5. 관리용 기계
○ 노지에서의 관리작업을 위주로 설명
○ 관리작업: 경지 관리와 잡초 관리, 물 관리, 작물의 영양 관리, 병해충으로부터 보호하는 작업을 포함
○ 선진국: 정밀농업, 우리나라: ‘02년부터 친환경농업육성법 시행
* 친환경농업육성법의 친환경농업 정의: 농약의 안전사용기준을 준수하고 작물별 시비량 기준을 준수하며 적절한 가축사료첨가제를 사용하는 등 화학자재의 사용을 적정 수준으로 유지하고, 축산분뇨의 적절한 처리 및 재사용 등을 통하여 환경을 보전하고 안전하게 농림축산물을 생산하는 농업이라고 정의
--> 이 법에 근거하여 유기농산물, 전환기유기농산물, 무농약농산물, 저농약농산물로 인증하는 제도를 실시, 국립농산물품질관리원에서는 2006년부터 우수농산물(Good Agricultural Product, GAP) 인증제도를 실시하여 생산과정은 물론 수확 후 과정에서 식품으로서 안전성을 확보하는 인증제도를 시행
5.1 관개배수용 기계
○ 관개(Irrigation): 논밭이나 작물에 필요한 물을 공급하는 과정 - 자연관개: 물의 고도차 이용(높은 곳--> 낮은 곳)
- 기계적 관개: 동력을 이용(낮은 곳--> 높은 곳)
○ 배수(drainage): 경지에 있는 필요 이상의 물을 제거하는 과정
○ 21세기는 물 부족 시기 (우리나라도 물부족국가로 분류) - 관개: 스프링클러, 점적관수기 등
- 배수: 배수골 배수, 땅 속에 관을 묻어 수직 배수하는 암거배수법 등
○ 관개배수에서 가장 중요한 기계 --> 물을 퍼올리는 양수기(pump) - 펌프 작동원리, 종류, 특성을 이해 --> 적정 기계 선정
5.1.1 펌프시스템
○ 펌프와 관배수에 필요한 구성요소들을 모두 포함하는 용어
○ 구성요소: 원심펌프와 흡입관(suction pipe), 송출관(discharge pipe), 푸트밸브(foot valve), 송출밸브(discharge valve), 여과기(strainer) 및 압력계
- 푸트밸브: 원심펌프의 경우에는 반드시 필요하며 물의 역류를 방지 - 여과기: 펌프의 종류와 물에 혼입된 불순물에 따라 다양한 크기 사용
○ 송출량(flow rate, Q): 분당 또는 초당 배출되는 부피로 표시
○ 펌프공학에서 압력 = 물기둥 높이로 표시, 수두(water head) = 양정 - 1기압: 약 10 m의 물기둥이 작용하는 압력
- 수두(양정)와 압력의 관계 P = γH (5-1) 여기서 P = 압력 (Pa)
γ = 물 또는 액체의 비중량 (N/m3)
H = 물 또는 액체 기둥의 높이, 수두 또는 양정 (m)
○ 전양정(total water head, H): 펌프가 양수하는 데 필요한 압력
- 실양정(actual head, Ha) + 배관 마찰저항 및 송출량에 대한 유속에 의한 속도수두
․마찰에 의한 손실수두(h): 액체 점성, 배관 굵기와 관 내부 거칠기 정도, 관 내부 평균 유속에 따라 달라짐, Moody chart를
이용하거나 실험식으로 구함 - 실양정: 흡입실양정 + 송출실양정
- 펌프에 작용하는 압력: 전양정 x 액체의 비중량
○ 동력: 실제 필요한 소요동력(required power, L), 펌프 축동력(shaft power, LS), 양수된 액체에 가해진 수동력(water power, LW)
○ 펌프에서 발생하는 유량 손실, 기계적 동력의 손실, 압력의 손실을
체적효율(volumetric efficiency, ηv), 기계효율(mechanical efficiency, ηm), 수력효율(hydraulic efficiency, ηh)로 표시하며 펌프의 전체적인 효율, 즉 전효율(total efficiency, ηt)은 각각을 곱
ηt = ηm×ηv×ηh (5-3)
5.1.2 펌프의 구조와 종류
○ 물을 빨아올리기 위해 펌프 내부 압력이 낮아야 하는데 대기압 이하의 압력, 즉 진공압력은 최대로 크게 하더라도 1 기압 이하, 또한 물 온도에 따라 대기 수증기압이 달라져 공기가 차지하는 분압이 작아짐
○ 밀어올리는 원리는 어떤 기계적 원리를 사용하는가에 따라서 수백 기압까지 다양
- 모멘텀변환펌프(momentum change pump): 회전차와 같은 장치를 회전시켜 압력을 발생, 원심펌프(centrifugal pump), 축류펌프, 사류펌프 - 용적식 펌프(positive displacement pump): 피스톤과 같이 정해진 체적
내부로 유체를 끌어들여 높은 압력으로 밀어 냄, 플런저펌프, 다이아프램 펌프, 기어펌프, 로브펌프, 스크류펌프
* 한번 작동할 때마다 송출되는 유량이 압력에 따라 크게 변하지 않는 특성이 있어 정밀한 제어를 필요로 하는 중장비의 유압장치나 고압을 요구하는 곳에서 널리 사용
○ 모멘텀변환펌프인 원심펌프 구조
- 회전차가 회전하면서 흡입구에는 압력이 낮아져 물이 빨려 올라옴 - 회전차 내부로 들어온 물은 회전차가 회전함에 따라 깃을 따라서
반경방향으로 진행하는데 유체의 속도가 빨라짐
- 고속으로 회전차를 빠져나오는 원심력을 받아 압력이 높아지는 한편 케이싱에 모이면서 속도가 줄어들면서 압력이 높아져서 높은 곳까지 액체를 밀어 보냄
○ 회전차 입구와 출구에서 유체의 속도와 방향 - 반경이 r1인 회전차 입구부, r2인 출구부
- 각 운동량 보존의 식 --> 회전차에 가해지는 토오크(T)
○ 깃의 형상 설계 --> 펌프 압력을 결정
- 깃의 형상: 유량, 양정, 회전속도에 의한 비속도에 따라 달라지고, 원심펌프와 사류펌프, 축류펌프를 구별하는 기준이 됨
- 비속도
○ 피스톤펌프 (대표적인 용적 펌프)
- 주요 구성요소: 피스톤과 흡입밸브와 송출밸브로 이루어진 펌프와 배관, 스트레이너, 공기실, 압력조절장치
- 압력조절장치: 정해진 압력보다 높은 경우 송출된 액체 일부 되돌됨 - 피스톤이 후진할 때 흡입, 전진할 때 흡입을 멈추고 송출. 펌프로부터
물을 연속적으로 얻기 위하여 공기실을 설치하여 송출되는 물의 일부를 저장하였다가 피스톤이 물을 송출하지 않을 때에 공기실에서 배출하여 송출량이 비교적 일정하도록 함. 송출량을 균등하게 하기 위하여 피스톤을 병렬로 위상차를 두고 배치
- 용적식 펌프의 분당 유량 Q = ηVALw
여기서 ηV는 체적계수, A는 피스톤의 단면적, L은 피스톤의 행정거리, w는 피스톤의 분당 작동속도. 실린더가 n개라면 유량은 위에서 구한 것의 n배
○ 펌프 중심부의 압력이 공기의 분압보다 낮아지면 액체가 기화되어 펌프가 정상적으로 작동되지 못함
- 펌프가 액체를 빨아올릴 수 있는 능력(Net Positive Suction Head)은 대기압(Pa)에서 해당 온도의 액체 증기압(Pv)과 흡입 실양정(Has) 및 흡입관에서의 손실(Hs)과 속도수두를 고려하여 표시
- NPSH가 0 이하가 되는 경우 흡입된 액체가 기화되면서
공동현상(Caviatation)을 일으켜 소음과 진동은 물론 펌프 내부에 손상을 초래
○ 바이오시스템에서 사용되는 펌프의 종류
- 로브펌프: 이물질 있는 액체 다룰 수 있어 액비나 축산분뇨 처리에 이용 - 다이아프램펌프: 내부식성 탄성피막 이용, 우유를 취급하거나
시설원예용 양액 정밀 제어에 사용
5.1.3 펌프의 특성과 선정
○ 펌프 특성곡선 (characteristic curve): 유량과 양정, 축동력 및 효율 간에 관계를 하나의 도표에 표시한 것으로 펌프를 선정하거나 펌프가
작동하는 상태를 예측하는 데 기본 자료가 됨
○ 원심펌프 특성곡선의 예
- 체절양정: 유량이 0이 되도록 송출밸브를 잠글 때 최대압력 - 정격조건: 최대 효율을 가진 상태, 유량 1,850 L/min, 양정 57 m - 양정이 80 m 증가가 요구되면 펌프 유량은 850 L/min으로 줄어듬 - 회전차 회전속도에 따라 특성 곡선 달라짐
○ 피스톤 펌프의 예
- 체적효율이 90%이상으로, 압력 증가해도 유량 크게 변하지 않음 - 최대 유량은 펌프에 요구되는 압력이 0일 경우
○ 펌프 운전점 변화
- 펌프 최고 효율점에서 작동되는 운전점을 (A)
- 배관 비용 줄이기 위하여 직경이 작은 배관을 할 경우에 관 마찰손실이 커져 시스템의 특성곡선이 달라져 운전점은 (B)로 바뀜
○ 펌프 선정: 요구되는 유량과 양정 파악해야 함 - 하루에 펌프를 작동시킬 시간(T)
여기서 Q: m3/min, A: 관개면적(ha), DR: 일일 필요수심(mm) f: 수로손실계수
- 펌프가 수로에 물을 양수, 수로 이용 관개되는 경우, 25% 내외 손실
5.1.4 스프링클러시스템
○ 스프링클러(sprinkler): 작물에 가까운 위치에 강우처럼 물을 공급 - 용수량을 절약할 수 있고 비료나 액비를 살포하는 방법
- 토양침식이 적고 엽면을 씻어 내는 효과가 있어 각광받는 기술
- 시설비가 요구되고 바람 영향을 받아 살수상태가 달라지며 잎사귀가 무성한 경우 오히려 물 증발손실이 커짐
- 지하수를 이용할 경우, 너무 낮은 물의 온도로 피해를 입을 수 있으므로 지면으로 물을 퍼올려 수온을 올린 다음 살수
○ (그림 5-9) 고정형 스프링클러시스템의 예
- 구성요소: 펌프, 송출밸브, 공기빼기 밸브, 송수관, 살수관, 살수노즐 - 높은 양정 요구: 다이어프램펌프나 베인펌프 등이 이용되기도 함 - 살수노즐: 살수되는 물의 에너지를 분사관과 반동판을 이용하여
자체적으로 회전하면서 살포하는 반동형 헤드(impact type)와 살포판 헤드(spray pad type), 움직이지 않고 일정한 살포형태를 가지는 살포형 헤드(spray type)로 구분
○ 살수헤드
- 살포형: 살포각도를 임의로 조절할 수 있는 장치를 갖추고 있으며 조경용이나 작은 면적의 살포에 적합
- 살포판형: 노즐에서 나온 액체가 반사판에 부딪혀 흩어지는 것으로 회전되는 것과 고정된 것이 있음
- 반동형: 먼거리를 살포하는 노즐과 가까운 거리를 살포하는 노즐이 함께 부착되어 넓은 면적을 균등하게 살포하는데 반동판에 물줄기를 부딪혀 1~2 rpm으로 살수헤드 전체가 회전
○ 압력이 높아지면 유량이 증가하면서 입경이 작아짐 - 스프링클러의 유량
여기서 QS: 스프링클러의 유량 (L/min), n: 스프링클러 구경 개수 Cd: 노즐 배출계수(0.94~0.96), dS: 살수노즐의 구경
○ 중첩률: 비교적 균등한 살포형태를 얻기 위해.. 중첩된 폭을 살수헤드의 살포폭 W로 나눈 값을 백분율로 표시한 것
- 중첩률을 높이면 균등한 살포, 면적당 살수헤드가 많이 필요 - 정방형 배치법, 정삼각형 배치법
○ 단위 시간당 살수되는 물의 높이: 살수율(S, mm/hr)
