요약: 본 논문에서는 원심 펌프, 디젤 엔진, 클러치, 벤투리관, 소음기, 배기관 등을 포함하는 디젤 엔진 배기가스 흐름을 이용하여 진공을 얻는 디젤 엔진 자흡식 펌프 장치를 소개한다. 디젤 엔진의 출력축은 클러치와 커플링으로 구성된다. 소음기는 원심 펌프의 입력축에 연결되고, 소음기의 배기구에는 게이트 밸브가 설치된다. 소음기 측면에는 배기관이 추가로 배치되어 벤투리관의 공기 흡입구에 연결되고, 벤투리관 측면의 연결부는 원심 펌프의 펌프실 배기구에 연결된다. 배관에는 게이트 밸브와 진공 역류 방지 밸브가 설치되고, 배출관은 벤투리관의 배기구에 연결된다. 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스는 벤투리관으로 유입되고, 원심 펌프의 펌프실과 원심 펌프의 물 유입관 내부의 가스가 배출되어 진공이 형성됩니다. 따라서 원심 펌프의 물 유입구보다 낮은 위치에 있는 물이 펌프실로 빨려 들어가 정상적인 배수가 이루어집니다.
디젤 엔진 펌프 장치는 디젤 엔진으로 구동되는 급수 펌프 장치로, 배수, 농업용 관개, 소방 및 임시 용수 이송 등에 널리 사용됩니다. 디젤 엔진 펌프는 주로 펌프 흡입구 아래쪽에서 물을 끌어올리는 경우에 사용됩니다. 현재 이러한 조건에서 물을 펌핑하는 데에는 다음과 같은 방법들이 주로 사용됩니다.
01. 흡입조의 워터펌프 흡입관 끝에 바닥 밸브를 설치하십시오. 디젤 엔진 펌프 세트를 가동하기 전에 워터펌프 챔버에 물을 채우십시오. 펌프 챔버와 워터펌프의 흡입관 내부의 공기를 빼낸 후 디젤 엔진 펌프 세트를 가동하여 정상적인 급수를 시작하십시오. 바닥 밸브는 수조 바닥에 설치되므로 고장 시 유지 보수가 매우 불편합니다. 또한, 대용량 디젤 엔진 펌프 세트의 경우 펌프 챔버가 크고 흡입관 직경이 커서 많은 양의 물이 필요하며 자동화 수준이 낮아 사용이 매우 불편합니다.
02. 디젤 엔진 펌프 세트는 디젤 엔진 진공 펌프 세트를 포함합니다. 먼저 디젤 엔진 진공 펌프 세트를 시동하여 펌프실과 워터 펌프의 물 흡입관 내부의 공기를 빼내 진공을 발생시키고, 대기압에 의해 수원지의 물이 워터 펌프 흡입관과 펌프실로 유입됩니다. 이후 디젤 엔진 펌프 세트를 재시동하여 정상적인 급수를 시작합니다. 이 흡수식 물 흡수 방식에서는 진공 펌프 또한 디젤 엔진으로 구동해야 하며, 증기-물 분리기를 장착해야 하므로 장비의 설치 공간이 넓어지고 장비 비용이 증가합니다.
03. 자흡식 펌프는 디젤 엔진과 조합 시 효율이 낮고 용량이 크며, 유량과 양정이 작아 많은 경우 사용 요구 사항을 충족하지 못합니다. 디젤 엔진 펌프 세트의 장비 비용을 절감하고, 펌프 세트가 차지하는 공간을 줄이며, 디젤 엔진 펌프 세트의 사용 범위를 확대하고, 고속으로 작동하는 디젤 엔진에서 발생하는 배기가스를 벤투리관[1]을 통해 최대한 활용하기 위해 원심 펌프 챔버와 원심 펌프의 급수관에 벤투리관의 흡입 인터페이스를 통해 가스를 유입시킵니다. 이때, 원심 펌프의 급수관과 급수관에 진공이 발생하고, 원심 펌프의 급수구보다 낮은 수원의 물은 대기압의 작용으로 급수관과 원심 펌프의 펌프 챔버로 유입되어 채워집니다. 그 후 클러치를 작동시켜 디젤 엔진과 원심 펌프를 연결하고 원심 펌프를 가동합니다. 정상적인 물 공급이 시작되기 시작합니다.
2: 벤투리관의 작동 원리
벤투리관은 유체를 이용하여 에너지와 질량을 전달하는 진공 발생 장치입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 작동 노즐, 흡입 영역, 혼합 챔버, 목 부분 및 확산기로 구성됩니다. 벤투리관은 진공 발생기입니다. 이 장치의 핵심 구성 요소는 양압 유체원을 이용하여 음압을 생성하는 새롭고 효율적이며 깨끗하고 경제적인 진공 소자입니다. 진공 발생 과정은 다음과 같습니다.
01. 1번 지점에서 3번 지점까지의 구간은 작동 노즐 내 동적 유체의 가속 단계입니다. 고압의 구동 유체는 작동 노즐 입구(1번 지점)에서 낮은 속도로 벤투리 작동 노즐로 유입됩니다. 작동 노즐의 테이퍼 구간(1번 지점에서 2번 지점)을 흐를 때, 비압축성 유체의 연속 방정식[2]에 따라 유체 역학적으로 1번 지점의 동적 유체 유량 Q1과 2번 지점의 동적 힘 사이의 유체 유량 Q2의 관계는 Q1=Q2임을 알 수 있습니다.
스킬리셋 A1v1= A2v2
공식에서 A1, A2는 각각 점 1과 점 2의 단면적(m²)입니다.
v1, v2 — 지점 1 단면과 지점 2 단면을 통과하는 유체의 속도(m/s).
위 공식에서 알 수 있듯이 단면적이 증가하면 유속은 감소하고, 단면적이 감소하면 유속은 증가합니다.
수평 파이프의 경우, 비압축성 유체에 대한 베르누이 방정식에 따르면
P1+（1/2）*ρv12=P2+(1/2)ρv22
위 공식에서 P1, P2는 각각 점 1과 점 2의 단면에서의 해당 압력(Pa)을 나타냅니다.
v1, v2 — 1번 지점과 2번 지점을 통과하는 유체의 속도(m/s)
ρ — 유체의 밀도 (kg/m³)
위 공식에서 알 수 있듯이 유동 유체의 유속은 1번 지점에서 2번 지점으로 갈수록 지속적으로 증가하고 압력은 지속적으로 감소합니다. v2>v1일 때 P1>P2이고, v2가 특정 값(음속에 도달할 수 있는 값)에 도달하면 P2는 1기압보다 작아지므로 3번 지점에서 음압이 발생합니다.
구동 유체가 작동 노즐의 팽창부, 즉 2번 지점에서 3번 지점까지의 구간으로 진입하면 구동 유체의 속도는 계속 증가하고 압력은 계속 감소합니다. 구동 유체가 작동 노즐의 출구부(3번 지점)에 도달하면 구동 유체의 속도는 최대가 되어 초음속에 이를 수 있습니다. 이때 3번 지점의 압력은 최소가 되는데, 이는 진공도가 최대치에 도달하여 90kPa에 이를 수 있음을 의미합니다.
02. 3번 항목부터 5번 항목까지의 구간은 구동 유체와 펌핑 유체의 혼합 단계입니다.
작동 노즐 출구부(3번 지점)에서 동적 유체에 의해 형성된 고속 유체는 작동 노즐 출구 부근에 진공 영역을 형성하게 되므로, 상대적으로 높은 압력 부근의 흡입 유체가 압력 차이에 의해 혼합실로 흡입됩니다. 펌핑된 유체는 9번 지점에서 혼합실로 흡입됩니다. 9번 지점에서 5번 지점으로 흐르는 동안 펌핑 유체의 속도는 지속적으로 증가하고, 9번 지점에서 3번 지점으로 흐르는 동안 압력은 계속 감소하여 작동 노즐 출구부(3번 지점)의 유체 압력이 낮아집니다.
혼합실 부분과 벤투리관 전면부(3번 지점에서 6번 지점까지의 구간)에서 구동 유체와 흡입 유체가 혼합되기 시작하며, 운동량과 에너지가 교환됩니다. 구동 유체의 압력 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되어 흡입 유체로 전달되므로, 구동 유체의 속도는 점차 감소하고 흡입 유체의 속도는 점차 증가하며, 두 속도는 점차 감소하여 서로 가까워집니다. 최종적으로 4번 지점에서 두 속도는 같아지고, 벤투리관의 목 부분과 디퓨저를 통해 배출됩니다.
셋:디젤 엔진의 배기가스 흐름을 이용하여 진공을 얻는 자흡식 펌프군의 구성 및 작동 원리
디젤 엔진 배기가스는 디젤 엔진이 디젤유를 연소시킨 후 배출되는 배기가스를 말합니다. 이는 배기가스에 속하지만, 일정량의 열과 압력을 가지고 있습니다. 관련 연구 부서의 시험 결과, 터보차저[3]가 장착된 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스의 압력은 0.2MPa에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 에너지 효율, 환경 보호 및 운영 비용 절감 측면에서 디젤 엔진 작동 시 배출되는 배기가스를 활용하는 것은 중요한 연구 주제가 되었습니다. 터보차저[3]는 디젤 엔진 작동 시 배출되는 배기가스를 동력 구동 부품으로 활용하여 디젤 엔진 실린더로 유입되는 공기의 압력을 높여 연소를 더욱 완전하게 함으로써 디젤 엔진의 출력 성능, 비출력, 연비 향상 및 소음 감소를 달성합니다. 다음은 디젤 엔진 작동 시 배출되는 배기가스를 동력원으로 사용하는 한 가지 예입니다. 원심 펌프의 펌프실과 급수관 내부의 가스가 벤투리관을 통해 흡입되어 펌프실과 급수관 내부에 진공이 발생합니다. 대기압의 작용으로 원심 펌프 입구의 수압보다 낮은 수압의 물이 원심 펌프의 흡입관과 펌프실로 유입되어 펌프실을 채우고, 원심 펌프를 가동하여 정상적인 급수를 공급합니다. 구조는 그림 2에 나타내었고, 작동 과정은 다음과 같습니다.
그림 2에서 보는 바와 같이, 원심 펌프의 물 유입구는 펌프 배출구 아래 수조에 잠긴 배관에 연결되고, 물 배출구는 펌프 배출 밸브 및 배관에 연결된다. 디젤 엔진이 작동하기 전에는 원심 펌프의 물 배출 밸브를 닫고, 게이트 밸브(6)를 열어 클러치를 통해 원심 펌프를 디젤 엔진과 분리한다. 디젤 엔진이 시동되어 정상 작동을 시작하면 게이트 밸브(2)를 닫고, 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스가 머플러에서 배기 파이프(4)를 통해 벤투리관으로 들어가 배기 파이프(11)를 통해 배출된다. 이 과정에서 벤투리관의 원리에 따라 원심 펌프의 펌프실 내부의 가스가 게이트 밸브와 배기 파이프를 통해 벤투리관으로 들어가 디젤 엔진의 배기가스와 혼합된 후 배기 파이프를 통해 배출된다. 이와 같이 원심 펌프의 펌프실과 급수관에 진공이 형성되고, 원심 펌프의 급수구보다 낮은 수심의 수원에 있는 물이 대기압에 의해 원심 펌프의 급수관을 통해 원심 펌프의 펌프실로 유입됩니다. 원심 펌프의 펌프실과 급수관이 물로 채워지면 게이트 밸브(6)를 닫고 게이트 밸브(2)를 열어 클러치를 통해 원심 펌프를 디젤 엔진에 연결하고 원심 펌프의 배수 밸브를 열어 디젤 엔진 펌프 세트가 정상적으로 작동하여 물을 공급합니다. 시험 결과, 디젤 엔진 펌프 세트는 원심 펌프의 급수관보다 2미터 낮은 수심의 물을 원심 펌프의 펌프실로 끌어올릴 수 있습니다.
상기 디젤 엔진의 배기가스 흐름을 이용하여 진공을 얻는 디젤 엔진 자흡식 펌프 그룹은 다음과 같은 특징을 가진다:
1. 디젤 엔진 펌프 세트의 자흡 능력 문제를 효과적으로 해결합니다.
2. 벤투리관은 크기가 작고 무게가 가벼우며 구조가 콤팩트하여 일반 진공 펌프 시스템보다 비용이 저렴합니다. 따라서 이러한 구조의 디젤 엔진 펌프 세트는 장비가 차지하는 공간과 설치 비용을 절감하고 엔지니어링 비용을 줄여줍니다.
3. 이러한 구조의 디젤 엔진 펌프 세트는 디젤 엔진 펌프 세트의 활용 범위를 더욱 넓히고 디젤 엔진 펌프 세트의 사용 범위를 향상시킵니다.
4. 벤투리관은 작동 및 유지보수가 간편합니다. 상시 관리 인력이 필요하지 않으며, 기계식 구동 부품이 없어 소음이 적고 윤활유 소모도 없습니다.
5. 벤투리관은 구조가 간단하고 수명이 길다.
이러한 구조의 디젤 엔진 펌프 세트가 원심 펌프의 물 흡입구보다 낮은 곳에서 물을 흡입할 수 있는 이유는 디젤 엔진 작동 시 배출되는 배기가스를 핵심 부품인 벤투리관을 통해 고속으로 흐르게 함으로써, 원래 자흡 기능이 없던 디젤 엔진 펌프 세트에 자흡 기능을 부여할 수 있기 때문입니다.
4: 디젤 엔진 펌프 세트의 수분 흡수 높이를 개선합니다.
상기에서 설명한 디젤 엔진 자흡식 펌프 세트는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스를 벤투리관을 통해 흐르게 하여 진공을 발생시킴으로써 자흡 기능을 수행합니다. 그러나 이러한 구조의 디젤 엔진 펌프 세트에서 동력 유체는 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스이므로 압력이 비교적 낮습니다. 따라서 발생하는 진공도 또한 비교적 낮아 원심 펌프의 흡입 높이가 제한되고 펌프 세트의 사용 범위도 제한됩니다. 원심 펌프의 흡입 높이를 높이려면 벤투리관 흡입 영역의 진공도를 높여야 합니다. 벤투리관의 작동 원리에 따라 흡입 영역의 진공도를 향상시키기 위해서는 벤투리관의 작동 노즐을 음속 노즐 또는 초음속 노즐 유형으로 설계해야 하며, 이를 통해 벤투리관을 통과하는 동력 유체의 초기 압력을 높일 수 있습니다.
디젤 엔진 펌프 세트에 흐르는 벤투리 구동 유체의 초기 압력을 높이기 위해 디젤 엔진의 배기 파이프에 터보차저를 설치할 수 있다[3]. 터보차저[3]는 엔진에서 배출되는 배기가스의 관성 충격을 이용하여 터빈 챔버 내의 터빈을 구동하고, 터빈이 동축 임펠러를 회전시켜 공기를 압축하는 공기 압축 장치이다. 그 구조와 작동 원리는 그림 3에 나타나 있다. 터보차저는 고압, 중압, 저압의 세 가지 유형으로 나뉜다. 출력 압축 가스의 압력은 고압이 0.3MPa 이상, 중압이 0.1~0.3MPa, 저압이 0.1MPa 미만이며, 터보차저에서 출력되는 압축 가스의 압력은 비교적 안정적이다. 터보차저에서 입력되는 압축 가스를 벤투리 구동 유체로 사용하면 더 높은 진공도를 얻을 수 있으므로 디젤 엔진 펌프 세트의 수분 흡수 높이가 증가한다.
五： 결론:디젤 엔진의 배기가스 흐름을 이용하여 진공을 생성하는 디젤 엔진 자흡식 펌프군은 디젤 엔진 작동 시 발생하는 고속 배기가스 흐름, 벤투리관, 터보차징 기술을 최대한 활용하여 원심 펌프의 펌프실과 물 흡입관 내부의 가스를 흡입합니다. 이렇게 생성된 진공으로 인해 원심 펌프의 수원보다 낮은 수위의 물이 원심 펌프의 물 흡입관과 펌프실로 흡입되어 자흡 효과를 발휘합니다. 이러한 구조의 디젤 엔진 펌프군은 구조가 간단하고 작동이 편리하며 비용이 저렴하다는 장점을 가지며, 디젤 엔진 펌프군의 활용 범위를 넓혀줍니다.
게시 시간: 2022년 8월 17일