에 하나씩 두 개의 기계적 씰이 필요합니다.
임펠러 펌프는 일반적으로 1000~1750rpm의 속도 범위 내에서 작동하며 유속은 분당 최대 2000갤런에 달할 수 있습니다. 그러나 점도가 높은 액체를 다룰 때는 액체가 임펠러 아래로 들어갈 수 있도록 필요한 속도를 크게 낮춰야 합니다.
점도가 높은 액체를 다루는 애플리케이션에서는 파손을 방지하기 위해 더 강한 재질의 임펠러가 필요합니다. 임펠러 펌프 구성에 가장 일반적으로 사용되는 재료는 주철 또는 연성 철입니다. 일부 제조업체는 스테인리스 스틸 소재 얇고 부식성이 있는 액체를 처리해야 하는 펌프에 사용됩니다.
임펠러 펌프는 일부 부식성 물질을 처리할 수 있지만 고체는 처리할 수 없습니다. 부식성 물질 펌핑 용도의 경우 임펠러와 씰 재질을 올바르게 선택할 때 주의를 기울여야 합니다. 외부 기어 펌프와 마찬가지로 임펠러 펌프는 로터와 임펠러의 양쪽 끝에 고정된 끝 간극이 있습니다.
마모가 발생하면 이러한 간격을 조정할 수 없지만 일부 제조업체에서는 교체 가능하거나 뒤집을 수 있는 엔드 커버를 제공합니다. 케이싱 라이너를 사용하는 것도 마모가 발생했을 때 펌프 성능을 복원하는 방법입니다.
다양한 펌프의 작동 원리를 이해하는 것은 주어진 응용 환경에 맞는 모델을 올바르게 선택하는 좋은 출발점입니다. 다양한 옵션 간의 구분이 명확하지 않을 수 있지만, 작동 및 용량의 기본적인 차이점을 통해 선택에 참고할 수 있습니다.
내부 기어 펌프 는 다양한 용도로 사용할 수 있지만 일반적으로 다른 펌프보다 느리게 작동합니다. 처음에는 내부 기어 펌프를 선택하면 비용이 약간 더 많이 들 수 있지만 느리게 작동하는 펌프에 비해 수명이 더 길어지는 경향이 있습니다.
외부 기어 펌프 는 뛰어난 압력 처리 능력과 정밀한 유량 제어 특성을 가지고 있지만 고체 또는 부식성 매체를 처리하는 데는 사용할 수 없습니다. 외부 기어 펌프는 제조 비용이 저렴하므로 수요가 적은 응용 분야에서 경제적이고 합리적인 선택입니다.
임펠러 펌프 묽은 액체를 이송할 때는 성능이 좋지만 점성이 있는 액체를 취급할 때는 저속으로 작동해야 합니다. 임펠러 펌프는 또한 고체 물질을 처리할 수 없습니다.
잘못된 펌프 선택은 종종 비용 증가로 이어집니다. 특히 다운타임, 생산 손실, 유지보수 비용, 에너지 소비에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 올바른 시스템에 적합한 펌프를 선택하는 데 더 많은 시간을 투자하면 불필요한 비용 지출을 최소화하고 장기적으로 더 높은 이점을 얻을 수 있습니다.