NPSH와 캐비테이션

왜 배우는가: NPSH는 펌프 흡입 설계와 공동현상 방지를 함께 판단하는 기준이어서, 실무에서 펌프 선정과 배관 설계의 첫 점검 항목이다. 시험에서는 정의, 산출, 공동현상과의 연관, 방지 대책이 한 문제로 묶여 반복해서 나온다.

출제 이력: 제134회 2교시 4번, 제120회 1교시 11번, 제119회 2교시 3번, 제117회 4교시 6번, 제89회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

NPSH는 펌프 흡입부 액체의 압력이 포화증기압보다 얼마나 높은지를 수두로 나타낸 값이며, 공동현상이 생기지 않는 흡입 조건을 판단하는 척도이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• NPSH: 흡입 측 압력 여유를 수두로 나타낸 값이다.
• 유효흡입수두(NPSHa): 펌프 설치 조건과 흡입 배관에 따라 정해지는 흡입 여유이다.
• 필요흡입수두(NPSHr): 임펠러 입구의 압력 강하를 견디기 위해 펌프가 요구하는 흡입 수두이다.
• 포화증기압: 주어진 온도에서 액체가 기화하여 기체와 평형을 이루는 압력이다.
• 공동현상: 국부 압력이 포화증기압 이하로 내려가 기포가 생기고 붕괴하는 현상이다.
• 흡입양정: 흡수면과 펌프 중심 사이의 높이 차이이다.
• 임펠러 입구: 압력이 가장 낮아지기 쉬워 공동이 처음 생기는 위치이다.

2. 개념 풀이

정식 정의로 NPSH는 펌프 흡입구에서 액체가 가진 절대압력 수두에서 그 온도의 포화증기압 수두를 뺀 값이다. 흡입구 압력이 포화증기압보다 얼마나 여유 있는지를 길이 단위로 나타내므로, 값이 클수록 액체가 기화하기 어렵다. 단위는 미터(m) 또는 피트(ft)를 쓰며, 절대압력을 기준으로 하기 때문에 대기압과 액체 온도에 따라 값이 달라진다.

원리는 두 값의 비교에 있다. 유효흡입수두(NPSHa)는 흡수면 위치, 흡입관의 지름과 길이, 액체의 온도와 종류처럼 설치 조건으로 정해지는 값이다. 필요흡입수두(NPSHr)는 펌프 자체가 요구하는 값으로, 임펠러 입구에서 속도수두가 올라가고 유로가 좁아지며 흡입구 마찰이 생겨 일시적으로 떨어지는 압력을 견디는 데 필요한 수두이다. 공동현상은 NPSHa가 NPSHr보다 작을 때 발생한다. 따라서 설계 목표는 NPSHa > NPSHr를 확보하는 것이다.

NPSHa는 다음 식으로 구한다.

$NPSH_a = \frac{P_a - P_v}{\rho g} \pm H_s - H_f$

여기서 Pa는 흡수면의 대기압, Pv는 액체의 포화증기압, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도이다. Hs는 흡입양정으로 수면이 펌프보다 높으면 +, 낮으면 −로 넣고, Hf는 흡입 배관의 총 마찰손실수두이다. 식의 모든 항을 수두로 맞추었으므로 계산 결과의 단위는 m로 통일된다.

핵심 용어의 뜻은 다음과 같다.

• 포화증기압: 온도에 따라 정해지며 온도가 높을수록 커진다. 그래서 고온 액체는 같은 압력에서도 쉽게 기화한다.
• 흡입양정: 수면과 임펠러 중심의 높이 차이이다. 수면이 펌프보다 높으면 흡입 측 압력에 더해지고, 펌프가 수면보다 높은 흡상 설치이면 그만큼 뺀다.
• 필요흡입수두: 펌프 제작자가 실험으로 정하는 값이다. 양정이 3% 떨어지는 지점의 NPSH를 NPSH3로 정하는 것이 일반적이며, 다단 펌프는 첫 단의 양정 저하로 제한한다.

3. 등장 배경과 필요성

펌프는 대용량화와 고속화가 진행되면서 흡입 측 압력 여유가 줄어드는 문제가 커졌다. 임펠러 회전수가 높아지면 입구 유속이 빨라지고 국부 압력 강하가 커지므로, 같은 설치 조건에서도 공동현상의 위험이 높아진다. 이 때문에 흡입 조건을 수치로 평가하는 척도가 설계 단계에서 필요해졌다.

현장에서는 NPSHa가 줄어드는 조건이 자주 나타난다. 대표적으로 고온 액체를 이송할 때, 흡수면이 펌프보다 낮은 흡상 설치를 할 때, 흡입 배관이 길거나 좁아 마찰손실이 클 때가 있다. 화력발전소의 응축수펌프는 복수기 핫웰 바로 아래 또는 인접하여 설치되는 경우가 많아, 두 펌프를 연속으로 배치하여 충분한 NPSH를 확보하는 방식을 쓴다.

공동현상을 방치하면 임펠러 날개 끝과 케이싱이 침식되고, 기계적 실과 베어링이 조기에 손상되며, 양정과 효율이 떨어지고 소음과 진동이 생긴다. 심한 경우 양수가 불가능해진다. 따라서 펌프 선정과 배관 설계 단계에서 NPSHa와 NPSHr를 비교하는 절차가 필수로 자리 잡았으며, 이 비교가 공동현상 방지 대책을 세우는 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

NPSH 해석은 흡입 쪽 압력 수두 항과 손실 수두 항으로 구성된다. 유효흡입수두(NPSHa)는 펌프 설치 조건과 흡입 배관에 따라 정해지는 값이며, 구성 항의 의미와 결정 요인은 다음 표와 같다.