제 6 장모노펌프 1. 모노펌프란? 모노펌프라는명칭은프랑스의모-노 (Rene Moineau) 라는수학박사가프랑스공군의의뢰를받아공군기엔진의슈퍼차져 (Super Charger) 를개발하던중액체를연속적으로정량이송하는펌프원리를발명하였다 (1930년) 고하여붙여지게된펌프의이름이며일반적으로용적식일축편심나사펌프로써프로그레싱캐비티펌프 (Progressing Cavity pump), 헬리컬기어펌프 (Helical gear pump) 또는싱글스큐류펌프 (Single screw pump) 라불리워지고있다. 모노박사로부터라이센스 (licensees) 는프랑스 P.C.M. (1934년), 영국 MONO (1935년), 미국 ROBBINS&MYERS (1936년), 벨기에 GARDIER (1935) 등의회사들이제품화를시작하였다. 2. 모노펌프의기본원리 로타는단면이 Fig1과같이진원이고그회전축심은원의중심에서 e만큼벗어나고있고이때문에스테이터원형구멍속을연속적으로상하왕복운동을한다 (Fig2). 여기서단면의빈공간 (Cavity) 이토출량과관계가있으며식으로쓰면 1회전당의토출량 (Q) = 4 편심량 (e) 로타의직경 (d) 스테이터피치 (p) 쓸수있고그리하여토출량은회전수 (n) 만곱해주면정해진다
따라서이단면을축방향으로 Fig4와 Fig5에서보듯이연속위상을바꾸어가며이양자의공간에충만한액체들이왕복운동에의해흡입측에서토출측으로이송케된다. 상술한바와같이연속적으로위상을바꾸어감으로써로타는나사모양이되고스테이터도똑같이나사모양이되지만이것은이론상로타피치의 2배피치를지니는 2조나사가되는것이다. 즉, 로타가우측나사라면스테이터도로타피치의 2배피치를지니는우측나사가되는것이며이것이스크류펌프라고불리는이유이다. 다음에설명하는대로로타회전축중심은스테이터중심을중심으로하는반경의원주위를이동하므로드라이브샤프트사이에한쌍의유니버셜죠인트를구비그사이를컨넥팅로드로연결하고있다.
3. 모노펌프구조의세부설명 3-1 로타 금속제인로타는특수가공에의해만들어진숫나사이다. 재질은사용목적에맞춰다음과같은여러가지금속을제작되고있다. 또필요에따라크롬도금등의표준처리도한다. 용도로타재질내마모용탄소합금공구강내식용각종스테인레스강특수내식용티탄, 하스테로이 파이프로타필요에맞춰파이프타이의로타도제작한다. 이파이프로타는스텐레스강으로만들어진경량로타다. 3-2 스테이터 3-2-1 일반스테이터스테이터는금속제외통의안쪽에탄성재로성형시킨암나사이다. 이탄성재는모두외통에굳게접착되어있어로타의격한밀착회전에도나사가상하지않고우수한자흡력, 정량성, 내구성을발휘한다. 탄성재는어느단면도같은장원형, 그사이즈는단면방향은로타경과거의같고장원방형은로타경의약 2배가된다. 이장원형은스테이터의입구에서출구로향해시계방향으로감겨져서로타의 2배의피치로 2조의암나사가형성되고있다. 스테이터는용도에맞춰각종고무제품을비롯하여수지나금속등으로제작하는것도있다. 종류스테이터재질천연고무니트릴, 부틸, 네오프렌, 하이파론, 에틸렌프로합성고무필렌, 폴리우레탄, 바이톤등테프론, 폴리아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리합성수지비닐알코올등. 금속주철, 스텐레스, 놋쇠, 특수탄소강
3-2-2 어져스터블스테이터 (ADJUSTABLE STATOR) 오니등무기고형물이많은이송물을취급하는경우스테이터의마모가단기간에진행될수있다. 여기에대비하여스테이터의마모를보정하는기구를갖춘스테이터가제작되어진다. 스테이터의외통에설치된볼트를조이는것에의해나사선의핏치에맞춰감싸고있는보정스판이마모가생긴장원의평탄부를균등히보정. 이보정은몇번에걸쳐반복할수있어서스테이터의수명을큰폭으로연장한다. 3-3 조인트 모노펌프는편심회전하는로타의운동을원할히하기위하여구동축과로타사이에커플링로드를끼워유니버셜조인트로연결하고있다. 조인트로는사용조건에맞춰여러가지타입으로제작되어진다. 조인트로서갖추어야할조건은다음과같다. - 매끄럽게무리없이회전을전해, 동력의손실이적어야한다. - 토크의전달력이커야한다. - 큰축방향트러스트하중에견딜수있어야한다. - 분해조립이간단해야한다. 또주유식의핀조인트, 기어조인트, 크로스조인트는완전밀봉식으로액이침입하기않고오일윤활에의해수명이길다. 한편위생형펌프용의오픈조인트는 DEAD SPACE가전혀없어완전한물청소가가능하다.
특히영국모노펌프는플랙시블로드조인트이름을플랙시샤프트 (Flexishaft) 라고하는데플랙시샤프트의복잡한엔지니어링문제점을 1970년이전에해결되었다한다. 플랙시샤프트는관습적인조인트의방법을쓰지않고윤활유가필요없으며웨어링부분도필요없다. 그리하여수리예비품재고를경감시키고기존조인트의짧은수명을향상시킴으로수리가격에서이익이발생되고쉬운조립및분해의장점이있다. 플랙시샤프트의운전되는그림을아래쪽에나타내었다. 3-4 커플링로드프로텍터 모발과같은상태의길쭉한섬유질을대량으로함유한액의경우커플링로드에감겨, 막힐염려가있다. 이것을방지하기위하여커플링로드에프로텍터를장착할수있다. 3-5 축봉부축봉은용도에따라여러가지기종이있다. 오니용에는무주수형또는오일봉입형의메카니칼씰이사용되는것이표준이다. 또약품용으로는무주수형메카니칼씰, 무주수형그랜드패킹, 그리고전혀누액을허용하지않을경우에는 SEAALLESS의마그네트커플링형이사용된다.
4. 모노펌프성능특성 4-1 원심펌프와모노펌프의성능특성비교 모노펌프의성능특성은일반적으로알고있는원심펌프와성능곡선그림을다르게그리고있다. 모노펌프는압력을기준으로가로축에그리고유량, 동력을세로축에표시한다. 시험할때펌프기동시도원심펌프는밸브를잠그는데반하여밸브를열고기동시켜야한다. 양정 (H) 체절점 ( 밸브닫는곳 ) 유량 (Q) 체절점 ( 밸브닫는곳 ) 동력 (KW) 유량 (Q) < 원심펌프 > < 모노펌프 > 동력 (KW) 양정 (H) 유량 (Q) 양정 (H) 4-2 점도차와온도차에따른성능특성비교전세계적으로펌프중에서 70% 이상이원심펌프가사용되고있다. 그러나원심펌프는점도가 1000cp( 센티포이즈 ) 이상은펌핑불가능하지만모노펌프는 1,000,000cp까지가능하다. 양정 (H) 유량 (Q) 600cs 60 200cs 40 100cs 30 동력 (KW) 1cs 유량 (Q) < 점도변화 > < 온도변화 > 동력 (KW) 600cs 200cs 100cs 1cs 1cs(20 ) 양정 (H) 유량 (Q) 온도변화에따른차이가나는것은스테이타의수축변화와관계가있다. 양정 (H)
4-3 회전수에따른성능특성비교 만약회전수가 1000rpm 인펌프를회전수를절반 (500rpm) 으로줄여을때의성능특성을아래에나타내었다.
5. 로타와스테이터형상에의한성능고찰 흡입및토출구의크기와관계없이로타와스테이터의직경과길이의비는모노펌프의성능에결정적인영향을미친다. 특히로타와스테이터는가장기본적인부품이면서도마모성이있는액체의이송시는가장중요한마모성부품이된다. 또한, 으깨져서는안되는예민한액체의이송에는정숙한운전이필요하며, 이를위해로타형상은세심히고려되야한다. 로타의회전수는마모에중요한인자입니다만, 같은회전에의해서도로타가회전할때로타의형상에의해두방향의마모요인이발생한다. Vr: 로타단면의원둘레방향의속도, 이는로타직경 (d) 과편심량 (e) 이클수록커진다. Va: 로타축방향의유동속도, 이는로타직경 (d) 과편심량 (e) 이작을수록커진다. 어떤정해진토출량에대해상응하는로타의속도는로타의직경과편심량과피치에의해정해진다. 1회전당의토출량 (Q) = 4 편심량 (e) 로타의직경 (d) 스테이터피치 (2p) 상기의 Vr( 원둘레방향의속도 ) 를줄이려면로타의직경과편심량이줄어야하는데이는반대로로타의피치 ( 스테이터피치의 ½) 를증가시키므로 Va( 축방향유동속도 ) 가증가하는결과를가져온다. 예로써, Vr( 원주방향의속도 ) 를 25% 줄이면 Va( 축방향유동속도 ) 가 50% 증가하게되고, 그결과전체적으로이송액이더많이으깨어지며, 로타와스테이터의마모가더증가합니다. 이러한경우, 더해지는불리한점은로타와스테이터가만드는단면부의입구가작아져서고형물이나점성액체가통과하기어렵고, 유체저항도커지게된다. 또한 Va가크면 ( 장pitch로타 ) 하우징내의이송액이첫번째공동으로고속으로빨려들어가기시작하므로내부에고형물질이있으면급격한가속력을받아관성에의해앞단의로타와스테이터의밀봉선에박혀끼어버리기쉽다. 또한장피치로타는로타스테이터사이의접촉각이좁으므로이물질이박히기도쉬우며, 일단박히면잘빠지지도않게된다. 이는마모성이있는고형질의경우급격히마모를증가시키며원상태를유지해야하는연약한물질에서는강하게으깨는전단력으로치명적인이송액의손상및변질을가져오게된다. 이러한고속의유체흐름은펌프의 NPSH( 유효흡입수두 ) 를제약하므로써토
출량의제한과펌프에치명적인공동현상 (Caviation) 을유발할수있다. 특히, 점성이높은액체의경우장피치로타는이송자체가불가능할수도있다. 또한장피치로타는길고넓은밀봉선 ( 금속제로타와탄성고무제스테이터의나선형접촉선 ) 을유발하므로단피치보다심한마모와동력손실을유발한다. 그렇다고피치를지나치게짧게하면오히려원주방향속도가너무커져서불필요한마모를유발한다. 그리하여세계의많은회사들이이러한로타의형상에의한 Vr( 로타단면의원둘레방향의속도 ) 와 Va( 로타축방향의유동속도 ) 의상관관계에유의하여최적의로타형상을찾기위해현장의실적을분석하고실험과연구를진행하여왔다. 그결과, 근년에는세계유수의회사들이대부분아래의고급형모노펌프의표준형상과비슷한규격의로타형상을채용하여단피치규격으로통일되었다. 이는스테이터금형가공용특수공작기계의발달로정밀한치수의단피치스테이터의제작이가능해진점도간과할수는없다. 그러나극히예외적으로마모성이없는비점성액체의경부하용으로정피치로타는한두개회사에서제조의편이와원가절감의이점으로인해생산되고있으나이는모노펌프로써보다는소용량중압력의원심펌프시장에대한대체품의의미가있다고볼수있다. 6. 모노펌프의공회전에대한안전장치 공회전은어떠한모노펌프에있어서든피할수없는위험요소다. 그러나여러가지이유로이위험이과대평가되고있으나실제적으로는스테이터의손상문제로만나타난다. 위험은언제나최초의운전즉신규설치, 수리작업, 세정작업등의과정후에흡입측공간을액으로채우지않고운전가동시킬때발생한다. 로타와스테이터가액이없이건마찰상태로공회전하면온도가올라가고스테이터는열을방출하지못하고손상을입게된다. 온도의상승은펌프회전속도, 스테이터의재질, 스테이터와로타의공차여유에의해관계된다. 그러나만일펌프가이미운전되어져있고기술적설계와조립상태가양호하다면대부분의경우내부에약간의액체가남아있으므로공회전의위험없이펌프를재시동시킬수있다. 더구나손상을가져올정도의온도상승은순간적으로발생하는것이아니고공회전시는펌프의찢어지는소음등의불안정한운전상태를예고하여일반적으로운전자가곧펌프를정지시킬수있는여유가있다. 공회전방지를위한안전장치의설치방법은아래의여러가지방법이고려될수있지만은이송액, 설치장소, 펌프형식운전방법등고객의사용시스템에가장알맞은방법을선정하여야한다.
6.1 BY-PASS 배관 상대적으로작은배관으로토출과흡입측을연결하여액을순환시킨다. 6.2 흡입측탱크의액면감시 FLOAT스위치, 초음파, 볼탑스위치, 수은스위치등으로흡입측탱크의액면의높이를감시하여액체가비워지면펌프를정지시킨다. 6.3 압력감지장치 흡입측의액체가흡입되지않으면토출측의압력이떨어지게되므로이압력을감지하여펌프를정지시킨다. 이방법은토출측이막힐때의과부하방지장치로도겸용될수있다. 6.4 펌프와배관에감지장치를부착 전기전도방식, Inductive 또는 Capacitive Sound방식, 열감지식, 음파, 광학또는투과선방식등으로내부를감시 6.5 TIME SWITCH에의한사전조작방식 6.6 비고 공회전방지를위하여펌프모타나마중물의공급은상기2에서 5까지의방법으로콘드롤될수있다. 모타의전원스위치차단회로는순간적은흡입류의이상에는작동되지않도록일정시간지연되도록 (TIME DELAY) 하여야한다.
7. 모노펌프사용시특징 7.1 손쉬운제어와우수한정량성 모노펌프는는회전용적형의일축편심나사식펌프로, 스테이터 ( 탄성재질, 단명은장원형 ) 의내부를로타 ( 금속제, 단면은진원 ) 가회전하면서왕복운동을한다. 이때양자사이에생기는공간용적에충만한이송액은로타의회전에의해끊어짐이없는무한피스톤운동에의해흡입측에서토출측으로 < 무맥동 >< 정량 > 이송된다. 토출량은회전수에정비례하기때문에광범위하고자유롭게제어가가능하다. 신뢰도높은정량성은슬러지농도, 농축도수위변동의영향을받지않고항상정량토출한다. 제어신호에대한신속한응답은자동제어에최적이다. 또한인버터채용으로원격조작을하기쉽고, 각종센서로부터전류신호를받아들여서자동운전하기에편리하다. 와류. 교반. 막힘이없는것은물론전단응력이걸리지않으므로약액을손상하지않기에약액의효과가감소되지않는다. 펌프를역회전시켜도액의흐름방향만거꾸로될뿐, 토출량. 토출압력의변화가없다. 7.2 여러가지액에사용가능한펌프 물은물론점도가높은액, 케이크상태의물질까지정량연속이송. 토출한다. 또한침강분리가빠른슬러리도맥동없이이송하며약액의첨가시미세한조절이쉽게된다. 고형물과섬유가대량함유된액도정량이송하며고농도슬러지, 슬러리도이송하면서도엉킴이나막힘이거의없다.
슬러지 도시하수. 분뇨, 섬유슬러지, 농축슬러지, 소화슬러지, 침반슬러지, 기타각종슬러지 탈수케익 약액 약액슬러리 여러가지슬러지처리에서발생된케익차아염소산소다, 염화제이철, 유산반토가성소다, 고분자응집제, 탈취제, 소포제, 폴리염화알루미늄, 기타약액소석회슬러리, 활성탄슬러리 치아염소산소다등의가스가발생하는액, 부상분리슬러지등의기포를대량함유한액, 액중에다량의공기를함유한가압수등, 가스록, 에어록을일으키지않고이송및주입을한다. 7.3 환경을생각하는설비 탈수케익을파이프배관으로장거리이송하는데펌프에메카니칼씰을채용하여케익의누출이없으면서저소음, 저진동의펌프이다. 직결형, 상치형, 입형, 횡치형등의풍부한기종제작으로장소에따라서설치계획을자유로이세운다. 7.4 강력한성능 토출압력은회전수와토출량에영향을주지않으며저속회전, 작은용량에도필요한압력을유지한다. 그러므로탈수기에의고압투입, 소각로에의투입, 탈수케익의장거리이송그밖에투과막에의공급등이가능하다. 흡입압력은최고수두 8.5m(740mm Hg) 까지자흡할수있으며낮은 NPSHr 갖고있다. 하수처리장에서흡입측에푸트밸브, 체크밸브가필요없이강력한자흡능력은 4~5% 의고농축슬러지도 4~5m정도의흡입양정이가능하다.
8. 각종현장에서의모노펌프용도 8.1 하수처리장 8.2 정수장
8.3 분뇨위생처리장 8.4 쓰레기소각로설비 8.5 빌딩중수도설비및주방배수처리설비
9. 모노펌프형식의선정 모노의형식은필요한토출압력, 단위시간당에필요한토출량에의해선정된다. 모노의토출압력은로타와스테이터의단수에비례하고토출량은로타직경과회전수에비례한다. 9.1 토출압력에대한선정필요한토출압력에대한단수결정은액의상태에대하여허용압력을결정한다. 9.2 토출량에대한선정단위시간당에필요한토출량은로타경 ( 형식번호 ) 과회전수에의해산출한다. 구하고자하는토출량이같으면회전수가빠르면서작은형식으로결정하는것이경제적이겠지만회전수는이송액의성질에따라서제약을받는다. 허용회전수는이송액의 1마모성, 2점도 3농도 ( 함수율 ) 4비중 5액중고형물의크기 6온도등에의하여경험치로결정한다. 9.3 함유고형물에대한선정이송액체에함유된고형물의크기에따라로타경 ( ) 의크기를결정하여야액체에함유된형식번호 04 06 08 10 15 20 30 40 50 60 80 100 120 ( 로타경 ) 통과가능한고형물의 1.0 1.0 1.5 2.0 4.0 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 20.0 25 30 최대크기 (mm) 고형물이펌프를통과할수있으므로그한계는다음과같다. 모노로이송가능한고형물의크기는통상로타경의 1/4이하이어야한다. 9.4 토출량과허용회전수토출량을결정하는또하나의요소인펌프의허용회전수는이송액의성질에따라서크게좌우된다. 9.5 토출량의제어방법선정 1) 정속모터를사용하는경우는토출량도일정하다. ( 인버터와연동운전시는속도조절가능하다.) 2) 무단변속기또는가변속모터를사용하는경우토출량은자유로운조절이가능하다. 3) 속도가변운전시는회전수변동에따른영향을충분히고려한후결정해야한다. 9.6 구동기의선정모노의구동기는필요한유량이나, 유량범위, 제어방식에따라선정할수있습니다. 토출량을증감하고싶은경우에는변속기, 가변속모터, 인버터등을사용할수있다.
구동기구동방법사용예 3상유도전 V벨트구동모타상치일정량을이송할때동기또는횡치통상 300rpm이상으로사용 GEARD 일정량을이송할때직결또는 V벨트구동 MOTOR 통상 360rpm이하로사용바이엘변속통상변속비 1:4~1:6정도직결또는 V벨트구동모타수동변속이필요한경우통상변속비 1:10정도 VS모타직결또는 V벨트구동프로세스제어, 원격제어의경우크가가적고가벼움유압모타직결 ( 단, 별도 POWER UNIT 필요 ) 에어모타 직결 방폭구역 엔진 직결또는 V벨트구동 동력원을얻을수없는경우 * 인버터를이용하면변속이가능하다. * 사용조건에맞는최적의구동기를선택한다. 9.7 모노견적시 CHECK POINT 이송액의명칭, 용도, 비중, 점도, 온도, 농도 ( 마모성, 부식성 ) 혼입되어있는고형물의입자경, 혼합비, 함수율 요구하는유량 ( m3 /hr, l/min) 흡입또는토출, 총양정 (m 또는 kgf/ cm2 ) 예정배관 ( 구경, 총길이, 수직, 수평, 굴곡, 밸브수 ) 토출량조절여부, 운전시간 펌프재질 ( 사용자요구사항 + 제작자추천 ) 설치현장조건 구동전동기전압, 주파수방폭종류, 감변속방법 9.8 모노펌프의적용분야 화학용 : 각종화합물 ( 산, 알카리, 수지본드 ) 등의정량이송 제지펌프용 : 농축펌프, 각종탈수케익, 현탁액이송 식품이송용 : 제과, 제빵, 주조, 포도방, 쨈, 마요네즈, 버터등 하수및배수용 : 하수, 폐수, 폐유, 소와오니, 토사, 탈수, 케익, 응집제, 침전오수등의이송 석유정제용 : 기름, 찌꺼기, 석탄, 몰탈이송. 화장품이송용 : 바데, 기포몰탈, 코올타르, 모래슬러지, 시멘트의이송 제약용 : 각종시약및약품을정량이송 기타 : 고농도, 고점도, 마모성이강한슬러지등모든유체및고형물을함유한유체이송