펌프란, 액체를 높은 곳으로 밀어올리거나 가압하기 위해 사용하는 장치이다.
빨대를 생각하면 그 원리를 쉽게 이해할 수 있다.
빨대를 빨아들이면 액체가 빨려 올라오듯이,
펌프 내의 압력이 낮아서 액체가 배관을 타고 올라온다.
임펠러가 빠르게 돌면서 중심부에 저압이 형성되고, 대기압과 펌프 흡입구의 압력 차로 인하여 물이 펌프 입구까지 빨려들어온다. 물론, 관로 상에 물이 가득 차있어야 한다.
여기서 중요한 것은 대기압이다. 대기압이 밀어주고 있기 때문에 물이 올라올 수 있는 것이다. 같은 이유로 우주에서는 빨대를 이용할 수 없다.
대기압을 수두로 나타내면 10.332 mAq 이다.
다른 것들을 무시한다면 펌프는 액면으로부터 최대 10.332 m 만큼 높이 물을 끌어올릴 수 있다는 것이다.
그러나, 고려해야 할 것들이 있다.
1. 물이 올라가면서 압력이 낮아질텐데, 포화증기압보다는 높게 유지되어야 기화되지 않는다.
2. 배관 및 피팅류 에서의 손실수두가 발생한다.
3. 높이에 따라 위치수두가 변화한다.
이것들을 모두 고려한 개념이 NPSH 이다.
NPSH = 10.332m - 펌프높이 - 손실수두 - 포화증기압 수두
이만큼이 바로 펌프가 이용가능한 수두의 크기다.
펌프가 왜 수두를 이용하지? 펌프는 압력 높이는 거 아니야?
위 그림은 액체가 원심펌프를 통과하는 동안의 압력의 변화를 보여준다.
펌프의 입구로부터 임펠러 중심까지 가는 동안 압력이 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
만약 흡입측에서의 NPSH가 충분하지 않다면, 위 그림에서와 같이 입구에서의 압력 감소로 인해 캐비테이션이 발생한다.
여기서 나오는 개념이 NPSHre (필요흡입수두) 이다.
일반적으로 NPSHre 라고 하면 NPSH 3% 를 의미하며, 이는 정격수두의 3%가 감소하는 펌프 흡입측 NPSH 를 의미한다.
이는 펌프 시험 과정을 통해 결정되는데, 흡입측의 압력을 줄여가면서 펌프 양정을 계속 체크하다가, 정격 양정의 3% 가 감소할 때의 흡입측 NPSHa 를 해당 펌프의 NPSHr 로 하는 것이다. 따라서, 필요흡입수두는 펌프 제작업체가 제공한다.
만약 NPSHa 가 NPSHr보다 작다면, 임펠러 중심에서의 압력은 포화증기압보다 낮아져서 Cavitation이 발생한다.
실무에서는 30% 여유를 두어 NPSHa > 1.3NPSHr 이 되도록 한다.
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