액체 펌프 캐비테이션을 어떻게 감지하고 방지합니까?

캐비테이션이란 무엇이며 왜 발생합니까?

유체 시스템에서 압력 기울기는 유속과 유체 흐믈 패턴, 즉 유체 흐름이 매끄럽고 연속적인지 아니면 단절되고 빠르게 변화하는지에 따라 급격히 달라집니다. 유체 흐름 방향의 갑작스러운 변화(급격한 굴곡부나 왕복 운동 부품에 의해 발생) 또는 유체 흐름 경로의 형상 변화(단면적의 갑작스러운 변화나 슬라이딩 부품에 의해 발생)는 더 심각한 압력 강하를 초래합니다. 또한 예를 들어 펌프 입구보다 낮은 위치에 공급 탱크가 있을 때 발생하는 시스템 내의 정수압 기울기는 시스템 압력에 추가적인 영향을 미칩니다. 이로 인한 압력 손실이 누적되어 상당한 총 압력 강하를 초래합니다.

시스템 내 어느 한 영역의 압력이 액체의 증기압보다 낮아지면 액체는 기화를 시작하며 캐비테이션 기포가 형성됩니다. 이러한 기포는 일반적으로 펌프 내에서 압력이 가장 낮은 곳, 특히 유속이 강하게 가속되거나 방향이 전환되는 곳에서 발생합니다. 이렇게 발생한 캐비테이션 기포는 유체의 흐름과 함께 이동하며 저압 영역에서 고압 영역으로 이동합니다. 국부적으로 압력이 다시 증기압을 초과하는 즉시 캐비테이션 기포는 급격히 붕괴됩니다. 이러한 붕괴 현상은 고도로 집중된 에너지를 방출하며 소위 마이크로젯 현상을 발생시켜, 강한 압력 급상승과 극한의 온도 상승을 유발할 수 있습니다. 이는 펌프 하우징, 사용된 소재, 심지어 이송되는 유체 자체에도 심각한 손상을 입힐 수 있습니다. 

캐비테이션에 영향을 미치는 것은 무엇입니까?

캐비테이션은 일반적으로 펌프에서만 발생하는 현상입니다.  그러나 펌프의 흡입(입구) 측 유체 시스템은 캐비테이션 발생 여부와 펌프 및 유체에 미치는 손상 정도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로 흡입 라인에서의 압력 손실이 캐비테이션 현상에 가장 큰 영향을 줍니다. 매우 좁고 긴 흡입 라인은 종종 과소평가되는 압력 손실을 초래할 수 있습니다. 이는 좁은 굴곡부, 밸브 또는 필터에도 마찬가지입니다. 펌프는 캐비테이션 형성을 크게 촉발시키는 흡입 양정을 높여, 이러한 압력 손실을 보상해야 합니다. 유체 공급 탱크가 펌프보다 현저히 낮은 위치에 있을 경우, 펌프 입구에서 압력 강하가 발생하여 캐비테이션 위험이 크게 증가합니다.

이송되는 유체의 개별 증기압도 캐비테이션 현상에 영향을 미칩니다. 예를 들어 에탄올과 같이 증기압이 높은 유체는 물과 같이 증기압이 낮은 유체에 비해 캐비테이션을 더 많이 유발합니다. 또한 증기압은 유체의 온도에 크게 좌우됩니다. 온도가 높을수록 유체의 증기압이 높아져 캐비테이션을 촉진합니다. 점도가 높아지면 흡입 라인에서의 압력 손실도 증가하여 캐비테이션 발생 위험이 더욱 커집니다. 

펌프 캐비테이션을 감지하는 방법

캐비테이션은 가끔 액체 내 기포 형성을 통해 육안으로 감지할 수 있습니다. 하지만 캐비테이션 기포(액체 증기 기포)는 일반적으로 펌프 내부에서 형성되고 붕괴되어 투명 튜브를 사용하더라도 육안으로 보기 어렵습니다. 그러나 계면활성제가 포함된 액체의 경우, 캐비테이션으로 인한 교반 작용으로 액체에 용해된 가스가 방출되어 종종 기포를 형성하여 거품이 발생할 수 있습니다. 청각적으로는 붕괴되는 증기 기포에서 발생하는 매우 특징적인 부숴지는 소음으로 캐비테이션을 감지할 수 있습니다. 이는 특히 캐비테이션이 매우 뚜렷하고 다른 소음에 가려지지 않을 때 더 명확한 지표가 될 수 있습니다. 

펌프 캐비테이션이 펌프의 성능과 정확도에 미치는 영향

캐비테이션은 전체 시스템, 펌프 및 유체에 부정적인 영향을 미칩니다. 액체 내 증기 비율이 높을수록 펌프가 이송할 수 있는 액체량이 줄어들기 때문에 캐비테이션은 펌프 성능을 저하시킵니다. 예를 들어 KNF FP 시리즈 펌프는 선형 성능 곡선을 가지고 있습니다. 이는 회전 속도를 두 배로 높이면 유량도 두 배가 된다는 의미입니다. 다른 펌프의 경우 캐비테이션이 발생하면 선형 특성 곡선이 급격히 완만해져 회전 속도를 높여도 체적 유량에 변화가 생기지 않습니다. 펌프 캐비테이션의 발생은 특히 dosing과 metering 분야에서 문제가 되는데, 정확도가 현저히 떨어지기 때문입니다. 

캐비테이션 손상의 징후는 무엇입니까?

캐비테이션은 고체 구조물과 유체 자체 모두에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다. 유체 통로 벽이나 펌프 부품과 같은 단단한 표면 근처에서 기포가 붕괴될 때 생성되는 강력한 마이크로젯은 소재를 침식시켜 분화구와 같은 침식 패턴을 남깁니다. 이런 현상에 의해 이름 붙여진 이른바 공동 (cavity)은 균열과 같은 구조적 손상을 초래할 수 있습니다. 특히 다이어프램 펌프의 민감한 부분인 밸브, 밸브 시트, 그리고 다이어프램 자체에서 자주 발생합니다. 아래에 설명된 바와 같이, 여러 다른 펌프 방식도 캐비테이션에 의해 손상됩니다.

세포 배양 현탁액이나 잉크젯 잉크와 같은 민감한 액체도 이러한 붕괴 현상으로 손상될 수 있습니다. UV 잉크의 경우, 이는 화학적 구성 변화를 야기하여 품질과 기능을 저하시킬 수 있습니다. 이 현상은 다크 경화로 알려져 있습니다. 

캐비테이션과 가스 방출 – 차이점은 무엇입니까?

캐비테이션 외에도 탈기라고 알려진 현상도 발생할 수 있습니다. 액체가 대기 공기 같은 기체와 접촉하면, 이러한 기체들은 액체에 용해됩니다. 헨리의 법칙에 따라 상온(약 20°C) 및 정상 대기압에서 1리터의 물에는 약 15-20ml의 용해된 공기가 포함되어 있습니다. 이 액체가 음압에 노출되면 그 즉시 기포가 자연적으로 매우 빠르게 형성됩니다. 캐비테이션 기포와 달리, 이러한 기포는 고압 영역으로 다시 유입되어도 액체에 재용해되지 않습니다. 이러한 분리된 기포는 dosing 이나 metering과 같은 펌프의 정확도를 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 또한 잉크젯 인쇄나 분석 시스템과 같은 분야에서 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 

원심 펌프의 캐비테이션

원심 펌프에서 펌프 캐비테이션의 가장 큰 위험은 일반적으로 임펠러 블레이드의 선단부에서 발생합니다. 이는 유체가 해당 부위에서 급격히 가속되며 선단부를 따라 흘러야 하기 때문입니다. 캐비테이션 기포는 선단부 근처 임펠러 블레이드를 심각하게 손상시켜 펌프 고장을 일으킬 수 있습니다. 심각한 캐비테이션은 또한 펌프의 효율과 성능을 현저히 감소시킵니다. 

기어 펌프의 캐비테이션

기어 펌프는 유체를 기어 톱니 사이의 공간을 통해 펌프 입구에서 출구로 이동시킵니다. 복귀 행정에서는 두 기어의 톱니가 서로 맞물려 유체가 역류하는 것을 방지합니다. 두 기어 사이에 공동이 생기면 여기에 유체로 빠르게 다시 채워집니다. 이로 인해 일반적으로 유체의 증기압보다 낮은 강한 진공이 생성되며, 이는 심각한 캐비테이션 문제, 가스 방출 또는 유체 손상을 초래할 수 있습니다. 

다이어프램 펌프와 왕복 펌프의 캐비테이션

다이어프램 펌프나 왕복 피스톤 펌프와 같은 진동 펌프에서는 흡입과 토출 행정이 주기적으로 연속적으로 발생합니다. 

이러한 주기적 작동으로 인해 흡입 라인과 토출 라인에서의 유체는 가다-서다 운동을 하게 됩니다. 유체의 관성으로 인해 펌프와 연결된 라인에서 압력 맥동이 발생합니다. 흡입 행정에서 유체는 흡입 라인에서 펌프로 이동합니다. 이 과정에서 흡인 라인의 모든 저항을 극복하고 유체를 흡입 속도까지 가속시키기에 충분한 진공이 생성됩니다. 빠른 흡입 행정 중 발생하는 압력이 유체의 증기압 아래로 떨어지면 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 대형 펌프에서는 맥동 댐퍼 또는 “에어 챔버”를 사용하여 이러한 동적 효과를 완화할 수 있습니다.

맥동 및 캐비테이션을 효과적으로 방지하는 방법

펌프 캐비테이션과 맥동을 방지하는 다양한 방법이 있습니다. 이는 펌프 자체 또는 전체 시스템을 통해 달성할 수 있습니다. 펌프의 최적화를 위해 KNF는 Smooth Flow 기술을 개발하여 예를 들면 FP 펌프 시리즈에 적용되어 있습니다. 대형 다이어프램 액체 펌프는 여러 개의 다이어프램이 순차적으로 작동하여 부드럽고 안정적인 유량을 생성합니다. 소형 FP 펌프에는 흡입 및 토출 측 모두에 최적화된 댐퍼가 통합되어 있습니다. 또한, 이 펌프의 유체 흐름 경로는 압력 강하를 줄이기 위해 최적화되어 있습니다. 그 결과, 이 펌프는 유체를 균일하고 지속적이며, 낮은 맥동으로 사실상 캐비테이션 없이 이송하여 유지보수가 필요 없고 오래 지속되는 작동을 보장합니다.

Smooth Flow 기술이 적용되지 않은 다이어프램 펌프에는 맥동과 캐비테이션을 방지하기 위해 별도의 맥동 댐퍼를 펌프의 전단과 후단에 직접 설치할 수 있습니다. 또한, 더 큰 펌프를 더 낮은 속도로 작동시키고 더 작은 편심을 선택하는 것이 캐비테이션 방지에 도움이 될 수 있습니다. 

펌프 캐비테이션을 방지하기 위한 체계적인 조치

캐비테이션을 방지하려면 흡입 라인의 압력 손실을 낮게 유지하는 것이 특히 중요합니다. 이를 위해 다음과 같은 조치를 취할 수 있습니다.

• 내경이 더 큰 흡입 라인 사용.
• 펌프를 입구쪽 공급 탱크에 가능한 가깝게, 그리고 가능하다면 그 아래에 배치. 입구측의 양압은 캐비테이션의 위험을 줄입니다. 따라서 플랜트 설계시 탱크는 종종 펌프보다 한 층 위에 배치합니다. 공급 탱크를 펌프 아래에 설치해야 하는 시스템에서는 흡입을 최소화해야 합니다.
• 추가 압력 강하를 최소화하기 위해 적용 조건에 적합한 더 큰 흡입 측 피팅과 밸브 선택.
• 또한 흡입 라인은 충분히 큰 내경을 가지면서 가능한 굴곡, 밸브 및 피팅 배제. 

초기 요구 사항에서 최적의 펌프 구성까지

펌프 시스템을 설계할 때 KNF의 전문가들은 솔루션이 해당 분야의 특정 요구사항에 정확히 부합하도록 보장합니다. 유속, 압력 조건, 유체 특성, 및 시스템 형상 등 모든 관련 매개변수를 고객과 함께 신중하게 분석합니다. 다이어프램 펌프의 모듈식 설계를 통해 맥동과 캐비테이션을 줄이고 유연하게 적용할 수 있습니다. 강력하고 사용자 친화적인 시뮬레이션 환경을 통해 컨설팅 단계에서 유체 라인을 모델링할 수 있습니다. 이를 통해 펌프 캐비테이션 위험과 같은 중요한 작동 조건을 조기에 식별하고, 적합한 펌프 구성을 파악하며, 전체 시스템을 효율적으로 최적화할 수 있습니다.