[논문]양흡입 원심펌프의 내부 표면 거칠기 개선에 따른 에너지 절감 실험 연구

임성은; 손창현; 류정엽

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.6.409

양흡입 원심펌프의 내부 표면 거칠기 개선에 따른 에너지 절감 실험 연구
Experimental Study of Energy-Saving Realized with the Improvement of Inner Roughness in Double-Entry Centrifugal Pump 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.6 = no.369, 2016년, pp.409 - 415

임성은 (경북대학교 기계공학부) , 손창현 (경북대학교 기계공학부) , 류정엽 (현우유니언트레이딩)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 유량 $70.7m^3/min$, 양정 87m의 양흡입 원심펌프의 수력 손실 절감을 위해 표면 마찰거칠기를 변화시킨 실험을 수행하였다. 초기 표면 거칠기를 $100{\sim}110{\mu}m$에서 $0{\sim}0.08{\mu}m$로 변경한 후 표면 거칠기 변화가 전체 펌프의 효율 증가 및 펌프 운전시 소요되는 전력 원단위 변화 측정을 수행하였다. 표면 마찰 거칠기 개선 부위는 물과 접하는 펌프 내부 임펠러와 케이싱 표면으로 하였고 코팅 방식을 적용하였다. 그 결과 펌프 효율은 약 0.8~1.79% 증가하였으며, 전력원단위는 4.38 ~ 6.04% 절감 효과를 가져 왔다. 이와 같은 결과는 임펠러 및 내부 케이싱의 표면 거칠기가 펌프의 성능에 작지 않은 영향을 미칠 뿐만 아니라 표면 거칠기 개선을 통해 마찰에 의한 수력 손실을 줄여서 펌프 성능 향상과 상당한 에너지의 절감 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we test the effects of the surface roughness on the hydro efficiency of double-suction centrifugal pumps ($Q=70.7m^3/min$, H = 87 m). The original surface of the impeller and inner casing were coated, resulting in surface-roughness reductions ranging from $100{\sim}110{\mu}m$ to $0{\sim}0.08{\mu}m$. We conducted experimental studies to measure the efficiency of the pumps and operating-pump electro energy variations with different surface roughness values. The experimental results showed that the efficiency of the pumps increased by about 0.8~1.79% and the electric energy of the operating pump was reduced by around 4.38 ~ 6.08%. These results indicate that the performance of the pumps depend largely on the surface roughness of the impeller and inner casing, and by reducing the surface roughness, we can improve the efficiency of the pump and reduce costs by reducing the electric energy consumption.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 펌프의 손상된 내부표면 거칠기 개선을 통해 마찰손실을 줄여 펌프효율 향상 및 수명 연장을 도모하는 것이 훨씬 효과적 일 수 있다. 본 연구에서는 실제 용수공급을 위해 가동 중인 유량 70.7㎥/min, 양정 87 m의 양흡입 원심펌프를 대상으로 손상된 펌프 내부 케이싱 및 임펠러 표면의 가공 및 코팅을 시행하여 표면조도를 개선하여, 개선 전후의 효율 및 전력원단위 측정을 통해 표면 거칠기 효과에 대한 영향을 실험적으로 확인하고자 한다.

제안 방법

펌프 입 ․ 출구 유동의 미세 온도차 측정을 위해 정밀 온도센서(Calibration range 0~50 ℃, 정확도 ±0.001 K)와 압력센서(Range Max. 20 bar, 정확도 0.1% F.S)를 입 ․ 출구 배관의 중심부에 삽입하여 데이타를 계측하였다.
2에서와 같이 임펠러부분은 Ra 100~110 ㎛, 케이싱부분은 Ra 25~30 ㎛ 정도였다. 표면 거칠기 개선 작업순서는 표면전처리(Grit blast)-염출-세척-손상부 육성-coating(2회)의 과정을 통하여 500~700 ㎛ 정도의 두께로 코팅제를 시공 하였다. 코팅 후 케이싱과 임펠러의 표면 거칠기는 Fig.

대상 데이터

가 있으며, 코팅 도막이 오래 유지될 수 있어야 하므로 녹발생시 체적팽창압 140 kgf/㎠ 이상을 견딜수 있도록 인장전단접착강도를 170 kgf/㎠(적용 기준 : ASTM D 1002) 이상으로 적용하여 내구성을 최대한 확보할 수 있어야 한다. 또한 해당 펌프는 생활 및 공업용수를 공급하는 펌프이므로 도장 재료는 위생안전기준(KC) 인증을 획득한 에폭시 재료로 선정하였고 상세 물성치는 Table 2 에 제시하였다.
본 실험에 사용한 펌프는 전력비 절감을 위해서 Q = 83.3㎥/min (5000㎥/h), H = 68.8m인 과유량 운전 조건에서 실제 운영을 하고 있으며, 원격 감시제어 시스템에 축적된 펌프 운영 데이터를 이용하여 전력원단위를 계산/분석하였다.
본 연구는 현재 한국수자원공사에서 운영 중인 70.7 ㎥/min, 양정 87 m의 양흡입 단단 볼류트 펌프를 대상으로 표면 거칠기 변화에 따른 성능 변화를 실험하였다. 유체와 접하는 펌프 내부 임펠러와 케이싱 표면에 코팅을 시행한 결과 초기의 표면거칠기는 Ra 100~110 ㎛에서 Ra 0~0.
본 연구대상 펌프는 대규모 용수공급을 위해 한국수자원공사에서 운영 중인 양흡입 단단 볼류트 형식의 인라인 가압펌프(Table 1 참조)이다. 용수 공급을 위한 펌프는 5대를 보유하고 있으나 수요에 따라 병렬운전(2~4대)으로 4대까지 사용하고 고장을 대비하여 예비기 1대로 운영되고 있으며 1999년도에 설치하여 현재까지 운영 중이다.
유체와 접하는 부분의 재질인 케이싱은 흑연 구상주철(GDC400), 임펠러는 청동주철(BC6)이다. 코팅 전/후의 조도변화를 측정하기 위하여 간이식 표면조도계(SPG1/측정범위 0~500 ㎛ /오차 ±5㎛ + 5 %)를 이용하여 산술 평균 조도(Ra)를 측정 한 결과 Fig.
용수 공급을 위한 펌프는 5대를 보유하고 있으나 수요에 따라 병렬운전(2~4대)으로 4대까지 사용하고 고장을 대비하여 예비기 1대로 운영되고 있으며 1999년도에 설치하여 현재까지 운영 중이다. 장기 운영(15년)으로 인한 노후화 및 전력비 상승으로 인한 수송에너지 원가절감이 필요하였으며, 유량대비 전력량이 과다하며, 펌프 내부 코팅을 통하여 전력절감 및 설비 수명연장을 기대할 수있는 1호기와 5호기를 표본 대상으로 선정하였다.

이론/모형

효율측정은 열역학적 효율측정방법을 이용하였다. 펌프 운영시 마찰에 의한 손실은 유체의 온도 상승형태로 전달되므로 입 ․ 출구 유체의 미세 온도변화(ΔT)를 측정하여 마찰로 인한 손실량을 직접 산정함과 동시에 측정된 입 ․ 출구의 압력차 (△P)를 이용하여 펌프 내부 통과 유체의 엔탈피 변화량(△h) 측정을 한 후, 펌프 회전차(임펠러)를 통해 전달되는 축동력(Pm, mechanical power of impeller)을 계산한 뒤 아래 식을 통하여 펌프 효율이 결정된다.

성능/효과

Fig. 3(a)의 유량-양정 곡선에서 코팅에 따라 표면거칠기가 감소한 실선(Coated)의 특성 곡선이 내부 코팅전(Unclad) 의 점선의 특성 곡선 보다 같은 유량에 대하여 양정이 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 F.
1호기의 경우 동일 유량을 공급하는데 필요한 전기에너지는 약 6% 정도 감소함을 확인하였다.
실제 운전 조건(유량 83 ㎥/min, 양정 68.8m)에서 단위 유량당 소요 전력량인 전력원단위 분석을 시행한 결과, 4.38~6.04 % 전력원단위 절감효과를 확인할 수 있었다.
7 ㎥/min, 양정 87 m의 양흡입 단단 볼류트 펌프를 대상으로 표면 거칠기 변화에 따른 성능 변화를 실험하였다. 유체와 접하는 펌프 내부 임펠러와 케이싱 표면에 코팅을 시행한 결과 초기의 표면거칠기는 Ra 100~110 ㎛에서 Ra 0~0.08 ㎛로 감소되었다.
코팅 시행을 위해 펌프 분해 후 임펠러와 케이싱 표면을 관찰한 결과 Fig. 1에서와 같이 임펠러의 표면은 광범위하게 거칠기가 아주 크며 국부적인 캐비테이션에 의한 피팅 등의 손상이 관찰되었고, 케이싱은 기존 시공된 도막의 상태가 비교적 양호하나 국부적으로 심한 부식 손상을 관찰할 수 있었다.
코팅 전/후의 조도변화를 측정하기 위하여 간이식 표면조도계(SPG1/측정범위 0~500 ㎛ /오차 ±5㎛ + 5 %)를 이용하여 산술 평균 조도(Ra)를 측정 한 결과 Fig. 2에서와 같이 임펠러부분은 Ra 100~110 ㎛, 케이싱부분은 Ra 25~30 ㎛ 정도였다.
평균 전력원단위(5.1%) 절감시 절감액을 환산해 보면, kWh당 전력비를 100원, 대당 년 평균 펌프가동시간 150일을 기준으로 절감액은 약 26,890천원/(년 ․ 대)으로 작지 않은 금액이며, 또한 펌프의 내구성이 향상되어 사용수명 연장을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
표면 거칠기 감소에 따른 원심 펌프의 성능 향상 효과 검증을 위하여 정격운전 조건에서 펌프 효율을 실험한 결과 약 0.48~1.58%의 효율상승이 측정되었다. 실제 운전 조건(유량 83 ㎥/min, 양정 68.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펌프 내부에서 표면손상 및 표면거칠기가 증가하게 되는 원인은 무엇인가?	펌프 사용시간이 증가함에 따라 유체와 유체내의 고형물질의 마찰, 유로내 케비테이션 발생, 전기화학적 반응 등의 원인에 의해 펌프 내부는 다양한 형태의 표면 거칠기 변화가 발생하며(1) 이로 인해 표면손상 또는 표면 거칠기가 증가하게 된다. 배관시스템에서는 Moody Chart (2)를 통하여 배관내부 표면 거칠기와 레이놀즈(Re)수에 따라 표면 마찰계수가 변화함을 알 수 있다.
	펌프에서 발생하는 손실은 무엇으로 인하여 발생하는가?	펌프에서 발생되는 수력손실은 유로 표면의 마찰 손실과 난류소산에 의하여 발생되며, 부차적 손실은 기계적손실, 누설손실, 디스크(임펠러) 마찰손실 등에 의해 발생된다. 표면 마찰에 기인하는 수력손실과 디스크 마찰손실은 손실 계수 수식(1)과 같이 모두 마찰계수(Cf)의 함수이며, 마찰 계수는 레이놀드수와 표면 거칠기(ε)에 의해 Moody 도표(2)로 결정된다.
	표면 거칠기 감소에 따른 원심 펌프의 실제 운전 조건 하 전력 절감 효과는 얼마인가?	58%의 효율상승이 측정되었다. 실제 운전 조건(유량 83 ㎥/min, 양정 68.8m)에서 단위 유량당 소요 전력량인 전력원단위 분석을 시행한 결과, 4.38~6.04 % 전력원단위 절감효과를 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 유체와 접촉이 일어나는 펌프 내부 임펠러와 케이싱 표면에서의 거칠기가 작아짐에 따른 마찰계수가 감소하였기 때문에 마찰에 의한 펌프의 수력손실과 부차적 손실을 줄여 소요되는 에너지가 줄어들었기 때문이라 판단된다.

참고문헌 (8)

Gulich, J. F., 2014, Centrifugal Pumps, Third Edition, Springer, London New York, pp. 93-152/989-990.
White, F. M., 2009, Fluid Mechanics, Seventh Edition, McGraw-Hill, New York, pp. 369-371.
Ryu, J. Y., Kim, J. H. and Campbell, R., 2006, "Increase Efficiency and Reduce Energy Costs of Pumps due to the Coating," Journal of fluid machinery, Vol. 9, No. 1, pp. 56-65.

원문보기 상세보기
Kim, Y. Y., Noe, H. S. and Park, T. J., 2010, "Pump Combination Method of Minimum Specific Energy by Use of Pump Performance Curves," KFMA 2010-012, pp. 35-39.
Varley, F. A., 1961, "Effects of Impeller Design and Surface Roughness on the Performance of Centrifugal Pumps," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers June 1961, Vol. 175, No. 1, pp. 955-989.

상세보기
Lee, S. Y. and Hong, Y. S., 2007, "Effect of CrSiN Thin Film Coating the Improvement of the Lowspeed Torque Efficiency of HYDRAULIC PISTON Pump," ICMCTF 2007, Vol. 202, No. 4-7, pp. 1129-1134.
Hyosung Pump Manual, Hyosung Heavy Industry.
Kang, S. H., Kim, J. K. and Hong, S. S., 2000, "Pump Operation Performance Evaluation Review using the Thermodynamic Method," Journal of fluid machinery, Vol. 3, No. 3, pp. 25-30.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증