[Fire Water Pump System] 소방펌프의 유효흡입수두(NPSHav) & 필요흡입수두(NPSHre)
안녕하세요~ '개과천선'의 '톰'입니다.
오늘은 소방설비에서 가장 중요하다고 생각하는 소방펌프 (Fire Water Pumps)와 관련하여, 설계 및 펌프 선정 시 중요하게 고려해야 할 '수두(Head)'에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
이 '수두'라는 개념을 잘 알고 있어야 화재가 발생했을 때, 펌프(pump)가 기포로 인한 공동현상(Cavitation) 없이 안전하게 작동될 수 있도록 설계할 수 있습니다.
[NPSH]
Net Positive Suction Head
수조(Fire Water Storage Tank)의 수위가 펌프(Fire Water Pump)의 수위보다 낮은 경우 물이 자연적으로 상승하여 펌프에서 흡입되는 것이 아니라 펌프가 동작되는 순간에 배관 내 기압이 대기압 이하로 내려가면 이때 외부의 대기압에 의해 배관 내로 물이 자연적으로 상승하는 것이다.
따라서, 흡입배관(Suction Line)을 통해 물이 정상적으로 상승하려면, 물을 밀어주는 역할을 하는 수면에 작용하는 대기압이 모든 손실(펌프나 배관에서 물을 흡입하려는 것을 방해하는 모든 요소의 손실)보다 커야만 한다.
즉, “대기압 > 전체손실”이 되어야 한다. ----- 식 (1)
1. 유효흡입수두 (NPSHav)
Available Net Positive Suction Head
1) 유효흡입수두의 개념
펌프 운전시 Cavitation 발생이 없이 펌프를 안전하게 운전할 수 있는 흡입에 필요한 수두를 유효흡입수두 (NPSHav)라 한다.
위의 식 (1)에서 전체 손실요소를 분석하면 다음과 같다.
① 흡입수면에서 펌프 중심까지의 흡입 실양정에 의해 형성되는 수압 (이는 수면상에서 펌프 중심까지의 높이가 된다) : 이를 수두로 Hh(m)라 하자.
② 흡입측 배관에서 물에 의한 모든 손실 : 이를 수두로 Hf(m)라 하자.
③ 흡입측 배관 내 물의 포화증기압 : 흡입배관은 흡입 시 대기압 이하가 되므로 이때 유체의 온도에 해당하는 포화증기압이 존재하며 (상온 20℃의 경우 비중이 1.0인 물의 포화증기압은 수두로 0.238m이다.) 이를 수두로 Hv(m)라 하자.
따라서 식 (1)은 대기압을 수두로 약 10.3m로 가정하면 다음과 같이 식이 된다.
10.3 > (Hh + Hf + Hv),
따라서 10.3 - (Hh + Hf + Hv) > 0 ----- 식 (2)
이때, 식 (2)의 좌변은 손실부분을 전부 공제하고 물이 대기압에 의해 펌프 속으로 “유입되는 순간” 가지고 들어가는 잔여분의 에너지(수두)로서 이는 손실을 이기고 대기압으로 인해 물이 펌프 속으로 유입되는 유효한 흡입양정이 된다.
따라서 10.3 - (Hh + Hf + Hv)를 “유효흡입수두 (Available Net Positive Suction Head)"라 하며 보통 NPSHav로 표시한다.
2) 유효흡입수두의 적용
① 수조가 펌프보다 위쪽에 있는 경우에는 Hh 수두만큼의 에너지를 받게 되므로 이 경우 유효흡입수두는 10.3 + Hh - Hf - Hv가 된다. 따라서 최종적으로 NPSHav는 다음의 식으로 표현할 수 있다.
NPSHav = 10.3 ± Hh - Hf - Hv
여기서, NPSHav : 유효흡입수두 (m)
Hh : 펌프의 흡입양정 (m)
- 펌프가 수조 위 = -Hh
- 펌프가 수조 아래 = +Hh
Hf : 흡입배관의 총 손실수두 (m)
Hv : 유체의 포화증기압 환산수두 (m)
유효 NPSH에서 Hh는 수면과 펌프 위치와긔 관계, Hf는 배관의 재질 및 배관길이, 관경과의 관계, Hv는 유체의 온도에 따라 결정되는 것으로 이는 결국 설계 시 건물의 펌프시스템 설치조건에 따라 좌우되는 값이다.
즉, 유효흡입수두 (NPSHav)란 펌프의 특성과는 관계가 없이 펌프를 설치하는 주변 조건 및 관경에 따라 결정되는 값이다.
펌프의 특성곡선상 토출량의 과부하점이 150%이므로 Hf의 경우는 150%시의 유량으로 적용하여야 한다.
참고로 수온에 따른 물의 포화증기압은 다음 표와 같다.
※ 포화중기압
- 물을 대기압에서는 100℃에서 증발하나 대기압보다 낮은 기압에서는 100℃ 이하에서도 증발하여 그것에 대한 포화상태의 압력이 배관 내 포화증기압이 된다. 이는 흡입배관 내에서 공기의 압력을 형성하여 물의 흡입을 방해하는 요소가 된다.
② 흡수면에 대기압이 작용할 때의 NPSH는 아래 그림에서 A Pipe는 배관에 접속되어 있지 않으므로 대기압에서 그 유체의 온도에 의한 증기압을 뺀 위치까지 수위가 올라간다(마찰손실은 무시).
B Pipe은 대기압에서 유체의 온도에 의한 포화증기압력, 손실수두, 속도수두, 실흡입 양정을 뺀 빗금 친 부분만큼 수위가 올라간다.
따라서 B Pipe의 빗금부분이 펌프 흡입구에서 물이 가지고 있는 흡입양정이며 이것에 흡입관의 속도수두를 더한 것이 펌프가 이용할 수 있는 유효흡입양정(NPSHav)이다.
2. 필요흡입수두 (NPSHre)
Net Positive Suction Head Required
펌프에서 Impeller 입구까지 유입된 액체는 Impeller에서 가압되기 직전에 일시적으로 압력강하가 발생하는데 이에 해당하는 수두가 NPSHre가 된다.
1) 필요흡입수두의 개념
Impeller에 의해 흡입된 물은 원심력에 의해 운동에너지를 언게 되나 펌프 Casing에 부딪히는 순간 속도에너지를 잃으면서 에너지보존법칙에 따라 압력에너지로 변환하여 배관에 압력을 가하게 된다.
이때 흡입된 물의 NPSHav가 너무 작으면 남아 있는 유효에너지가 작다는 뜻으로 Impeller 내부는 압력이 떨어져 이로 인하여 물이 국부적으로 포화증기압 이하로 되므로 Impeller의 일부분에서 물의 증발이 발생하게 된다.
결국 이는 물이 정상적으로 토출되지 못하며 증발된 기포가 파괴되면서 Cavitation이 발생하게 된다.
따라서, 펌프 흡입구에서는 포화증기압 이상으로 압력이 유지되어야 Cavitation을 방지할 수 있듯이 펌프 내부에서도 액체온도에 대응하는 포화증기압 이상이 되어야 Cavitation이 발생하지 않는다.
따라서, 이를 방지하기 위해서는 Impeller에 흡입된 물의 NPSHav가 펌프에 의해 형성되는 진공도(펌프의 능력) 보다 커야만 한다.
펌프에 의해 배관내 형성되는 진공도는 이를 수두로 Hp(m)라 하면 10.3 - (Hh + Hf + Hv) > Hp가 되어야 한다.
이때 Hp는 펌프의 특성에 따라서 펌프가 가지고 있는 고유한 값으로 이는 펌프의 NPSH로서 이를 “필요흡입수두 (Required Net Position Suction Head)"라 하며 보통 NPSHre로 표시한다.
이때 NPSHre는 메어커에서 펌프를 제작하여 출시할 때 펌프가 가지고 있는 고유한 특성에 따라 사전에 결정되는 값으로 펌프를 설치하는 위치 및 현장조건과는 성관이 없는 수치이다.
펌프 메이커의 Catalog에는 NPSHre 수치가 기재되어 있다.
2) 필요흡입수두의 적용
NPSHre가 6m라면 이것이 의미하는 것은 대기압 10.33m - 6m = 4.33m가 되므로 펌프의 진공도 능력이 지하 4.33m까지는 물을 흡입할 수 있는 능력이 있다는 의미이다.
따라서 어느 경우에도 NPSHav > NPSHre가 되어야 Cavitation 발생이 없이 펌프가 정상작동을 할 수 있다.
결국 NPSHre는 펌프 메이커에 의해 결정되는 흡입수두로 동일한 사양의 펌프일지라도 메이커에 따라 달리 결정된다.
NPSHre는 실험에 의해서 구하는 방법과 계산에 의해서 구하는 2가지 방법이 있으며 실험에 의한 측정치가 더 정확한 값이 된다.
실험에 의한 방법은 흡입배관에 진공을 걸어서 Cavitation이 발생하는 시점의 진공압력을 수두로 환산하는 것으로 보통 양정의 3%가 감소하는 것을 기준으로 한다.
계산에 의한 방법은 토마의 캐비테이션계수를 구하거나 또는 흡입비속도를 구하여 계산하게 된다.
3. 설계시 NPSH의 적용
① 토출량이 증가하면 NPSHav는 감소하나 반면에 토출량이 증가하면 NPSHre는 증가한다.
② Cavitation을 방지하고 펌프를 사용할 수 있는 최소범위는 NPSHav ≧ NPSHre 영역이 된다.
③ 펌프 설계시 NPSHav는 NPSHre에 대해 130% 이상 여유율을 두어야 한다.
따라서 NPSHav ≧ NPSHre * 1.3으로 적용한다.
지금까지 NPSH, NPSHav, NPSHre에 대하여 알아보았습니다.
이 요소들을 잘못 계산하였을 경우, 펌프 유량이 제대로 나오지 않게 되며, 최악의 경우 pump나 pump의 부속품들이 부서지거나 깨지는 상황도 발생할 수 있으니 유의하시기 바랍니다.
이와 관련하여 문의 사항은 댓글로 남여주시면 답변 드리겠습니다.
이 글이 이웃님들에게 도움이 되셨길 바라며,
오늘도 즐거운 하루 보내세요~ ^-^
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