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에너지관리기사 열설비 · 펌프의 특성곡선과 공동현상

Pump Curves and Cavitation

펌프의 운전점은 펌프 특성 곡선과 배관의 시스템 곡선이 만나는 점이고, 흡입 쪽 압력이 포화 증기압 아래로 떨어지면 공동 현상(캐비테이션)이 생긴다. 운전점과 밸브 교축, 유효 흡입 수두 NPSHa 와 필요 흡입 수두 NPSHr 의 비교, 회전수에 따른 상사 법칙을 다룬다. 첫 그림은 두 곡선과 운전점이고, 토출 밸브 개도 슬라이더(30 ~ 100%)를 줄이면 시스템 곡선이 가팔라지며 운전점이 왼쪽으로 옮겨 가요. 둘째 그림은 NPSHa 와 NPSHr 막대이고, 흡입 양정 Hs 슬라이더(0 ~ 8 m)를 올려 NPSHa 가 NPSHr 밑으로 내려가면 캐비테이션 경고로 바뀌어요.

펌프의 운전점은 두 곡선의 교점

펌프는 유량이 늘수록 낼 수 있는 양정이 줄어드는 특성 곡선을 갖고, 배관 계통은 유량이 늘수록 저항이 커지는 시스템 곡선을 갖는다. 두 곡선이 만나는 곳이 실제 운전점이고, 밸브를 조이면 운전점이 옮겨 간다.

💠 운전점과 공동 현상
①운전점은 펌프 곡선과 시스템 곡선의 교점이고, 여기서 유량 · 양정이 정해진다
②밸브를 조이면 저항이 커져 운전점이 작은 유량 쪽으로 옮겨 간다
③흡입 쪽 압력이 포화 증기압 아래로 내려가면 기포가 생긴다(공동 현상)
④NPSHa ≥ NPSHr 를 지켜야 캐비테이션을 막아요

밸브 개도로 운전점 옮기기

100 %
운전 유량
Q = 43.3
개도 100%
운전 양정
H = 26.3 m
교점의 양정
🔎 밸브를 조이면
①시스템 곡선이 가팔라져(저항 증가) 교점이 왼쪽으로 옮겨 간다
②유량은 줄고 양정은 커진다
③토출 밸브 교축은 간단하지만 남는 동력을 버리는 손실이 있다
④에너지를 아끼려면 회전수 제어(인버터)가 유리해요

흡입 양정으로 캐비테이션 판정

3 m
지금 유효 흡입 수두
NPSHa = 6.59 m
NPSHr = 4 m 이상 → 정상
⚠️ 공동 현상(캐비테이션)
①흡입 쪽 압력이 그 온도의 포화 증기압 아래로 내려가면 기포가 생긴다
②기포가 임펠러에서 터지며 소음 · 진동 · 침식 · 양정 저하를 일으킨다
③흡입 양정 Hs 를 낮추고(펌프를 수면 가까이), 흡입 배관 손실을 줄여 막는다
④유효 흡입 수두 NPSHa 가 펌프의 필요 흡입 수두 NPSHr 이상이어야 안전해요

핵심 식

유효 흡입 수두
NPSHa = Pa - Pvγ - Hs - hL
Pa = 대기압, Pv = 포화 증기압, Hs = 흡입 양정, hL = 흡입 손실
캐비테이션 방지 조건
NPSHa ≥ NPSHr
유효 흡입 수두가 필요 흡입 수두 이상
상사 법칙(회전수)
Q2Q1 = N2N1, H2H1 = (N2N1)2
유량은 회전수에, 양정은 회전수 제곱에 비례

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①운전점은 펌프 곡선(H = H0 - aQ²)과 시스템 곡선(H = Hst + cQ²)의 교점이다
②NPSHa = (Pa - Pv)/γ - Hs - hL 이고, 조건은 NPSHa ≥ NPSHr 다
③캐비테이션은 흡입 압력이 포화 증기압 이하로 내려가 생기고, 기포 · 소음 · 침식 · 양정 저하를 부른다
④흡입 양정 Hs 를 낮추고, 흡입 손실을 줄이고, 회전수 · 유량을 알맞게 하면 막을 수 있어요
⑤상사 법칙은 Q ∝ N, H ∝ N², 축동력 L ∝ N³ 이에요
📝 대표 기출유형
①[기출유형] Pa/γ = 10.33, Pv/γ = 0.24, hL = 0.5, Hs = 3 m 일 때 NPSHa 는? (답: 10.33 - 0.24 - 0.5 - 3 = 6.59 m)
②[기출유형] 회전수를 2배로 하면 양정은? (답: 4배, H ∝ N²)
③[기출유형] 캐비테이션을 막는 부등식은? (답: NPSHa ≥ NPSHr)
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