공부중

Metering pump 특징 3가지에 대해 포스팅 하려고 합니다. 

1. 펌핑 작동은 왕복 피스톤에 의해 발생 합니다. 

이러한 왕복 운동은 쉽게 Sine Wave로 표현되는 흐름을 발생 합니다. 

실제 유량은 아래의 식에 의해 측정 됩니다.

Flow rate = Displacement x Cycles per unit of time.

2. 원심 펌프와는 달리, 유량은 discharge pressure 변화에 의해 크게 영향 받지 않습니다. 

3. Metering pump 는 일반적으로 0 에서 최대용량 사이의 어느 유량으로도 펌핑되도록 조절 할 수   있지만, 이것의 정확성은 펌프의 Turndown ratio 에 의해 결정되는 범위에서 추정 됩니다.

대부분의 Metering pump는 10 : 1 의 Turndown ratio 를 갖습니다.

이것은 간단히 말해 펌프가 용량의 10% 와 100% 사이 어디에서든 정확도 내에 있다는 의미 입니 다. 올바르게 설치된 산업용 Metering pump 의 정상 정확도는 통상 ± 1.0% 이거나 더 좋습니다.

새로운 세대의 Metering pump 는 100 : 1 Trundown ratio 를 갖고 더 좋은 정확도를 갖고 있습니다.

Reference : http://www.miltonroy.com/

Double 또는 Tandem mechanical seal 은 일반적으로 독성, 가연성, 위험 유체와 관련하여 액체나 그 기체가 누설 되거나 seal failure 에 의해 환경으로 새지 않도록 하는데 이용 됩니다.

Double mechanical seal 과 Tandem mechanical seal 의 차이점에 대해 알아 볼까요?

Double mechanical seal 은 두개의 seal 사이에 주입된 Non-hazardous barrier liquid 벽을 맞대어 설치된거에요.

Barrier liquid 는 closed loop piping system 내의 가압된 reservoir 에서 오거나 seal gland 밖에서 들어와요.

Double seal 배열은 process liquid가 아닌 barrier liquid로 sealing 하도록 구성 되었어요.

배열은 앞부분에 설치된 inner 또는 primary seal과 정상위치에 설치된 outer 또는 secondary seal로 구성되요.

Inner seal의 앞부분은 정상상태에서 pump로 들어오는 barrier liquid를 막아줘요.

Inner seal이 failure일 경우, barrier liquid는 pump로 들어가면서 대기로 샐수 있는 process liquid를 막죠.

Tandem mechanical seal

Tandem mechanical seal 배열은 double mechanical seal 과 같이 두개의 seal이 결합된거에요. 그런데 double mechanical seal이 맞대어 있는것과 대조적으로 정상 위치에 장착되요.

Barrier liquid 는 closed loop piping system 내의 외부 reservoir 로부터 두 seal 사이에 주입되지만 가압은 안해요.

Barrier fluid 는 seal 내에 pumping ring의 원심력 영향으로 인해 회전해요.

Stuffing box 내의 압력은 barrier chamber 안쪽보다 더 높아요. 그래서 inner seal이 failure 되면 공정 액체는 barrier chamber 로 들어가요. 그리고 oil reservoir 수위가 올라가죠. 

높은 oil 수위 스위치는 알람을 작동시키고 pump를 shut down 시킬꺼에요. 

공정액체는 안전한 처리 지역으로 reservoir로 부터 빼내죠.

Double 과 Tandem seal 은 일반적으로 API PLAN 52 또는 PLAN 53을 이용해서 flush 시켜서 써요. 

Centrifugal compressor는 낮은 flow에 제한을 가지는데, 일반적으로 rated flow의 대략 50%~70%정도입니다.

Variable-speed control, by using suction, discharge vanes, valves 로 컨트롤 되는데, compressor를 통과한 흐름이

저유량 제한지점으로 감소된다면, "Surge"라는 불안정한 상태가 발생합니다.

Centrifugal compressor 의 Surge Control 은 어떻게 할까요?

Centrifugal compressor의 작동원리는 rotating impeller를 통해 유체의 kinetic energy를 상승시키는 거잖아요..유체의 kinetic energy가 압력 상승의 형태의 potential energy로 변환 될때(유체가 흐르다가 서서히 멈춘다고 생각하면 편하겠네요), surge 영역으로 volume이 천천히 down됩니다.

Surge 지점에서 Gas는 대략 2초 빈도수로 compressor를 통과해 앞 뒤로 번갈아 흐릅니다.

Compressor behind에 있는 plenum(chamber) pressure가 compressor outlet pressure 보다 높을 때, 유체가 compressor 방향으로 반대로 되돌아오는 경향이 있다고하네요..

Surge는 증가된 소음, 떨림, 열을 동반하게 되요.

Surge 지점에서의 장기적인 작동은 compressor에 손상을 줄 수 있습니다.

어떤 블로그에서 봤는데 centrifugal compressor와 axial compressor에 surge 가 일어났을때 나는 소리가 다르다고 해요.

스르륵~스르륵~ 소리가 난다고 그러던데...

 Figure 1: Surge phenomenon.

Control systems이 surge를 막아줘요,

일반적으로 compressor 후단에서 전단으로 흐름을 재순환시키거나, 대기로 흐름을 배출(특히 air compressor이 경우에)하죠. 두 방법은 공정쪽(사용처)으로 더 낮은 흐름으로 제공하면서 compressor를 통과한 흐름은 커지게 하는 결과를 가진데요. 그렇게해서 surge를 벗어나게 하는 원리 인거 같아요.

Figure 2: Surge Protection Definitions

위에 그림에서 확인 할 수 있는건 surge line과 surge control line 사이의 margin 인데요, 일반적으로 surge에서 inlet volume flow의 3~10%와 같아요. 그런데 더 낮은 margin을 줄 수도 있는데 왜냐하면 높은 효율은 recycle valve가 닫혀 있을때 얻을 수 있기 때문이래요..

모범사례로 재순환 흐름에 cooling이 요구된다고 하네요.

(왜냐하면 재순환 되면서 heating 된만큼 cooling 시켜주기 위해)

Source : Rules of thumb for chemical engineers

Centrifugal 펌프의 head 와 capacity의 관한 특징(drooping)에 대해 포스팅 하려고 합니다.

API 610 과 같이 많은 펌프 standard 들은 끊임없이 shut-off를 향해 올라가는 Head-capacity curve를 가진 펌프를 요구합니다.(capacity가 점점 줄어들면 head가 점점 올라가면서 결국엔 shut-off에 도달하는 curve)

그런데 high head, low capacity, single stage 펌프에서는 가끔 위와 다른 curve를 가지게 됩니다. 더 정확히 말하면 어떤 capacity에서 peak head를 가집니다. 이런 curve를 Drooping curve라고 합니다.

이제부터 왜 몇몇의 펌프에서 이런 drooping head-capacity curve를 갖는지, 언제 어떻게 이 문제가 발생 하는지, 이 문제를 예방하기 위한 point가 무엇인지 알아 볼까 합니다.

밝혀진 바에 의하면, Drooping curve를 가지는 동일한 두 펌프는 넓은 범위의 capacity를 가지고, boiler feedwater와 fire-main system과 같은 조건하에서는 작동되면 

안됩니다.(적용해서는 안된다)

병렬로 동작하는 두 펌프에서 drooping curve를 발견하는것은 드물고, 병렬로 배관이 연결되어 있지만 작동하는 펌프가 한 대라면(나머지는 spare) 드물게 발견 됩니다.

이것의 이점은 무엇일까요? 높은 효율 또는 낮은 가격 입니다. 일반적인 curve를 가진 펌프와 drooping curve를 가진 펌프를 비교해 보면, 동일한 사이즈의 펌프라고 했을때 drooping curve를 가진 펌프가 더 효율적입니다.(왜냐하면 head가 더 크기 때문에) 다시 말해 동일한 head를 보낸다고 한다면(동일한 효율로), drooping curve를 가진 펌프 크기가 더 작아도 된다는 말입니다.

펌프 design은 drooping을 피해 수정 할 수 있습니다.위의 그림 

Fig.2

 처럼 Vane discharge angle을 줄이면 impeller passages 안에 높은 fluid velocities를 만듭니다. 그래서 head와 효율이 감소 합니다. 같은 head를 얻기 위해서는 더 큰 impeller를 사용해야 합니다. 자, 그럼 이 펌프를 언제 사용 가능 할까요?

펌프 system은 surge가 발생되면 안되는데, surge가 발생 할 수 있는 3가지 조건이 존재 합니다.

여기서 포인트는 single pump system에서는 거의 발생되지 않고, 병렬로 작동하는 펌프에 흔하게 나타난다는 겁니다.

3가지 조건은 

첫째, 액체의 질량이 왔다갔다 변화 하는것.둘째, system의 일부가 back pressure energy를 저장하거나 주는것.셋째, system의 일부가 swing이 시작할 수 있는 충격을 제공 하는것.

Fig.3a

는 두 대의 centrifugal 펌프가 병렬로 설치 되어 있는 모습입니다. 

Fig.3b

는 펌프가 동일하고 각각의 펌프는 drooping curve를 가집니다. drooping curve 두개가 결합된 모습인데요. 세가지 문제점이 있습니다.

첫째가 shut off A 점의 head 보다 작동하는 D 점의 head가 큽니다. 그래서 다른 펌프가 연결되어 있다면 capacity 가 zero 인 head에서도 back pressure로 인하여 check valve를 열지 못합니다. 둘째로 두 대의 펌프가 C 점에서 작동하고 있을때, flow 수요로 throttle valve를 이용하여 부분적으로 닫아서 감소시키면 펌프는 E 점에서 작동합니다. 여기서 한 대의 펌프 또는 둘 다 F 점까지 이동시키면 head는 변동이 없는 상태에서 유량만 변경 시킬 수 있습니다. 이와 같은 형태의 펌프들은 load를 균등하게 공유할 수 없으므로 압력에 변동이 일어 날 수 있습니다. 세번째로 두 대의 펌프가 F 점에서 운전하고 있을대 throttle valve를 열어 한 대의 펌프 유량을 늘린다면 surge(조건 세번째)가 발생 할 수 있습니다. surge가 발생한다면 F 점에서 작동하는 펌프를 shut off 시킵니다.

이와 같은 system에서 surge를 예방하는 두가지 방법이 있습니다. discharge line 에 bypass를 설치하는 겁니다.

Fig.4a 

에 보이는 B 점에서 모든 흐름을 이동 시킵니다. 이러면 head가 증가하거나 flow가 감소하더라도 surge가 시작되지 않습니다. 그리고 bypass는 낮은 흐름에서 유체의 흐름이 열을 해소하기에 충분하지 않을때 overheating되는 걸 방지합니다.

다른 방법은 discharge line에 throttle valve 또는 orifice 설치하거나 각 펌프의 discharge가 만나는 line에 single valve를 추가 합니다. 이 방법은 

Fig.4b 

에서 보듯이 curve를 변화 시킵니다. 그런데 이 방법은 추가적인 pressure drop으로 더 많은 power를 필요로 합니다.

같은 범위에서 병렬로 작동하는 drooping curve를 가진 펌프가 낮은 용량에서 작동되는것은 바람직하지 않습니다.

결론, drooping curve를 가진 펌프를 사용하면 위에서 언급했던거와 같이 드물게 문제가 발생합니다. 하지만 그걸 잘 예방 한다면 더 좋은 효율과 자본을 절약할 수 있을 겁니다. 이런 점에서 고려해 볼 만 한것 같습니다.

그런데 요즘에도 이런 curve를 가진 펌프를 사용 할까요? 의문이네요.. 혹시 본다면 알려주세요~

Source : Chemical Engineering,Oct,15,1984,Head-vs.capacity characteristics of centrifugal pumps.

자료를 보니까 괜찮은 내용이 많네요.

1. Moisture coalescing filters 같은 compressed air filter는 더러워 지면 반드시 청소를 하거나 바꿔야 한다.

   일반적인 coalescing filter는 2 psi 의 pressure drop을 가진다. 6 psi의 pressure drop은 compressor를 운행하기 위한

   에너지 비용에 2%를 추가한다.

2. Compressed air inlet filter에 differential pressure gauge를 설치한다.

   경험에 의하면 2 psi의 pressure drop은 1% capacity를 줄인다.

3. Compressor discharge, dryers 와 filters 의 이전과 이후, 그리고 분배 system에서 compressed air system이

   사용되는 각 point 에 압력 sensing point를 제공한다.

Source : Rules of thumb for chemical engineers

대략적인 사항들인데 참조하세요.

1. 1 kW= 7 m3/h at 7 bar

2. 1~40 kW는 piston compressor를 선택한다.

[piston compressor]

[piston compressor]

3. 75 kW이거나 그 이상에선 rotary screw 나 centrifugal compressor를 선택한다.

[rotary screw]

[centrifugal compressor]

4. 일반적인 compressed air system 은 compressed air capacity 의 20%~30% 누출된다.

5. 사전에 누출을 감지하거나 수리 program이 위치해 있다면 10%보다 적다.

6. Compressor에 사용되는 전기 에너지의 80%~90%는 열로 전환된다.

7. 압축비율은 stage당 대략 1.05 ~ 7 까지 다양하다. first pass design의 경우 3.5 ~ 4 를 이용한다.

8. Compressor sealing system은 일반적으로 150 deg.C 이상의 가스온도에 제한된다.

Source : Rules of thumb for chemical engineers

오늘은 컴프레셔와 베큠 펌프를 사용할때 경험 법칙에 대해 포스팅 할께요.

1. Fans는 압력을 대략 3%(12 in. water) 올리는데 이용되고, Blowers는 40 psig(2.8 kg/cm2) 보다 적게 올린다.

   그리고 Compressors는 압력을 높게 올리는데 사용된다. 일반적으로 Blower range는 Compressor range에 포함된다.

2. Vaccum pumps :

   reciprocating piston type은 압력을 1 Torr까지 떨어 트린다.

   rotary piston은 0.001 Torr까지 떨어 트린다.

   steam jet ejectors, one stage는 100 Torr까지 떨어 트린다.

   three stage는 1 Torr까지 떨어 트린다.

   five stage는 0.05 Torr까지 떨어 트린다.

* 1 atm = 760 Torr 이며, Torr는 mmHg와 같은 단위이다. 따라서 Torr의 값이 낮을수록 고진공이다.진공도 단위를 사용하는데 있어 자주 헷갈리는 것이 진공도와 게이지상의 진공도이다.게이지상의 진공도는 절대진공도 (Torr Abs)와는 역으로 대기압을 0으로 놓고 완전진공을 760mmHg 또는 76cmHg로 표시하는것으로 일부 부르동 게이지의 눈금이 관념상 또는 계산상의 편의를 위해 표기한 것에서 유례된다.

[출처] 진공도의 단위, Torr|작성자 우벡 woovac

3. Three-stage ejector는 1 Torr를 유지하기 위해 100 lb steam/lb air가 필요하다.

4. Evacuated euqipment에서 Air의 in-leakage는 절대 압력(Torr), 장치 부피(V, cuft)에 의해 결정되는데,

w = k x V^(2/3) lb/hr

   P가 90 Torr보다 클때, k = 0.2

   P가 3 Torr < P < 20 Torr 일때, k = 0.08

   P가 1 Torr 보다 작을때, k = 0.025

5. Theoretical adiabatic horsepower(THP) = [(SCFM)T1/8130a]x[((P2/pa)^a) - 1]

   where, T1 = inlet temperature (F+460)

              a = (k-a)/k, k=Cp/Cv

6. Outlet temperature T2 = T1(P2/P1)^a

7. 압축 ratio 는 multistage unit의 각 stage에서 대략 비슷해야 한다(just recommendation).

   ratio = (Pn / P1)^(1/n), with n stages

8. Reciprocating compressors의 효율은

   1.5 압축 ratio에서 65%

   2.0 압축 ratio에서 75%

   3~6 압축 ratio에서 80~85%

9. Large centrifugal compressors의 효율은 suction이 6000~100000 ACFM에서 76~78%이다.

10. Rotary compressors은 70% 효율을 갖는데, 예외로 Liquid liner type은 50%를 갖는다.