KR20170107850A - 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프 - Google Patents

급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프 Download PDF

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KR20170107850A
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김대희
전인
김동주
천만기
심효섭
송경희
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주식회사 대영파워펌프
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Abstract

본 발명은 헤더파이프에서 다수 개의 펌프로 연결되는 다수 개의 흡입관의 헤더파이프 쪽 단부에 90도 가량의 엘보우를 연장 형성한 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프에 관한 것이다. 본 발명에서는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템에서 펌프의 흡입손실을 최소화하고, 두 대 이상의 펌프가 작동할 때에 펌프간 간섭현상을 최소화하며, 각 펌프의 흡입조건을 동일하게 함으로써 부스터펌프 시스템 전체의 효율적인 펌프 제어를 가능하게 하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명에서는, 급수 가압용 부스터 펌프 시스템의 흡입헤더파이프에 연결되는 다수 개의 흡입관의 단부를 엘보우로 연장 형성하였다. 즉, 일단부에 엘보우가 형성된 흡입관을 엘보우 부분이 흡입헤더파이프의 내부로 삽입되도록 장착하되, 흡입되는 유체의 방향과 대응되도록 엘보우의 단부를 배치시켰다. 흡입헤더파이프의 내부로 삽입되는 흡입관의 엘보우 부분은, 삽입되는 깊이가 최소가 되도록 하였다. 흡입헤더파이프에 연결되는 엘보우가 연장 형성된 흡입관 구조와 기존 방식 그리고 다른 형태의 흡입관 구조와의 차이를 확인하기 위해서, 각각에 대하여 전산유동해석을 수행하였으며, 이를 통해 가장 흡입손실이 적으며 펌프간 흡입조건이 동일한 구조가 엘보우가 연장 형성된 흡입관 구조임을 찾아내었다.
본 발명을 통해 급수 가압용 부스터 펌프 시스템에서 각 펌프의 흡입손실을 최소화하고, 두 대 이상의 펌프가 작동할 때에 펌프간 간섭현상을 최소화하며, 각 펌프의 흡입조건을 동일하게 함으로써 부스터펌프 시스템 전체의 효율적인 펌프 제어를 가능하게 하는 것이 가능하다.

Description

급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프{Header pipe in using water supply pressurize booster pump system}
본 발명은 빌딩이나 아파트에서 급수 가압용으로 사용하는 부스터 펌프시스템에 장착되는 헤더파이프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 헤더파이프에서 다수 개의 펌프로 연결되는 다수 개의 흡입관의 헤더파이프 쪽 단부에 90도 가량의 엘보우를 연장 형성함으로써 흡입손실을 최소화하고, 각 펌프별 흡입조건을 동일하게 하며 펌프간 흡입 과정에서 발생하는 간섭현상을 최소화하는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프에 관한 것이다.
급수 가압용 부스터 펌프 시스템은 빌딩이나 아파트에서 일정 양정을 유지하면서 실시간으로 변하는 유량에 대응하기 위해서 다수 개의 펌프를 병렬로 연결하여 사용한다. 병렬로 연결된 다수 개의 펌프는 사용 유량에 따라 대수제어 혹은 회전수 제어를 한다. 다수 개의 펌프를 병렬로 연결하기 위해서 헤더는 흡입헤더파이프와 토출헤더파이프가 각각 흡입배관과 토출배관에 연결되며, 흡입헤더파이프와 토출헤더파이프에 연결된 다수 개의 흡입관과 토출관에 의해서 다수 개의 펌프가 연결된다.
흡입관과 토출관은 통상적으로 흡입헤더파이프와 토출헤더파이프보다 구경이 작은 것을 사용하며, 흡입헤더파이프와 토출헤더파이프에 수직으로 연결된다. 흡입관과 흡입헤더파이프는 용접을 통해 연결되는데, 통상적으로 흡입관의 일부가 흡입헤더파이프 내부 공간으로 들어오지 않는 것을 원칙으로 하여 연결된다. 이러한 통상적인 연결방식은 그동안 많은 곳에서 사용되어지고 있으며, 가장 무난한 방법으로 인식되고 있다.
급수 가압용 부스터 펌프 시스템은 다수 개의 펌프 중에서 하나가 작동하기도 하고, 혹은 모든 펌프가 작동하기도 한다. 한 대의 펌프가 작동할 때에는 흡입관과 흡입헤더파이프의 연결부위의 형상이 펌프의 흡입손실에 많은 영향을 준다. 또한, 두 대 이상의 펌프가 동시에 작동할 때에는 펌프간 흡입간섭이 발생할 수 있는데, 이러한 흡입간섭은 펌프간 흡입 경쟁으로부터 시작된다. 한편, 부스터 펌프 시스템에서 전력을 적게 사용하는 효율적인 제어를 위해서 회전수 제어를 하는데, 두 대 이상의 펌프가 작동할 때에 흡입 조건은 동일하다는 가정하에 이루어진다. 따라서, 각 펌프의 흡입조건을 동일하게 하는 것은 효율적인 펌프의 제어를 위해서도 반드시 필요한 부분이다.
빌딩이나 아파트의 가압 급수용으로 사용되는 부스터 펌프 시스템은, 다른 용도의 펌프에 비해서 양정이 높은 것이 특징이다. 이는 배관의 구경에 비하여 유량이 적고 압력이 높다는 것을 의미한다. 또한, 유량이 적다는 것은 유속이 낮다는 것을 의미하는데, 유속이 낮기 때문에 유체 저항을 최소화하도록 설계된 기존의 방식이 최상이 아닐 수 있음을 의미한다. 오히려, 다수 개의 펌프가 가동되는 특수한 환경이기 때문에 펌프간 흡입 간섭이나 흡입 조건의 차이로 인한 효율적인 펌프 제어의 어려움이 더 큰 문제로 작용할 수 있다.
본 발명에서는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템에서 펌프의 흡입손실을 최소화하고, 두 대 이상의 펌프가 작동할 때에 펌프간 간섭현상을 최소화하며, 각 펌프의 흡입조건을 동일하게 함으로써 부스터펌프 시스템 전체의 효율적인 펌프 제어를 가능하게 하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명에서는, 급수 가압용 부스터 펌프 시스템의 흡입헤더파이프에 연결되는 다수 개의 흡입관의 단부를 엘보우로 연장 형성하였다. 즉, 일단부에 엘보우가 형성된 흡입관을 엘보우 부분이 흡입헤더파이프의 내부로 삽입되도록 장착하되, 흡입되는 유체의 방향과 대응되도록 엘보우의 단부를 배치시켰다. 흡입헤더파이프의 내부로 삽입되는 흡입관의 엘보우 부분은, 삽입되는 깊이가 최소가 되도록 하였다.
흡입헤더파이프에 연결되는 엘보우가 연장 형성된 흡입관 구조와 기존 방식 그리고 다른 형태의 흡입관 구조와의 차이를 확인하기 위해서, 각각에 대하여 전산유동해석을 수행하였으며, 이를 통해 가장 흡입손실이 적으며 펌프간 흡입조건이 동일한 구조가 엘보우가 연장 형성된 흡입관 구조임을 찾아내었다.
본 발명을 통해 급수 가압용 부스터 펌프 시스템에서 각 펌프의 흡입손실을 최소화하고, 두 대 이상의 펌프가 작동할 때에 펌프간 간섭현상을 최소화하며, 각 펌프의 흡입조건을 동일하게 함으로써 부스터펌프 시스템 전체의 효율적인 펌프 제어를 가능하게 하는 것이 가능하다.
도 1. 기존의 부스터 펌프 시스템의 헤더 구조.
도 2. 본 발명의 부스터 펌프 시스템의 헤더 구조.
도 3. 전산유동해석을 위한 흡입헤더파이프와 흡입관의 다양한 형태.
도 4. 전산유동해석을 위한 흡입관 삽입부의 (a) 기존 형태, (b) 돌출 형태, (c) 45도 형태, (d) 엘보우 형태.
도 5. 전산유동해석을 위한 경계 조건.
도 6. 흡입관 형태별 전산유동해석의 속도 분포 결과.
도 7. 흡입관 형태별 전산유동해석의 속도 벡터 분포 결과.
도 8. 흡입헤더파이프의 흡입 유량이 (a) 0.15 m3/min, (b) 0.60 m3/min일 때의 흡입관 형태별 흡입관 단부에서의 유속 비교 그래프.
도 9. 흡입헤더파이프의 흡입 유량이 (a) 1.20 m3/min, (b) 1.60 m3/min일 때의 흡입관 형태별 흡입관 단부에서의 유속 비교 그래프.
이하 본 발명에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 기존의 부스터 펌프 시스템의 헤더 구조를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 급수 가압용 부스터 펌프 시스템은 다수 개의 펌프(30)가 흡입헤더파이프(10)와 토출헤더파이프(40)에 병렬로 연결된다. 이를 위해서 흡입헤더파이프(10)와 각 펌프(30)간 다수 개의 흡입관(11, 12, 13)이 연결되고, 토출헤더파이프(40)와 각 펌프(30)간 다수 개의 토출관(41, 42, 43)이 연결된다.
다수 개의 흡입관(11, 12, 13)과 토출관(41, 42, 43)은 각기 흡입헤더파이프(10)와 토출헤더파이프(40)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 수직한 방향으로 연결되며, 연결의 방식은 통상 용접을 이용한다. 흡입관(11, 12, 13)과 흡입헤더파이프(10)가 만나는 부분은 흡입관(11, 12, 13)의 일부가 흡입헤더파이프(10) 내부로 돌출되지 않도록 흡입관(11, 12, 13)의 단부와 흡입헤더파이프(10)의 내주연 부분을 일치시켜서 용접을 하는 것이 통상적인 방법이다. 이는 유체 저항을 최소화하는 가장 기본적인 방법이기 때문에 그동안 꾸준히 사용되어 왔다.
하지만, 빌딩이나 아파트에 사용되는 이러한 급수 가압용 부스터 펌프 시스템의 유량-양정 특성을 살펴보면, 상황이 달라진다. 급수 가압용 부스터 펌프는 높은 양정을 요구하기 때문에 배관 크기에 비하여 상대적으로 압력이 높고 유량이 적다. 유량이 적다는 것은 배관을 통해 흐르는 유체의 유속이 낮다는 것을 의미한다. 유체저항은 유속에 의해 상당한 영향을 받으므로, 부스터 펌프 시스템에서 유체저항을 고려한 흡입관(11, 12, 13)과 흡입헤더파이프(10)의 기존 연결 방식은 재고해야할 부분이다.
한편, 급수 가압용 부스터 펌프 시스템은 유량의 변화에 따라 실시간으로 다수 개의 펌프를 대수제어와 회전수 제어를 통해 일정 양정을 유지하면서 유체를 공급하는 시스템이다. 근간에는 다수 개의 펌프가 가동될 때에 동일한 유량을 공급하면서도 전력을 가장 적게 사용하도록 효율적인 제어를 하는 것이 또하나의 목표가 되고 있다. 이를 위해서는, 각 펌프가 구동할 때의 조건을 동일하게 맞추어 주는 것이 반드시 필요하다. 하지만, 도시한 바와 같이 펌프의 위치에 따라 흡입 조건이 달라진다면 각 펌프의 효율적인 제어를 하는 것이 어려워진다.
도 2는 본 발명의 부스터 펌프 시스템의 헤더 구조를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 헤더 구조는 흡입헤더파이프(10)에 연결된 다수 개의 흡입관(11, 12, 13)의 단부에 각각 엘보우(20)를 연장하여 연결한 것이다. 흡입관(11, 12, 13)의 일단부에 연결 연장된 엘보우(20) 부분이 흡입헤더파이프(10) 내부로 삽입되며, 엘보우(20)의 입구 부분이 흡입헤더파이프(10)로 흡입되는 유체를 정면으로 바라보게 장착된다.
도시한 바와 같이, 흡입헤더파이프(10) 내부로 돌출된 다수 개의 흡입관(11, 12, 13)의 엘보우(20) 부분은, 각 펌프별 흡입 손실을 최소화하고, 각 펌프간 흡입조건을 동일하게 함으로써 펌프간 효율적인 제어를 가능하게 하며, 각 펌프간 흡입간섭을 최소화한다는 장점이 있다. 이에 대해서는 하기에서 상세하게 설명할 것이다.
도 3은 전산유동해석을 위한 흡입헤더파이프와 흡입관의 다양한 형태를 나타낸 것이고, 도 4는 전산유동해석을 위한 흡입관 삽입부의 (a)는 기존 형태, (b)는 돌출 형태, (c)는 45도 형태 그리고 (d)는 엘보우 형태를 나타낸 것이다. 본 발명을 창작하기 위해서 흡입관(11, 12, 13)과 흡입헤더파이프(10)가 연결되는 부분의 다양한 형태에 대해 3D 모델링과 전산유동해석을 수행하였다. 도시한 바에서, 흡입관(11, 12, 13)의 엘보우 형태가 본 발명에 관한 것이다. 토출헤더파이프(40) 부분은 흡입헤더파이프(10) 부분과 내용이 중복되므로 상세한 설명을 생략한다.
도 5는 전산유동해석을 위한 경계 조건을 설정하기 위한 격자구조를 나타낸 것이다. 상기 네가지 형태의 흡입관 구조에 대해서 흡입헤더파이프(10)의 구경은 100mm, 흡입관(11, 12, 13)의 구경은 50mm로 설정하였다. 또한, 전산유동해석을 위해 전체 Cell은 31,618개, Fluid cell은 16,078 개, Solid cell은 15,540개 그리고 Partial cell은 88,440개를 설정하였다.
전산유동해석은 실제 부스터펌프시스템이 사용되는 조건과 동일하게 하기 위해서 유량을 0.15 m3/min, 0.60 m3/min, 1.20 m3/min 그리고 1.60 m3/min으로 설정하였으며, 세 대의 펌프가 동일하게 작동하여 동일한 유량을 흡입한다는 조건을 경계조건으로 설정하였으며 이를 표 1에 나타내었다.

경계조건		 유량 [m3/min]
흡입관1 흡입관2 흡입관3 총유량
유량 0.15 m3/min 0.05 0.05 0.05 0.15
유량 0.60 m3/min 0.20 0.20 0.20 0.60
유량 1.20 m3/min 0.40 0.40 0.40 1.20
유량 1.60 m3/min 0.60 0.60 0.60 1.60
이렇게 해서 전산유동해석한 결과는 다음과 같다. 도 6은 흡입관 형태별 전산유동해석의 속도 분포 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 흡입관 형태별 전산유동해석의 속도 벡터 분포 결과를 나타낸 것이다. 도 6과 도 7에 도시한 바는 유량이 0.60 m3/min일 때의 해석결과를 나타낸 것인데, 다른 유량에 대해서 전산유동해석을 수행하였으며 본 결과와 유사한 결과가 도출되어 설명의 중복을 피하고 하기에서 결과값으로 설명할 것이다.
도시한 바에서, 기존의 흡입관 형태인 (a)와 본 발명의 흡입관 형태인 (d)를 위주로 설명하고자 한다. 도시한 바는 전산유동해석을 통한 속도 분포와 속도 벡터를 나타낸 것이다. 펌프의 흡입구와 맞닿는 부분인 흡입관(11, 12, 13) 말단부의 속도 분포를 보면 기존 형태인 (a)에 비해 본 발명의 (d)의 경우가 더 일정한 것을 알 수 있다. 이는 두가지를 시사하는데, 첫번째는 본 발명이 기존 방식에 비해서 흡입 조건이 더 안정하다는 것과, 두번째는 본 발명이 기존 방식에 비해서 펌프 흡입시 발생할 수 있는 캐비테이션 요인이 더 적다는 것을 의미한다. 이와 같은 내용은 속도 분포를 통해 유추할 수 있는 것인데, 이를 수치화한 설명은 하기에서 하고자 한다.
도 8은 흡입헤더파이프의 흡입 유량이 (a) 0.15 m3/min, (b) 0.60 m3/min일 때의 흡입관 형태별 흡입관 단부에서의 유속 비교 그래프를 나타낸 것이고, 도 9는 흡입헤더파이프의 흡입 유량이 (a) 1.20 m3/min, (b) 1.60 m3/min일 때의 흡입관 형태별 흡입관 단부에서의 유속 비교 그래프를 나타낸 것이다. 도 8과 도 9에 도시한 네 개의 그래프는 각기 유량에 따른 흡입관 타입별 그리고 흡입관별 유속을 비교한 것이다. 상세한 결과는 다음 표 2에 나타내었다.
유량조건 구분 흡입관
기존타입 A		 흡입관
돌출타입 B		 흡입관
45도타입 C		 흡입관
엘보타입 D
0.15 m3/min 흡입관1 0.709 0.730 0.715 0.690
흡입관2 0.701 0.704 0.700 0.689
흡입관3 0.679 0.680 0.690 0.683
0.60 m3/min 흡입관1 2.833 2.917 2.860 2.760
흡입관2 2.792 2.818 2.805 2.756
흡입관3 2.714 2.714 2.759 2.729
1.20 m3/min 흡입관1 5.660 5.431 5.733 5.537
흡입관2 5.579 5.644 5.648 5.523
흡입관3 5.446 5.431 5.547 5.457
1.60 m3/min 흡입관1 8.479 8.755 8.597 8.304
흡입관2 8.355 8.442 8.473 8.277
흡입관3 8.191 8.166 8.293 8.194
유량에 따른 네 개의 그래프가 서로 유사한 경향을 보이므로 유량이 0.60 m3/min인 도 8의 (b)를 위주로 설명하고자 한다. 측정된 값은 각 펌프가 일정한 유량을 동시에 흡입한다는 조건하에, 각 흡입관(11, 12, 13)별 말단부에서의 유속을 계산한 것이다. 동일한 유량을 흡입하는데 유속이 크다는 것은 흡입 손실이 크다는 것을 의미하고 반대로 유속이 작다는 것은 흡입 손실이 적다는 것을 의미한다. 즉, 동일 유량 흡입시 유속이 낮을수록 흡입 손실이 적다는 것을 의미한다.
도시한 바와 같이, 대부분의 경우 흡입관1(11)이 흡입관3(13)에 비하여 유속이 크다는 것을 알 수 있는데, 이를 통해 흡입헤더파이프(10)의 입구에 가까운 펌프일수록 흡입 손실이 크다는 것을 알 수 있다. 이는 흡입관2(12)와 흡입관3(13)에 장착된 펌프가 흡입하는 양만큼의 유량이 흡입관1(11)의 입구 부분을 지나가기 때문이다. 즉, 흡입관별 흡이손실이 가장 작은 것은 가장 말단부에 장착된 펌프이다.
도 8의 (b)에 도시한 바에서, 본 발명의 엘보타입 흡입관은 기존 형태인 기존타입A와 또다른 형태들에 비하여 전반적으로 흡입관별 유속이 낮음을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명이 기존 형태와 다른 형태의 흡입관에 비하여 흡입 손실이 적음을 알 수 있다. 이는, 동일한 조건에서 사용하였을 때에 흡입 손실이 적음으로써 부스터 펌프 시스템 전체의 효율이 더 좋다는 것을 의미하며, 이는 사용 전력이 더 적게 소요된다는 것을 의미한다.
도 8의 (b)에 도시한 바에서, 본 발명의 엘보타입 흡입관은 기존 형태인 기존타입A와 또다른 형태들에 비하여 흡입관별 유속의 차이가 작다는 것을 알 수 있다. 흡입관별 유속의 차이는 펌프별 흡입조건의 차이를 의미하는데, 이는 펌프별 효율적인 제어를 하는데 있어서 중요한 부분이다. 즉, 펌프별 흡입조건이 동일할수록 효율적인 펌프 제어에 유리하다. 도시한 바와 같이 본 발명의 엘보타입은 흡입관별 유속의 차이가 가장 작음을 알 수 있다. 이는 본 발명을 부스터 펌프 시스템에 적용함으로써 부스터 펌프 시스템 전체를 효율적으로 제어하는데 더 유리하다는 것을 의미한다.
10...흡입헤더파이프 11...흡입관1
12...흡입관2 13...흡입관3
20...엘보우 30...펌프
40...토출헤더파이프 41...토출관1
42...토출관2 43...토출관3

Claims (3)

  1. 빌딩이나 아파트의 급수 가압용으로 사용하는 부스터 펌프 시스템에 있어서,
    흡입관(11, 12, 13)의 단부에 엘보우(20)가 연장 형성되고, 연장 형성된 엘보우(20)의 입구 부분이 흡입헤더파이프(10)로 흡입되는 유체를 향하여 흡입헤더파이프(10)의 내부로 돌출되어 장착되는 흡입헤더파이프(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프.
  2. 제 1항에 있어서,
    흡입헤더파이프(10)에 장착되는 흡입관(11, 12, 13) 중에서 말단부에 장착되는 흡입관3(13)을 제외한 흡입관1(11)과 흡입관2(12)의 단부에만 엘보우(20)가 장착되는 것을 특징으로 하는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프.
  3. 빌딩이나 아파트의 급수 가압용으로 사용하는 부스터 펌프 시스템에 있어서,
    흡입관(11, 12, 13)의 단부에 엘보우(20)가 연장 형성되고, 연장 형성된 엘보우(20)의 입구 부분이 흡입헤더파이프(10)로 흡입되는 유체를 향하여 흡입헤더파이프(10)의 내부로 돌출되어 장착되는 흡입헤더파이프(10); 및
    토출관(41, 42, 43)의 단부에 엘보우(20)가 연장 형성되고, 연장 형성된 엘보우(20)의 입구 부분이 토출헤더파이프(40)에서 토출되는 유체 방향으로 토출헤더파이프(40)의 내부로 돌출되어 장착되는 토출헤더파이프(40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 급수 가압용 부스터 펌프 시스템용 헤더파이프.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200078321A (ko) 2018-12-21 2020-07-01 영월고소애협동조합 갈색거저리 분말을 이용한 다식 제조방법

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