Self-Priming (자흡식) Pump 이해

pump는 액체를 이송하는 기계임에 따라 펌프를 기동하기 전에 미리 액체가 casing내부에 채워져 있어야 한다. 이를 위해 manual priming을 해야 하지만 이는 번거롭고 시간도 소요되며 불필요한 장비를 사용해야 한다. 이러한 과정 대신 자동으로 priming을 하면서 펌프를 운전하도록 만들어진 펌프가 self priming pump이다. 펌프 내부에는 built-in reservoir가 있어서 여기에서 물을 retaining하여 이후 펌프 기동시 진공을 만들어 낮은 곳에 있는 액체를 끌어 올릴 수 있게 된다.

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self priming pump는 화학산업 뿐만 아니라 농업에서 부터 폐수 관리 분야까지 넓은 범위에서 매우 중요한 역할을 한다. 일반 원심펌프는 suction line이나 casing으로부터 공기나 질소를 배출하기 위해 manual priming을 수행하지만 self priming pump는 액체의 filling을 위해 필요로 하는 진공도를 편리하고 효율적이며 짧은 시간내에 만들 수 있다.

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self priming pump는 원심형 펌프로서 처음 기동하기 전 inlet line에서 공기를 제거하여 외부의 priming mechanism없이도 유체가 suction system 및 casing을 채울 수 있도록 만들어진 펌프이다.

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일반적인 원심펌프는 start-up전에 미리 물로 채워야 하며, 그렇지 않으면 내부에 존재하는 공기로 인해 유체가 suction system으로 채우기 위해 필요로 하는 진공 형성을 방해한다. 미리 물을 채우기 위해 보조 펌프가 필요할 수도 있고 foot valve (check valve)를 suction line에 설치하여 pump가 멈추어도 일정 액체를 suction line상에 keeping해야 한다.

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이러한 번거로움을 피하기 위해 구조적으로 casing 내부에 유체가 존재하며 pump를 기동하면 회전력에 의해 내부에서 공기와 유체가 recirculation하면서 압축이 되고 공기를 배출하도록 만들어져 있다. 이와 같이 진공이 형성되면서 suction line을 통해 액체가 lifting되어 casing을 채우고 이어서 연속 운전이 된다.

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일반 원심펌프와의 차이점으로는 self priming pump는 자동적으로 system내부의 공기를 제거하며 manual priming이나 external device가 필요없고 다양하게 사용될 수 있다.

 

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작동원리

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펌프 중심부는 원심펌프기술로 운전이 되지만 추가적인 설계가 반영되어 내부의 공기를 배출할 수 있도록 운전이 된다. 펌프 housing내부에 적당한 물이 채워져 있으며 초기 start-up을 하면 임펠러가 회전을 하고 이 때 저압영역이 생성하며 펌프 casing내로 공기와 액체를 pulling한다.

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이후 공기는 액체로부터 분리되어 discharge port로 배출되고, 액체는 volute 혹은 recirculation chamber를 통해 recirculation하면서 점차적으로 잔여 공기를 displacing한다.

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공기가 배출되면서 suction line은 진공이 생성되면서 더 많은 액체가 lifting되어 suction 배관과 casing을 채우게 되고, 이후 펌프는 일반 원심형 펌프처럼 운전을 할 수 있다.

 

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주요 부품

• 임펠러: 액체를 이동시키 위한 원심력을 만들며 solid flow 혹은 고점도 액체를 이송시키는 능력이나 효율에 영향을 준다.
• volute casing: 임펠러에 의해 가속도가 붙은 액체를 discharge port로 보내는 통로로서 self priming pump의 경우 casing내 충분한 공간이 있어서 여기에서 공기를 분리할 수 있다.
• mechanical seal: drive shaft를 따라 액체의 leak를 방지하기 위해 고려된다.
• recirculation chamber: 공기가 액체와 혼합된 후 이 곳에서 분리되어 배출되며 일반 원심펌프와의 주요한 차이점이다.
• check valve: pump가 shut down되어도 casing내부에 액체를 holding하여 primed상태를 유지하도록 한다.

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pump type

• jet pump: well같은 매우 깊은 곳으로부터 물을 끌어 올리기 위해 ejector를 이용하여 수압을 올린다.
• swimming pool pump: 수영장내 물의 순환과 filtering을 위해 설치한다.
• transfer pump: 농업용이나 tank를 비울 때 처럼 액체를 이송할 때 사용한다.

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장점

• 설치가 용이함. priming을 위한 특별한 장비가 필요없다.
• downtime을 줄임. priming이 되면 일반 원심펌프처럼 운전을 할 수 있다.
• 다양한 용도에 사용함. 적절한 재질일 경우 물 외에도 슬러리, sewage, 케미칼에도 사용한다.
• 효율적인 유지관리가 가능함. 펌프 자체가 air bubble을 다루도록 설계되어 있어서 troubleshooting이 간단하다.

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단점으로는 유량이 제한적이며 suction 높이도 제한적이며 초기 투자비가 클 수 있다.

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self priming pump는 inner pump나 volute를 flooding시키는 external casing으로 설계되며 power가 공급되면 임펠러가 회전하면서 중심부 아이에 저압이 형성되어 진공이 만들어지면 suction line을 따라 아래에 있던 액체가 위로 올라와 배관상의 air를 pump casing내로 밀어낸다. 그래서 pump 내부에서 공기와 물이 섞이고 이후 chamber에서 공기는 물과 분리된 후 배출구를 통해 배출된다. 공기가 모두 물로 치환되면 이제는 다른 원심펌프처럼 운전을 한다.

Self-priming pump: Centrifugal pump with two casing chambers prior to commissioning

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Self-priming pump: Centrifugal pump with two casing chambers: suction process

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Self-priming pump: Centrifugal pump with two casing chambers: pumping duty

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troublshooting

self priming pump가 작동을 제대로 하지 못하는 원인들로는 아래와 같다.

• suction line에 air leak가 발생하면 pump가 기동을 해도 배관을 통해 air가 외부로부터 지속적으로 유입이 되어 air를 충분히 분리 및 배출을 할 수 없어서 무부하 운전처럼 운전된다.
• 임펠러 아이 내부에 이물질이 존재시 vacuum 형성이 어려워져 펌프 성능의 저하를 야기한다.
• 펌프가 air로 채워지면 vacuum을 만드는데 한계가 있을 수 있다. 만약 air vent line이 없다면 공기는 배출구에 계속 누적이 되어 배출이 되지 않아 액체가 casing내부로 유입이 되지 않는다. outlet valve가 닫혀 있어도 공기 배출이 불가하여 동일한 현상이 발생한다. 임펠러가 마모되거나 부적절하게 조립되어 임펠어와 wear plate사이 간극이 심할 경우에도 진공형성이 어려워진다.
• recirculation port에 plugging이 일어나면 역시 진공이 잡히지 않아 액체가 위로 lifting되지 않는다.
• lift 높이 대비 pump capability가 낮아 성능이 나오지 않을 수 있다. (speed와 임펠러 직경을 제작단계에서 vendor에 확인해야 한다.)
• suction line이 너무 길거나 fitting류가 많아 과도한 마찰손실이 발생할 경우에도 성능의 감소가 있다.
• 모터를 반대방향으로 연결할 경우 역방향 회전이 되므로 모터를 pump에 coupling하기 전에 미리 test를 해야 한다.

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