KR20180026054A - 차온을 이용한 펌프의 유량 연산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체를 공급하는 펌프에 있어서, 흡입배관과 토출배관의 온도차이, 압력차이 그리고 모터에 공급되는 전력을 파악하여 열역학적 펌프 효율 측정방법과 수력학적 펌프 효율 측정방법을 조합한 연산식을 이용하여 펌프가 공급하는 유량을 연산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 유량계를 사용하지 않고도 펌프가 공급하는 유량을 연산하는 방법을 제공하고자 한다. 특히, 펌프가 최고회전수로 작동하건 혹은 인버터 제어를 받아 회전수 제어되건 상관없이 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있어야 한다.
본 발명에서는 펌프의 흡입배관과 토출배관에 각각 압력센서와 온도센서를 장착하고, 모터에 공급되는 전력을 측정하기 위해 전력계를 장착한다. 측정 요소로 흡입배관과 토출배관의 온도차이, 압력차이 그리고 모터에 공급되는 전력을 측정하며, 이를 열역학적 효율 측정방법과 수력학적 효율 측정방법으로 도출한 식에 대입함으로써 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있다.
본 발명을 통해 유량계가 없어도 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있다는 효과가 있다. 이러한 정보를 통해 불필요한 유량 및 양정을 즉각적으로 모니터링 하며, 이를 펌프의 제어를 위한 정보로 활용함으로써 펌프를 더욱더 효율적으로 운용할 수 있다는 효과가 있다.

Description

차온을 이용한 펌프의 유량 연산 방법{Flow rate calculation method using different temperature at pump}

본 발명은 유체를 공급하는 펌프에 있어서, 펌프가 공급하는 유량을 펌프 전후단의 온도차를 이용하여 연산하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 흡입배관과 토출배관의 온도차이, 압력차이 그리고 모터에 공급되는 전력을 파악하여 열역학적 펌프 효율 측정방법과 수력학적 펌프 효율 측정방법을 조합한 연산식을 이용하여 펌프가 공급하는 유량을 연산하는 방법에 관한 것이다.

펌프가 공급하는 유체의 양을 측정하는 방법으로 가장 일반적인 방법은, 유량계를 토출배관에 설치하는 것이다. 하지만, 유량계는 가격이 고가인데다 유지 및 보수하는데 비용이 많이 소요되므로, 펌프를 실제로 사용하는 현장에서는 유량계를 사용하기 어려운 것이 현실이다. 펌프가 공급하는 유체의 양은, 펌프를 효과적으로 운용하기 위해서 필요한 정보이지만 유량계를 사용하지 않고 유량을 측정하는 것이 기술적으로 곤란하기 때문에 이전까지는 토출배관의 압력만으로 펌프를 제어한다.

펌프의 효율을 측정하는 방법은, 수력학적 측정방법과 열역학적 측정방법이 있다. 수력학적 측정방법은 전통적인 방법으로써, 펌프에 공급하는 전력과 펌프가 한 일의 비율을 바탕으로 펌프의 효율을 측정하는 방법으로 측정 요소는 전력, 압력, 유량이다. 열역학적 측정방법은 새로이 사용되는 방법으로써, 펌프에 의해 손실된 열에너지를 측정함으로써 펌프의 효율을 측정하는 방법으로 측정 요소는 전력, 압력 그리고 흡입배관과 토출배관의 온도 차이이다.

열역학적 효율 측정 방법은, 유량계를 사용하지 않아도 되고, 운용되고 있는 펌프도 손쉽게 효율을 측정할 수 있으므로 현재는 폭넓게 사용되고 있다. 또한, 열역학적 효율 측정방법으로 측정한 효율과 수력학적 효율 측정방법으로 측정한 효율이 상당히 일치하고 있어서, 현재는 열역학적 측정 방법을 많이 선호하고 있는 실정이다.

본 발명에서는, 유량계를 사용하지 않고도 펌프가 공급하는 유량을 연산하는 방법을 제공하고자 한다. 특히, 펌프가 최고회전수로 작동하건 혹은 인버터 제어를 받아 회전수 제어되건 상관없이 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있어야 한다.

유량계를 사용하지 않고 펌프가 공급하는 유량을 알아내기 위해서, 본 발명에서는 펌프의 흡입배관과 토출배관에 각각 압력센서와 온도센서를 장착하고, 모터에 공급되는 전력을 측정하기 위해 전력계를 장착한다. 측정 요소로 흡입배관과 토출배관의 온도차이, 압력차이 그리고 모터에 공급되는 전력을 측정하며, 이를 열역학적 효율 측정방법과 수력학적 효율 측정방법으로 도출한 식에 대입함으로써 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있다.

본 발명을 통해 유량계가 없어도 펌프가 공급하는 유량을 연산할 수 있다는 효과가 있다. 이러한 정보를 통해 불필요한 유량 및 양정을 즉각적으로 모니터링 하며, 이를 펌프의 제어를 위한 정보로 활용함으로써 펌프를 더욱더 효율적으로 운용할 수 있다는 효과가 있다.

도 1. 펌프가 받는 일과 하는 일.
도 2. 펌프가 받는 일과 하는 일 그리고 전동기의 전력.
도 3. 전동기의 전력과 펌프가 하는 일.
도 4. 본 발명의 개략도.
도 5. 본 발명을 통해 구한 온도차이에 대한 유량.
도 6. 본 발명의 흐름도.

본 발명은, 펌프(10)의 효율을 측정하는 열역학적 방법과 수력학적 방법을 이용한다. 이를 위해 먼저 열역학적 펌프 효율 측정 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 펌프가 받는 일과 하는 일을 나타낸 것이다. 도시한 바에서 펌프(10)의 효율은 다음의 수학식 1로 표현된다.

상기 수학식 1에서, η_열은 열역학적으로 측정한 펌프(10)의 효율, W_i는 펌프(10)가 공급받은 에너지, W_o는 펌프(10)가 한 일의 양, Losses는 펌프(10)가 손실한 에너지, dT는 펌프(10) 전후단의 온도 차이, C_p는 유체의 비열, Q는 유량, g는 중력가속도, H는 양정이다. 전양정 H는 압력으로 환산이 가능하다. 상기 수학식 1에서 유량 Q는 서로 상쇄되어, 최종적으로는 dT, C_p, g, H만 알면 펌프(10)의 열역학적 효율을 알 수 있다. 여기서, C_p와 g는 상수로 처리할 수 있으므로 dT와 H만 알면 효율(η_열)을 알 수 있다.

도 2는 펌프가 받는 일과 하는 일 그리고 전동기의 전력이다. 상기의 수학식 1에서 dT는 도시한 바의 T_o와 T_i의 차이이고, H는 도시한 바의 H_o와 H_i의 차이이다. 여기서, H_o와 H_i는 압력을 측정함으로써 환산이 가능한데, 양정(H)과 압력(p) 사이의 관계는 다음의 수학식 2로 환산이 가능하다.

상기 수학식 2에서, p_o와 p_i는 각각 토출배관(31)과 흡입배관(21)의 압력이고, ρ는 유체의 밀도 그리고 g는 중력가속도이다. 즉, 상기 수학식 2를 통해 펌프(10) 전, 후단의 압력을 측정하면 H를 알 수 있다.

한편, 펌프(10)의 효율을 수력학적으로 측정하는 방법은 다음의 수학식 3을 이용한다.

상기 수학식 3에서 γ는 유체의 비중, Q는 유량, W_i는 펌프(10)가 공급받은 에너지, P_m은 전동기(11)의 전력 그리고 η_m은 전동기(11)의 효율이다. 즉, 수력학적으로 펌프(10)의 효율을 측정하기 위해서는, 유량(Q)과 양정(H)을 측정하고 전동기(11)의 전력(P_m)과 효율(η_m) 값을 알면 가능하다.

통상적으로 펌프에 있어서, 열역학적으로 측정한 효율(η_열)과 수력학적으로 측정한 효율(η_수)은 근사하므로 이를 동일하게 놓고 수식을 풀면 다음의 수학식 4와 같다.

상기 수학식 4는, 수학식 1과 수학식 3을 통해 구한 것이며, 이를 통해 유량(Q)을 연산할 수 있다. 도 4는 본 발명의 개략도를 나타낸 것이다. 도시한 바와 수학식 4를 참조하여 유량을 연산하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 전동기(11)의 동력 P_m은 전동기(11)에 공급되는 전력을 측정하는 것으로 가능하다. 이러한 전력의 측정은 도시한 바의 연산부(40)에서 전동기(11)에 공급되는 전원의 전압, 전류 그리고 역률을 측정하는 것으로 가능하다. 전동기(11)에 공급되는 전원의 전압과 전류 그리고 역률을 측정하는 것은 통상의 기술에 포함되므로 상세한 설명을 생략한다.

전동기(11)의 효율인 η_m은 실제로 측정하는 것은 불가능한데, 전동기(11)의 효율(η_m)은 통상적으로 전동기 제조사에서 제시하는 값을 사용한다. 유체의 비중인 γ는 유체의 종류와 온도에 따라 달라지는 값인데, 통상적으로 펌프는 사용 유체가 결정되어있으므로 이를 온도에 따라 유체별 고유한 값을 그대로 사용한다. 중력가속도 g도 펌프를 사용하는 장소에 따라 결정되므로, 특정한 값을 입력하여 사용한다.

양정인 H는 수학식 2에서와 같이, 펌프(10) 전, 후단의 압력을 측정함으로써 알 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바에서 흡입배관(21)에 장착된 압력센서(22)를 통해 펌프(10) 전단의 압력인 p_i를 측정하고, 토출배관(31)에 장착된 압력센서(32)를 통해 펌프(10) 후단의 압력인 p_o를 측정한다. 그런다음, 유체의 밀도 ρ와 중력가속도 g를 수학식 2에 대입하여 양정 H를 구한다.

펌프(10) 전후단의 온도 차이인 dT는, 펌프(10) 전, 후단의 온도를 측정함으로써 알 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바에서 흡입배관(21)에 장착된 온도센서(23)를 통해 펌프(10) 전단의 온도를 측정하고, 토출배관(31)에 장착된 온도센서(33)를 통해 펌프(10) 후단의 온도를 측정한다. C_p는 유체의 비열이므로, 사용 유체에 따라 고유한 상수값을 적용한다.

도 5는 본 발명을 통해 구한 온도차이에 대한 유량을 나타낸 도면이다. 도시한 바는, 펌프(10)를 실제로 구동하면서 수학식 4에서 필요로 하는 각 값들을 측정하고 각 상수를 대입함으로써 유량(Q)을 구한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 온도차이(dT)에 대한 유량(Q)은 서로 반비례 관계에 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 흐름도를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하여 본 발명을 요약하면 다음과 같다. 먼저, 전동기의 전력을 측정하는 단계(51)에서는, 연산부(40)에서 전동기(11)에 공급되는 전원의 전압, 전류 그리고 역률을 측정하여 전력을 측정한다. 그런다음, 토출배관의 압력(p_o)과 흡입배관의 압력(p_i)을 측정하고, 수학식 2를 이용하여 양정 H를 구하는 단계(52)에서는, 토출배관(31)의 압력(p_o)을 압력센서(32)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 압력(p_i)을 압력센서(22)를 이용하여 측정함으로써 가능하다.

토출배관의 온도(T_o)와 흡입배관의 온도(T_i)를 측정하여 온도차이 dT를 구하는 단계(53)에서는, 토출배관(31)의 온도(T_o)를 온도센서(33)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 온도(T_i)를 온도센서(23)를 이용하여 측정함으로써 가능하다. 상기 단계에서 측정한 값들과 상수 값(η_m, g, γ, C_p)들을 수학식 4에 대입하여 유량을 구하는 단계(54)에서는, 전동기의 효율(η_m), 중력가속도(g), 유체의 비중(γ) 그리고 유체의 비열(C_p)을 상수로 처리할 수 있으며, 이를 수학식 4에 대입함으로써 유량을 연산하는 것이 가능하다.

10...펌프 11...전동기
21...흡입배관 22, 32...압력센서
23, 33...온도센서 31...토출배관
40...연산부

Claims (3)

1. 펌프를 구동하는 전동기(11)에 공급되는 전원의 전압, 전류, 역률을 연산부(40)에서 측정함으로써 전동기(11)의 전력(P_m)을 측정하는 단계(51);
   토출배관(31)의 압력(p_o)을 압력센서(32)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 압력(p_i)을 압력센서(22)를 이용하여 측정하며, 유체의 밀도(ρ)와 중력가속도(g)를 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 양정 H를 구하는 단계(52);
   토출배관(31)의 온도(T_o)를 온도센서(33)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 온도(T_i)를 온도센서(23)를 이용하여 측정하여 토출배관과 흡입배관의 유체의 온도차이 dT를 구하는 단계(53); 및
   상기 단계에서 측정한 값들과 전동기의 효율(η_m), 중력가속도(g), 유체의 비중(γ) 그리고 유체의 비열(C_p)을 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 유량(Q)을 구하는 단계(54);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 차온을 이용한 펌프의 유량 연산 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   토출배관(31)의 압력(p_o)을 압력센서(32)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 압력(p_i)을 압력센서(22)를 이용하여 측정하며, 유체의 밀도(ρ)와 중력가속도(g)를 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 양정 H를 구하는 단계(52);와
   전동기의 효율(η_m), 중력가속도(g), 유체의 비중(γ) 그리고 유체의 비열(C_p)을 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 유량(Q)을 구하는 단계(54)에서
   유체의 밀도(ρ)와 유체의 비중(γ)은 온도에 따라 변하는 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 차온을 이용한 펌프의 유량 연산 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   토출배관(31)의 압력(p_o)을 압력센서(32)를 이용하여 측정하고, 흡입배관(21)의 압력(p_i)을 압력센서(22)를 이용하여 측정하며, 유체의 밀도(ρ)와 중력가속도(g)를 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 양정 H를 구하는 단계(52);와
   전동기의 효율(η_m), 중력가속도(g), 유체의 비중(γ) 그리고 유체의 비열(C_p)을 다음의 수학식
   

   

   
   에 대입하여 유량(Q)을 구하는 단계(54)에서
   중력가속도(g)는 펌프의 사용 장소에 따라 변하는 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 차온을 이용한 펌프의 유량 연산 방법.

Images