개념 한 쪽
펌프는 유체를 송출하기 위해 동력을 사용하는 기계장치로, 동력 계산·효율 산정·종류별 특성 이해가 핵심이다. 본 개념에서는 펌프의 소요동력과 축동력 계산식, 전효율 계산 방법, 펌프 종류별 적합성 및 관련 현상인 캐비테이션과 공기실의 역할을 중심으로 정리한다.
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출제기준 단원 「펌프의 개론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 펌프 소요동력 계산 | 1 | 압력·유량·효율로 PS(마력) 산출하기 |
| 펌프 유형 선택 | 1 | 고압·대유량 조건에 적합한 펌프 유형 가리기 |
| 전효율 계산 | 1 | 단위 환산 후 유체동력 대비 소비동력으로 효율 백분율 구하기 |
펌프의 소요동력(PS, 마력)은 압력(kg/cm²)과 토출유량(ℓ/min), 그리고 펌프 효율을 사용하여 계산한다. 적용 공식은 소요동력 = 압력 × 유량 ÷ (450 × 펌프 효율)이다. 이 공식을 통해 문제에서 주어진 압력·유량·효율을 대입하여 마력 값을 산출한다.
펌프의 축동력은 파스칼 단위의 압력과 초당 유량(m³/s)을 이용하여 와트 단위로 구한다. 축동력의 기본식은 축동력 = 압력 × 유량 ÷ 전효율이며, 단위 통일(압력은 Pa, 유량은 m³/s)을 반드시 수행해야 한다. 효율은 분모에 위치하므로 전효율이 1보다 작으면 축동력은 유체에 전달되는 동력보다 커진다.
펌프 전효율은 유체에 전달된 이론적 동력(토출압력×토출유량)을 펌프가 소비한 동력으로 나눈 값으로 정의한다. 단위 환산(Pa, m³/s 등)을 정확히 수행한 뒤 유체 동력을 구하고, 이를 소비 동력으로 나누어 백분율로 표시한다.
펌프의 종류별 특징을 이해해야 한다. 회전 피스톤(로터리 피스톤) 펌프는 고압·대유량 조합에 적합하다는 설명이 있고, 기어 펌프는 주로 저압용, 베인 펌프는 중압에서 토출 맥동이 적고 저소음이라는 특징이 있다. 왕복(복동) 펌프는 고압은 가능하지만 대유량 공급에는 부적합하고 맥동이 생기므로 공기실로 맥동을 완화한다.
캐비테이션 현상은 흡입측 압력이 국부적으로 포화 증기압 이하로 내려가 유체 내에 기포가 생성되고, 고압부로 이동하면서 기포가 붕괴되어 임펠러 등의 부식을 일으키며 소음과 진동을 유발하는 현상으로 정의한다. 이러한 용어와 현상에 대한 구분은 펌프 운전과 유지관리에서 중요하다.
문제 1(소요동력 계산 예): 압력 80 kg/cm², 토출유량 50 ℓ/min, 펌프 효율 0.85인 펌프의 소요동력은 소요동력 = 80 × 50 ÷ (450 × 0.85)로 계산한다. 분자는 4,000, 분모는 382.5이므로 결과는 약 10.46 PS가 된다.
문제 2(전효율 계산 예): 토출압력 6.86 MPa, 토출량 4.5×10⁴ cm³/min, 소비동력 7.5 kW인 경우 전효율은 먼저 단위를 통일한다. 압력은 6.86×10⁶ Pa, 유량은 4.5×10⁴ cm³/min = 4.5×10⁻⁴ m³/s로 환산한 뒤 유체 동력 Q×P를 계산하면 약 5.145 kW가 된다. 전효율은 유체 동력 ÷ 소비동력 = 5.145 ÷ 7.5 ≈ 0.686, 즉 약 69%가 된다.
펌프의 압력이 80kg/cm², 토출유량이 50(ℓ /min)인 레디얼 피스톤 펌프의 소요동력(PS)은?(단, 펌프 효율은 0.85이다)
정답 ① · 펌프의 압력, 유량, 효율이 주어졌을 때 소요동력을 마력으로 계산하는 문제이다. 펌프 소요동력은 P = (p 곱하기 Q) 나누기 (450 곱하기 η) 공식으로 구하며, p는 압력(kg/cm²), Q는 유량(l/min), η는 펌프 효율이다.
펌프 소요동력(PS)은 압력(kg/cm²)×유량(ℓ/min)÷(450×효율) 공식을 적용하면 80×50÷(450×0.85) ≈ 10.46 PS가 된다.
다음 중 유압이 140kgf/cm²이고, 토출량이 200L/min 이상의 고압 대유량에 사용하기에 가장 적당한 펌프는?
정답 ① · 고압 대유량 조건에 적합한 유압 펌프를 선택하는 문제이다. 회전 피스톤 펌프는 여러 개의 피스톤이 회전하면서 토출하는 구조로 고압과 대유량을 동시에 만족시킬 수 있어 140kgf/cm²의 압력과 200L/min 이상의 토출량 조건에 가장 적합하다.
고압(140kgf/cm²)과 대유량(200L/min)을 동시에 만족하는 조건에는 회전 피스톤 펌프가 가장 적합하며, 기어/베인/복동 펌프는 한계가 있다.
토출압력이 6.86 MPa, 토출량은 4.5×10⁴ cm3/min, 회전수가 1000 rpm인 유압 펌프의 소비 동력이 7.5kW일 때, 펌프의 전효율은 약 몇 % 인가?
정답 ② · 유압 펌프의 전효율을 계산하는 문제이다. 유체 동력은 Q×P로 구하는데, 토출량 4.5×10⁴cm³/min을 초 단위로 환산하면 4.5×10⁴×10⁻⁶/60=7.5×10⁻⁴m³/s이고, 압력은 6.86×10⁶Pa이다.
전효율 η=(토출량×압력)/(동력×효율상수)로 계산하며, 단위 환산 후 대입하면 약 69%가 나온다.
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