펌프의 유효흡입수두와 필요흡입수두
1. 유효흡입수두와 필요흡입수두 & 상관관계
유효흡입수두(NPSHav : Net Positive Suction Head available)와 필요흡입수두(NPSHre : Net Positive Suction Head required)는 펌프가 캐비테이션 없이 정상적으로 작동하기 위한 개념으로 절대압력, 포화증기압과 연관이 있다.
유효흡입수두는 펌프 입구지점에서의 절대압력과 포화증기압의 차이로서 절대압력이 포화증기압에 비해 얼마나 여유가 있는지의 수치로 정의할 수 있다. 유효흡입수두 수치는 펌프의 성능 및 특징과 무관하며 펌프의 입구 전단의 기기 및 배관계통에 의해 결정된다.
유체가 펌프 내에 인입되어 임펠러 가압 직전 지점에서 일시적인 압력강하가 발생하는데 이에 해당하는 수두가 필요흡입수두이다. 필요흡입수두가 낮을 수록 성능이 좋은 펌프이며, 필요흡입수두 수치는 펌프의 성능 및 특징이라 할 수 있으므로 펌프 자체의 고유값이 된다.
유효흡입수두와 필요흡입수두를 각각 송출량에 따른 크기변화로 그래프를 그려보면 캐비테이션이 발생하는 영역과 캐비테이션이 발생하지 않는 안정영역으로 구분할 수 있다. 캐비테이션은 펌프 내 액체압력이 그 액체의 포화증기압 보다 작을 때 액체 속에 함유된 공기가 기포로 되어 발생하는데, 이는 유효흡입수두가 필요흡입수두의 1.3배 보다 같거나 큰 영역에서 이런 현상을 보인다. 따라서 유효흡입수두가 클수록, 필요흡입수두가 작을 수록 캐비테이션 발생을 방지할 수 있다.
2. 캐비테이션
캐비테이션은 공동현상(cavitation)이라고도 불리우며 유체의 속도변화에 의한 압려변화로 인해 유채 내에 공동이 생기는 현상을 말하는데, 이는 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 기포가 발생하는 현상이다. 베르누이 방정식에 의해서도 해석할 수 있는데 수중익의 표면에서는 속도가 증가하면 압력이 감소하고, 속도가 계속 증가하면 압력이 포화증기압 이하로 내려가서 공동현상이 발생하게 되는 것이다.
캐비테이션으로 인해 발생한 기포가 터지면 압력파가 발생하는데 이것 때문에 소음, 진동, 임펠러 침식이 생기며 이로 인해 펌프의 양정 및 효율이 저하된다. 캐비테이션을 방지하기 위해서는 유효흡입수두를 크게 하면 되는데 이를 위해서는 펌프의 설치 위치를 낮추고 양쪽 흡입 펌프를 사용하고 흡입관 지름을 크게하면 된다. 또한 피팅수(Tee, Elbow, 밸브 등 배관을 잇는 기계부품)를 최소화 하여 손실 수두 loss를 최소화 하고 임펠러를 침식에 강한 재질로 개선하는 방안이 있다.