기초 강좌｜정밀펌프기술 1-2. 다이아프램 펌프 자주 발생하는 트러블
소용돌이 펌프와의 차이
"컨트롤밸브를 이용한 pH 제어에서, 약주 펌프로서 소용돌이 펌프에서 다이아프램 펌프로 교환하자 다이아프램 펌프와 배관이 파손되었다"
이 트러블은 소용돌이 펌프와 다이아프램 펌프의 특성 차이를 가장 잘 나타내는 좋은 예입니다.
그럼 차이를 살펴봅시다.
소용돌이 펌프의 경우
예를 들어 pH14의 폐수를 중화(pH7) 제어는 경우를 생각해 보겠습니다.
- pH14를 나타내는 신호 20mA가 pH계로부터 송신되면, 컨트롤밸브가 완전히 열리고 소용돌이 펌프의 유량은 최대가 됩니다.
- pH값이 저하되면 pH계로부터의 신호 전류도 점차 감소하고, 그에 따라 컨트롤밸브의 개방도가 좁혀집니다. 그 결과, 압력 손실이 증대되기 때문에 이송액이 소용돌이 펌프의 케이싱과 임펠러의 틈새에서 역류하여 토출량이 감소됩니다.
- pH가 7이 되면 신호가 4mA가 되고, 컨트롤밸브가 완전히 닫힙니다. 그러면 토출량과 역류량이 동일해져, 결과적으로 유량이 제로가 됩니다.
따라서 펌프가 작동하고 있어도 펌프의 양정 이상으로 승압하지 않게 되어, 펌프부나 배관이 파손(파열)되는 경우는 거의 없습니다. (워터해머 등에 의한 파손은 별개의 문제입니다)
같은 라인에서 소용돌이 펌프를 다이아프램 펌프로 바꾼 경우
(릴리프 밸브는 설치하지 않은 것으로 합니다)
- pH14를 나타내는 신호 20mA가 pH계로부터 송신되면, 컨트롤밸브가 완전히 열립니다.
따라서 다이아프램 펌프에 대한 영향은 거의 없습니다. (밸브의 압력 손실만 발생) - pH값이 저하되면 pH계로부터의 신호 전류도 점차 감소하고, 그에 따라 컨트롤밸브의 개방도가 좁혀집니다.
여기까지는 소용돌이 펌프의 경우와 같지만……
이 다음이 크게 다릅니다. 역류 방지 밸브의 작용을 떠올려 보세요.
"일단 실린더(펌프 헤드) 내에 들어간 액체는, 역류 방지 밸브의 작용에 의해 토출측에서 억지로라도 배출된다"
따라서 아무리 큰 힘으로 체크볼을 억누르고 있어도, 어딘가가 파손될 때까지 실린더 내의 압력이 증대됩니다.
즉, 컨트롤 밸브의 개방도가 좁혀졌음에도 불구하고 다이아프램 펌프로부터는 일정량의 액체가 토출된다는 것입니다. 그리고 이때 매우 큰 압력이 발생하여, 펌프나 배관 등에 중대한 영향을 초래합니다.
따라서, 다이아프램 펌프의 토출량을 컨트롤밸브로 제어하려고 하는 것은 큰 오류라고 할 수 있습니다.
컨트롤밸브로 다이아프램 펌프의 토출량은 바꿀 수 없다는 것입니다.
이와 같이, 결과적으로 컨트롤밸브를 통과할 때 압력 손실이 증대됩니다.
또한 일반적으로 다이아프램 펌프의 토출 파형은, (그림 3)과 같이 사인곡선을 그립니다. 이는 토출 스피드(유속: 순간유량)가 일정하지 않고, 주기적으로 빨라지거나 느려지는 것을 뜻합니다.
숫자로 나타내면, 가장 유속이 빠를 때는 평균 유속의 π배(약 3.14배)가 됩니다.
또한 컨트롤밸브(노즐부)의 압력 손실은, 대략적으로 말하면 개구부 직경의 제곱에 반비례하여 증대됩니다. 예를 들어 관 지름이 절반이 되면 압력 손실은 4배가 됩니다.
이 점으로 보아 다이아프램 펌프의 토출량을 컨트롤밸브로 제어하려 하는 것은, 압력이 현저히 증대될 가능성이 있어 매우 위험하다고 할 수 있습니다.
다이아프램 펌프의 토출량을 제어하는 방법
컨트롤밸브를 사용하지 않고 토출량을 제어하려면 어떻게 하면 좋을까요?
그 답은,
"컨트롤밸브를 제거하고 다이아프램 펌프의 회전수(스트로크 수)를 제어하는 방법으로 바꾼다"
이 방법은 다이아프램 펌프의 1 스트로크당 양을 바꾸지 않고 스트로크 속도를 바꾸어, 결과적으로 총량(예를 들면 1분당 양)을 증감시키는 것입니다.
따라서 pH계로부터의 신호는, 이하와 같은 제어 방식으로 송신하게 됩니다.
- 인버터 회전수 제어 방식
- 사이리스터 회전수 제어 방식
- 무단 변속기 회전수 제어 방식
등이 있는데, 어느 방식을 적용할지는 액 특성, 제어 목적, 예산 등에 따라 바뀝니다.
예를 들어 (그림 4)와 같이 됩니다.
만약 어떤 현장에서 소용돌이 펌프를 다이아프램 펌프로 바꿀 일이 있다면, 지금까지 설명한 점에 충분히 유의하여 대처해 주십시오.
또한 다이아프램 펌프의 다이아프램이 파손되거나 토출측 배관이 파열된 현장에서는, 수리 시 배관 내에 컨트롤밸브가 설치되어 있지 않은지 확인해야 합니다.
다이아프램 펌프의 양정과 다이아프램 펌프의 최고 허용 압력
이에 대해 다이아프램 펌프의 최고 허용 압력이 0.3MPa라는 것은, 압력이 0.3MPa 이상이 되면 펌프가 파손될 가능성이 있다는 것으로, 결코 펌프 토출구에 0.3MPa의 압력이 있다는 것이 아닙니다.
다이아프램 펌프에 걸리는 압력은 토출측 압력(배관 저항 포함)을 따릅니다.
즉, 펌프에 걸리는 압력은 토출측 압력이 0.01MPa이면 0.01MPa, 10mPa이면 10MPa가 됩니다.
관례로 다이아프램 펌프의 최고 허용 압력을 양정이라고 하기도 하는데, 소용돌이 펌프의 양정과는 의미가 다름을 이해해 두시기 바랍니다.
TACMINA의 "스무즈플로우펌프"는, 다이아프램 펌프의 과제였던 맥동을 억제하여 연속적 정량 공급을 실현하는 유일한 펌프입니다. 압력 변동의 영향을 받지 않아, 송액량이 항상 일정합니다.
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