점도가 펌핑에 미치는 영향

Jun 20, 2023

액체의 점도가 펌핑 시스템에 어떤 영향을 미치는지 이해하려면 점도가 무엇을 나타내는지 이해하는 것이 중요합니다. 정의에 따르면 점도는 주로 파이프 벽 영역에서 액체 흐름으로 인해 발생하는 전단 응력에 대한 저항을 제공하는 액체의 특성입니다.

이미지 1은 정적 경계면에 대한 액체의 속도 프로파일을 보여줌으로써 이를 보여줍니다. 정적 경계면이나 파이프 벽에서 액체의 속도는 0입니다. 정적 표면으로부터 거리가 멀어질수록 액체의 속도는 증가합니다. 단위 면적당 힘은 유체의 최대 속도 v를 정적 표면으로부터의 거리 d로 나눈 속도 구배 v/d의 함수입니다.

절대 점도 μ(Mu)는 전단 응력(또는 단위 면적당 힘)을 전단 속도로 나눈 몫입니다. 밀도에 비례하여 점도를 표현하는 것이 일반적이며 이를 운동학적 점도라고 합니다. 동점도는 그리스 문자 ν(Nu)로 표시됩니다. 동점도를 측정하는 일반적인 방법은 SSU(Saybolt Seconds Universal)입니다(이미지 2 참조). 이는 바닥에 측정된 오리피스가 있는 용기에서 특정 온도에서 측정된 양의 액체가 배출되는 데 걸리는 시간을 나타냅니다. 예를 들어, 물의 점도는 화씨 60도(F)에서 약 31SSU입니다. 이에 비해 경질 윤활유의 점도는 100 또는 200 SSU일 수 있습니다. 점성이 더 높은 윤활유의 점도는 수천 SSU에 달하며, 점성이 매우 높은 유체(예: 무거운 타르)의 점도는 최대 100만 SSU에 이릅니다.

펌프 유형에 따라 액체 점도의 영향이 다릅니다. 구체적으로 세 가지 유형의 펌프인 원심형(이미지 3), 왕복형(이미지 4), 회전형(이미지 5) 펌프를 살펴보겠습니다.

왕복동 펌프와 회전 펌프는 용적형(PD) 제품군에 속합니다. PD 펌프는 샤프트가 회전할 때마다 체적 누출(슬립)을 제외한 특정 체적을 변위시킵니다.

원심 펌프는 로토다이나믹 펌프 제품군에 속합니다. 로토다이나믹 펌프는 회전하는 임펠러, 프로펠러 또는 로터를 통해 펌핑된 유체에 에너지가 지속적으로 전달되는 운동 기계입니다. 가장 일반적인 유형의 로토다이나믹 펌프는 원심(방사형) 유형입니다. 원심 펌프에서 액체는 임펠러 눈에서 축 방향으로 임펠러로 들어가고 날개 사이에서 반경 방향으로 진행하여 외부 직경으로 빠져나가 그림 3과 같이 디퓨저 또는 볼류트 배열로 수집됩니다. 이러한 액체가 어떻게 작동하는지 고려하는 것이 중요합니다. 펌프 유형도 다르며 물리적인 측면도 다릅니다. 이러한 차이로 인해 점성 액체에 대해 작동이 크게 달라지기 때문입니다.

유압 성능 테스트를 위해 ANSI/HI 14.6 로토다이나믹 펌프에 따라 깨끗한 물로 원심 펌프의 성능을 테스트하는 것이 업계 표준입니다. 임펠러가 회전할 때 마찰이 증가하고 물 테스트에 비해 흐름에 대한 저항이 커지기 때문에 점성 액체를 취급할 때 원심 펌프의 성능이 영향을 받습니다. 물에 비해 점성 액체의 경우 효율 감소와 수두 및 유속 감소로 인해 입력 전력이 크게 증가합니다.

이미지 6의 성능 곡선은 점도가 1,000 SSU이고 비중이 0.9인 도포 액체에 대한 수분 성능과 보정된 점성 성능을 보여줍니다. 점성 데이터는 유압 협회 표준 ANSI/HI 9.6.7 회전 역학 펌프 성능에 대한 액체 점도의 영향에 따라 물 성능 테스트에서 수정되어야 합니다. ANSI/HI 9.6.7은 이미지 6과 같이 성능을 수정하는 데 사용되었습니다. 이 표준은 전 세계 소스에서 제공되는 테스트 데이터를 기반으로 하는 경험적 방법을 규정합니다.

HI 방법을 사용하면 펌프 사용자와 설계자는 물에 대한 성능을 고려하여 알려진 점도의 액체에 대한 특정 회전 역학 펌프의 성능을 예측할 수 있습니다. 점성 액체에 필요한 작업에 적합한 펌프와 드라이버를 선택하려면 절차가 중요합니다. 이미지 6에는 표시되지 않았지만 우려 사항은 3% 수두 손실이 기록되는 필수 순 포지티브 흡입 수두(NPSH) 증가(NPSH3)와 점성 액체에 필요한 시동 토크 증가입니다. 이에 대한 고려 사항은 ANSI/HI 9.6.7에 설명되어 있습니다.