NPSA와 NPSR

왜 배우는가: NPSA와 NPSR은 펌프 흡입측 설계에서 공동현상(캐비테이션)을 막기 위한 가장 기본적인 판정 기준이다. 펌프 설치 후 소음·진동·임펠러 침식이 발생하는 원인의 상당수가 이 두 값의 관계에서 비롯되므로 현장 문제 해결과 설계 검토에 반복해서 쓰인다. 기술사 시험에서도 용어형과 논술형 모두에서 반복 출제되는 핵심 개념이다.

출제 이력: 제135회 1교시 3번, 제113회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

NPSA는 펌프 흡입구에서 실제로 얻을 수 있는 유효흡입수두이고, NPSR은 공동현상 없이 펌프가 요구하는 필요흡입수두이며, 안전 조건은 NPSA ≥ NPSR이다.

• NPSA(유효흡입수두, Net Positive Suction Head Available)
• NPSR(필요흡입수두, Net Positive Suction Head Required)
• 공동현상(캐비테이션, Cavitation)
• 포화증기압(Vapor Pressure)
• 흡입 여유(Suction Margin)
• 임펠러 입구(Impeller Inlet)
• 속도수두(Velocity Head)
• 흡입 손실수두(Suction Head Loss)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 펌프 입구에 들어오는 액체가 가진 압력 여유가 증기로 변하지 않고 버틸 수 있는 정도를 수두로 나타낸 값이 NPSA다. 흡입 탱크 액면의 압력, 정수두, 배관 손실에 따라 정해지므로 시스템이 결정하는 값이다.

정식으로는 펌프 흡입구의 전수두(정압 수두와 동압 수두의 합)에서 액체의 포화증기압 수두를 뺀 값을 NPSA라 한다. 즉 NPSA = 흡입구 절대압력 수두 + 속도수두 − 포화증기압 수두이다. 이 값은 기본적으로 펌프 제조사 값이 아니라 설치 조건에서 계산되는 값이다.

NPSR은 펌프가 임펠러 입구에서 압력이 떨어지는 현상을 견디기 위해 필요로 하는 여유 수두다. 펌프 제조사가 실험으로 정하며, 보통 성능이 3% 떨어지는 지점을 기준으로 한다(NPSH3%). 제조사가 제시하는 펌프 고유 특성이다.

두 값의 관계가 핵심이다. NPSA가 NPSR보다 충분히 커야 임펠러 입구에서 압력이 증기압 아래로 내려가지 않는다. 그러면 기포가 생기지 않아 공동현상이 일어나지 않는다. 그래서 설계 조건은 NPSA > NPSR이다.

여유를 두는 방법도 함께 알아야 한다. 실무에서는 NPSA가 NPSR보다 일정 값 이상 크도록 여유 수두를 둔다. 여유값은 설계 기준과 펌프 종류에 따라 다르므로, 답안에는 '여유 수두를 둔다'고 쓰고 세부 값은 설계 기준에 따른다고 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프는 임펠러가 고속으로 회전하면서 흡입구 근처의 압력을 낮춘다. 흡입 액체의 압력이 충분하지 않으면 그 부분에서 액체가 끓어 기포가 생긴다. 이 기포가 고압부로 이동하며 터지면 충격파가 발생하고, 임펠러 표면을 깎아 내는 침식과 소음·진동을 일으킨다.

초기 펌프 설계는 흡입 조건을 단순히 흡입 높이로만 판단했다. 그러나 액체 종류, 온도, 배관 손실이 달라지면 같은 흡입 높이라도 결과가 달라졌다. 이 때문에 흡입 조건과 펌프 특성을 같은 단위(수두)로 비교하는 NPSA·NPSR 개념이 필요해졌다.

또 고온수, 휘발성 액체, 점도가 큰 액체처럼 포화증기압이 높은 경우에는 흡입측 여유가 특히 중요하다. 흡입 탱크를 펌프 위에 두거나 흡입관을 짧고 굵게 설계하는 이유도 NPSA를 키우기 위해서다.

NPSA > NPSR이 공동현상 방지의 기본 조건이며, 이 한 부등식이 흡입측 설계 검토의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

유효흡입수두(NPSHav)와 필요흡입수두(NPSHre)는 흡입 측 시스템과 임펠러 입구라는 두 지점에서 각각 정해진다. 시스템이 제공하는 쪽이 NPSHav, 펌프가 요구하는 쪽이 NPSHre 이다. 두 값의 구성요소는 다음과 같다.

위 표처럼 NPSHav 는 흡입면 압력에서 증기압과 손실을 뺀 값이다. 펌프 설계자가 바꿀 수 없는 값이고 설치 조건으로 정해진다. 반면 NPSHre 는 펌프 제작자가 시험으로 정하는 펌프 고유 값이다.

원리는 베르누이 방정식으로 설명한다. 흡입 액면 0과 임펠러 입구 i 사이에 에너지 보존을 적용하면 입구 절대압력이 액면 압력보다 흡입 손실과 정수두만큼 낮아진다. 입구에서 압력이 포화증기압 아래로 떨어지면 기포가 생긴다. 따라서 입구 압력에서 증기압을 뺀 수두가 바로 NPSH 이다. 이것이 '순(net)' 양압 흡입수두라는 이름의 이유다.

$NPSH_{av}=\frac{P_0-P_v}{\rho g}\pm H_s-H_f$

여기서 P_0 는 흡입면 절대압력(Pa), P_v 는 액체의 포화증기압(Pa), \rho 는 액체 밀도(kg/㎥), g 는 중력가속도(m/s²), H_s 는 흡입 높이(m, 액면이 펌프보다 높으면 +), H_f 는 흡입 측 손실수두(m)이다. 모든 항은 수두(m)로 맞춘다.

NPSHre 는 유량과 회전수가 커질수록 커진다. 임펠러 입구의 속도가 빨라지고 유로가 좁아지면서 압력 강하가 커지기 때문이다. 캐비테이션 판정은 토출 양정이 3% 저하되는 흡입 수두를 기준으로 한다. 이 값을 NPSH3% 라고 부른다.

절차는 다음과 같다.

• 흡입면 절대압력 P_0 와 액체 온도에 맞는 포화증기압 P_v 를 구한다.
• 흡입 높이 H_s 의 부호를 정하고 흡입 배관의 손실 H_f 를 계산한다.
• 위 식으로 NPSHav 를 구한다.
• 펌프 제작자가 제시한 사용 유량·회전수의 NPSHre 를 확인한다.
• NPSHav 가 NPSHre 보다 여유를 두고 커야 함을 확인하고, 부족하면 흡입 조건을 바꾼다.

흐름을 한눈에 보면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

NPSH 는 펌프 설계와 시험에서 쓰는 공학 기준 개념이다. 국내 법령으로 규정된 수치는 없고, 펌프 제작 사양과 성능시험 표준에서 정의와 측정 방법을 정한다. 아래 표는 계산과 판정에 쓰는 기준값이다.

표의 값은 정의와 기준을 확인하는 데 쓴다. 액체 온도가 높아지면 P_v 가 커져 NPSHav 가 줄어든다. 고온수나 휘발성 액체를 이송할 때 이 점을 우선 확인한다. 흡입 측 여유는 다음과 같이 적는다.

NPSHav 는 NPSHre 에 설계 기준이 정한 여유를 더한 값보다 커야 한다.

이 여유는 설계 여건과 사용 조건에 따라 달라진다. 설계 단계에서는 제작 사양의 NPSHre 와 현장 조건의 NPSHav 를 함께 기록해 두는 것이 실무 관례다.

6. 유형과 비교

NPSA와 NPSR은 같은 흡입 조건을 서로 다른 쪽에서 본 값이다. 시스템이 제공하는 쪽과 펌프가 요구하는 쪽을 나누어 비교하면 설계 판단이 쉬워진다.