[소방기술사] 공동현상 (Cavitation) 정리 - NPSHa, NPSHr

[소방기술사] 공동현상 (Cavitation) 정리 - NPSHa, NPSHr

안녕하세요. 아이꾸준입니다.

 

이번 포스팅에서는 소방펌프에서 매우 중요하고도 위험한 현상인 공동현상에 대해 알아보겠습니다.

 

 

공동현상이란?

---

원심펌프 흡입측에서 기포 방울이 발생하는 것

기포 방울이 생겨서 뭐가 문제냐? 라고 하실 수 있습니다.

 

문제는 그러한 기포 방울이 펌프로 들어가게 됩니다. 그러면 펌프에서 압력을 받으면서 기포 방울이 터지게 됩니다. 터지면서 소방 펌프의 안내깃을 타격하는데, 금속 부품이 손상될 정도로 강력합니다. 물론 기포 방울 한개 때문에 그런 것이 아니라 펌프는 오랜 시간 가동되기 때문에 기포 방울이 계속 생기면서 펌프 내부 부품을 손상시킵니다.

출처: https://www.youtube.com/watch?v=gRsvO4Gpnf0

위 사진이 기포 방울이 터지면서 어떻게 펌프에 손상을 가하는지 보여주고 있습니다.

 

공동현상 발생원인

---

펌프 흡입측의 압력이 물의 포화수증기압보다 낮기 때문입니다.

물의 압력이 포화수증기압보다 낮아지게 되면 물은 쉽게 수증기로 증발하게 됩니다.

우리가 높은 산에서는 물이 쉽게 끓는 것도 같은 원리입니다. 압력이 낮아서 포화수증기압이 내려간 것입니다.

상평형도로 따지면 액체 상태의 물이 압력이 떨어지게 되면서 기체가 되는 것입니다.

 

펌프 흡입측의 압력이 떨어지는 이유는 펌프와 수조간의 낙차가 너무 높거나, 마찰손실이 심하거나, 포화수증기압이 너무 낮을 때 발생합니다.

 

공동현상 발생조건

---

공동현상 발생조건을 이해하기 위해서는 NPSH라는 개념이 필요합니다.

 

NPSH는 Net Positive Suction Head로 흡입양정으로 이해하시면 됩니다.

 

펌프는 제작될때 NPSHr이라는 고유의 값을 가집니다. 필요흡입양정으로 r은 required를 나타냅니다.

그리고 펌프가 위치하는 환경에 따라 NPSHa라는 값이 정해집니다. 유효흡입양정으로 a는 available을 뜻합니다.

 

공동현상이 발생하려면 NPSHa < NPSHr이 되어야 합니다.

즉, 필요흡입양정이 유효흡입양정보다 크면 공동현상이 발생합니다.

NPSHa는 대기압($P_(atm)$) - ($H_h$+$H_f$+$H_p$)으로 나타낼 수 있습니다.

 

$P_(atm)$: 수조위로 가해지는 대기압

$H_h$: 펌프와 수조의 수면까지의 거리

$H_f$: 흡입관에서의 마찰손실수두

$H_p$: 흡입관에서의 포화수증기압

 

대기압은 거의 정해진 값입니다. 그러면 나머지 $H_p$, $H_f$, $H_h$를 어떻게 하느냐에 따라 NPSHa 값은 변하게 됩니다.

 

공동현상 방지대책

---

앞서 말씀드렸듯 공동현상으로 인해 펌프가 손상됩니다. 그래서 공동현상이 발생하지 않도록 해야합니다.

 

공동현상이 발생하지 않게 하려면 발생조건의 반대로 하면 됩니다.

 

NPSHa > NPSHr

다만 실무에서는 여유율을 고려해 NPSHr을 30% 가산하여 NPSHa > 1.3*NPSHr으로 하여 공동현상이 최대한 발생하지 않도록 합니다.

그 이유는 펌프가 노후됨에 따라 효율이 떨어질수도 있고, NPSHa의 오차를 감안하기 위함입니다.

 

즉, 공동현상을 방지하려면 NPSHa를 키우거나 NPSHr을 줄이면 됩니다.

 

1) NPSHa를 높인다

$P_(atm)$: 수조위로 가해지는 대기압 > 수조를 가압수조 혹은 압력수조로 변경하여 대기압보다 높인다

$H_h$: 펌프와 수조의 수면까지의 거리 > 수조를 펌프와 같은 위치에 설치하거나 수조를 펌프보다 위쪽에 설치한다

$H_f$: 흡입관에서의 마찰손실수두 > 수중펌프를 사용하여 수조에서 바로 물을 흡입할 수 있도록 한다

$H_p$: 흡입관에서의 포화수증기압 > 임펠러 속도를 줄인다. 물의 온도를 낮춘다.

 

2) NPSHr을 낮춘다

NPSHr 값은 펌프가 제작될 때 정해지는 값입니다. 이미 제작된 펌프의 NPSHr 값을 바꿀 수 없습니다. NPSHr이 낮은 펌프로 교체하는 방법이 있습니다.

 

<추가 설명>

펌프 - 실양정과 전양정

실양정, 전양정 개념에도 포함되는 흡입양정과 NPSH는 비슷하지만 조금 다른 개념입니다. 쓰이는 계산식이 다릅니다. NPSH는 공동현상의 발생여부를 따지기 위한 값이고, 흡입양정은 펌프의 전동기 용량을 계산할 때 쓰이는 값입니다.

 

구별해서 알아두시면 좋습니다.

 

요약

---

공동현상은 흡입측의 압력이 포화수증기압보다 낮아져 물이 쉽게 증발하여 기포가 되는 현상입니다.

이때 생성된 기포가 원심펌프로 들어가게 되면서 압력을 받아 터지게 되는 데 이때 펌프의 안내깃을 강하게 때립니다. 이는 펌프의 내부 부품을 손상시킵니다.

그래서 공동현상을 방지하기 위해

NPSHa > NPSHr이라는 조건을 만족시킬 수 있도록 적절한 조건에 펌프를 설치하고, NPSHr값이 낮은 펌프를 사용해야 합니다.

 

감사합니다.