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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 원심펌프 작동유체의 점도변화에 따른 성능특성을 실험적으로 파악 하기 위해 설탕수용액과 글리세린수용액을 작동유체로 적용하여 점도를 증가시키는 방법으로 운전조건을 변화시켜가며 펌프의 성능실험을 수행하여 얻은 각 유체의 전양정과 축동력 그리고 펌프효율의 변화를 청수의 경우와 비교⋅분석하여 각각의 보정계수를 구하고, 그 결과를 펌프의 설계 및 제작에 필요한 기초 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 4 에 나타내었다. 각 유체들의 효율을 상호 비교하기 위하여 토출유량을 가로축으로 하고 세로축을 펌프의 효율로 하였다.
- 본 연구에서는 상온상태의 청수와 중량농도 10%와 20%인 설탕수용액과 글리세린수용액을 실험대상으로 하여 토출압력의 변화에 따른 펌프의 토출유량, 전양정, 축동력을 측정하였다. 펌프의 성능시험은 KS B 6301 “원심펌프, 사류펌프 및 축류펌프의 시험 및 검사방법”2)과 KS B 6302 “펌프 토출량 측정방법”3)에 의하여 상온에서의 청수와 20℃의 설탕수용액 및 15℃의 글리세린수용액을 사용하여 수행하였다.
- 본 연구에서는 원심펌프 작동유체의 점도변화에 따른 성능 특성을 실험적인 방법으로 검토하기 위하여 비속도가 비교적 낮은 소형 원심펌프에 작동 유체를 10%의 설탕수용액과 20%의 설탕수용액 그리고 10%의 글리세린수용액, 20%의 글리세린수 용액을 적용하고 일정한 회전속도에서 점도를 변화시켜가며 성능시험을 수행하여 청수의 경우와 비교⋅분석하여 다음과 같이 결론을 얻었다.
- 16m3/min 까지 7 개 지점을 선정하여 각각의 토출압력에 대하여 토출유량, 전양정, 축동력을 측정하였다. 설탕수용액과 글리세린수용액의 비중측정은 눈금액체비중계를 사용하여 측정하였으며, 점도측정은 비정상 모세관 점도계와 Cone/Plate 점도계를 사용하여 Spindle 40℃, rpm= 10~100rpm 으로 점도를 측정하였으며, 실험용 작동유체가 유량과 압력강화의 관계가 선형적인 경향을 가지며, 전단속도와 전단응력이 비례관계인 유체로서 뉴턴유체(Newtonian Fluid)의 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
- 1 에 나타내었다. 실험장치는 개방형수조, 흡입배관 및 토출배관, 실험용 펌프와 전동기, 전동기의 전류측정을 위한 클램프미터, 회전수측정용 디지털 타코미터, 토출유량을 측정하기 위한 위어, 설탕물과 글리세린의 침전을 방지하고 용액의 균일성을 유지하기 위한 교반기, 유체의 온도를 측정하기 위한 온도계로 구성되어 있다.
- 3 에 나타내었다. 작동유체의 점도를 청수에 비해 123 배, 1.56 배, 1.71 배, 2.82 배를 증가시킨 경우를 청수의 경우와 상호 비교하기 위하여 축동력을 세로축으로 하고 토출유량을 가로축으로 하여 토출유량의 변화에 따른 축동력의 변화를 나타내었다.
- 펌프의 성능시험은 KS B 6301 “원심펌프, 사류펌프 및 축류펌프의 시험 및 검사방법”2)과 KS B 6302 “펌프 토출량 측정방법”3)에 의하여 상온에서의 청수와 20℃의 설탕수용액 및 15℃의 글리세린수용액을 사용하여 수행하였다. 토출배관에 설치된 밸브를 차단상태에서부터 단계적으로 개방하는 방법으로 차단점에서부터 0.16m3/min 까지 7 개 지점을 선정하여 각각의 토출압력에 대하여 토출유량, 전양정, 축동력을 측정하였다. 설탕수용액과 글리세린수용액의 비중측정은 눈금액체비중계를 사용하여 측정하였으며, 점도측정은 비정상 모세관 점도계와 Cone/Plate 점도계를 사용하여 Spindle 40℃, rpm= 10~100rpm 으로 점도를 측정하였으며, 실험용 작동유체가 유량과 압력강화의 관계가 선형적인 경향을 가지며, 전단속도와 전단응력이 비례관계인 유체로서 뉴턴유체(Newtonian Fluid)의 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
대상 데이터
- 점성법칙에 따라 원관 내의 유동시에 유량과 압력강화의 관계가 직선적인 경향을 갖으며, 전단속도와 전단 응력이 비례 관계인유체를 뉴턴유체라 하며 물, 기름, 묽은수용액 등이 있으며, 비뉴턴유체는 유량과 압력의 관계가 직선이 아니라 비 선형적인 유동을 나타내는 슬러지, 현탁액, 고분자수용액 등이 있다. 본 연구에서는 작동유체의 점도변화에 따른 성능특성을 분석하기 위한 연구의 범위를 점도가 작고 균일한 뉴턴유체를 이송하는 경우로 설정하 였으므로 설탕수용액과 글리세린수용액을 실험용 유체로 선정하였다.
- 설탕수용액은 (S)사 제품의 설탕(정백당=순도 99.8%)을 청수와 혼합하여 중량농도 10%와 20%의 설탕수용액을 제조하였으며, 글리세린은 (I 화학) 제품의 글리세린(공업용=순도 99.8%)을 청수와 혼합하여 중량농도 10%와 20%의 글리세린수용액을 제조하였다.
- 펌프의 성능에 영향을 미치는 운전조건에는 작동유체의 밀도(비중), 온도, 증기 압력, 농도, 점도 등 여러 가지 요소가 있는데, 본 연구에서는 작동유체의 점도변화에 따른 성능 특성을 실험적인 방법으로 비교하기 위하여 비속도가 비교적 낮은 소형 원심펌프를 실험대상으로 선정하였다.
이론/모형
- 펌프의 성능시험은 KS B 6301 “원심펌프, 사류펌프 및 축류펌프의 시험 및 검사방법”2)과 KS B 6302 “펌프 토출량 측정방법”3)에 의하여 상온에서의 청수와 20℃의 설탕수용액 및 15℃의 글리세린수용액을 사용하여 수행하였다.
성능/효과
- (1) 전양정은 작동유체의 점도를 변화시킬 경우 청수에 비해 점도가 높아짐에 따라서 차단점에서의 양정은 변하지 않으나 유량이 증가함에 따라 양정이 감소하여 점차적으로 감소폭이 크게 나타났으며, 유량-양정곡선(H-Q 곡선)의 기울기가 급해짐을 알 수 있었다. 또한, 청수로 시험한 경우에 대하여 각각 3.
- (2) 축동력은 작동유체의 점도가 청수에 비해 클수록 증가하였으며 차단점에서는 소요동력이 열로 소산되어 차이가 거의 없음을 알 수 있다. 청수의 축동력에 대한 설탕수용액과 글리세린수용액의 보정값은 1.
- (3) 펌프효율은 작동유체의 점도를 변화시켰을 경우 차단점에서부터 유량이 0.05 ㎥/min 지점까지는 큰 차이가 없으나, 그 이후로부터는 유량이 증가할수록 원판마찰손실과 유로마찰손실의 증가로 인해 큰 폭으로 감소하였으며, 최고 효율점은 좌측으로 하향하는 경향을 알 수 있었다. 펌프의 효율은 청수의 경우에 비해 6.
- 또한 효율의 감소하는 경향이 이론과 유사하게 나타났으므로 본 실험의 결과가 타당성이 있다고 판단된다.
- 본 실험에서는 점도의 변화폭이 비교적 작은 유체를 선정하였으나 변화폭이 큰 유체의 경우에는 효율의 감소하는 폭이 매우 크게 나타난다고 할수 있다.
- 1%를 더한 보정값이 필요함을 알 수 있다. 이러한 결과는 작동유체의 점도가 증가하게 되면 임펠러의 원판마찰손실이 증가하게 되어 유량-양정곡선(H-Q 곡선)의 기울기가 급해진다는 Stepanoff4)의 연구결과와 정성적인 경향이 일치함을 알 수 있었으며, 이로서 본 실험의 결과가 타당성이 있음을 알 수 있다.
- 작동유체의 점도를 변화 시켰을 경우의 펌프효율 곡선을 살펴보면 청수에 비해 점도가 높은 글리세린수용액(20%), 설탕수용액(20%), 글리세린수용액 (10%), 설탕수용액(10%), 순으로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 작동유체의 점도를 변화시켰을 경우 임펠러의 원판마찰손실의 증가, 즉 양정의 감소와 축동력의 증가에 의한 것으로 판단된다.
- 이것은 토출측의 밸브가 닫혀있어 펌프가 작동유체를 이송하려는 압력만 작용하고 유동의 영향이 없기 때문이다. 차단점으로부터 유량이 증가함에 따라서 양정은 유사한 형태로 감소하다가 최대토출유량의 약 30%인 지점부터 감소하는 폭이 크게 나타났으며, 작동유체의 점도가 높은 순서로 급격히 감소하였다. 운전점(Q=0.
- 이것은 작동유체의 점도를 변화시켰을 경우 임펠러의 원판마찰손실의 증가, 즉 양정의 감소와 축동력의 증가에 의한 것으로 판단된다. 펌프의 효율변화는 Fig. 4 에 나타난 바와 같이 차단점에서부터 토출유량이 0.05 ㎥/min 지점까지는 효율의 큰 변화는 없지만 그 이후부터는 유량이 증가함에 따라 점도가 큰 유체 순서로 감소하는 폭이 크게 나타났으며, 각 유체들의 최고 효율점이 좌측을 향해 하향함을 알 수 있다.
- 회전속도를 변경하여 실험한 결과 어떠한 점도에서도 펌프의 상사법칙은 일단 성립하지만 청수의 경우보다는 부정확하다.
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