캐비테이션/수격작용/서징현상의 개념 및 발생원인, 문제점 그리고 대책방안
1. 캐비테이션(cavitation)
캐비테이션은 공동현상이라 불리는데 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말한다. 캐비테이션은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하여 생기는데 이는 베르누이 방정식과 연관이 있다. 수중익의 표면에서는 속도 V가 증가하면 압력 P가 감소하게 되며, 속도 V가 계속 증가하면 압력 P가 포화증기압 Pv이하로 내려가게 되어 캐비테이션이 발생하는 것이다.
캐비테이션 현상으로 인해 발생한 기포가 폭발하면서 압력파가 발생하는데 이는 펌프와 배관에 소음과 진동을 발생시키고 양정 및 효율을 저하시키며 임펠러를 침식 시키는 등 기계설비 수명을 단축시키는 부정적인 영향을 끼친다. 캐비테이션을 방지하기 위해서는 펌프의 설치 위치를 낮추고 양쪽 흡입 펌프를 사용하며 흡입관 지름을 크게 하는 등의 유효흡입수두를 크게하기 위한 행위를 해야 한다. 또한 피팅수를 최소화 하여 손실수두를 감소시키고 임펠러를 침식에 강한 재질로 개선하는 방법도 있다.
2. 수격작용(water hammering)
수격작용은 펌프가 긴급 정지시 급격한 압력변화로 압력파가 발생하고, 이 때 펌프 와류실은 압력강하, 송출구는 압력이 낮아진 곳으로 역류하게 되는데 이를 수격작용이라 한다. 수격작용은 급격한 압력강하와 상승, 그리고 유속이 빠르고 관경이 작고 굴곡 개소가 많을 수록 쉽게 발생한다. 수격작용이 발생하면 소음과 진동이 심하여 송수관 및 펌프 몸통이 파손될 수 있다. 이것을 방지하기 위해서는 급격한 압력하강과 급격한 압력상승이 일어나지 않도록 조치하면 되는데, 압력하강 방지를 위해서는 펌프에 플라이휠을 설치하여 관성효과를 이용하고 서지탱크를 설치하여 급격한 에너지 변화 충격을 탱크 내 유체가 흡수하도록 한다. 또한 관 직경을 크게하고 유속을 최대한 낮춘다. 이와 반대로 압력상승 방지를 위해서는 송출구 메인 벨브를 정전과 동시에 급속히 닫아 와류실 역류를 방지하며 안전밸브를 통해서 상승압력을 배출시키도록 한다.
3. 서징현상(surging, 맥동현상)
서징현상은 펌프가 운전 중에 주기적으로 한숨을 쉬는 것 같은 현상인데 이는 펌프를 적은 유량범위 상태에서 가동시 송출유량과 송출압력의 주기적 변동으로 인해 발생한다. 그리고 펌프의 특성곡선(아래 그림 참조)이라는 것이 있는데 이는 양정과 유량의 상관관계 그래프로서 일정 rpm으로 운전하여 토출량 변화에 대해 각각의 전양정, 효율, 축동력의 변화를 나타낸 것이다. 이 특성곡선을 바탕으로 서징발생의 원인을 살펴볼 때, 펌프의 특성곡선의 상승부에서 펌프가 운전하는 조건에서 서징현상이 발생한다. 또한 토출배관이 길고 유량 조절밸브가 탱크 후단에 있는 경우 발생하기 쉽다.
서징현상은 압력과 송출량이 주기적으로 변동하여 안정적인 유체이송에 방해가 되며 진동 및 소음이 발생하여 펌프의 압력계와 진공계 바늘이 심하게 흔들리는 등의 운전 불안정 상태를 보이며 이런 현상이 심할 경우 배관파손으로 이어질 수 있다. 이러한 불상사를 방지하기 위해서는 배관지지대의 위치를 변경해 주고 관경 크기 또는 배관길이를 변경하고 관 내 스토틀을 삽입한다. 아울러 소음댐퍼, 축압기, 챔버 등을 사용하여 공진이 발생하지 않도록 조치를 해준다.