공동현상 空洞現象
빠른 속도로 물속을 운동하는 물체의 표면에 수증기가 생기며 포화증기로 가득찬 빈 구멍이 생기는 현상 / 수온상승, 압력 저하시 또는 조도, 관구경, 관길이 등
空洞 : 아무것도 없이 텅 비어 있는 굴. ‘빈굴’로 순화. ≒동공3.
1. 공동현상
펌프 흡입측에서 유로 변화로 인하여 압력강하가 생기면 그 부분의 온도가 포화증기압보다 낮아져서 표면에
증기가 발생되어 액체와 기체가 분리되어 기포로 나타나는 현상
2. 발생원인
유효흡입수두(NPSHav) 보다 필요흡입수두(NPSHre)가 클 때
유효흡입수두란 : 펌프 중심측으로 부터 상부로 밀어 올릴 수 있는 압력(수도)
필요흡입수두란 : 펌프가 흡입을 위해 필요한 수두, 펌프흡입측의 또 다른 마찰손실수두로 생각하면 됨
3. 문제점
1) 살수밀도 저하
2) 소음과 진동
3) 양정곡선과 효율곡선 저하
4) 임펠러 침식
4. 방지대책
1) 펌프내 포화증기압 이하 부분 발생치 않도록 조치
유효흡입수두가 필요흡입수두 보다 크게 설계시 1.3배
2) 유효흡입수두 높이는 방법
- 펌프설치 위치 낮게
- 흡입관 손실수두 작게(배관길이 짧게, 관경 크게, 속도 낮게)
- 수온 낮게(증기압을 낮추기 위해서)
3) 필요흡입수두 낮추는 방법
- 펌프의 회전수를 낮추어 흡입비속도를 적게 한다.
- 펌프 유량을 줄이고 양흡입 펌프 사용
4) 하젠-윌리암 공식 활용
- 조도, 관구경, 관길이 등에 의해 조정
홍운성 기술사님 강의
https://www.youtube.com/watch?v=AcLxrFBOcM4
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포화증기압과 공동현상
1) 증발과 비등
① 증발(evaporation) : 대기 속 수증기의 분압이 낮기 때문에 액체표면의 분자가 대기로 이탈하는 현상
② 비등(boiling ): 액체가 포화증기압에 도달했을 때 액체표면이 아닌 액체 내부에서 증기 기포가 발생되는 현상
물은 대기압에서 100℃ 에서 비등. 즉 끓는점을 비등이라 한다.
③ 증기압(vapor pressure) : 증기의 상태로 기화된 분자들의 운동에 의해 생기는 압력.
즉 주어진 온도에서 액체가 기체로 변하는 압력.
(2) 포화증기압
① 수증기를 포함할 수 있는 최대 한도까지 포함한 포화상태의 공기 중의 증기압
② 온도가 내려감에 따라 급속도로 감소된다.
③ 공기를 제거한 용기에 적당량의 물을 봉하면 안의 수증기의 압력은 포화증기압
④ 유체의 압력이 그 온도에서의 포화증기압보다 낮아지면, 유체는 증발, 비등
⑤ 이 현상을 생활에의 이용 : 냉장고, 냉동기기, 압력밥솥 등
⑥ 이 현상에 의한 단점 : 기포발생으로 인한 공동현상
(3) 공동현상 (cavitation)
① 고속의 액체유동에서 액체의 압력이 포화증기압 이하로 되면 유체는 비등하여
유체 내부에 기포가 발생되는 현상
② 소음과 진동 발생/침식 발생/유체기계의 성능저하
③ 공동현상이 발생하지 않게 하려면 흡입양정을 짧게 하고 유동이 급변하지 않도록 설계를 해야 한다.
[출처] 10. 포화증기압과 공동현상|작성자 니보다조금더알뿐
■ 포화 증기 [飽和蒸氣]
[물리] 증발하는분자의수와반대로액체나고체속으로들어오는기체분자의수가같아져서외관상으로는변화가없는평형상태의기체. 특히기상학에서는수증기에대해서이르는말이다.
■ 포화 증기압 [飽和蒸氣壓]
[물리] 포화증기의 압력. 온도가 올라감에 따라 급속히 증대한다.
■ 포화 (飽和), 飽(가득찰 포)
1. 더 이상 채울 수 없을 만큼 가득 채움
2. 일정한 조건 아래에서 어떤 상태를 아무리 크게 변화시켜도 증기, 전류, 자기, 용질 따위의작용이나 변화가 일정한도에 머물러 더 진행되지 않는 일
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펌프에서의 공동현상 Cavitation
1. 개요
⑴ 배관내를 흐르는 액체의 압력이 해당온도에 대응하는 증기압이하로 내려갈 때 국부적으로
비등현상이 일어나서 증기가 발생되며 증기 공동을 만드는 현상을 말한다.
⑵ 유체가 넓은 유로에서 좁은 곳으로 고속 유입시 또는 굴곡이 있거나 만곡부가 있으면 유속이 빠른
부분이 저압이 되어 그 액체의 압력이 그때의 해당온도에 대응하는 수온의 포화증기압보다 낮아
지면 비점이 낮아져 수중에 증기발생 또는 용존공기가 분리하여 기포가 발생되는데
이와 같은 현상을 Cavitation이라 한다.
2. 발생원인
물은 100℃, 1기압에서 비등하나 압력이 내려갈 경우 그 이하의 온도에서도 비등하게 된다.
따라서 흡입배관에서 대기압이하로 압력이 저하되므로 상온에서도 국부적으로 비등현상이
발생하게 된다. 즉, 물의 압력이 해당온도에 대응하는 포화증기압 이하로 내려가게 되면 증발하여
기포가 발생하게 된다.
⑴ 펌프의 흡입측 수두가 클 경우
⑵ 펌프의 마찰손실이 클 경우
⑶ 펌프의 흡입관경이 너무 작을 경우
⑷ 이송하는 유체가 고온인 경우
⑸ 펌프의 흡입압력이 유체의 포화증기압보다 낮은 경우
⑹ 임펠러 속도가 지나치게 클 경우
3. Cavitation시 발생되는 현상
⑴ 펌프가 수원의 수위보다 높을 경우 소화설비용 흡입배관의 경우 입구는 대기압이하로 되므로
Cavitation이 발생하기 쉽다.
⑵ 공동현상이 발생하면 기포는 펌프의 토출부위에서 급격히 파괴되면서 주위에 충격을 주게 된다.
⑶ Cavitation에 의한 피해는 고온, 고압의 충격파를 발생시켜 소음, 진동, 재료의 피로현상, 부식 등의
원인을 제공한다.
⑷ 소화설비에서는 흡입양정이 높거나 유속이 빠른 부위에서 발생하기 쉽다.
4. 방지대책
⑴ 펌프의 유효 흡입측 수두(실양정)을 짧게 한다
펌프의 설치 높이(흡수면에 가깝게)를 낮춘다.
⑵ 펌프의 회전수를 작게 한다.
⑶ 흡입배관의 유속을 줄여준다.
⑷ 흡입배관의 마찰손실수두를 작게 한다.
흡입배관의 굴곡, 관경, 재질, 부속류, 배관 상태 등은 손실이 경감되는 방향으로 시공한다.
⑸ 단흡입펌프로
NPSHre가 만족되지 않는 경우는 양흡입 펌프로 설치한다.
⑹ 흡입배관의 관경을 크게 한다.
⑺ 소화설비용 펌프의 경우는 NPSHre 를 알게 되면 Cavitation을 일으키지 않고 운전할 수 있는
펌프의 고정된 위치(수면상 높이)를 결정할 수 있다.
① NPSH av와 NPSH re 알면 Cavitation 발생 가능성을 알 수 있다.
② NPSH av＝NPSH re：Cavitation 발생한계
NPSH av〈NPSH re：Cavitation 발생
NPSH av〉NPSH re：Cavitation 발생하지 않음
③ 실제 실계에서 NPSHav와 NPSHre
※ Air Binding현상
원심펌프에서 일어나는 현상으로 펌프내에 공기가 차있으면 공기의 밀도는 물의 밀도보다 작으므로 공기가 물의 위에 있게 되어 수두를 감소시켜 송액이 되지 않는 현상으로 펌프 작동전 공기를 제거하거나 또는 자동공기제거 펌프를 사용해야 한다.
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공학,기술] 캐비테이션cavitation(공동현상)에 관해서
Cavitation
정의
-유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물 속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 물이 없는 빈공간이 생긴 것을 가리킨다.
추진기 따위의 뒷 부분의 정압이 물의 증기압보다 낮아져서 생기는 수증기의 거품 또는 그런 현상 . 추진기의 효율을 떨어뜨리거나 추진기의 파괴의 원인이 된다.
원인
1) cavitation은 주로 원심 펌프, 수력 터빈, 해상용 프로펠러에서 주로 발생한다.
선박의 프로펠러를 예로 들자면, 프로펠러가 엔진에 의해 회전하면 물은 뒤로 밀어내게 되고 그 반작용으로 추진력이 생겨 선박을 움직이게 한다.
프로펠러는 여러 개의 날(blade)를 가지고 있으며 이 날들은 회전면과 각을 갖고 있어, 프로펠러가 회전하면 날의 한쪽 면은 물을 뒤로 내밀고 반대면은 앞쪽의 물을 빨아들이게 된다.
물을 밀어내는 날개면은 압력이 높아지고, 빨아들이는 쪽은 낮은 압력이 되어 흡입력을 받게 된다.
이러한 이유에 프로펠러가 회전하면 날의 압력 차이가 발생하고 전진 방향으로 힘을 받게 되어 추진력이 생기게 된다.
그러나 고속회전시에 큰 압력차가 생기고, 이로 인해 cavitation은 발생된다.
2) 액체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면은 액압(液壓)이 저하하는데, 이를 `베르누이의 정리`라고 한다.
액체의 포화증기압보다 낮아진 범위에서 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 공동을 이룬다.
이것은 수력터빈이나 선박용 프로펠러를 운전할 때 자주 발생하는 현상으로, 압력면에 발생하는 경우도 있지만, 주로 날개의 등 부분에 발생한다.
발생한 기포는 압력이 높은 부분에 이르면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이 되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.
또 기포가 사라져 없어질 때 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커지며, 그것이 날개를 침식시키는 원인이 된다.
공동현상에 의한 이러한 침식을 점침식(點侵蝕)이라고 하며, 자잘한 알갱이에 의한 일반적인 침식과는 구별된다.
한편, 강한 초단파가 물 속에 전달될 때 기포가 발생하는 경우가 있는데, 이것도 공동현상이라 할 수 있다.
3) 액체에서 아주 작은 기포에 대해 반경으로 작용하는 표면장력 효과를 극복하려면 매우 큰 유체의 힘이 필요하다.
cavitation 이 형성될 때 안정된 초기 성장 과정을 거친다.
이 성장 단계에서 캐비테이션상의 힘의 균형은 성장에 필요한 에너지와 같은 것이다.
그러나 캐비테이션이 임계크기에 도달하면 이 성장은 더 이상 안정하지 않다.
이때의 힘의 균형은 추가적인 성장으로 이탈하려는 에너지와 같은 것으로 이러한 상황에서 성장은 폭발적이다.
유체의 압력이 증기압 이상으로 증가된다면 반대의 과정이 일어난다.
- 캐비티 성장은 정지 되고 캐비티는 붕괴되어 기포의 응축이 일어난다.
이러한 과정은 매우 급속하게 일어나며, 소음, 진동 및 재료 손상의 주원인이 된다.
실험에 의하면 기포가 깨어지는 시간은 약 1/100 ~ 1/1000 [sec] 정도 이며 200~500 [Kg/㎠] 정도의 충격 압력이 된다.
종류
(1) 부분적으로 공동현상이 발생하는 수중익
유체가 날개를 지날 때 비행기날개처럼 수중익은 표면에 양력을 받는다.
익형과 수중익의 상연쪽이 압력이 낮을 때 양력이 발생된다.
수중익의 경우 압력이 너무 낮아지면 액상의 물이 기체로 발생되는데 이를 공동현상(Cavitation)이라고 한다.
(2) 끝단와류 공동현상/부분적으로 공동현상이 발생하는 프로펠러
끝단와류 공동현상은 프로펠러 깃의 끝단에서 와류중심의 압력이 아주 낮을 때 와류를 일으킨다.
형태는 두 개의 서로 감긴 와류에 의해서 꼬인 리본 모양으로 형성됨
프로펠러에서 부분적으로 공동현상이 발생하고 프로펠러 깃에 발생하는 공동현상의 양은 종종 깃이 회전할 때 날개의 위치에 따라 달라진다.
대부분의 공동현상은 깃이 회전 중 가장 높이 있을 때 발생하고 이로 인해 과도한 진동과 소음을 발생하기 때문에 이 분야의 연구가 중요하다.
깃의 끝에 얇고 긴 줄모양의공동현상이 발생했다.
이것이 끝단 와류공동현상이다
cavitation 방지대책
① 날개수 : 날개수는 진동에 깊은 관여를 하는데, 진동의 관점에서 안정하다고 판정되면, 효율의 관점에서 적은 날개수를 사용, 날개수가 적어지면 확장면적비가 적어지고, 확장면적비가 적어지면 캐비테이션 발생 증가
② 직경.. 보고서