펌프의 허용유효양정

양정(揚程)은 펌프가 물을 끌어올리는 높이를 의미한다.

펌프에는 흡입측과 토출이 있다.

양정은 펌프의 토출에서 밀어올릴 수 있는 높이를 의미하며, 보통 5키로 라고 하면 50m 높이까지 물을 밀어올릴 수 있는 것이며, 흡입 양정은 펌프 흡입쪽에서 끌어올릴 수 있는 높이다.

 

 

 

펌프의 허용유효양정

유효흡입양정(NPSH: Net Positive Suction Head) 개요

유효흡입양정(NPSH: Net Positive Suction Head)은 펌프의 공동화현상(cavitaion)의 발생 가능성을 점검하는 척도이다. NPSHr (required)는 펌프의 제작자에 의해 결정되며, 동일 사양의 펌프라도 제작자 또는 설계자에 의해 다를 수 있다.

계산에 의해서도 구할 수 있으나, 실험에 의해 구하는 방법이 더 정확하다.

NPSHa (available)은 펌프의 설치 조건, 즉 수면과 펌프의 거리, 흡입관경 및 배관의 길이, 이송액체의 종류와 온도 등에 의해 결정된다.

NPSHa > NPSHr × 1.3 인 경우에 cavitation 발생하지 않는다.

 

 

 

<그림> Pump System Diagram

 

상기 그림에서 각각의 용어에 대한 개념은 다음과 같다.

 

① Hydraulic head(=Hs)
- Elevation 차이로 인해 발생하는 Differential head이며 Static Head이다. 폭포를 떠올려보면 폭포 위쪽(upstream)의 물이 가지고 있는 에너지와 폭포 아래쪽(downstream)의 물이 가지고 있는 에너지의 크기가 다른 것과 같은 이치다.

② System head(=Ha)
- 그 계(system) 자체가 가지고 있는 에너지다. 그림의 예는 대기에 노출된 상태이기 때문에 시스템 압력은 atm과 같지만 뚜껑이 닫혀있는 압력용기에서 흘러나오는 유체는 훨씬 고압일 수도 있다. 당연한 얘기지만 시스템 압력이 높을수록 유체를 밀어내는 힘이 더 강하다.

③ Friction Loss(=Hf)
- 위의 수조에서 파이프 라인으로 유입되는 쪽의 Vena Contracta나, 우측 하단의 Elbow는 유로의 변경 과정에서, 그리고 직관 구간에서는 배관 자체가 가지고 있는 내부의 표면 거칠기 때문에 마찰 손실이 일어난다. 위의 사고 실험에서 다룬 내용과 같은 이치다.

④ Vapor pressure(=Hvp)

- 액체는 언제나 기화될 준비가 되어있다. 물이 상온/상압에서 액체상태로 존재하는 이유는 액체의 증기압보다 대기압이 더 높아서 액체가 기화되는 것을 막고 있기 때문이다. 물을 끓여서 유체 자체의 증기압을 높이거나, 기압을 떨어뜨려서(=감압) 액체를 증발시키거나 하는 방식으로 기체와 액체 사이의 상변화가 일어난다.

 

계산에 의해 NPSHa를 구하는 방법

 

① 흡입측이 대기압을 받는경우(760mmHg = 1.0332Kgf/㎠ = 10.332mAq)

NPSHa = Ha - Hs - Hf - Pv

여기에서

Ha = 대기압 (10.332m)

Hs = 흡수면에서 임펠라 중심까지 거리 즉 흡입양정 (흡입이면 - , 가압이면 +)

Hf = 흡입배관이 총 손실수두

Hvp = 사용액체의 포화 증기압(사용액체의 온도 및 종류에 따라 결정)

예) 20℃ 물(비중 1.0) 일 경우 포화증기압은 0.023㎏/㎠ 임. (水頭로 0.23m)

상기 식은 흡입측이 대기압을 받는 경우이고,

 

② 흡입측이 밀폐된 수조 및 탱크인 경우에는 대기압력(10.332m)대신 수조 및 탱크의 내압을 적용한다.

 

따라서 NPSHa 값은 대기압(10.332m)에서 흡입측에 관련된 흡입양정, 흡입배관손실, 사용액체의 포화증기압을 마이너스(-) 하면 바로 NPSHa 값이 산출된다.

 

③ 수중펌프에서 NPSHa 값은 충분한 여유가 있다고 말할수 있다.

그 이유는 수중펌프 자체가 수중에 잠겨 있어 흡입양정(Hs)이 Positive(+)이고, 또한 흡입배관이 없어 흡입손실이 0(Zero)이므로 NPSHav 값은 10m이상 충분한 여유가 있어 NPSHa Full (NPSHav 값이 여유가 많음) 이라 할 수 있다.

 

따라서 상기 Diagram에서는

NPSHa = Hs + Ha - Hf - Hvp 

NPSHa vs. NPSHr

 

위에서 다룬 NPSH는 전부 NPSHa에 대한 것이다. 어떤 계에서 Pump를 설치하기 위해 각 공정적인 조건들을 다 따져봤을 때 얼마만큼의 에너지가 남았느냐를 따져보기 위한 '공정적인'(≠기계적인) 계산인 것이다.

그런데 '유체에 남은 에너지(NPSHa)를 가지고 실제로 펌프가 작동할 수 있는가' 하는 '기계적인'(≠공정적인) 문제가 아직 남아있다. 
- 어떤 Pump는 효율적으로 설계돼서 적은 NPSHa 값으로도 정상적으로 돌아가고
- 어떤 Pump는 비효율적으로 설계돼서 꽤 많은 NPSHa 값이 확보되어야 정상적으로 돌아갈 수도 있다.

즉, Pump를 배관 설계 상의 하나의 유체의 흐름 저해 요소로 판단했을 때, 이 Pump가 얼마나 Head를 잡아먹느냐에 따라 NPSHa 값이 남을 수도 있고 모자랄 수도 있다.

 

NPSHa값 보다 NSPHr이 크거나 / 적절한 Design margin이 확보되지 않으면,

① Pump가 안 돌아가거나 또는

② Cavitation이 발생할 수 있다. 

Suction side에서 Cavitation이 발생하면 Pump의 Impeller와 Casing에 큰 Damage가 발생한다.

 

유효흡입양정(NPSH: Net Positive Suction Head)은 펌프의 공동화현상(cavitaion)의 발생 가능성을 점검하는 척도이다. NPSHr (required)는 펌프의 제작자에 의해 결정되며, 동일 사양의 펌프라도 제작자 또는 설계자에 의해 다를 수 있다.

계산에 의해서도 구할 수 있으나, 실험에 의해 구하는 방법이 더 정확하다.

NPSHa (available)은 펌프의 설치 조건, 즉 수면과 펌프의 거리, 흡입관경 및 배관의 길이, 이송액체의 종류와 온도 등에 의해 결정된다.

 

따라서 NPSHa가 NPSHr 보다 큰 경우에는 펌프 내부에서 캐비테이션이 발생하지 않고 안정된 상태에서 펌핑 할 수 있다.

그러므로 캐비테이션을 방지하기 위해서는 NPSHa ＞ NPSHr x 1.3이 되도록 선정 해야하며,

NPSHa = NPSHr이 같은 조건이면 캐비테이션 발생 시작 초기 현상이므로 항상 NPSHa값이 NPSHr값 보다 30% 이상 커야 한다.(NPSHa > NPSHr × 1.3 인 경우에 cavitation 발생하지 않는다.)

 

예를들어 NPSHr값이 7m 이면 NPSHa값은 최소한 9m 이상이 되도록 펌프를 설치해야 한다.

 

수중펌프는 NPSHa값이 충분한 여유가 있고 수중펌프자체가 수중에 잠기어 운전되므로 NPSHr값은 큰 의미가 없다. 

따라서 L.W.L(Lower Water Level)위치만 정확히 명기하고 L.W.L이하로 수위가 떨어지지 않토록 주의하면 펌프 운전하는데는 전혀 이상이 없고, 또한 캐비테이션 발생도 전혀 없다.

 

 

 

Reference : 1. https://m.blog.naver.com/

               2. https://blog.daum.net/