NPSH가 펌프에서 왜 중요한가?

LG Engineering Co.,Ltd. REPORT Title : NPSH 에관하여 Department : Mechanical Prepared by: 유정헌

NPSH 가펌프에서왜중요한가? 1. NPSH 란? centrifugal pump 에서 operation 에중요한인자는 suction condition 이다. 이 suction condition 이좋지않을때, 펌프는효율과 capacity 가크게감소하며, 진동과캐비테이션 (cavitation) 으로인한심각한문제가야기될수있다. NPSH(Net Positive Suction Head) 는 pump suction 에영향을주는 system condition 을나타내는하나의방법이다. 이 NPSH 에는펌프의흡입조건에따라정해지는 NPSHA(NPSH Available) 과흡입능력을나타내는 NPSHR(NPSH Required) 이있으며각각의정의는다음과같다. NPSHA : total suction head 에서그온도에서의액체의 vapor pressure 를뺀값이다. NPSHR : 회전차입구부근까지유입되어지는액체는회전차에서가압되기전에일시적인압력강하가발생하는데이에해당하는수두를말한다. 이는펌프의성능특성을나타내는것으로펌프자체의고유값이다. 2. NPSHA 계산식 NPSHA 의정의로부터 NPSHA 의계산식은다음과같다. Ps Pv NPSHA = ± h f v s s γ γ 2g 여기서 P s : 흡수면에작용하는압력 [kg/m 2 abs] P v 2 (1) : 사용온도에서의액체의포화증기압 [kg/m 2 abs] γ : 사용온도에서의단위체적당중량 [kg/m 3 ] h s f v s 2 2g : 흡수면에서펌프기준면 ( 그림 1 참조 ) 까지높이 [m] ( 흡상이되면 -, 가압이되면 +) : 흡입측배관에서의총손실수두 [m] 그림 1 펌프의형식및설치방법에따른기준면

a) 대기압하에서의예항목펌프흡입상태 흡상의경우 평지대고지대 가압의경우 액체물물물 수온 ( ) 20 20 20 해발고도 (m) 0 1000 0 P s 대기압 (kg/m 2 abs) 1.0330 10 4 0.9180 10 4 1.0330 10 4 P v 포화증기압 (kg/m 2 abs) 0.0238 10 4 0.0238 10 4 0.0238 10 4 γ 단위체적당중량 (kg/m 3 ) 998.2 998.2 998.2 f v s 2 2g ±hs 흡입헤드 (m) -4-4 +3 흡입관총손실 (m) 0.7 0.7 0.5 계 산 식 (1) 에의해 10.35-0.24-4-0.7 = 5.41 m 9.2-0.24-4-0.7 = 4.26 m 10.35-0.24+3-0.5 = 12.61 m b) 흡입측에밀폐수조가있는경우항목내압작용의경우포화증기압작용의경우펌프흡입상태 액 체 물 뜨거운물 수 온 ( ) 20 120( 포화상태 ) 해발고도 (m) 0 0 P s 대기압 (kg/m 2 abs) 2.0000 10 4 2.0245 10 4 P v 포화증기압 (kg/m 2 abs) 0.0238 10 4 2.0245 10 4 γ 단위체적당중량 (kg/m 3 ) 998.2 943.1 ±hs 흡입헤드 (m) +5 +5 f v s 2 2g 흡입관총손실 (m) 0.7 0.7 계산 식 (1) 에의해 20.04-0.24+5-0.7 = 24.46 m 21.47-21.47+5-0.7 = 4.3 m

3. NPSH 로인한연관된문제점들캐비테이션은흡입액체의압력이포화증기압이하로될때발생한다. 이렇게되는이유는펌프의 suction condition 에기인한다. 앞서언급한바와같이 NPSH 는 suction condition 을나타내는것으로이의궁극적인목적은캐비테이션발생에대한방지기준을마련하는데있다. 어떠한시스템에서도캐비테이션의발생없이펌프를안전하게운전하기위하여는펌프입구직전에서의전압력을액체의포화증기압보다높게하여야한다. 또한그림 2 에서보는바와같이여유를두어 [NPSHA > NPSHR(1+α)] 의관계를유지하게하고이 α의값은일반적으로 0.3 이상이되게끔한다. 한편펌프에서가압되는액체가흡입구에들어오는동안어떤열원에의하여가열될경우를생각해보자. 액체가가열되어온도가상승할경우포화증기압도같이상승하게되며, 단위체적당의중량은감소하게된다. 식 (1) 에보이는바와같이이들은 NPSHA 의값을감소하게한다. 따라서액체가계속가열되어어느온도이상이되면 NPSHA 의값은 NPSHR 의값보다작게될것이다. 그러므로액체가가열되어온도가상승하게될경우에는 NPSHA 의값이작아져서캐비테이션발생의위험이높아지게된다. 그림 2 펌프흡입측의압력분포

4. NPSHA 와 NPSHR 의차이및특성 NPSHA 는펌프가설치되어사용될때펌프그자체와는무관하게흡입측의배관또는 system 에따라서정하여지는값인데반하여 NPSHR 은펌프가제작되면갖게되는고유한특성이다. 5. NPSHA 와 NPSHR 을성능곡선상에표시예를들면볼류트펌프성능곡선에서일반적으로토출량의증가와함께펌프의 NPSHR 도증가하나역으로 system 에서결정되는 NPSHA 은감소한다. 그러므로그림 3 에나타낸바와같이두개의 NPSH 곡선이 A 점에서교차하게되고, 교점 A 에서좌측이사용가능한범위이고, 우측이캐비테이션발생때문에성능은점선과같이그림 3 NPSHA 와 NPSHR 의관계저하하여사용불가능하게되는범위이다. 6. NPSHR 을줄일려면 ( 펌프자체의설계에서 )? 흡입비속도 (suction specific speed) 와 NPSHR 과의관계를살펴보면다음과같다. 여기서 N Q S = ( ) / NPSHR 34 (2) S : 흡입비속도 (suction specific speed) N : 회전수 rpm Q : 유량 위의식에보이는바와같이회전수와유량이일정할때, S 가클수록 NPSHR 이 작아지고, 캐비테이션을방지하기위한흡입성능이우수하다. 한편 S 는다음과같다. 여기서 34 / 2 ( 2g) 1 ν S = / 2 π φ( 1+ λ + λ / φ 2 ) 3 4 ν : 허브비 (hub ratio) λ : 영각이나날개의형상에따라정해지는값 φ : 유량계수, 원주속도에대한축류속도의비 (3)

그림 4 흡입비속도그림 4 는 2 1 S /( ) / 2 1 ν 이 λ나 φ에의해어떻게변화하는가를식 (3) 에따라서계산한결과를나타내고있다. S 를크게하는데는 λ 및 ν를작게하면된다. λ의값은두께를얇게하여날개끝을뾰족하게함에따라감소한다. 그러나이와같이얇고뾰족한날개는설계점이외의유입각에대해서는박리를일으키기쉽고, 또강도적으로약한결점이있다. 따라서, 날개는적당한살두께를갖고끝을둥글게할필요가있다. 따라서 λ = 0.5 0.4가보통사용된다. 한편허브비 ν를작게하는데도기구상일정한한계가있고, ν = 0.4 0.5가한도이다. 7. NPSHA 가 NPSHR 보다작다어떻게하여야하는가? 펌프를구매하였을경우 NPSHA 값이 NPSHR 값보다작은경우를생각해보자. 이럴경우 NPSHR 값이작은펌프를다시구매하는것은시간적이나경제적인측면에서매우불합리한선택이다. 이럴경우펌프의 suction condition 을개선하여 NPSHA 값을키우는것이바람직한방법일것이다. 식 (1) 을다시쓰면다음과같다. Ps Pv NPSHA = γ 2 s ± h f v s 2g 우변 3 개의항을하나씩살펴보면서 NPSHA 의값을크게할수있는방안을생각해보자. 제 1 항이항이커지려면흡수면에작용하는압력은크게하고포화증기압을작게하며, 사용온도에서의단위체적당중량을작게하면된다. 그런데흡수면에작용하는압력은어느정도정해져있을것이라생각된다. 예를들어 tank 류에서는대기압이작용할것이고, reactor 에서는반응압력이정해져있을것이다. 또한인위적으로가

압을하기위해서는또다른펌프가필요할것이므로흡수면에작용하는압력을크게하기는쉽지않을것으로사료된다. 한편온도를떨어뜨리면포화증기압이작아지게되고단위체적당중량도작아지게되므로 NPSHA 의값을크게할수있는하나의방법이될것이다. 그러나 cooling system 을설치할여건 ( 경제적, 시간적, 공간적 ) 이되는지를우선고려해야할것이다. 제 2 항펌프가흡상인경우를될수있으면피한다. 어쩔수없이흡상인경우에는흡수면에서펌프기준면까지높이를가능한한낮게한다. 반대로펌프가기준면보다낮게위치할수있는경우에는가능한한흡수면에서펌프기준면까지높이를크게한다. tank 류에서는수위를가능한한높게하고 tower 류에서는 skirt 등의 support 높이를높게한다. 이럴경우에는구조계산이선행되어야할것으로사료된다. 제 3 항흡입측배관에서의총손실수두를최소화한다. 이를위해흡입관을가능한한짧게하고, 관내유속을가능한한작게한다. 또한관로를단순화하여부차손실을줄인다. 또한밸브등이흡입측배관에설치되었다면토출측으로옮긴다. 기타흡입측배관에과도한편류나와류가생겨관내부에국부적인압력강하가발생하지않도록한다. 한편 PUMP HANDBOOK -2nd ed. McGRAW-HILL 의 section 9.20 에보면 WATER PRESSURE BOOSTER SYSTEMS 에대하여논의되어있다. 이 booster system 이라는것은펌프흡입구의압력을최소한유지시키기위한것이다. 압력을 boosting 하기위하여일반적으로사용되는방법은다음과같다. a) Elevated gravity (tank) systems b) Hydropneumatic tank systems c) Variable-speed-drive centrifugal pump booster sytems d) Tankless constant-speed multiple centrifugal pump systems e) Limited-storage, constant-speed mutiple centrifugal pump systems 등이있다. 자세한사항은책을참고하기바라며참고로각방법들에대한비교표를 Table 1 에예시하였다. 참고문헌 1. Hydraulic Institute Standards for centrifugal, rotary & reciprocating pumps, 14th ed., 1983 2. 유체기계, 1986, 희중당, 강신영譯 3. 효성펌프편람, 효성중공업 4. PUMP HANDBOOK -2nd ed.,1986, McGRAW-HILL

Table 1 Comparison of Significant Factors for Pressure Booster Systems System type Advantages Disadvantages Elevated gravity tank Simplicity, large storage capacity, low energy usage, reserve storage capacity for fire protection Size and weight, water damage potential, freeze potential if roofmounted, corrosion and contamination potential, limited pressure for floor immediately below tank, possible unsightly appearance, periodic cleaning and painting Hydropneumatic tank Location not critical, low energy usage, limited storage capacity, pump does not run when there is no demand, operation in optimum pump flow range Requires compressed air source, corrosion and contamination potential, large pressure variation, relatively large, standby provision costly Variable-speed drive: Simple controls, off-the shelf motor, Fluid couplings standby provision less costly than for above units Variable-speed drive: Low motor current inrush, precise ac type pressure control, higher than 3600 rpm possible, few mechanical devices, large power capability at lower first cost Tankless constant-speed Relatively low first cost, uses timeproven components, compact size, multiple pump inherent partial standby capacity, extra standby capacity inexpensive, location not critical, good pressure regulation Limited-storage constantspeed multiple pump demand, uses time-proven Shuts down during very low water components, standby capacity inexpensive, location not critical, limited water storage, no air-to-water contamination with diaphragm tank Slow response to sudden demand change, may require heat exchanger to cool drive, slip losses result in lower maximum speed and higher motor power, requires selective application, no water storage Complex electric circuitry, high initial cost for low-power units, may require special motors, motor low-speed limitation, rapidly changing technology, requires selective application Continuously running lead pump, difficult to accurately determine capacity split among pumps, no water storage, problems associated with low flow rates No significant disadvantages, tanks with high maximum working presure may be difficult to obtain