밀폐회로 압력계획

왜 배우는가: 밀폐회로 난방·냉방 배관은 물의 팽창·수축을 팽창탱크가 흡수해야 하므로, 압력계획이 틀리면 펌프 흡입측 부압, 공동현상, 배관 손상이 생긴다. 실무에서 설계 시 배관 압력 분포를 먼저 그려 확인하는 기본 절차이며, 시험에서는 압력분포도 작성과 문제점 서술의 형태로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제129회 4교시 1번, 제102회 2교시 2번, 제98회 2교시 2번, 제94회 3교시 6번, 제92회 2교시 6번, 제89회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

밀폐회로 압력계획은 팽창탱크 위치와 압력으로 회로 전체 압력을 정해 펌프 흡입측 부압과 증기 발생을 막는 설계 계획이다.

핵심 키워드

• 밀폐회로
• 팽창탱크
• 압력계획
• 동수구배
• 펌프 흡입측 부압
• 포화증기압
• 순환펌프 양정
• 정압 유지

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 물이 가득 찬 닫힌 배관에서 물이 데워지면 부피가 늘어난다. 늘어난 물을 받아 줄 공간이 없으면 압력이 너무 올라가고, 식으면 압력이 떨어져 진공에 가까워진다. 압력계획은 이 변화를 어디에서 흡수할지, 회로 어느 지점의 압력을 얼마로 유지할지 정하는 일이다.

정식으로 정의하면, 밀폐회로 압력계획은 순환펌프의 설치 위치, 팽창탱크의 접속점과 설정 압력을 정하여 배관계 전 구간의 압력이 대기압 이상, 열매체의 포화증기압 이상, 그리고 기기의 허용압력 이하에 들도록 하는 설계 절차다. 배관 내 정압(靜壓)을 정압 유지라 하고, 압력 분포를 수직선상에 그린 것을 동수구배(Hydraulic Grade Line)라 한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 팽창탱크는 온도 변화에 따른 체적 변화를 흡수하고 계통 압력을 일정하게 유지하는 장치다. 압력계획은 이 탱크의 접속점과 펌프 위치를 정하는 설계 행위다. 펌프 흡입측 부압은 펌프 입구 압력이 대기압보다 낮아진 상태를 뜻하며 공동현상의 원인이 된다. 밀폐식 팽창탱크는 공기 쿠션을 두고 압력을 유지하는 방식이고, 개방식은 대기에 개방된 탱크로 계통 최고점보다 높은 위치가 필요하다.

각 용어는 독립적이지 않다. 팽창탱크를 어디에 붙이느냐가 펌프 흡입측 압력을 결정하고, 그 압력이 포화증기압 이상인지 여부가 캐비테이션과 증기 발생을 좌우한다. 따라서 압력계획은 이 세 요소를 함께 검토하는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

온수 난방이나 냉수 순환 시스템은 열매체인 물을 밀폐된 회로에서 순환시킨다. 물은 온도가 올라가면 팽창하고 내려가면 수축한다. 그런데 회로가 완전히 닫혀 있으면 이 체적 변화를 받아 줄 곳이 없다. 가열 시 압력이 과도하게 올라 배관과 기기가 파손될 수 있고, 냉각 시에는 압력이 떨어져 배관 내부가 대기압 이하가 된다.

대기압 이하의 부압이 생기면 두 가지 문제가 생긴다. 첫째, 외부 공기가 침입하여 산화 부식과 공기 고임을 일으킨다. 둘째, 펌프 흡입측 압력이 떨어져 공동현상(캐비테이션)이 발생할 수 있다. 특히 열매체 온도가 높을수록 포화증기압이 올라가므로, 같은 압력이라도 증기가 생기기 쉬워진다. 그래서 회로 내 압력은 열매체 온도의 포화증기압보다 충분히 높게 유지해야 한다.