[수질] 펌프, 공동현상(cavitation), 수격현상, 맥동현상

Q. 펌프의 비교회전도(Ns)에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은? (2018서울시7급)

① 비교회전도가 같으면 펌프의 크기에 관계없이 모두 같은 형식이 되며 특성도 대체로 같다

∨② 양수량과 전양정이 동일하면 비교회전도가 커짐에 따라 펌프는 대형이 된다

③ 비교회전도가 작으면 토출량이 적은 고양정 펌프, 비교회전도가 크면 토출량이 많은 저양정 펌프이다

④ 비교회전도는 펌프의 최고 성능을 나타내는 지표로서 임펠러가 1m3/min의 유량을 1m양수하는데 필요한 회전수를 의미한다 

Q. 펌프의 수격작용을 방지하기 위한 방법이라 볼 수 없는 것은?

① 펌프에 fly wheel을 붙인다.

② 토출축 관로에 에어챔버를 설치한다.

∨③ 토출관축에 양방향 조입수조(two-way surge lank)를 설치한다.

④ 펌프 토출축에 완폐체크벨브를 설치한다.

 

Q. 다음 중 Cavitation발생 조건이 아닌 것은?

① 펌프의 물의 유속이 너무 빠를 때

② 펌프와 흡수면 사이와 수직거리가 너무 길 때

③ 펌프의 회전수가 매우 빠를 때

∨④ 펌프에서 소음이 심할 때

 

Q. 펌프의 공동현상(cavitation)에 관한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

① 공동은 수류에 따라 이동하여 고압력부에 도달하는 순간에 소멸되면서 충격이 발생하여 소음, 진동을 유발시킨다.

∨② 공동현상은 관로의 유속이 갑자기 줄어드는 지점에서 발생하며 수격작용을 동반한다.

③ 공동현상은 펌프의 임펠러 부근에 발생한다.

④ 펌프의 흡입양정이 커질수록 공동현상이 발생하기 쉽다.

 

Q. Cavitation에 대한 설명이 아닌 것은?

∨① 방지대책으로 흡입양정을 작게 하여 관내 마찰손실을 크게 한다.

② 흡입양정이 너무 크거나 유속이 국부적으로 빠른 부분에서의 압력이 저하하여 발생하는 현상이다.

③ 공동현상의 영향으로 펌프의 성능이 저하되거나 파손되고 소음진동이 발생한다.

④ 물속에 공기가 생기는 현상이다.

⑤ 흡입관을 짧게 하거나 흡입관경을 크게 하여 방지할 수 있다.

 

Q. 펌프의 공동현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (2018지방직9급)

① 펌프의 내부에서 급격한 유속의 변화, 와류발생, 유로 장애 등으로 인하여 물속에 기포가 형성되는 현상이다

∨② 펌프의 흡입손실수두가 작을 경우 발생하기 쉽다

③ 공동현상이 발생하면 펌프의 양수 기능이 저하된다

④ 공동현상의 방지대책 중의 하나로서 펌프의 회전수를 작게 한다 

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● 펌프 

 

1. 계획하수량 

2. 공동현상 (Cavitation)

- 펌프의 내부에서 유속이 급변 또는 와류 발생 등에 의하여 유체의 압력이 감소되어 포화수증기압에 가까워지면 수중에 용존되어 있는 기체가 액체 중에서 분리되어 기포로 되며 더욱이 포화수증기압 이하로 되면 물이 기화되어 흐름 중에 공동이 생기는 현상

- 펌프 회전차나 동체 속에 흐르는 압력이 국소적으로 저하하여 그 액체의 포화증기압이하로 떨어지면 발생하는 현상이다.
- 펌프의 흡입손실수두가 작을경우 공동현상은 일어나지 않는다

- 공동현상이 일어나면 펌프의 양수기능이 저하된다

- 펌프가 공동현상에 대해 안전하기 위해서는 시설상으로부터 이용 가능한 유효 흡입수두(Hsv)가 펌프가 필요로 하는 유효흡입수두(hsv)보다 커야 한다.

 

▷ 방지대책

- 펌프의 설치위치를 낮추어 가용유효흡입수두를 크게한다

- 흡입관의 손실을 가능한 작게 해서 가용유효흡입수두를 크게한다

- 펌프의 회전속도를 낮게 하여 필요유효흡입수두를 작게한다

- 흡입측 밸브는 완전히 개방한 다음 펌프를 가동한다

Hsv : 시설에서 이용 가능한 유효흡입수두(m)
Ha : 대기압을 수두로 나타낸 것(m)
Hp : 수온에서의 포화수증기압을 수두로 나타낸 것(m)
Hs : 흡입실양정(m)(흡입인 경우는－, 압입인 경우는 ＋)
HL : 흡입관내의 손실수두(m)

 

3. 맥동현상(surging )

펌프 운전중에 토출량과 토출압이 주기적으로 숨이 찬 것처럼 변동하는 상태를 일으키는 현상으로
펌프 특성 곡선이 산형에서 발생하며 큰 진동을 발생하는 경우가 있다.

 

4. 수격 작용(water hammer)

만관내에 흐르고 있는 물의 속도가 급격히 변화하여 압력변화가 발생하는 현상이다.
수격 작용에 의한 압력상승 및 압력 강하의 크기는 유속의 변화정도, 관로 상황, 유속, 펌프의 성능
등에 따라 다르지만, 펌프, 밸브, 배관 등에 이상 압력이 걸려 진동, 소음을 유발하고, 펌프 및 전동기
가 역회전하는 경우도 있으므로 충분한 검토가 필요하다.

 

5. 침사 및 협잡물 처리 

(1) 침사지에는 침사세정장치 설치를 고려하여야 한다. 또한, 필요시 협잡물은 탈수장치 설치를 할 수 있다.

(2) 운반 및 저류장치에는 침사 및 협잡물의 비산 및 낙하를 방지하여야 하며 탈취시설을 설치하는 것이 좋다.
(3) 협잡물제거는 연속 자동스크린에 의해 제거하는 것을 원칙으로 한다. 협잡물량이 적은 경우 수동식 스크린을 설치할 수 있다.
(4) 빗물펌프장의 경우는 필요시 초기우수(CSO) 처리방안을 고려할 수 있다.

 

6. 파쇄장치

(1) 계획하수량은 계획시간최대오수량으로 한다.
(2) 파쇄장치는 침사제거설비의 유출측 및 펌프설비 유입측에 설치하는 것을 원칙으로 한다.
(3) 파쇄장치에는 반드시 스크린이 설치된 바이패스관을 설치하여야 한다.
(4) 파쇄장치는 유지관리를 고려하여 유입 및 유출측에 수문 또는 stoplog를 설치하는 것을 표준으로 한다.
(5) 파쇄기는 원칙적으로 2대이상으로 설치하며, 1대를 설치하는 경우 바이패스 수로를 설치한다.

 

7. 연결관거

 

8. 펌프시설 

펌프의 하수이송용과 처리수방류용으로는 원심펌프, 왕복펌프, 회전펌프 및 스크류(screw)펌프가 있고, 수처리공정용으로는 편흡입볼텍스펌프, 편흡입무폐쇄나선형펌프, 단일축나사식정량펌프 등이 있다

 

1) 계획하수량과 대수

(1) 펌프대수는 계획오수량 및 계획우수량의 시간적 변동과 펌프의 성능을 기준으로 정하며, 수량의 변화가
현저한 경우에는 용량이 다른 펌프를 설치하도록 한다.
(2) 펌프의 설치대수는 계획오수량과 계획우수량에 대하여 각각 2~6대를 표준으로 한다.

 

2) 펌프의 선정 

 

(1) 펌프는 계획조건에 가장 적합한 표준특성을 가지도록 비교회전도를 정하여야 한다.

 

① 비교회전도

- Ns는 펌프형식을 나타내는 지수 

Ns : 비교회전도
N : 펌프의 규정회전수(회/min)
Q : 펌프의 규정토출량(m3/min)(양흡입의 경우에는 1/2로 한다.)
H : 펌프의 규정양정(m)(다단펌프의 경우에는 1단에 해당하는 양정)

- Ns가 적으면 유량이 적은 고양정의 펌프로 됨

- Ns가 크면 유량이 많은 저양정의 펌프로 됨

- 양수량 및 전양정이 같다면 회전수가 많을수록 Ns가 크게 됨

- Ns가 동일하면 펌프의 크기에 관계 없이 같은 형식의 펌프로 하고, 특성도 대체로 같게 된다

- Ns가 크게 될수록 체절양정은 크게 됨

- Ns가 대체로 600이하일 때는 유량이 적을 수록 축동력이 떨어져 체절양정이 최소로 된다

- Ns가 작을수록 효율곡선은 완만하게 되고, 유량변화에 대해 효율변화의 비율이 적다

- Ns가 크게 될수록 흡입성능이 나쁘고 공동현상이 발생하기 쉽다.

(2) 펌프는 흡입실양정 및 토출량을 고려하여 전양정에 따라 <표 3.4.2>를 표준으로 한다.

① 원심펌프

- 구조가 간단

- 기체가 작고 가격이 저렴

- 광범위에 걸친 양정과 수량이 많을 때 적합

- 연속적인 양수, 전동기와의 직결 및 운전이 간단한 것

- 전동기와의 직결로 고속회전이 가능하여 일반적으로 효율이 높고, 적용 범위가 넓음

- 적은 유량을 가감하는 경우 소요동력은 적어도 운전에 지장이 없다.

- 흡입성능도 우수하고 공동현상(cavitation)이 잘 발생하지 않는다. 

- 원심실이 크고 반경 및 축방향으로도 장소를 차지한다. 

- 주로 상하수도용, 농업용, 공업용 등에 사용된다

 

② 사류펌프
- 원심펌프와 축류펌프의 중간형태로 물이 축방향에서 유입하여 축방향과 경사를 두고 유출되며, 회전차의 작용은 원심력과 양력에 의하여 양수되는 펌프

- 전양정: 3 ~ 12m

- 펌프구경: 400mm 이상 

- 비교회전도: 700 ~ 1200rpm

- 체절시동(Q=0)이 가능

- 양정변화에 대하여 수량의 변동이 적고 또 수량변동에 대해 동력의 변화도 적으므로 우수용의 양수펌프 등 수위변동이 큰 곳에 적합하다. 

- 흡입성능은 원심펌프보다 떨어지지만 축류펌프보다 우수하다.

- 입축사류펌프에 비해 부식이 적고 유지관리가 쉽다
- 주로 상하수도용, 냉각수 순환용, 농업용, 도크배수용 등에 사용된다.

 

③ 축류펌프

- 전양정: 5m 이하

- 펌프구경: 400mm 이상 

- 비교회전도: 1100 ~ 1200rpm

- 입구와 출구에서의 원주속도는 같기 때문에 상대속도(양력)에 의하여 유체에 압력에너지 및 속도에너지를 공급
하고, 유체는 회전차속을 축방향에서 유입되어 축방향으로 유출한다. 

- 고유량 저양정에 적합하고, 고속운전에 적합하여 형태가 작다.

- 효율면에서는 소형은 나쁘지만 대형은 원심펌프보다 훨씬좋고, 운전동력비도 절감된다.

- 양정변화에 따른 유량변화가 적고 효율저하도 적다.

- 구조가 간단하고 취급이 쉽고 가격도 싼 편이다. 

- 회전수를 높게 할 수 있으므로, 사류펌프보다 소형으로 되며 전양정이 4 m 이하인 경우에는 축류펌프가 경제적으로 유리하다. 

- 체절운전이 불가능하고 흡입성능이 낮고 효율폭이 좁다. 

- 주로 증기터빈 복수기의 순환용, 농업용, 상하수도용 등에 사용된다.

 

④ 수중펌프 

- 펌프실이 작고, 시동이 간단

- 유입수량이 적은 경우 및 펌프장의 크기에 제한을 받는 경우 등 소규모펌프장에 주로 사용한다. 

- 사용할때는 점검과 정비가 용이하고, 탈착이 쉬운 방식을 채택한다.

 

⑤ 스크류(screw)펌프

스크류(screw)형의 날개를 용접한 속이 빈 축을 상부 및 하부의 수중베어링로 지지하고 수평에 대해 약 30도 경사인 U자형 드럼통 속에서 회전시켜 하부로부터 양수하는 펌프

▷ 장점

① 구조가 간단하고 개방형이어서 운전 및 보수가 쉽다.
② 회전수가 낮기 때문에 마모가 적다.
③ 수중의 협잡물이 물과 함께 떠올라 폐쇄가 적다.
④ 침사지 또는 펌프설치대를 두지 않고도 사용할 수 있다.
⑤ 기동에 필요한 물채움장치나 밸브 등 부대시설이 없으므로 자동운전이 쉽다.

 

▷ 단점

① 양정에 제한이 있다.
② 일반 펌프에 비하여 펌프가 크게 된다.
③ 토출측의 수로를 압력관으로 할 수 없다.
④ 오수의 경우 양수시에 개방된 상태이므로 냄새가 발생한다.

 

(3) 침수될 우려가 있는 곳이나 흡입실양정이 큰 경우에는 입축형 혹은 수중형으로 한다.
(4) 펌프는 내부에서 막힘이 없고, 부식 및 마모가 적으며, 분해하여 청소하기 쉬운 구조로 한다.
(5) 펌프는 그 효율이 <표 3.4.7>에서 지시하는 값 이상의 것으로 한다

 

3) 펌프구경 

(1) 펌프의 흡입구경은 토출량과 펌프흡입구의 유속으로부터 식(3.4.5)에 의해 정한다.

여기서, D：펌프의 흡입구경(mm), Q：펌프의 토출량(m3/min), V：흡입구의 유속(m/s)
단, 흡입구의 유속은 펌프의 회전수 및 흡입실양정 등을 고려하여 1.5~3.0 m/s를 표준으로 한다.
(2) 펌프의 토출구경은 흡입구경, 전양정 및 비교회전도 등을 고려하여 정한다

 

4) 펌프의 전양정

(1) 펌프의 전양정은 실양정과 펌프에 부수된 흡입관, 토출관 및 밸브의 손실수두를 고려하여 식(3.4.6)에 의하여 정한다.

여기서, H : 전양정(m), ha : 실양정(m)
hpv : 흡입 및 토출관의 손실수두의 합(m), ho : 토출관 말단의 잔류속도수두(m)

 

① 손실수두

h : 손실수두(m)  ,  f : 손실계수
L : 직관길이(m)  ,   D : 관내경(m)
V : 유속(m/s), g : 중력가속도(9.8 m/s2)

(2) 실양정은 펌프의 흡입수위 및 배출수위의 변동, 범위, 계획하수량, 펌프특성, 사용목적 및 운전의 경제성 등을 고려하여 정한다