냉각수 순환펌프 양정

왜 배우는가: 냉각수 순환펌프 양정은 옥상 냉각탑까지 물을 올리는 높이와 배관 저항, 살수 압력을 함께 이겨야 하므로 설비 설계의 기본 계산이다. 시험에서는 그림 조건을 주고 양정 식을 유도하게 해 개방형 회로의 실양정과 마찰손실 계산을 함께 묻기 때문에 반복 출제된다.

출제 이력: 제103회 1교시 4번, 제96회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉각수 순환펌프 양정은 냉각탑 상부까지 냉각수를 보내는 데 필요한 펌프의 총 수두로, 실양정·배관 마찰손실·산수압 손실의 합이다. 핵심 키워드

• 냉각수 순환펌프: 냉각탑과 냉동기 응축기 사이에서 냉각수를 순환시키는 펌프다.
• 양정(Head): 펌프가 유체에 준 에너지를 유체 기둥의 높이(m)로 환산한 값이다.
• 실양정(Static Head): 흡입 수면과 토출 지점 사이의 높이 차다.
• 배관 마찰손실: 관 내벽과 이음부에서 생기는 수두 손실이다.
• 산수압 손실: 냉각탑 살수 노즐에서 물을 흩뿌리는 데 필요한 압력의 수두 값이다.
• mAq: 수주 미터로 나타낸 압력·수두 단위다.
• mmAq/m: 배관 1m당 마찰손실을 수주 밀리미터로 나타낸 단위다.
• 개방형 회로: 냉각수가 냉각탑에서 수조로 떨어져 되돌아오는 순환 방식이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 펌프가 물을 얼마나 높이 올려 보내고 멀리 밀어낼 수 있는지를 높이 단위로 나타낸 값이다. 펌프가 같아도 올릴 높이와 배관 저항이 커지면 필요한 양정은 커진다.

정식으로는 펌프가 유체 단위중량당 공급하는 에너지를 수두(m)로 표시한 값을 양정이라 한다. 베르누이 방정식은 흡입면과 토출면 사이의 압력수두, 속도수두, 위치수두의 합이 손실만큼 달라진다는 관계다. 개방형 회로에서는 위치수두 차가 남으므로 양정에 실양정이 포함된다.

핵심 용어는 세 가지다.

• 실양정: 냉각수 흡입 수면과 토출 지점의 높이 차다. 냉각탑이 높을수록 커진다.
• 배관 마찰손실수두: 관 벽과 이음부에서 생기는 손실을 물기둥 높이로 환산한 값이다.
• 산수압 수두: 살수 노즐에서 물을 분사하는 데 필요한 압력을 수두로 나타낸 값이다.

문항 조건을 식으로 쓰면 다음과 같다. $H = H_s + h_f + H_p$ 여기서 H 는 펌프 양정(mAq), H_s 는 실양정(m), h_f 는 배관 마찰손실수두(m), H_p 는 산수압 수두(m)다. 배관 마찰손실은 단위길이당 손실 R(mmAq/m)에 배관 길이 L(m)을 곱해 구하며, mmAq 를 mAq 로 바꾸려면 1000 으로 나눈다. $h_f = \dfrac{R \times L}{1000}$ 두 배관 구간 L1, L2 가 모두 마찰이 생기는 구간이면 합산한다. 기타 손실은 무시하므로 실양정, 마찰손실, 산수압 수두의 세 항만 더하면 된다. $M = H_s + \dfrac{R(L_1 + L_2)}{1000} + 5$ 여기서 5 는 산수압 수두 5m 이며 단위는 mAq 로 같다.

양정 단위 mAq 와 mmAq 는 같은 수주 개념이지만 1mmAq 는 0.001mAq 다. 단위를 섞으면 결과가 1000배 틀리므로 답안에는 단위를 항마다 명시한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 옥상에 냉각탑을 두면 냉각수를 높은 곳까지 올려야 하므로 펌프 양정이 크게 요구된다. 냉각탑은 응축기에서 받은 열을 외기로 버리는 장치이고, 살수 노즐과 충전재를 거쳐 수조로 내려오는 구조라 살수 압력이 항상 필요하다. 이 압력이 산수압 손실 5m 로 주어진 이유다.

양정 산정이 중요한 이유는 두 가지다. 첫째, 양정이 부족하면 살수가 고르게 되지 않아 냉각 효율이 떨어지고 응축 온도가 올라 냉동기 소비전력이 늘어난다. 둘째, 양정을 과도하게 잡으면 펌프 용량과 동력이 커져 에너지 낭비와 소음·진동이 생긴다. 그래서 설계 단계에서 양정을 항목별로 나눠 계산한다.

원심펌프는 Q-H 곡선으로 유량과 양정의 관계를 나타낸다. 계산한 양정과 필요 유량을 이 곡선에 대입해 펌프 기종을 고른다. 원심펌프의 양정은 유체 밀도에 거의 무관하므로, 같은 높이를 올리는 데 필요한 수두는 냉각수 온도가 달라도 mAq 로 같은 값으로 쓴다.

배관 마찰손실은 유량과 관경에 따라 달라진다. 유량이 커지면 마찰손실은 유속의 제곱에 비례하여 증가하므로, 배관이 긴 옥상 배관에서는 관경 선정이 양정을 좌우한다. 이 때문에 양정 계산과 관경 산정은 함께 검토한다.

밀폐회로인 냉수·난방 배관은 마찰손실만 남지만 냉각수 회로는 개방형이라 실양정이 더해진다. 이 차이를 혼동하면 양정이 크게 과소 계산되므로 회로 형식을 먼저 구분해야 한다.

양정 계산은 실양정, 배관 마찰손실, 산수압 손실을 항목별로 나눠 더하는 것이 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

냉각수 순환펌프는 냉각탑 수조의 물을 응축기로 보내고, 응축기에서 데워진 물을 다시 냉각탑 상부 살수부로 올린다. 펌프가 만들어야 하는 양정은 정적 양정, 산수압, 마찰손실수두를 더한 값이다. 각 항목의 역할은 아래 표와 같다.

펌프 양정은 물 단위 중량당 펌프가 준 에너지를 수두(m)로 나타낸 값이다. 수두 방정식은 베르누이 방정식을 펌프 전후에 적용해 얻는다. 수면과 살수부의 속도 수두와 압력 조건이 같으면, 펌프가 극복해야 할 양은 높이차와 손실수두의 합이 된다. 배관 마찰손실은 단위 길이당 손실 R에 배관 길이를 곱해 구한다. R의 단위가 mmAq/m이므로 길이를 곱한 값은 mmAq이고, 1000으로 나누어야 mAq가 된다.

$M = H + H_s + \frac{R\,(L_1 + L_2)}{1000}$

• M: 펌프 양정(mAq)
• H: 수조 수면과 살수부 사이 정적 높이차(m)
• H_s: 산수압 손실 수두, 5m
• R: 단위 길이당 배관 마찰손실(mmAq/m)
• L1, L2: 공급측·환수측 배관 길이(m)

절차는 다음과 같다.

• 펌프 흡입측 수면에서 살수부까지의 높이차 H를 구한다.
• 산수압 손실 H_s = 5m를 더한다.
• 공급측과 환수측 배관 길이 L1, L2를 합하고 R을 곱한다.
• mmAq를 mAq로 바꾸기 위해 1000으로 나눈다.
• 국부 손실이 무시된 조건인지 확인하고 최종 양정 M을 쓴다.

가상의 예로 H = 20m, L1 = 30m, L2 = 40m, R = 10mmAq/m를 대입하면 마찰손실은 10 × 70 ÷ 1000 = 0.7m이다. 따라서 M = 20 + 5 + 0.7 = 25.7mAq가 된다. 결과는 옥상 냉각탑 배관에서 상식적인 범위이다.

펌프 양정은 정적 양정과 산수압 손실과 배관 마찰손실의 합으로 구한다

다음 흐름도는 수두가 쌓이는 순서를 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 양정 계산은 특정 조문의 수치라기보다 건축설비 배관 설계의 수두 계산 원리이다. 실제 설계에서는 건축설비 설계기준과 배관 설계 기준에 따라 국부 손실, 열교환기 저항, 여유율을 추가한다. 시험 조건에서는 주어진 값만 사용하고 나머지 손실은 무시한다.

기준값과 단위를 정리하면 다음과 같다.

위 표에서 배관 마찰손실 R은 설계자가 관경과 유량으로 구하는 값이다. 마찰손실 산정식은 별도 항목에서 다룬다. 산수압 5m와 물기둥 환산 10mAq는 계산 과정에서 그대로 쓴다.