† 교신저자, 한국철도기술연구원, 친환경연구실 E-mail : [email protected]
튜브구조물의 누설을 포함한 진공 펌프 용량에 관한 연구
Study on Vacuum Pump Capacity with Leakage of Tube Structure
남성원†
Seong-Won Nam
ABSTRACT
Parametric study has been conducted to calculate the capacity of vacuum pump system that will be used to
maintain the pressure of the tube system under atmosphere level. Recently many railroad researchers pay
attention to the tube train system as one of the super high speed transportation system. To achieve the ultra
super high speed, the inside of tube system should be maintained the low pressure level. In the low pressure
environment, it is well known that air resistance of train is drastically decreased. Vacuum pump system will
be used to make the low pressure level of tube system, exhaust the leakage air and supplement additional
vacuum pumping. Qualitative and quantitative study has been conducted to review the effects of major
parameters concerned with the capacity of vacuum pump system. As a results of these studies, we get the
lump capacity of vacuum pump for various parameters. These results can be used to analyse the effects of
the reduction of air resistance.
국문 요약 본 연구에서는 튜브 시스템 내부를 대기압 이하로 감압하여 유지시키는데 필요한 진공 펌프 시스템 의 용량에 관한 파라메타들의 영향을 연구하였다. 튜브 열차 시스템은 기존 육상 교통의 속도 한계를 극복하기 위하여 튜브 내부를 대기압 이하로 유지하여 주행하는 열차의 공기 저항을 크게 줄일 수 있 다. 진공 펌프 시스템은 튜브 내부를 감압시키고, 튜브 내부로 누설되는 공기를 추가적으로 배출시키는 역할을 한다. 튜브 구조물의 누설을 고려한 정량적 및 정성적 용량을 산정하기 위하여 진공 펌프의 용 량에 영향을 끼치는 파라메타를 선정하여 각각의 변화에 대한 영향을 검토하였다. 콘크리트의 압력 누 설 실험식을 이용하여 누설량을 구하고, 그 결과를 진공 펌프 용량 산정에 반영하였다. 본 결과는 진공 펌프 구동에 소요되는 동력이 튜브 열차 공기 저항 저감으로 인한 동력비 절감 효과를 비교 분석하는 데에도 참고 자료로 활용될 것이다. 1. 서론 현재와 같은 차륜-레일 방식의 철도차량의 영업 속도 최고 한계를 350km/h 전후로 일반적으로 예 측하고 있어서, 그 이상의 초고속을 달성하기 위하여 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 사 례가 초고속 자기 부상 열차 시스템으로, 차륜-레일의 점착한계, 판토그라프 집전 문제는 해결되었으나, 건설에 막대한 비용이 소요되고, 터널에서의 공력문제, 인체에 대한 전자기파 문제 등은 아직도 개선해 야할 과제이다. 또 다른 대안중 하나로서, 차량이 주행하는 선로를 튜브로 감싸고 그 내부를 저압으로
유지하여 공기저항을 낮춤으로서, 이러한 문제들을 해결하려는 연구가 시도되고 있다. 이러한 개념에 기초한 초고속 튜브 열차 연구는 스위스, 미국, 러시아, 독일 등에서 다양한 형태로 기초 연구가 진행되었으며, 이를 응용하면, 대륙횡단 철도, 해저터널 철도 및 대심도 철도에도 응용될 수 있을 것이다. 목표로 정한 초고속의 차량 속도를 달성하기 위한 튜브 열차 시스템의 압력 관련 핵심 기술은, 튜브 내부를 저압으로 만드는데 필요한 대용량 고효율의 진공 펌프 기술, 누설이 가능한 한 늦 게 진행되도록 하는 튜브 구조 기밀화 건설 기술, 그리고, 감압된 튜브 내부의 압력을 저압 상태로 유지 하는 기술이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 초고속 튜브 열차가 지나갈 튜브 내부를 대기압 이하의 설 정 압력 상태로 만들고, 이를 유지하는데에 필요한 진공 펌프 용량에 대하여 튜브 구조물의 누설을 고 려하여 연구를 수행하였다. 2. 누설을 고려한 진공 펌프 용량 진공 펌프의 용량은 일반적으로 식(1)과 같은 간이식으로 표현되면, 진공 용기의 체적, 진공 도달 압 력, 진공도달 시간에 따라 그 크기를 산정할 수 있다.
× Log
... (1) 여기서,
: 진공 펌프의 이론 용량 (ℓ/min),
: 진공 용기의 체적(ℓ),
: 진공 도달 시간(min),
: 초기 진공도,
: 요구 진공도, K :진공도에 따른 보정계수를 각각 나타낸다. 또한, 위식은 압력 범위가 1.3 Pa까지 적용되므로 튜브 열차 시스템의 압력 도달 수준에는 충분히 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나, 튜브 구조물과 같은 형상에서는 완전한 기밀을 유지하기는 어려우므로 위의 진공 펌 프 용량 산정에 누설을 고려하여 검토하는 것이 더 현실적이라고 할 수 있다. 박주남[2] 등은 튜브 구 조물로 이용할만한 콘크리트 배합물에 구성하여 실물 공기 누설 시험을 하였다. 그 결과를 토대로 각각 의 콘크리트 구조물 타입에 대한 다음과 같은 공기 누설 그래프를 구할 수 있었다. 그림에서 case1과 같은 배합의 콘크리트 구조물은 0.1 기압으로 감압된 구조물의 내부 압력이 대기 압까지 누설되는데에 36분이 소요되었으며, case 2의 경우는 2.5 시간이, case3 및 case4의 경우는 110시간이 각각 소요되었다. case2의 경우는 case1에 비하여 기밀도가 약 4.16배, case3 및 case4의 경우는 case1에 비하여 183배, case2에 비하여 44배 높다는 것을 보여준다. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Case 1 Case 2 0 < t < 2.5 0 < t < 0.6 P1=0.10035+4.23312 t - 7.67229 t2+6.64656 t3-2.75272 t4+0.43748 t5 P2 =0.0992+0.75379 t-0.11246 t2-0.07487 t3+0.02268 t4 P re ss ur e (Pt /Pa ) P a 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00 < t < 110
P re ss ur e (Pt /Pa ) P aP3 =0.09236+0.02516 t-2.45411E-4 t
2+8.27177E-7 t
3Case 3
Case 4
각각의 case에 대한 압력 누설 실험식은 다음과 같다. case 1 :
0.1기압에서 1기압으로 누설되는데 소요된 시간 : 0.6시간 case 2 :
0.1기압에서 1기압으로 누설되는데 소요된 시간 : 2.5시간 case 3 : ×
×
0.1기압에서 1기압으로 누설되는데 소요된 시간 : 110시간 압력 변화에 대한 밀도 변화는 상태 방정식으로부터 구할 수 있으며, 밀도 변화량은 체적 변화량에 반비례하므로 다음식으로부터 누설량을 계산할 수 있다.
ln
... (2) 前報[1]에서와 같이 검토할 튜브 대상 노선을 복선 튜브선로에서 단선 튜브의 직경을 5m, 노선 길 이를 40km로 하면, 전체 체적은 약 1,570,000 ㎥이다. Figure 3~5에 각각의 case에 대한 진공 펌프 용량을 나타내었다. 그림에서 펌프와 누설을 고려한 총용량은 기호 ■으로, Net 펌핑량은 기호●, 누설량은 기호 ▲로 각각 표시하였다. 목표로 하는 압력에 도달하는데에 소요되는 진공 펌프의 용량은 콘크리트 용기의 기밀도에 직접 관계됨을 알 수 있는데 , 예 를들면, 동일한 체적에서 동일한 시간에 0.5기압까지 감압시키는데에 소요되는 진공 펌프 용량은 case1 의 경우는 18,940,000 ㎥, case2는 4,587,000 ㎥, case3은 103,600 ㎥이 소요된다. 이 결과는 콘크리 트 구조물의 기밀도가 높을수록 소요되는 진공펌프의 용량은 반비례하여 작아짐을 알 수 있다. 0 20 40 60 80 100 1E8 1E9 1E10 1E11 1,080,000 m3 1.894E10 1.786E10 Case 1 Va cu um P um p C ap ac ity (l/ mi n)Internal Pressure of Tube (kPa) Sum
Net Pumping Leakage
Fig. 3. Pump Capacity (case1)
0 20 40 60 80 100 1E7 1E8 1E9 1E10 1E11 259,600 m3 4.327E9 4.587E9 Case 2 Sum Net Pumping
Leakage
Internal Pressure of Tube (kPa)
Va cu um P um p C ap ac ity (l/ mi n)
0 20 40 60 80 100 1000000 1E7 1E8 1E9 5,862 m3 1.036E8 9.772E7
Internal Pressure of Tube (kPa) Va cu um P um p C ap ac ity (l/ mi n) Sum Net Pumping Leakage Case 3
Fig. 5. Pump Capacity (case3)
0 20 40 60 80 100 1E7 1E8 1E9 1E10 1E11
Internal Pressure of Tube (kPa) Va cu um P um p C ap ac ity (l/ mi n)
Total Pumping Capacity case 1 case 2 case 3
Fig. 6. Total Pump Capacity
0 20 40 60 80 100 1000000 1E7 1E8 1E9 1E10
Internal Pressure of Tube (kPa)
Le ak ag e ( l/m in) Leakage case 1 case 2 case 3
Fig. 7. Leakage Capacity
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5 10 15 20 25 Pu mp ca pa cit y r ati o ( Px /P0.9 )
Internal Pressure of Tube (kPa) Pump Capa. /Pump Capa. for 0.9 atm
Fig. 8. Pump Capa. Ratio
Figure 3~5에서 기호 ■로 표시한 총 펌프 용량은 Net 펌핑량은 기호●의 Net 펌핑량과 기호 ▲로 표시한 누설량은 더한 값이며, 0.5기압에서의 총량과 Net량과의 차이는 case1에서 1,080,000㎥, case2에서 259,000㎥, case3에서 5,862㎥ 으로 case1은 case2에 비하여4.17배, case3에 비하여 184 배가 누설량이 많다는 것을 의미하며, 이 값들은 누설에 소요된 시간 비율과 일치함을 알 수 있다. Figure 6에 진공펌프의 총 소요용량을, Figure 7에 누설량을 각각의 경우에 대하여 나타내었다. 두 그림의 비교에서 알 수 있듯이, case1의 진공 펌프의 총 소요 용량은 누설량이 많아서 증가함을 나타내 며, 목표로 하는 내부 도달 압력이 낮을수록 용량이 커지는 경향을 나타낸다. 즉, 0.1기압까지 도달하는 데에 소요되는 펌프용량은 0.9기압까지 도달하는데에 소요되는 용량에 비하여 약 24배가 크며, 0.5기압 에 도달하는데에 소요되는 용량은 0.9기압에 소요되는 용량에 비하여 7.12배가 필요하다. 이는 앞의 콘
로 인한 열차의 공기저항 감소 효과와 튜브 내부의 저압 유지를 위하여 펌핑에 소요되는 펌프 동력비를 비교 분석하여 적정한 압력 범위를 산정할 필요가 있다. 4. 결 론 본 연구에서는 튜브 열차 시스템의 진공 펌프 용량에 관하여 분석하였다. 튜브 시스템 내부의 압력 강하에 사용되는 진공 펌프의 용량 결정에 관계되는 주요 파라메타인 튜브 체적, 진공 도달 시간, 요구 압력의 영향에 관하여 정량적으로 분석하였다. 콘크리트 구조물의 누설 실험에 기초하여 압력 누설식을 구하였으며, 진공펌프의 Net 용량식에 누설량을 고려하여 총 소요 용량을 계산하였다. 진공 튜브의 체 적은 직경 5m, 길이 40km로 임의로 선정하였으며, 도달 압력의 크기는 0.1기압~0.9기압으로 가정하였 다. 연구 결과, 각각의 시나리오에 대한 진공 펌프 소요 용량을 구할 수 있었으며, 진공 펌프 용량 크기 에 가장 큰 영향을 끼치는 것은 튜브내 도달 압력 정도와 튜브 구조물의 압력 기밀도 임을 알 수 있다. 진공 펌프의 소요용량은 튜브 구조물의 기밀도에 크게 의존하며, 기밀도가 높을수록 펌프 용량이 작이 도 됨을 알 수 있다. 0.1기압까지 도달하는데에 소요되는 펌프용량은 0.9기압까지 도달하는데에 소요되 는 용량에 비하여 약 24배가 크며, 0.5기압에 도달하는데에 소요되는 용량은 0.9기압에 소요되는 용량 에 비하여 7.12배가 필요하다. 즉, 목표로 하는 튜브 내부 압력이 낮을수록 누설량이 많아지기 때문에 소요되는 펌프의 용량도 커지며, 커지는 증가 패턴은 압력 차이가 클수록 증가하는 경향을 나타낸다. 향후에는, 진공 펌프의 구동에 소요되는 동력과 튜브내 감압 결과로 얻어지는 열차의 공기 저항 감 소에 따른 동력비 절감 효과의 비교가 필요하며, 요구되는 진공 체적 계산에는 튜브망 뿐만아니라 역사 및 부가 공간을 포함하여 검토할 필요가 있다. 참고문헌
[1] S.W.Nam, (2010) Parametric Study on the Capacity of Vacuum Pump for Tube Structure,
J. of KoreanSociety for Railway
