이젝터

유체역학 전산유체역학 마지막 수정: 2026-08-12 04:26:18

1. 개요[편집]

이젝터 Ejector
다른 이름	인젝터, 제트 펌프, 이덕터(eductor)
가동부	없음
구성	1차 노즐 → 흡입실 → 혼합관 → 확산부
성능 지표	유인비 ω = 2차 유량 / 1차 유량
운전 모드	임계(이중 초킹) · 아임계 · 역류
고전 이론	키넌·노이만·러스트베르크 (1950) 1차원 모형

회전하는 부품 하나 없이 기체를 빨아들여 압축한다. 대가는 효율이고, 값은 고장이 안 난다는 것이다.

이젝터(ejector)는 고압 유체를 노즐로 가속해 만든 저압 영역으로 다른 유체를 끌어들이고, 둘을 혼합관에서 섞은 뒤 확산부에서 다시 압력을 회복시키는 무가동부 유체기계다. 끌어들이는 쪽 유체를 1차류(primary, motive), 끌려오는 쪽을 2차류(secondary, entrained)라 부른다.

벤투리 관의 목 저압으로 다른 유체를 빠는 장치라는 점에서 뿌리는 같지만, 이젝터를 별개의 물건으로 만드는 것은 1차 노즐이 대개 초킹된 라발 노즐 이라는 사실이다. 그 순간 장치 내부는 초음속 제트, 충격열(shock train), 압축성 전단층이 뒤엉킨 문제가 되고, 오리피스나 벤투리 같은 준정적 1차원 계산으로는 성능이 안 나온다.

압축기·펌프와 비교하면 효율은 명백히 낮다. 그럼에도 살아남는 이유는 셋이다 — 가동부가 없어 고장나지 않고, 열원만 있으면 굴러가며(전기가 필요 없다), 부식성·방사성·고온 유체를 그냥 통과시켜도 된다.

2. 구조와 두 가지 혼합 방식[편집]

기본 구성은 어디를 봐도 같다.

1차 노즐 — 수축-확대 노즐. 목에서 초킹되어 1차 질량유량이 상류 상태만으로 고정된다.
흡입실(suction chamber) — 2차류가 들어오는 방. 초음속 제트 주위 압력이 낮아 여기가 빨아들이는 구간이다.
혼합관(mixing tube) — 대개 등단면 직관. 두 유동이 전단층을 통해 운동량을 교환한다.
확산부(diffuser) — 혼합된 유동을 감속해 정압을 회복하고 배압을 이겨 낸다.

설계 계보는 1차 노즐 출구를 어디에 두느냐로 갈린다.

정압 혼합(constant-pressure mixing, CPM). 노즐 출구를 등단면 혼합관보다 상류, 수축하는 구간에 둔다. 혼합이 거의 일정한 정압에서 일어난다고 가정한다. 일반적으로 더 높은 배압을 견디고 전 영역 성능이 무난해서 실무의 주류다.
정면적 혼합(constant-area mixing, CAM). 노즐 출구를 이미 등단면 구간 안에 둔다. 모형이 단순하고(운동량 방정식에 벽면 압력적분 항이 안 들어온다) 특정 조건에서 유인비가 더 높게 나오지만, 배압에 더 민감하다.

키넌(J. H. Keenan), 노이만, 러스트베르크가 1950년에 두 방식을 나란히 정리한 1차원 해석이 지금도 모든 교과서의 출발점이다.¹

3. 유인비와 특성곡선[편집]

성능 지표는 사실상 하나, 유인비(entrainment ratio)다.

\omega = \frac{\dot m_s}{\dot m_p}

여기에 압력 쪽 지표 두 개가 따라붙는다. 압축비 $p_b/p_s$ (배압 대 흡입압)와 팽창비 $p_p/p_s$ (구동압 대 흡입압). 이젝터 설계는 결국 주어진 팽창비에서 요구 압축비를 만족하는 최대 $\omega$ 를 찾는 문제다.

$p_p$ 와 $p_s$ 를 고정하고 배압 $p_b$ 만 올리면서 $\omega$ 를 그리면 특유의 곡선이 나온다.

구간	이름	거동
$p_b < p_b^*$	임계(critical) 모드	$\omega$ 가 배압과 무관하게 일정
$p_b^* < p_b < p_{b,0}$	아임계 모드	$\omega$ 가 급격히 감소
$p_b > p_{b,0}$	역류(reversed)	$\omega < 0$ — 2차 포트로 거꾸로 나온다

임계 모드의 평평한 구간이 이젝터라는 장치의 핵심이자, 처음 보면 가장 이상한 부분이다. 왜 하류 압력을 올려도 흡입량이 안 변하는가?

3.1. 이중 초킹[편집]

답은 초킹이 두 번 일어나기 때문이다. 1차 노즐 목이 초킹된 것은 자명하다. 두 번째 초킹은 2차류에서 일어난다. 팽창하는 초음속 1차 제트가 혼합관 단면을 잠식하면서 2차류에게 남는 통로가 점점 좁아지고, 어느 지점에서 그 유효 단면이 최소가 되면서 2차류가 음속에 도달한다. 이 가상의 최소 단면을 가상 목(hypothetical throat)이라 부르며, 먼데이와 백스터(1977)가 임계 모드의 정체를 이렇게 설명한 뒤로 표준 그림이 되었다.

2차류가 자기 목에서 초킹된 이상, 하류 정보는 그 목을 거슬러 올라올 수 없다. 배압을 올려도 $\dot m_s$ 가 안 변하는 것은 오리피스나 라발 노즐의 초킹과 정확히 같은 이유다. 배압을 계속 올리면 혼합관 안의 충격열이 상류로 밀려 올라오다가, 마침내 가상 목을 삼키는 순간 초킹이 풀리고 곡선이 무너진다. 그 지점이 임계 배압 $p_b^*$ 다.

실무적 함의는 냉정하다. 이젝터는 임계 배압 바로 아래에서 돌려야 한다. 그 위로 넘기면 성능이 완만히 나빠지는 게 아니라 절벽에서 떨어지고, 한참 아래에서 돌리면 안전하지만 그만큼 설계를 낭비한 것이다.²

4. 1차원 설계 모형[편집]

3차원 계산 없이 1차 설계를 뽑는 고전 절차는 보존 법칙 세 개 + 손실 계수 몇 개로 짜인다. 정압 혼합 기준으로 뼈대만 적으면 이렇다.

1) 1차 유량은 초킹으로 확정된다.

\dot m_p = \frac{p_{0p} A_t}{\sqrt{T_{0p}}}\sqrt{\frac{\gamma}{R}\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\frac{\gamma+1}{\gamma-1}}}

2) 두 유동을 혼합 지점까지 등엔트로피 효율 $\eta_p,\eta_s$ 로 팽창시킨다. 이때 2차류가 가상 목에서 초킹한다는 조건이 $\omega$ 를 닫아 준다.

3) 혼합관에서 운동량과 에너지를 보존한다.

\phi_m\left(\dot m_p u_p + \dot m_s u_s\right) = (\dot m_p + \dot m_s)\,u_m

\dot m_p h_{0p} + \dot m_s h_{0s} = (\dot m_p + \dot m_s)\,h_{0m}

$\phi_m$ 은 혼합 손실을 흡수하는 계수로, 보통 0.8~0.95 범위의 경험값이다.

4) 혼합관 끝에서 수직충격파를 거치고, 확산부에서 등엔트로피 효율로 압력을 회복한다.

이 모형은 형상 하나를 정하는 데는 충분하지만 정직하게 말해 반경험적이다. $\eta$ 와 $\phi$ 가 형상·압력비마다 달라지므로, 실제로는 시험이나 CFD로 계수를 맞춘 뒤에야 예측 도구가 된다. 그럼에도 살아남는 이유는 이 모형이 설계 공간 전체를 초 단위로 훑을 수 있어 최적설계 루프의 대리 모형으로 쓰기 좋기 때문이다.

가장 중요한 형상 변수는 면적비 $A_3/A_t$ (혼합관 대 1차 노즐 목)와 노즐 출구 위치(NXP)다. 면적비를 키우면 2차류 통로가 넓어져 $\omega$ 가 오르지만 임계 배압이 내려간다. 이 교환 하나가 이젝터 설계의 절반이다.

5. 어디에 쓰이나[편집]

증기 이젝터 진공 시스템. 화학·발전 플랜트의 복수기 진공, 탈기, 진공 증발. 한 단으로는 대략 대기압의 1/10 수준까지가 한계이고, 단을 겹치고 중간에 응축기를 넣으면 단마다 대략 한 자릿수씩 더 내려간다. 4~6단이면 mbar 이하가 나온다.
증기 분사식 냉동. 압축기 대신 이젝터를 쓰는 냉동 사이클. 폐열이나 태양열만으로 돌아가지만 COP가 낮아(대개 0.1~0.4대, 발생기·증발기 온도에 강하게 의존) 전기 요금이 아니라 버리는 열의 값이 0일 때 경쟁력이 생긴다.³
CO₂ 트랜스크리티컬 사이클의 팽창 일 회수. 팽창밸브에서 그냥 버리던 압력차로 이젝터를 돌려 압축기 흡입압을 올린다. 초임계 CO₂는 팽창 손실이 유독 커서 개선폭이 크고, 상용 냉동기에 실제로 들어가 있는 몇 안 되는 이젝터 응용이다.
연료전지 수소 재순환. 미반응 수소를 애노드 출구에서 다시 입구로 끌어오는 데 블로어 대신 이젝터를 쓴다. 가동부가 없어 수소 환경에서 유리하다.
추력 증강 이젝터. 제트 배기로 주위 공기를 끌어들여 총 운동량을 늘린다. 같은 에너지로 더 큰 질량을 느리게 밀어내면 추진효율이 오른다는 원리이며, 원리상 이득은 크지만 실용적인 길이·질량 안에서는 증강폭이 제한된다.
이덕터·인젝터. 액체 구동으로 슬러리를 옮기거나, 보일러에 급수를 밀어 넣는 고전적 인젝터. 소방용 폼 혼합기도 같은 물건이다.

6. CFD가 감당해야 하는 것[편집]

이젝터는 1차원 모형과 실측 사이의 간극이 커서 CFD 의존도가 높은 대표적 장치다.

압축성 전단층이 성능을 정한다. 1차 제트와 2차류 사이 전단층의 성장률이 곧 가상 목의 위치이고, 그것이 $\omega$ 다. 그런데 압축성 전단층은 대류 마하수가 커질수록 성장률이 억제되므로, 압축성 보정 없는 난류 모델링은 혼합을 과대평가해 유인비를 낙관적으로 낸다. 문헌에서 모델만 바꿔 $\omega$ 가 수십 % 어긋나는 보고가 흔하다.⁴
충격열과 박리. 혼합관 안의 사충격 구조와 벽면 유동박리가 임계 배압을 결정한다. 이건 정상 RANS로도 경향은 잡히지만 절대값은 잘 안 맞고, 비정상성이 강한 조건에서는 대와류 모사나 분리 와류 모사로 넘어간다.
증기라면 응축이 물리에 낀다. 증기 이젝터의 1차 노즐 안에서는 팽창이 너무 빨라 비평형 응축(응축 충격)이 일어난다. 이상기체 가정으로 풀면 노즐 출구 상태부터 틀리므로 실제 증기 상태식과 자발 핵생성 모델이 필요해진다(다상유동).
모드 전환을 재현하는가. 좋은 검증은 “설계점 $\omega$ 가 맞는가”가 아니라 배압을 훑었을 때 특성곡선의 꺾임점이 맞는가다. 임계 배압은 초킹 소멸이라는 위상적 사건이라, 이걸 못 맞추면 그 해석은 설계점 하나만 우연히 맞춘 것이다(검증 및 확인).
축대칭 가정의 유효성. 2차 흡입이 한쪽 포트로만 들어오는 실제 형상은 축대칭이 아니다. 2D 축대칭 해석은 싸고 편하지만 흡입실 비대칭이 만드는 선회를 통째로 빠뜨린다.

7. 관련 문서[편집]

이 계보에서 용어가 지역별로 엉킨다. 영어권에서 기체를 빠는 것을 ejector, 액체를 빠는 것을 eductor, 압력을 올려 밀어 넣는 것을 injector로 나누는 관행이 있지만 지켜지지 않는 문서가 훨씬 많다. 보일러 급수 인젝터가 대표적인데, 흡입과 토출을 한 장치가 다 하는 물건이라 이름 싸움이 의미가 없다. ↩
그래서 이젝터 시운전 보고서에 “설계 유량 안 나옴”이라고 적혀 있으면 형상보다 배압을 먼저 본다. 하류 응축기 온도가 몇 도만 올라도 배압이 임계점을 넘겨 유인비가 반토막 나는데, 이걸 모르고 노즐을 깎기 시작하면 시간이 사라진다. ↩
이젝터를 “공짜 펌프”라고 부르는 홍보 문구는 절반만 맞다. 구동 증기를 만드는 보일러가 어딘가에 있고, 열역학적으로 보면 그 증기의 엑서지를 팔아서 압축을 사는 것이다. 다만 그 엑서지가 어차피 굴뚝으로 나갈 폐열이었다면 진짜 공짜에 가까워진다 — 그게 이 장치가 사라지지 않는 이유다. ↩
초음속 이젝터 CFD 논문의 결론 절반은 “어떤 난류 모델이 실험과 제일 잘 맞았다”인데, 논문마다 그 모델이 다르다. 형상·압력비·작동유체가 다르면 최적 모델도 달라지므로 놀랄 일은 아니지만, 남의 논문이 고른 모델을 근거 없이 물려받는 것은 위험하다는 뜻이기도 하다. ↩

이젝터