개념 한 쪽
유체의 거동과 장비 운전 원리는 현장 설계와 유지관리의 기초가 된다. 배관 내 압력손실, 펌프 흡상 한계, 송풍기 상사법칙, 관경 산정 등은 기본 원리로 문제를 해결한다.
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출제기준 단원 「유체의 물리적 성질」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 펌프 흡상 허용 고도 판단 | 1 | 이론적 대기압 한계와 실제 설치 기준을 구별하여 적정 흡입고도를 고르기 |
| 관경 산정 계산형 | 1 | 주어진 유량과 유속으로 관 단면적과 지름을 계산하여 상용 관경을 결정하기 |
| 공동현상 방지 조치 선택 | 1 | 공동현상의 원인을 파악하고 가장 유효한 방지 방법을 고르기 |
배관 내 마찰에 의한 압력손실은 Darcy-Weisbach 식 등에 따라 결정되며, 주요 관계는 관 길이에 비례하고 관 내경에 반비례하며 유체 속도의 제곱에 비례하고 밀도에 비례한다. 직관적으로는 '손실은 길고, 좁고, 빠를수록 커진다'로 기억하면 된다.
펌프의 흡상은 진공이 아닌 대기압에 의해 물이 유입되는 원리다. 이론적으로 표준 대기압은 약 10.33m 높이의 물기둥을 지탱하지만, 현장에서는 마찰손실과 기포 발생 등을 고려하여 실제 흡입고도는 더 낮게 제한한다. 일반적으로 안전한 설치 기준은 7m 이내로 본다.
송풍기(팬)의 상사법칙은 회전수와 크기 변화가 풍량·압력·동력에 미치는 영향을 규정한다. 회전수 변화에서는 풍량이 비례, 압력은 제곱, 동력은 세제곱으로 변한다. 크기 변화에서는 풍량이 크기비의 세제곱, 압력은 제곱, 동력은 다섯제곱에 비례한다.
관내 유량 계산에서는 Q=V·A를 이용하며, 단면적 A는 관경 d로부터 πd²/4로 구한다. 따라서 문제에서 주어진 d는 관의 지름(Diameter)을 의미한다. 마찰저항선도는 관경 선정 시 유속과 마찰저항을 입력값으로 사용하여 적정 관경을 결정하는 도구다.
공동현상(기포 발생 현상, cavitation)은 펌프 흡입측의 압력이 지나치게 내려가면 유체 중에 기포가 생기고 이들이 파괴되면서 손상과 성능저하를 초래하므로 이를 방지하려면 흡입양정을 낮추어 흡입측 압력을 높이는 방법이 가장 유효하다. 토출측 조작은 공동현상 방지에 직접적 영향을 주기 어렵다.
유량과 유속이 주어졌을 때 관경을 산정하는 전형적 계산은 다음과 같다. 유량이 0.042m³/min일 때 초 단위로 환산하면 0.0007m³/s가 된다. 유속이 1.5m/s이면 단면적 A=Q/V=0.0007÷1.5≈0.000467m²가 된다. 원형 관의 지름 d는 A=πd²/4에서 d≈sqrt(4A/π)≈0.0244m 즉 약 24.4mm가 된다. 상용 규격으로 가장 근접한 관경은 25A를 선택한다.
펌프 공동현상 방지의 대표적 선택지는 흡입양정 낮추기이다. 흡입양정을 낮추면 펌프 입구 압력이 상대적으로 높아져 기포 발생을 억제하므로 공동현상 발생 위험을 줄인다.
펌프의 흡상작용은 진공에 의한 것이므로 이론적으로 대기압에 상당하는 높이 이상으로 빨아올릴 수 없다. 실제로 풋밸브 등의 마찰손실이나 수중에 함유된 공기나 물자체의 증발 등에 의해 이 높이는 위의 높이와 다른 값을 가진다. 따라서 펌프는 최저수면에서 얼마이내에 장치하여야 하나?
정답 ② · 펌프의 실제 흡입 가능 높이(흡상 높이)의 설치 기준을 묻는 문제이다. 대기압 1기압이 이론적으로 물을 밀어 올릴 수 있는 수두는 약 10.33m이지만, 실제로는 풋밸브와 배관의 마찰손실, 수중에 함유된 공기, 물의 증발에 의한 증기압 등으로 흡상 높이가 감소한다.
대기압으로 물을 밀어 올릴 수 있는 이론적 한계는 약 10.33m이나, 마찰손실과 기포 발생을 고려하여 실제 펌프 설치 높이는 7m 이내로 제한한다.
1.5m/sec의 유속으로 0.042m³/min의 유량이 흐를 때 배관의 관경을 계산하여 결정한 것 중 맞는 것은?
정답 ③ · 유량(Q) = 0.042m3/min = 0.0007m3/s, 유속(V) = 1.5m/s입니다. 배관의 관경(D)은 유량과 유속의 관계식 Q = V × A(단면적)에서 역산할 수 있습니다.
유량 Q=V×A 공식을 이용해 단면적을 구한 후 직경을 계산하면 약 24.4mm로, 가장 가까운 상용 관경 25A가 정답이다.
다음 중 펌프에서 공동현상(cavitation)을 방지하기 위한 가장 유효한 방법은?
정답 ① · 펌프의 공동현상 방지 방법을 묻는 문제이다. 공동현상은 펌프 흡입측 압력이 그 온도의 포화증기압 이하로 떨어지면 물속에 기포가 생기고, 이 기포가 임펠러에서 파괴되며 소음, 진동, 마모를 일으키는 현상이다.
공동현상은 흡입양정이 높을 때 발생하므로 이를 낮추어 흡입측 압력을 높여야 공동현상을 방지할 수 있다.
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