전기가 필요없는 수격 물 펌프

 

(일본농가에서 사용되고 있는 PVC관으로 만든 수격 펌프)


"전기가 필요없는 물 펌프가 있다는 데 한번 알아봐달라"는 부탁을 받았다.

 

언젠가 농수 이용과 관련된 적정기술들을 찾아볼 요량이었지만 당장 그 물펌프에 대해 알아보지 못하고 미루던 터에 완주에서 개최된 한일포럼에서 ‘수격(水擊)펌프’를 알게 되었다.

 

1114일부터15일까지 이틀간 전북 완주에서 제4회 커뮤니티 비즈니스 한일(韓日)포럼의 발표자로 참석하게 되었다. 이번 한일 포럼은 지속가능한 지역, 환경, 에너지 문제의 대안 모색을 위한 한일커뮤니티 지적교류사업의일환으로 개최되었는데 포럼의 주제는 '지속가능한농촌, 에너지자립은 가능하다.'였다.

 

이 포럼에서 한일 발표자는 일본의 농촌 에너지 자립운동의 사례들을 발표하면서 전기가 필요없는 '수격(水擊)펌프(hydraulicram pump)'에 대해 소개했다.

 

눈에 확 띄었다. 좀 더 자세히 알고 싶어 지난 겨울 장흥을 방문한 이후로 교류가 이어지고 있던 일본 로켓매스히터협회의 이시오카대표가 마침 포럼 발표자로 함께 참여하고 있어 '수격펌프'에 대해 물어보았더니 일본의 사례를 엿볼 수 있는 웹블로그를 알려주었다. 이시오카대표가 알려준 블로그를 통해 일본 사례를 살펴본 후 '수격펌프'의 구동 원리와 제작 방법, 전 세계 사례들을 찾아 공부하기 시작했다. 이번호에는 그 내용을 정리하여 소개한다.

 

(LPG통과 관계용 호스, 배관용 밸브류를 이용해서 만든 수격 펌프)


'수격펌프[hydraulic ram water pump]'는 전기를 이용하지 않고 흐르는 물이나 낙차가 큰 물을 간헐적으로 막았다 열었다를 반복할 때 발생하는 수격[water hammer , 水擊]작용을 이용해서 높은 곳으로 물을 끌어올릴 수 있는 자연에너지를 이용한 무동력 물 펌프이다. 여기서 수격 [waterhammer , 水擊]이란 관로 속에 가득차 흐르는 물의 속도를 급격히 변화시켰을때 생기는 압력 변화때문에 관에 타격을 주며 마치 망치로 탕탕 치는 듯 하는 소리와 함께 충격이 발생하는현상을 말한다.


수격펌프는 프랑스의 조셉 미셸 몽골피어(JosephMichel Montgolfier)1796년 제지 공장에 물을 퍼 올리기 위해 발명했다. 영국을 거쳐 미국에서 수격펌프는 19세기후반부터 사용되었지만 곧 19세기말 전동 펌프가 보급되면서 수격펌프는 뒷전으로 밀려나기 시작했다. 20세기말 수격펌프에 다시 이목이 집중되고 있다.

 

개발도상국에서지속가능한 개발을 위, 선진국에서는 고유가 시대 에너지 절약 차원에서 다시 수격펌프의 필요성이 높아졌기 때문이다. 일례로 필리핀의 구호단체인 ADI국제재단(AIDFoundation International)은 전기가 들어오지 않는 오지 마을에서도 사용할수 있는 수격 펌프를 개발하여 보급하고 있다. 네팔의 산악지대에서 계곡의 물을 주택으로 양수하는 데 이용되거나 이집트와 같은 중동 지방에서 사막의 밭에 물을 대는 데 사용되고 있다.

 

(제품화되어판매되고 있는 수격 펌프)



수격펌프의 장단점

수격펌프는 휘발유, 디젤과 같은 화석연료나 전기를 사용하지 않기 때문에 운전비용이 들지 않고 환경 오염을 일으키지 않는다는 장점을 갖고 있다. 이 외에도 구조가 간단해서 누구나 직접 만들기 쉽고 설치하기도 쉽다. 물론 유지 보수하기도 쉽다.

 

수격펌프의 가장 큰 단점은 용도가 제한된다는 점이다. 수격펌프는 펌프보다 높은 곳에 충분한 낙차를 가진 저수가 있고 그 보다 높은 위치로 물을 끌어올릴때, 경사가 큰 수로나 시냇물을 보다 높은 곳으로 퍼 올릴 때에 주로 사용한다.

 

일반적인 운영 문제는 펌프와 연결된 관로에 공기가 들어가거나, 불순물이 펌프의 밸브에 끼어 막히는 현상과 겨울철 동파이다. 또 다른 단점은 전동 펌프에 비해 양수 능력이 떨어지고 펌프의 규모가 크다는 점이다.

 

(저수지와수격 펌프,양수위치)


수격펌프의 양수(揚水)능력을 살펴보면 실제 사용되는 수격 펌프의 경우 낙차 1~30m의 저수지에서 시간당 1∼40m3의 수량을 관로를 통해 흘려보낼 경우 최대 300m까지 양(揚程)할수 있다. 저수지로부터 물을 공급받는 입력관과 목적지를 물을 끌어 올리는 양수관 사이의 높이 차이에 따라 수격 펌프는 공급되는 물의 약 10~20%를 양수할 수 있다.



수격펌프의기본구성과 작동원리 

 

  1. 취수구 - 입력관 (저수지 또는 흐르는 시내로부터 물 공급)

  2. 배수(넘쳐나는 물 배출)

  3. 양수구- 양수관 (수원보다 더 높은 위치로 물을 뿜어린다.)

  4. 배수 밸브

  5. 양수 체크 밸브

  6. 압력 용기

처음에는 배수밸브(4)가 열려 있고, 양수밸브(5)는 닫혀있다. 입력관(1)으로 들어온 물은 중력에 의해 결과적으로 배수밸브를 내는 힘을 증가시켜 배수밸브가 닫아질때까지 유속과 운동에너지를 증가시킨다.

 

배수밸브가 닫히면 입력관공급된 수압에 의해 수격작용(waterhammer)을 하게 되고 관내 압력을 높아지면서 압력용기 하부의 밸브가 열리게 된다. 그리고 이때 일부 물양수관(3)으로 밀어낸다. 이러한 작용의 반복으로 수원에서 입력관에 가해지는 위치보다 훨씬 높은 위치까지 물을 양수할 수 있다.

 

이 다시 압력용기 밑으로 내려가려 할 때 양수체크 밸브(5)가 닫힌다. 모든 물 흐름이 정지스프링 달린 배수밸브가 다시 열리고 지금까지 과정이 반복된다.

 

압력용기(6)에는 충격완화용으로 공기가 들어가 있어 배수 밸브가 닫힐 때의 수압 변화의 충격완화하고, 양수관에 흐르는 물의 양을 늘려서 펌프의 효율을 높인다.

 

이론적으로 압력 용기가 없어도 물 망치 펌프가 작동 가능하지만 효율은 크게 저하된다. 또한 충격이 반복되므로 펌프의 수명이 훨씬 짧아진다.

 

이 구조의 경우 압력용기 내의 공기가 서서히 물에 녹아 공기압이 줄어든다는 문제가 있다.

 

해결책은 물과 공기 사이에 신축성있는 격막을 장착하는 방법이 있. 자동차나 자전거타이어 튜브에 약간공기를 채압력용기에 넣고 밸브를 닫는 방법이 자주 사용된다. 이경우 튜브는 격막과 같은 역할을 한다.

 

PVC관과부속으로 집에서 만들 수 있는 일명 마더(mother)수격펌프

 

 

("=inch)

1 1-¼" 잠금밸브

2 1-¼" T 밸브

3 1-¼" 연결밸브

4 1-¼" 스윙체크 밸브 (배출밸브)

5 1-¼" 스프링체크 밸브 (양수밸브)

6 ¾" T 밸브

7 ¾" 잠금밸브

8 ¾" 연결밸브

9 1-¼ " x ¾" 축받이 덧 쒸움(bushing)

10 1/ 4 " 관마개 (Pipecock)

11 100PSI 압력측정계

12 1-¼ " x 6" 니플(nipple)

13 4"x 1- ¼" 축받이 덧 쒸움관(bushing)

14 4" 연결소켓 (coupling)

15 4" x 24" PR160 PVC 파이프(압력용기)

16 4" PVC 접착마개

17 ¾"x ¼" 축받이 덧 쒸움(bushing)

 

(위 도면 마더 수격 펌프의 실 제작 사례)

 

(또다른 유형의 마더 수격 펌프)



수격펌프 설계 요소


수격펌프를 설계할 때 고려할 요소는

1. 수지(수원)와 펌프 사이의 수직 낙차

2. 펌프와 물을 양수할 위치 (토출양정)높이 차.

3. 사용할물 흐름의 양 (Q).

4. 적절한 물 수량

5. 저수지(수원)에서 펌프까지 입력관의 길이

6. 펌프에서 양수위치까지 양수관의 길이.

 

양수량을결정하는 설계 공식은 다음과 같다.


D= (S x F x E) / L


D= 24시간당 공급되는 물의 양 (리터)

S= 분당 공급되는 물의 양 (리터)

F= 수원과펌프 사이의 낙차(높이차(미터)

E= 펌프효율 (상업제작 수격펌프효율 0.66/ 자가제작 수격 펌프효율0.33)

L= 펌프에서저장(양수)위치까지높이차 (미터)


저수지(수원)에서 펌프까지의 높이의 5~12배의 길이로 입력관을 만들 때 최적이다.

입력관의 길이는 양수관 직경의 500~1000배가 적당하다. 입력관의 길이를 이렇게 설정하면 펌프는 1초에서 2에서 1주기 운동을 한다.


농수공급을 위해 수 많은 전기 펌프를 이용하고 있는 우리 농촌의 실정을 생각할 때 전기를 사용하지 않는 수격펌프는 비록 사용처가 제한적이라도 지나치게 화석에너지에 의존하고 있는 농촌현실에서 조금이나마 에너지 자립에 다가설 수 있게 만드는 적정기술임에 분명하다.

수격펌프에 대해 좀더 알고자 한다면 아래 소개된 자료출처들을 살펴보길 바란다. 보다 많은 귀농자들과 창조적인 농부들이 농촌사회의 에너지자립을 위한 보다 많은 적정기술들을 발굴할 수 있기를기대해본다.



앞으로 수격펌프를 좀더 연구하고 실험해서 여러분들이 직접 자작해보실 수 있도록 하겠습니다.

여러분들도 곳곳에서 함께 실험에 동참해주시기 바랍니다.

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