캐비테이션과 NPSH

 

공동현상 또는 캐비테이션(cavitation)이란 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말하며 공동현상이라고도 한다.

공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다. 

 

 

캐비테이션과 NPSH

캐비테이션(cavitation)

캐비테이션은 유체의 증기압 보다 낮은 압력이 발생하는 다음 그림의 펌프 부위에서 발생한다. 

 

<그림 1> 캐비테이션 현상으로 발생한 기포의 임펠러 날개깃 후단에서의 붕괴	<그림 2> 원심 펌프의 압력 증가

 

펌프의 흡입측에서 압력이 유체의 포화수증기압 보다 떨어지게 되면 (그림 2의 노란 점 부위) 작은 기포가 발생하기 시작한다. 이렇게 생성된 기포는 펌프의 압력이 상승하는 부위에서 붕괴되며 충격파를 발생하게 되고, 펌프의 임펠러는 이 충격파를 받아 에너지를 흡수하는 과정에서 파손된다. 임펠러의 손상 정도는 임펠러를 구성하는 재질에 따라 다르게 나타난다. 스테인레스 스틸 재질의 임펠러는 청동 보다, 청동은 주철과 같은 기타 재질의 임펠러 보다 캐비테이션 현상에 의한 마모에 강하다.

 

 

캐비테이션이 발생하면 유량(Q)과 양정(H)이 감소하며, 펌프의 성능을 저하시킨다. (그림 3 참조.) 현장에서는 캐비테이션 현상에 의한 펌프의 손상은 펌프를 분해했을 때만 파악 가능하다. 캐비테이션 현상이 발생하면 소음과 진동이 증가하며 결과적으로 베어링 마모, 샤프트 씰과 용접부위 손상을 가져온다.

 

<그림 3> 캐비테이션 발생 시 펌프 성능곡선의 변화

 

 

 

캐비테이션 발생 위험 계산

펌프의 최대 흡상 높이를 계산하여, 캐비테이션을 방지하기 위하여 아래 공식을 사용할 수 있다.

hmax = Hb - Hf - NPSH - Hv - Hs

<그림 4> 펌프의 최대 흡상 높이를 결정하는 시스템의 각 변수들

 

여기서,

hmax - 최대 흡상 높이

Hb - 펌프가 설치된 지역의 대기압, 이 값은 이론적으로는 펌프의 최대 흡상 높이이다. (표 1 참조)

 

<표 1> 해수면 위의 고도에 따른 대기압

 

Hf - 펌프 흡입 배관의 마찰 압력 손실 

NPSH - 펌프의 정미 흡입 수두(Net Positive Suction Head), 그림 5의 유량에 따른 NPSH 곡선에서 읽을 수 있다.

 

<그림 5> NPSH 곡선

 

 

NPSH 값

NPSH 값은 펌프가 어느 정도까지 절대 진공압력에 이르지 못하는 가를 의미한다. 절대 진공 압력은 배관에 10.33m의 물기둥을 수직으로 끌어 올렸을 때 맨 위쪽 끝 단에서의 압력이다. (표 1 참조)

 

정미흡입수두(NPSH)는 필요 정미흡입수두(NPSHr)와 유효정미흡입수두(NPSHa)로 구분된다.

 

NPSH required - 펌프가 필요로 하는 정미 흡입 수두 

NPSH available - 시스템이 제공할 수 있는 정미 흡입 수두

 

펌프가 필요로 하는 NPSH 값은 ISO 9906 표준에 따른 펌프의 시험운전에 따라 결정되며, 다음과 같은 방식을 따른다.펌프가 운전되는 동안에 펌프의 흡입 양정을 유량의 변화가 없는 한계점까지 낮춘다. 펌프의 흡입 토출 간의 차압이 3%로 떨어졌을 때 펌프흡입측 압력을 읽는다. 이 값이 펌프의 필요정미흡입수두(NPSHr)값이며 유량을 변동하여 시험을 반복한다. 이러한 정보들이 모여 각 유량에 대한 필요정미흡입수두(NPSHr) 그래프를 그릴 수 있다

 

 

펌프의 흡입 수두가 필요정미흡입수두(NPSHr) 값에 이르게 되면, 캐비테이션이 증가하여 펌프의 토출양정이 3% 감소하게 된다.

 

Hv - 유체의 포화수증기압, 

Hs - 안전 요소. Hs 값은 펌프가 설치된 상황에 따라 변경될 수 있으며 보통은 0.5~1m 사이의 값으로 설정하고, 가스를 함유하고 있는 액체의 경우 2m로 설정한다. (그림 6 참조)

 

<그림 6> 일반 액체와 가스를 함유한 액체의 전형적인 NPSH 곡선

 

 

캐비테이션(cavitation) 발생하지 않는 조건

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

NPSHr (required)는 펌프의 제작자에 의해 결정되며, 동일 사양의 펌프라도 제작자 또는 설계자에 의해 다를 수 있다.

 

NPSHa > NPSHr × 1.3 인 경우에 cavitation 발생하지 않는다.

 

● 흡입측이 대기압을 받는경우(760mmHg = 1.0332Kg/cm2 = 10.332mAq)

NPSHa = Ha - Hs - Hf - Hv: 펌프수두가 흡수면보다 높을 경우

Ha = 대기압 수두(10.332m)

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

Hf = 흡입배관이 총 손실수두

Hv = 사용액체의 포화 증기압 수두(사용액체의 온도 및 종류에 따라 결정)

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

 

Ex: 다음의 경우 소화펌프를 수평으로 설치시 사용 가능 여부 판단하라.

조건: 대기압: 1 kg/㎠

포화증기압: 0.025 kg/㎠

흡상낙차: 6m

흡입배관의 마찰손실: 0.03 kg/㎠

NPSHr: 4m

 

NPSHa = 10 - (6 + 0.3 + 0.25) = 3.45m < 4 x 1.3 = 5.2m

-> 수평형 설치불가. 케비테이션 발생.

 

 

Reference : 태진에프티 기술자료