스팀트랩의 문제
응축수 펌프에서의 케비테이션
응축수 펌프는 액체를 압송할 목적으로 설계 됩니다. 따라서 이 액체 압송용 펌프에 기체가 섞이게 되면 공회전 상태가 되어 압송할 수가 없습니다.
케비테이션은 압송되는 액체 내부에 밀도가 낮은 증기가 공존하는 결과로 발생합니다. 케비테이션이 발생하게 되면 펌프의 효율저하 뿐 아니라 파손까지 진행 될 수 있습니다. 이 케비테이션은 일반적인 응축수 펌프에서 자주 발생합니다.
응축수 펌프에서 케비테이션이 발생하는 원인
케비테이션은 펌프의 외부에서 들어오는 증기가 아닌 내부에서 압력변화로 인하여 발생하는 증발과 응축으로 인한 것입니다. 지금부터는 펌프 내부에서 상변화가 발생하는 메카니즘에 대하여 알아 보겠습니다.
물의 온도가 끓는점에 가까워 지면 물은 증기로 상변화 합니다. 펌프 시스템에서는 압력이 낮아져 재증발이 발생하는 현상이 비교적 많이 있습니다. 압력이 낮아지는 이유는 펌프 임펠러의 고속 회전 입니다. 빠른 속도에 따라 압력이 낮아지며, 압력이 낮아 진 만큼 끓는점 또한 낮아지게 됩니다. 이것은 증기의 공간을 만들게 되고 다시 응축 되는것을 반복합니다.
유입수두(NPSH)의 확보로 재증발 현상을 줄일 수 있습니다.
- 온도가 높은 응축수는 펌프의 내부에서 더 많은 재증발을 발생 시킵니다.
- 고속의 펌프는 임펠러에서 응축수의 속도가 빨라지게 되므로 더 많은 압력의 저하를 만듭니다. (예:3,500 RPM 대 RPM1,750)
- 펌프의 입구에 충분한 높이를 확보하지 못하면 재증발을 막을수 없습니다.
- 몇몇 특이한 경우로 펌프 입구의 사이즈를 줄이거나 제한하는 경우 압력의 저하를 유발할 수 있습니다.
이러한 경우 재증발 증기는 체적은 크지만 상대적으로 보유열량은 크지 않습니다. 재증발 증기는 응축수에 혼입되어 공간을 만들다가 급격한 속도로 응축됩니다. 급격한 응축은 충격파를 만들어 소음을 발생시킵니다. 많은 경우 이 소음은 케비테이션 발생의 지표가 됩니다.
케비테이션은 펌프에서 어떻게 발생하는가. |
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케비테이션에 따른 피해
케비테이션의 소음은 펌프의 내부에 충격이 발생하고 있다는 것을 외부에서 알 수 있는 정보 입니다. 이 소음은 병에 자갈을 넣어 흔들때 발생하는 소리와 비슷합니다. 케비테이션의 발생은 펌프뿐 아니라 배관 및 주변 기기를 손상 시키는 경우도 있습니다.
케비테이션으로 인한 펌프와 배관의 내부충격은 임펠러와 펌프 케이싱에 에로죤과 같은 현상을 일으킵니다. 추가적으로 펌프의 효율을 떨어 뜨리며, 부식을 발생 시키기도 합니다. 배관및 장비의 부식 때문에 발생하는 문제는 외부로 보여지지 않는 경우가 많습니다. 이 보이지 않는 문제들은 다행히도 해결할 수있는 대처 방안이 있습니다.
케비테이션은 펌프의 임펠러에 손상을 입힘 |
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메카니즘 & 대처방법
흔히 알고 있는 에어벤트 혹은 가스배출장비는 외부에서 유입되는 기체를 배출시키는 장치로 케비테이션의 발생 원인을 막아주지는 못합니다. 케비테이션을 막기 위해서는 펌프 내부에서 발생하는 증기의 형성을 막는것이 필요합니다.
펌프에 유입되는 응축수의 온도가 끓는점의 조건보다 충분히 낮다고 하더라도 증발을 하는 액체에서는 케비테이션의 위험이 여전히 존재합니다. 여러 종류의 장치가 한개의 헤더로 묶여있어 바이패스 운전을 실시 하거나 스팀트랩이 누설되는등의 원인으로 작은 온도의 상승 및 압력의 저하 때문에 재증발이 발생할 수 있습니다.
온도와 압력의 끓는점과의 상관관계 |
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적정한 허용 유효 흡입수두(NPSHA)와 엄격한 요구 유효 흡입수두(NPSHR)를 바탕으로 설계하여 케비테이션의 발생 및 피해를 줄인 사례가 있지만 단순하지 않은 현장의 여건으로 많은 어플리케이션에서 충분한 NPSHA를 얻을수 없습니다. 또한 응축수의 온도 상승으로 요구 유효 유입수두(NPSHR)가 충족되지 못한 펌프에서는 케비테이션이 발생 할 수 있으므로 복수의 워인을 고려해야 합니다.
여기에서는 전기식 응축수 펌프의 토출측에 대해서 다루고 있지 않지만 적절한 총 토출 압력(TDP)으로 펌프 시스템을 선정 할 수 있도록 하기 위해서는, 총 동적수두(TDH)를 계산하기 위한 관련 요건이 있습니다. 많은 경우 허용 유효 흡입수두(NPSHA)로 선정하는 것은 총 동적수두(TDH)가 다른 장소에서 적합한 선정은 아닙니다. 이 부분은 다른 내용에서 다루도록 하겠습니다.
응축수 회수 펌프 내 케비테이션의 방지는 '증기이론' 기사 후반부에서 자세히 논의됩니다.