1-3. 원심펌프의 유효흡입특성을 NPSA와 NPSR로 설명하시오.

원심펌프의 유효흡입특성은 펌프가 흡입할 수 있는 능력, 즉 펌프 흡입구에서 액체가 증발하지 않고 원활하게 펌핑될 수 있는 조건을 나타내는 중요한 개념입니다. 이 유효흡입특성을 설명하는 데 핵심적인 두 가지 요소가 바로 NPSHA (Net Positive Suction Pressure Available, 유효 흡입 압력) 와 NPSHR (Net Positive Suction Pressure Required, 필요 흡입 압력) 입니다.

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1. NPSHA (유효 흡입 압력, Net Positive Suction Pressure Available)

NPSHA는 시스템 측면에서 펌프 흡입구까지 액체가 도달하면서 실제로 사용할 수 있는 유효 흡입 압력을 의미합니다. 다시 말해, 펌프 흡입구에서 액체의 절대 압력이 증기압보다 얼마나 더 높은지를 나타내는 값입니다. NPSHA는 펌프가 설치된 시스템 환경에 의해 결정되며, 펌프 자체의 성능과는 무관합니다.

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NPSHA의 물리적 의미:

NPSHA는 펌프 흡입구에서 액체가 증발(캐비테이션 발생)하지 않고 펌프로 원활하게 흡입될 수 있는 '여유 압력'을 나타냅니다. NPSHA 값이 클수록 펌프 흡입 조건이 양호하며, 캐비테이션 발생 가능성이 낮아집니다.

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NPSHA 계산 방법 (일반적인 경우):

NPSHA는 다음과 같은 요소들을 고려하여 계산됩니다.

• 대기압 (Pa): 액체 표면의 대기압 (절대압력 기준). 펌프가 개방된 탱크에서 액체를 흡입하는 경우 대기압이 적용됩니다.
• 흡입 수두 (Hs): 액체 표면부터 펌프 흡입구 중심선까지의 높이차 (m).
• 흡입 수조가 펌프보다 높은 위치에 있으면 (+) 값 (양정 흡입, Positive Suction Head).
• 흡입 수조가 펌프보다 낮은 위치에 있으면 (-) 값 (부정 흡입, Negative Suction Head 또는 Lift).
• 마찰 손실 수두 (Hf): 흡입 배관에서 발생하는 마찰 손실 수두 (m). 배관 길이, 구경, 유량, 배관 부속품, 액체의 점도 등에 따라 달라집니다.
• 증기압 수두 (Hvpa): 펌핑 액체의 증기압에 해당하는 수두 (m). 액체의 온도에 따라 증기압이 변하므로, 펌핑 액체 온도에 맞는 증기압을 사용해야 합니다.

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NPSHA 계산식 (수두 단위):

NPSHA = Pa/ρg + Hs - Hf - Hvpa

• Pa: 대기압 (Pa)
• ρ: 액체의 밀도 (kg/m³)
• g: 중력 가속도 (m/s²)
• Hs: 흡입 수두 (m)
• Hf: 마찰 손실 수두 (m)
• Hvpa: 증기압 수두 (m)

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NPSHA 계산식 (압력 단위):

NPSHA = (Pa - Pvpa) + ρgHs - ρgHf

• Pvpa: 증기압 (Pa)

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NPSHA에 영향을 미치는 요인:

• 시스템 설계: 흡입 배관의 길이, 구경, 배관 부속품, 흡입 수조 위치 등 시스템 설계 요소가 NPSHA에 큰 영향을 미칩니다. 흡입 배관을 짧고 굵게 설계하고, 배관 부속품 수를 줄이면 마찰 손실을 줄여 NPSHA를 높일 수 있습니다. 흡입 수조를 펌프보다 높게 설치하는 것도 NPSHA를 높이는 효과적인 방법입니다.
• 액체의 특성: 액체의 밀도, 증기압, 점도 등이 NPSHA에 영향을 미칩니다. 액체의 온도가 높아질수록 증기압이 증가하여 NPSHA가 감소합니다. 점도가 높은 액체는 마찰 손실을 증가시켜 NPSHA를 감소시킬 수 있습니다.
• 운전 조건: 펌프의 유량 변화는 흡입 배관의 마찰 손실을 변화시켜 NPSHA에 영향을 줍니다. 유량이 증가할수록 마찰 손실이 증가하여 NPSHA가 감소합니다.

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2. NPSHR (필요 흡입 압력, Net Positive Suction Pressure Required)

NPSHR은 펌프 자체의 특성으로, 특정 유량과 회전 속도에서 펌프 내부에서 캐비테이션이 발생하지 않고 정상적인 성능을 발휘하기 위해 펌프 흡입구에 최소한으로 필요한 유효 흡입 압력을 의미합니다. NPSHR은 펌프 제조사에서 펌프 성능 시험을 통해 결정되며, 펌프 사양서나 성능 곡선에 제공됩니다.

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NPSHR의 물리적 의미:

NPSHR은 펌프 내부의 압력 강하, 유동 손실 등을 고려하여 펌프가 정상 작동하기 위해 흡입구에 최소한으로 요구하는 '압력 마진'입니다. NPSHR 값은 펌프의 설계, 형상, 회전 속도 등에 따라 달라지며, 일반적으로 펌프 유량이 증가할수록 NPSHR 값도 증가하는 경향을 보입니다.

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NPSHR 결정 방법:

NPSHR은 펌프 제조사의 성능 시험 설비에서 캐비테이션 시험을 통해 결정됩니다. 일반적으로 유량을 변화시키면서 펌프의 총 양정을 측정하고, 양정이 3% 감소하는 시점의 NPSHA 값을 NPSHR로 정의합니다.

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NPSHR에 영향을 미치는 요인:

• 펌프 설계: 펌프의 임펠러 형상, 흡입구 형상, 내부 유로 설계 등이 NPSHR에 영향을 미칩니다. 흡입 성능이 우수한 펌프는 NPSHR 값이 낮습니다.
• 펌프 유량: 일반적으로 펌프 유량이 증가할수록 NPSHR 값도 증가합니다. 유량이 증가하면 펌프 내부 유속이 빨라지고, 압력 강하가 커져 캐비테이션 발생 가능성이 높아지기 때문입니다.
• 펌프 회전 속도: 펌프 회전 속도가 증가할수록 NPSHR 값도 증가합니다. 회전 속도가 증가하면 펌프 내부 유속이 빨라지고, 압력 강하가 커져 캐비테이션 발생 가능성이 높아지기 때문입니다.

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3. NPSHA와 NPSHR의 관계 및 유효흡입특성

원심펌프가 캐비테이션 없이 안정적으로 작동하기 위해서는 NPSHA가 반드시 NPSHR보다 커야 합니다.

NPSHA > NPSHR

이 조건을 만족해야 펌프 흡입구에서 액체의 압력이 충분히 유지되어 캐비테이션 발생을 방지할 수 있습니다. NPSHA와 NPSHR의 차이 (NPSHA - NPSHR)를 NPSH 마진 (NPSH Margin) 이라고 하며, 일반적으로 NPSH 마진은 안전 운전을 위해 충분히 확보하는 것이 중요합니다. NPSH 마진을 충분히 확보하지 못하면 펌프는 캐비테이션 발생 위험에 노출되어 소음, 진동, 성능 저하, 부식 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

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유효흡입특성 평가:

원심펌프의 유효흡입특성을 평가하기 위해서는 다음과 같은 단계를 거쳐야 합니다.

1. 시스템 NPSHA 계산: 펌프가 설치될 시스템의 조건 (액체, 온도, 흡입 수조 위치, 배관 구성 등)을 고려하여 NPSHA를 계산합니다.
2. 펌프 NPSHR 확인: 펌프 제조사에서 제공하는 펌프 성능 곡선 또는 사양서에서 해당 유량 조건에서의 NPSHR 값을 확인합니다.
3. NPSH 마진 확인: 계산된 NPSHA 값과 확인된 NPSHR 값을 비교하여 NPSH 마진 (NPSHA - NPSHR)을 계산합니다.
4. 안전성 평가: 계산된 NPSH 마진이 충분한지 (일반적으로 0.5 ~ 1.0 m 이상 권장, 시스템 및 펌프 특성에 따라 달라질 수 있음) 평가하고, 부족한 경우 시스템 설계를 변경하거나 NPSHR이 낮은 펌프를 선정하는 등의 대책을 강구합니다.

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결론

NPSHA와 NPSHR은 원심펌프의 유효흡입특성을 이해하고 캐비테이션 문제를 예방하는 데 매우 중요한 개념입니다. 펌프 시스템 설계자는 NPSHA를 최대한 높이고, 펌프 선정 시에는 NPSHR이 낮은 펌프를 선택하여 항상 NPSHA > NPSHR 조건을 만족하도록 설계해야 합니다. 적절한 NPSH 마진 확보는 원심펌프의 안정적인 운전과 긴 수명을 보장하는 핵심 요소입니다.