펌프 캐비테이션, NPSHa, NPSHr에 대해서.

NPSH(Net positive Suction Head, 유효흡입양정).

말 그대로 펌프의 Suction(흡입)측의  유효한 Head(수두/양정)의 값을 뜻한다.

펌프는 보통 '액체'를 다른 장소로 이동시키기 위한 기계이며, 펌프 흡입측을 통해 액체를 빨아들여 토출시키는데

이 때 액체가 아니라 기포가 흡입되면 '*캐비테이션(Cavitation)'이 발생하면서 기계가 손상된다.

여기서 NPSH는 캐비테이션이 생기지 않기 위해 필요한, 펌프 흡입측 최소 압력/양정이다.

 

#캐비테이션(Cavitation)

- 펌프 흡입측으로부터 기포가 유입되거나 펌프 내부 자체에서 기포가 발생해서 , 이 기포가 임펠러를 통과했을 경우 임펠러가 회전하며 발생시키는 압력에너지에 의해 기포가 터진다.  기포가 한두개가 아니라 여러개가 동시에 막 터진다면?..

(사진출처-http://eswt.net/cavitation)

 

 캐비테이션이 일어나게 되면 임펠러 측은 소음, 진동을 일으키면서 손상되고 펌프고장의 원인이 된다. 

  (사진출처- https://www.pumpsandsystems.com/topics/pumps/centrifugal-pumps/polymeric-solution-pumps-suffering-cavitation)

(사진출처-http://www.waterworld.com/articles/print/volume-32/issue-1/features/suction-head-cavitation-and-submersible-pumps.html)

 

#캐비테이션 발생 원인

캐비테이션은 액체의 온도에 해당하는 '증기압'보다 액체 내 압력이 더 낮아져, 액체가 기화되거나 액체 속 기체들이 압력이 낮은 곳으로 모여들어 기포가 생기며 발생한다.

(액체의 끓는 점은 압력이 낮을수록 낮아진다. 산 아래보다 산 꼭대기가 기압이 더 낮으므로, 끓는점도 낮아져 물이 더 빨리 끓는 이유도 이와 같은 원리다.)

(사진출처- enginneringtoolbox.com)

 

펌프 내 압력이 낮아지는 곳은보통 임펠러 흡입부근인데, 이 부근의 압력이 펌프 내 액체의 증기압보다 낮아지면, 기포가 생기고, 이 기포는 액체와 함께 흘러가며 압력이 높은 임펠러의 토출부근 쪽으로(토출부근에선, 회전하는 임펠러에 의해 액체가 돌면서 운동에너지와 압력이 증가하게 된다.) 가게되면서 터지게 된다. 

(펌프 suction flange에서 압력이 낮아지기 시작해 impeller eye부근에선 최소점을 찍는다.)

기포가 이렇게 터져버리면 기포가 차지하고 있던 부피가 급격히 감소되어 그 부분의 압력이 순간적으로 엄청 커진다. 이는 임펠러를 침식시키는 원인이 된다.

 

이렇게 생긴 액체 내 기포들은, 펌프의 유속이나 가동압력에도 영향을 미치게 된다.

 

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#NPSH

이 때 NPSH는 펌프를 가동할 때 캐비테이션(Cavitation)이 일어나지 않게 펌프를 안전하게 운전할 수 있는가에 대해

숫자로서 대답하는 값이다.

 

크게 NPSHa(Net positive Suction Head available, 유효흡입양정)과 NPSHr(Net positive Suction Head required, 필요흡입양정)가 있다.

둘 다 단위는 [m]로 나타낼 수 있다.

캐비테이션이 일어나지 않게 하기 위해선,

NPSHa > NPSHr x 1.3

이 되어야 한다. 여기서 1.3을 둔건 이 정도가 평균적으로 여유있게 적합하다는 것인데,,

그래도 적어도 NPSHa가 NPSHr보다 1.2배 이상은 되어야 한다.

-> NPSHa는 NPSHr보다 커야한다. 예를 들어 NPSHr이 7m이면 NPSHa는  9.2m정돈 되게 펌프를 설치해야 한다.

 

#NPSHr (필요흡입양정)

 

펌프마다 다르며(->펌프의 성능을 나타냄) 펌프 설계사에서 결정한다.

실험과 계산으로 구할 수 있는데 실험으로 구하는 것이 더 정확하다.

펌프의 NPSHr이 만약 3m이고, 흡입하려는 액체가 물이라고 가정한다면

10.33m - 3m =  7.33m

-> 이 펌프는 7.33m 아래에 있는 물을 흡입할 수 있다는 뜻.

-> NPSHr값이 낮을수록 펌프의 흡입력은 우수하다!

 

#NPSHa (유효흡입양정)

NPSHa는 배관 시스템에 의해 결정되는 값으로, 흡입수두, 손실수두, 이송액체의 포화증기압 등 수치를 이용해 계산된다.

1) 흡입측이 대기압을 받을 때.

계산식은, 흡상과 가압 두가지 경우로 또 나뉜다.

NPSHa = Pa - Hs - Hf - Pv   (펌프가 흡입하려는 액체보다 높게 설치됐을 때)

             또는 Pa + Hs - Hf - Pv.  (펌프가 흡입하려는 액체보다 낮게 설치됐을 때)

Pa=수면에 작용하는 대기압 = 1.0332kg/cm^{2 =}  10.33m

Hs=흡입양정 (=흡수면에서 임펠러 중심까지의 거리.)

*흡상=펌프가 액체보다 높게 설치됐을 때., 가압=펌프가 액체보다 낮게 설치됐을 때.

Hf=흡입배관 손실수두

Pv=이송액체의 포화증기압. (액체의 종류, 온도에 따라 달라진다.)

 

예를들어,  

A라는 펌프를 B에 설치하고 싶으면 B에 설치했을 때의 NPSHa를 계산해봐야 한다.

조건이 만약,

액체=25℃인 물, 흡입양정=6m(펌프가 액면보다 6m 위), 손실수두=0.4m라고 하면

NPSHa = 10.33m - 6m - 0.4m - 포화증기압(X).

여기서 포화증기압 X는 m로 표시해야 되는데, 액체의 종류와 온도를 알고 있으므로 표를 참조해 계산하면 된다.

-> 물이 섭씨 25도일 때 포화증기압은 23.756mmHg이므로

760mmHg : 10.33m = 23.756mmHg : X m.

계산하면 X = 0.323m.

 

                        (포화증기압 표 출처-  http://k.daum.net/qna/view.html?qid=4Yzck )

따라서

NPSHa = 10.33m - 6m - 0.4m - 0.323m = 3.607m -> B에 설치했을 때의 NPSHa 값.

(여기서, 포화증기압은 온도가 올라갈수록 커지므로 펌프가 흡입하고 있는 액체가 어떠한 이유에 의해서 가열되어 온도가 올라간다면,

NPSHa가 펌프가 갖고있는 NPSHr값보다 낮아져 캐비테이션 발생 위험이 높아지는 것.)

 

NPSHa > NPSHr x 1.3 이어야 하므로

3. 607/1.3 = 약 2.77        -> A펌프는 NPSHr이 2.77 보다는 작아야 한다.

그렇지 않으면 캐비테이션을 기대해야할 것이다..

 

위의 예는 흡상일 때의 경우이지만, 가압은 Hs를 더해주면 된다. Hs가 대기압에 더해지므로

자연스럽게 NPSHa값은 훨씬 커질 것이고 그만큼 펌프의 NPSHr 가능 범위가 넓어진다.

 

2) 흡입측이 대기압을 받지 않을 때. (펌프가 액체에 잠겨있는.. 밀폐형 수조나 탱크형일 경우 등)

 

이 때는 대기압 대신 수조 내 액체가 받는 내압을 적용해야 한다. (이 압력이 대기압보다 훨씬 크겠지.)

또한, 펌프가 이송하려는 액체에 잠겨있으므로, 흡입배관이 필요 없으니 Hf=0이고 흡입양정값도 위에서 설명한 가압조건처럼 더해주면 되므로,  NPSHa값은 매우 커져 여유가 많으므로 수중펌프같은 경우, NPSHr값의 경우 별로 고려하지 않아도 된다.

 

반대로 흡입 배관이 길 때, 펌프를 흡입하려는 액체가 있는 곳보다 꽤 높게 설치해야할 때, 액체 온도가 높을 때 등은 NPSH를 꼭 고려해야 하겠다.

 

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마지막으로 NPSH에 대해 자세하게 잘 설명한 자료가 있어 첨부한다.

 

-> What is NPSH.pdf