아낌없이 주는 나무

1. 수면이 펌프보다 1[m] 낮은 지하수조에서 0.3[㎥/min]의 물을 이송하는 원심펌프가 있다. 흡입관과 토출관의 구경이

     각각 100 [㎜]이고, 토출관의 압력계가 0.1[MPa]을 가리키고 있을 때 이 펌프에 공동현상이 발생하는지 여부를 판별

     하시오. (단, 흡입측 손실수두는 0.5 [m], 흡입측 배관의 속도 수두는 무시하고, 대기압은 표준대기압, 물의 온도는

      20[℃], 이 때의 포화 수증기압은 2,340 [Pa], 비중량은 9,800[N/㎥]이고 필요흡입양정은 11 [m]이다. [5점] ★★★★★​

           NPSHav = Ha - Hh - Hf - Hv [m]

           NPSHav = 10.339 - 1 - 0.5 - 0.218 = 8.601 ≒ 8.6 [m]

            ∴ NPSHav (8.6[m]) < NPSHre (11 [m]) 이므로 공동현상이 발생한다.

​

[해설] NPSH (흡입양정) : Net Positive Suction Head

 가. 공동현상 발생 조건

   ① 공동현상 발생한계 : NPSHav = NPSHre

   ② 공동현상이 발생하지 않음 : NPSHav > NPSHre

   ③ 펌프설계시 여유 : NPSHav > NPSHre × 1.3

​

2. 다음 조건을 참조하여 해발 1,000[m] 에 설치된 펌프에 공동현상이 발생하는지 여부를 판정하시오. (단, 중력가속도는

    반드시 9.8 [m/s2]을 적용한다. [5점] ★★★★★

[조건] ① 배관의 마찰손실수두 : 0.7 [m]

         ② 해발 1,000[m] 에서의 대기압 : 0.901 × 105 [Pa]

         ③ 해발 0[m] 에서의 대기압 : 1.033 × 105 [Pa]

         ④ 물의 증기압 : 2.334 × 103 [Pa]

         ⑤ 필요흡입양정은 4.5 [m] 이다.​

       NPSHav = Ha - Hh - Hf - Hv [m]

       NPSHav = 9.193 - 4 - 0.7 - 0.238 = 4.255 ≒ 4.26 [m]

        ∴ NPSHav (4.26[m]) < NPSHre (4.5 [m]) 이므로 공동현상이 발생한다.

​

[해설] NPSH (흡입양정) : Net Positive Suction Head

 ▣ 공동현상 발생 조건

   ① 공동현상 발생한계 : NPSHav = NPSHre

   ② 공동현상이 발생하지 않음 : NPSHav > NPSHre

   ③ 펌프설계시 여유 : NPSHav > NPSHre × 1.3

​

3. 흡입측 배관의 마찰손실수두가 2[m]일 때 공동현상이 일어나지 않는 수원의 수면으로 부터 소화펌프까지의 설치 높이는

    몇 [m] 미만으로 하여야 하는지 구하시오. (단, 펌프의 필요흡입수도 (NPSHre)는 7.5 [m], 흡입관의 속도수두는 무시하고

     대기압은 표준 대기압, 물의 온도는 20 [℃], 이 때의 포화 수증기압은 2,340[Pa], 비중량은 9,800 [N/㎥] 이다)

     [4점] ★★​

※ 공동현상 발생 한계 조건 : NPSHav = NPSHre [m]

                                             NPSHav = Ha - Hh - Hf - Hv = NPSHre [m]

                                              Hh = Ha - Hf - Hv - NPSHre [m]

                                                    = 10.339 - 2 - 0.238 - 7.5 = 0.601 ≒ 0.6 [m]

​

​

[해설] NPSH (흡입양정) : Net Positive Suction Head

 가. 공동현상 발생 한계 조건

   ① 공동현상 발생한계 : NPSHav = NPSHre

   ② 공동현상이 발생하지 않음 : NPSHav > NPSHre

   ③ 펌프설계시 여유 : NPSHav > NPSHre × 1.3

 나. NPSHav (수면이 펌프보다 낮을 경우)

    NPSHav = Ha - Hh - Hf - Hv [m] 유효흡입양정 : NPSHav = available

     여기서, NPSHav : 유효흡입양정 [m]

                  Ha : 대기압 환산수두 [m]

                  Hh : 낙차압력환산수두 [m] (흡입 : - , 압입 : +)

                  Hf : 흡입측 마찰손실 압력 수두 [m]

                  Hv : 포화수증기압 환산 수두 [m]

 다. 압력

      압력 P = γ · H = ρ · g · H [N/㎡]

      여기서, P : 압력 [Pa = N/㎡]

                   γ : 물의 비중량 (9,800 [N/㎥ = 9.8 [kN/㎥])

                   H : 높이 (수두) [m]

                   ρ : 물의 밀도 (1,000[㎏/㎥] = 1,000 [N·s2/m4])

                     g : 중력가속도 (9.8 [m/s2])

※ 압력단위 환산

4. 운전중인 펌프의 압력계를 측정한 결과, 흡입측 진공계의 눈금이 150 [㎜Hg], 토출측 압력계는 0.29 [MPa] 이었다. 이 펌

     프의 전양정 [m]을 구하시오. (단, 토출측 압력계는 흡입측 진공계 보다 50 [㎝] 높은 곳에 설치되어 있고 흡입측과 토출

     측의 직경은 동일하다) [ 5점 ] ★★★★★

  [풀이] 낙차 수두 : 50 [㎝] = 0.5 [m]​

∴ 펌프의 전양정 = 진공계(연성계)와 압력계 높이차 + (압력계 환산수두 + 진공계 환산 수두) [m]

                      H : 0.5 + (29.57 - (-2.039)) = 32.109 ≒ 32.11 [m]

※ 전양정 H = h1 + h2 + h3 + 17 [m]

                   = 실양정 + 배관마찰손실 + 호스의 마찰손실

   ⊙ 옥내소화전 17 [m]

   ⊙ 옥외소화전 25 [m]

   ⊙ 스프링클러설비 10 [m]

​

[해설] 펌프의 전양정

  ▣ 펌프의 전양정 = 진공계와 압력계의 높이차 + (펌프 토출측 압력계 지시값의 환산수두 - (- 펌프 흡입측 진공계(연성계)

                                   지시값의 환산수두)

  ※ 압력계, 진공계(연성계)의 지시치는 배관 마찰손실수두, 호스의 마찰손실 수두 등이 모두 포함된 값이다.

​

※ 압력단위 환산

5. 양정이 50 [m], 토출량이 900 [ℓ/min]인 펌프가 운전하고 있을 때 펌프의 전력계가 17 [kW]로 표시되었다. 이 때, 펌프의

     회전수가 1,800 [rpm] 이었다가 펌프의 회전수가 1,400 [rpm]으로 바뀐 경우 펌프의 토출량 [ℓ/min]을 구하시오. [4점]

     ★★★★★​

[해설] 펌프의 상사 법칙

가. 유량 : 회전수에 비례 및 관경의 세제곱에 비례​

여기서, Q2 : 변경 후 유량 [ ℓ/min],               Q1 : 변경 전 유량 [ ℓ/min]

             N2 : 변경 후 회전수 [rpm]                N1 : 변경 전 회전수 [rpm]

             D2 : 변경 후 관경 [㎜]                      D1 : 변경 전 관경 [㎜]

나. 양정 : 회전수 및 관경의 제곱에 비례

여기서, H2 : 변경 후 양정 [m],                 H1 : 변경 전 양정 [m]

             N2 : 변경 후 회전수 [rpm]           N1 : 변경 전 회전수 [rpm]

             D2 : 변경 후 관경 [㎜]                 D1 : 변경 전 관경 [㎜]

다. 축동력 : 회전수 세제곱 및 관경의 오제곱에 비례​

[해설] 펌프의 상사법칙

가. 유량 : 회전수에 비례 및 관경의 세제곱에 비례​

여기서, Q2 : 변경 후 유량 [ ℓ/min],                  Q1 : 변경 전 유량 [ ℓ/min]

             N2 : 변경 후 회전수 [rpm]                  N1 : 변경 전 회전수 [rpm]

             D2 : 변경 후 관경 [㎜]                        D1 : 변경 전 관경 [㎜]

나. 양정 : 회전수 및 관경의 제곱에 비례​

[해설] 펌프의 상사법칙

가. 양정 : 회전수 및 관경의 제곱에 비례​

여기서, H2 : 변경 후 양정 [m],                   H1 : 변경 전 양정 [m]

             N2 : 변경 후 회전수 [rpm]              N1 : 변경 전 회전수 [rpm]

             D2 : 변경 후 관경 [㎜]                    D1 : 변경 전 관경 [㎜]

나. 축동력 : 회전수 세제곱 및 관경의 오제곱에 비례​

여기서, P2 : 변경 후 양정 [kW],                 P1 : 변경 전 양정 [kW]

             N2 : 변경 후 회전수 [rpm]              N1 : 변경 전 회전수 [rpm]

             D2 : 변경 후 관경 [㎜]                    D1 : 변경 전 관경 [㎜]

​

8. 관내에서 발생하는 공동현상 (Cavitation)의 발생원인과 방지대책을 각각 4가지씩 쓰시오. [4점] ★★★★★

 가. 발생원인

   ① 펌프의 흡입수두(양정)이 클 경우

   ② 펌프의 설치 위치가 수면보다 높을 경우

   ③ 펌프의 마찰손실이 클 경우

   ④ 펌프의 임펠러 속도가 클 경우

나. 방지대책

   ① 펌프의 흡입수두(양정)을 작게 한다.

   ② 펌프의 설치위치를 수면 보다 낮게 한다.

   ③ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

   ④ 펌프의 임펠러 속도를 작게 한다.

【 해설 】 공동현상 : Cavitation

가. 공동현상 : 펌프 흡입측 배관 내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 낮아져 기포가 발생하여 물의 흡입되지 않는 현상을

                        말한다.

나. 공동현상 발생 원인

   ① 펌프의 흡입 수두 (양정)이 클 경우

   ② 펌프의 설치 위치가 수면 보다 높을 경우

   ③ 펌프의 마찰 손실이 클 경우

   ④ 펌프의 임펠러의 속도가 큰 경우

   ⑤ 펌프 흡입측 배관의 구경이 작은 경우

   ⑥ 배관내의 수온이 높을 경우

   ⑦ 배관내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 낮은 경우

다. 공동현상 방지대책

   ① 펌프의 흡입수두(양정)을 작게 한다.

   ② 펌프의 설치위치를 수면 보다 낮게 한다.

   ③ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

   ④ 펌프의 임펠러의 속도를 작게 한다.

   ⑤ 펌프 흡입측 배관의 구경을 크게 한다.

   ⑥ 양흡입 펌프를 사용한다.

   ⑦ 배관내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 높게 한다.

라. 발생 현상

   ① 펌프의 임펠러를 소손시킨다.            ② 소음과 진동이 발생한다.

   ③ 펌프의 성능이 저하된다.                   ④ 배관의 부식을 초래한다.

​

9. 관내에서 발생하는 공동현상 (Cavitation)의 압력관점에서의 발생원인 1가지와 방지대책 4가지를 쓰시오 [5점]

      ★★★★★

가. 발생원인 : 압력관점에서의 발생원인 : 배관 내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 낮아지면 발생한다.

나. 방지대책

   ① 펌프의 흡입(양정)을 작게 한다.

   ② 펌프의 설치위치를 수면보다 낮게 한다,

   ③ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

   ④ 펌프의 임펠러 속도를 작게 한다.

[해설] 공동현상 방지대책

   ① 펌프의 흡입수두(양정)을 작게 한다.

   ② 펌프의 설치위치를 수면 보다 낮게 한다.

   ③ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

   ④ 펌프의 임펠러의 속도를 작게 한다.

   ⑤ 펌프 흡입측 배관의 구경을 크게 한다.

   ⑥ 양흡입 펌프를 사용한다.

   ⑦ 배관내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 높게 한다.

​

10. 다음은 공동현상의 방지대책에 관한 사항이다. ( )안에 작게, 크게, 빠르게, 느리게 중 알맞은 말을 선택하여 쓰시오.

        [3점] ★★★★★

  가. 펌프의 유효흡입수두 (NPSHav)를 (크게) 한다.

  나. 펌프의 흡입양정을 유체의 압력보다 (크게) 한다.

  다. 펌프의 임펠러 회전수를 (느리게) 한다.

[해설] 공동현상 방지대책

   ① 펌프의 흡입수두(양정)을 작게 한다.

   ② 펌프의 설치위치를 수면 보다 낮게 한다.

   ③ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

   ④ 펌프의 임펠러의 속도를 작게 한다.

   ⑤ 펌프 흡입측 배관의 구경을 크게 한다.

   ⑥ 양흡입 펌프를 사용한다.

   ⑦ 배관내의 물의 정압이 기존의 증기압 보다 높게 한다.

​

11. 수격작용에 의한 압력상승을 방지하기 위한 조치를 3가지만 쓰시오. [3점] ★★★★

   ① 배관의 유속을 작게 한다.

   ② 배관의 구경을 크게 한다.

   ③ 펌프의 토출측 가까운 곳에 밸브를 설치한다.

[해설] 수격작용 (Water Hammering)

가. 수격현상 (Water Hammering) : 배관내의 물의 흐름에서 급격한 밸브를 개폐하였을 경우 일어나는 충격현상을 말한다.

나. 수격현상의 발생원인

   ① 급격히 밸브를 개폐할 경우

   ② 정상운전시 유체의 압력 변동이 있을 경우

   ③ 펌프가 갑자기 정지한 경우

다. 수격현상의 방지대책

   ① 배관내의 유속을 낮게 한다.

   ② 배관의 구경을 크게 한다.

   ③ 펌프 토출측 가까운 곳에 밸브를 설치한다.

   ④ 조압 수조 (Surge Tank)를 설치한다.

   ⑤ 수격방지기 (Water hammering cushion) 또는 에어챔버(Air chamber)를 설치 한다.

   ⑥ 플라이 휠 (Fly wheel)을 설치한다.

​

12. 펌프에서 발생하는 현상 중 맥동현상 (Surging)에 대하여 간단히 설명하고, 그 방지대책을 5가지를 쓰시오. [6점]   

      ★★★★

가. 맥동현상 : 유량이 단속적으로 변하여 펌프 흡입측 및 토출측에 설치된 진공계(연성계) 및 압력계가 흔들리고 진동과

                       소음이 발생하여 펌프의 토출유량이 변하는 현상을 말한다.

나. 방지대책

   ① 운전점을 고려하여 적정한 펌프를 선정한다.

   ② 배관 도중에 불필요한 수조를 설치하지 않는다.

   ③ 배관내의 기체를 없앤다.

   ④ 유량조절밸브를 배관 중 수조의 전방에 설치한다.

   ⑤ 회전자나 안내깃의 형성치수를 바꾸고 그 특성을 변화시킨다.

[해설] 맥동현상 (Surging)

가. 맥동현상 (Surging) : 유량이 단속적으로 변하여 펌프 흡입측 및 토출측에 설치된 진공계(연성계) 및 압력계가 흔들리고

                                       진동과 소음이 발생하며 펌프의 토출유량이 변하는 현상을 말한다.

나. 맥동현상의 발생원인

   ① 펌프의 성능곡선이 산모양이고 운전점이 그 정상부일 일 것

   ② 배관 도중에 수조가 있을 경우

   ③ 배관내 기체 상태의 부분이 있을 경우

   ④ 유량조절밸브가 배관 중 수조의 후방에 있을 경우

다. 맥동현상의 방지대책

   ① 운전점을 고려하여 적합한 펌프를 선정한다.

   ② 배관도중에 불필요한 수조를 설치하지 않는다.

   ③ 배관내의 기체를 없앤다.

   ④ 유량조절밸브를 배관 중 수조의 전방에 설치한다.

   ⑤ 회전자나 안내깃의 형상수치를 바꾸어 그 특성을 변화시킨다.

​

13. 다음 표에 있는 혼합물의 연소상한계(UFL)와 연소하한계(LFL)를 구하고 폭발가능 여부를 판단한 뒤 그 이유를 쓰시오.

       (단, 연소상한계 및 연소하한계 계산시 계산과정을 쓰시오.) [5점] ★★★★★

가. 연소상한계 나. 연소하한계 다. 폭발가능 여부 판단

[풀이]

가. 연소상한계​

나. 연소하한계​

다. 폭발가능여부

  ① 연소(폭발) 범위 : 2.81 ~ 12.57 [%]

  ② 혼합가스의 농도 : 35 [%]

  ③ 연소(폭발) 범위가 연소범위 밖에 있으므로 폭발하지 않는다.

[해설] 르 샤틀리에 공식​

여기서, U(L) : 혼합가스의 연소(폭발) 상 · 하한계

             V1, V2, V3, V4, V5 : 연소(폭발)가스의 부피비율 (조성농도)

             U1(L1), U2(L2), U3(L3), U4(L4), U5(L5) : 연소(폭발)가스의 상 · 하한계

   ※ 공기는 가연성 가스가 아니므로 적용하지 않는다.

가. 연소상한계 (UFL)

  전체 혼합 가스의 조성농도(100%) - 공기의 조성농도 (65%) = 공기를 제외한 혼합가스 조성농도 (35%)​

나. 연소하한계​

다. 폭발가능 여부

  ① 연소(폭발) 범위 : 2.81 ~ 12.57 [%]

  ② 혼합가스의 농도 : 35 [%]

  ③ 연소(폭발)범위가 연소범위 밖에 있으므로 폭발하지 않는다.

​

14. 화재하중의 정의를 설명하고 그 관계식에 대하여 쓰시오. [5점] ★★

  가. 화재하중 : 거실 내 단위 면적당 가연물의 양을 말하며 화재하중이 클수록 실내 발열량이 높아지며 연소시간이

                         길어진다.

  나. 관계식

여기서, Q : 화재하중 [㎏/㎡]                  Gi : 가연물의 양 [㎏]

             Hj : 가연물의 단위 중량당 발열량 [kcal/㎏]

             H : 목재의 단위 중량당 발열량 [4,500 [kcal/㎏]

             A : 화재실의 바닥면적 [㎡]

            ∑Q : 화재실내 가연물의 전체 발열량 [kcal]

[해설] 화재하중

 가. 화재하중 : 거실 내 단위 면적당 가연물의 양을 말하며 화재하중이 클수록 실내 발열량이 높아지며 연소시간이

                        길어진다.

 나. 관계식​

여기서, Q : 화재하중 [㎏/㎡]                       Gi : 가연물의 양 [㎏]

             Hj : 가연물의 단위 중량당 발열량 [kcal/㎏]

             H : 목재의 단위 중량당 발열량 [4,500 [kcal/㎏]

             A : 화재실의 바닥면적 [㎡]

             ∑Q : 화재실내 가연물의 전체 발열량 [kcal]

​

15. 다음은 소화배관에 대한 내용이다. ( )안에 적합한 숫자 또는 단어를 쓰시오.  [4점] ★★

   소화배관에 사용하는 탄소강관 이음쇠 중에서 배관의 분해 · 수리 · 교체 등을 편리하게 하기 위하여 사용하는 것으로

   일반적으로 호칭경 65 A 이상의 용접이음에는 ( ① )이(가) 사용되고 호칭경 50 A 이하의 나사이음에는 ( ② )이(가)

   주로 사용된다.

 [풀이]   ① 플랜지        ② 유니온

  ※ 관경 65 A 이상에서는 플랜지를 써서 용접을 하고 50 A이하에서 나사이음을 하며 유니온 결합을 한다.

[해설] 소화 배관 이음 방법

 가. 플랜지(Flange) : 배관의 분해 · 교환 · 증설 또는 수리를 용이하게 하기 위해 사용하는 것으로 일반적으로 호칭경

                                   65 A 이상의 용접이음이나 압력이 높은 경우에 사용한다.

 나. 유니온(Union) : 배관의 분해 · 교환 · 증설 또는 수리를 용이하게 하기 위하여 사용하는 것으로 일반적으로

                                  호칭경 50 A 이하의 나사이음에 사용한다.

16. 다음은 배관용 강관의 규격을 표시하는 일반적인 표시법이다. 조건을 보고 다음 각 물음에 답하시오. [3점] ★

   [조건] 상표, KS 기호, SPPS - S.H - 1995. 3, 100 - A × ( ) × 6

  가. SPPS 는 어떤 종류의 강관인가 ? 압력 배관용 탄소강관

  나. 위 조건의 ( ) 속에 들어 갈 내용은 무엇인가 ? 스케줄 번호

  다. S.H가 뜻하는 것은 무엇인가 ? 열간 가공 이음매 없는 관

[해설] 배관용 강관의 표시방법

   가. 나. 다. 배관용 강관의 표시법

  ※ 소방에서는

    ① 배관내의 물의 정압이 포화증기압 보다 낮아지면 기포가 발생하는 현상

    ② 유효흡입수두 (NPSHav) < 필요흡입수두 (NPSHre)

  ※ 유효흡입수두 = 대기압 - 포화증기압 수두 - 배관손실수두 ± 낙차 수두

                         H = Ho - Hv - Hf ± Hh

나. 발생원인

  ① 펌프보다 수원이 낮아 흡입수두가 클 때

  ② 펌프의 임펠러 회전수가 클 때

    ※ 회전수가 빨라지면 기포가 많이 발생한다. 유속이 빨라지면 압력이 낮아져 기포발생

  ③ 펌프의 흡입관경이 작을 때

  ④ 흡입배관의 유속이 빠를 때

  ⑤ 흡입측 배관의 마찰손실이 클 때

  ⑥ 수온이 높을 때

​

다. 방지대책

  ① 펌프의 설치 위치를 가급적 낮게 한다.

  ② 회전차를 수중에 완전히 잠기게 한다.

  ③ 흡입관경을 크게 한다.

  ④ 펌프의 회전수를 낮춘다.

  ⑤ 2대 이상의 펌프를 사용한다.

  ⑥ 양 흡입 펌프를 사용한다. (양 쪽에 펌프를 설치하여 물을 흡입한다)

  ⑦ 배관을 공동현상(케비테이션)에 강한 재질을 선택한다.

  ⑧ 흡입관의 깊이를 가능한 작게 한다.

​

라. 공동현상에 의한 파생되는 현상

  ① 소음과 진동이 발생한다.

  ② 임펠러(회전차), 배관, 배관 부속 등에 응력이 발생해 기계적 손상을 초래한다.

  ③ 토출량과 양정이 감소되며, 전체적으로 펌프의 효율이 감소한다.

​

2. 수격현상 (Water hammering)

가. 정의

  ▣ 펌프에서의 수격현상은 갑작스런 속도의 변화에 따른 힘의 차로 펌프와 주변 시스템에 순간적으로 큰 힘이 작용하여

       변형, 손상 또는 파손의 원인이 되는 현상

​

나. 발생원인

  ① 펌프를 급격하게 가동시키거나 급격히 정지할 때 (플랜저에서 물의 압력이 커지기 때문에 압력차에 의하여 물이 배관

       을 때리는 현상)

  ② 밸브를 급하게 잠그거나 열 때

  ③ 터빈의 출력 변화가 심할 때

    ※ 위와 같은 상황에서는 물의 유속차가 발생하여 이것이 바로 압축파로 전환되어 충격파가 배관이나 그 부속품을 파손

         시키는 현상이 발생한다.

​

다. 방지대책

  ① 유속의 차이가 크지 않게 한다.

  ② 관구경을 크게 하면 유속이 낮아진다.

  ③ 유량을 감소시켜 유속을 감소시킨다.

  ④ 펌프의 송출구 가까이에 밸브를 설치하고 개폐속도를 낮춘다.

  ⑤ 펌프에 플라이 휠을 설치하여 속도가 급격히 변하는 것을 막는다.

  ⑥ 수격 방지기나 에어 챔버를 설치하여 완충작용으로 수격현상을 방지한다.

  ⑦ 조압수조에 의한 완충작용으로 적절한 압력을 유지한다.

  ⑧ 압력 릴리스 밸브, 스몰레스크 체크밸브 등을 설치한다.

​

3. 맥동현상 (Surging)

가. 정의

  ▣ 펌프를 운전할 때 송출압력과 송출유량이 주기적으로 변동하여 펌프 입구나 출구에 설치된 진공계나 압력계의 지침이

       심하게 흔들리는 현상

​

나. 발생원인

  ① 펌프의 특성곡선이 우상향 곡선일 경우 운전점이 그 정상부에 위치할 때

  ② 배관 도중에 수조가 있을 때

  ③ 배관 중에 기체 상태의 부분이 있는 경우

  ④ 유량 조절밸브가 배관 수조의 위치 후단에 있을 경우

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다. 방지대책

  ① 펌프 성능곡선이 우하향 구배를 갖는 특성의 펌프를 사용한다.

  ② 회전차나 안내날개 형성 지수를 바꾸어 펌프의 성능특성을 변화시킨다.

  ③ 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프의 HP곡선이 우하향 구배 특성 범위 내에 있게 한다.

  ④ 배관중간에 수조나 기체 상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

  ⑤ 유량조절밸브를 펌프 토출측 직후에 위치한다.

  ⑥ 관로내의 잔류 공기를 제거하고 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다.

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【 출제 예상 문제 】

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1. 펌프의 공동현상을 방지하기 위한 방법으로 틀린 것은 ? ④

   ① 펌프의 설치위치를 수원보다 낮게 한다.

   ② 펌프의 흡입측을 가압한다.

   ③ 펌프의 흡입관경을 크게 한다.

   ④ 펌프의 회전수를 크게 한다.

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2. 물의 압력파에 의한 수격작용을 방지하기 위한 방법 중 적합하지 않은 것은 ? ①

   ① 관로 내의 관경을 수축시킨다.

   ② 관로내의 유체의 유속을 낮게 한다.

   ③ 수격방지기를 설치한다.

   ④ 펌프의 속도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.

​

3. 다음의 ㉠, ㉡ 에 알맞은 것은 ?

   ㉠ 운동에너지    ㉡ 수격작용

4. 다음은 펌프에서의 공동현상에 대한 일반적인 설명이다. 다음 항목 중에서 옳바르게 설명한 것을 모두 고르시오.

   ㉠ 액체의 온도가 높아지면 공동현상이 일어나기 쉽다.

   ㉡ 흡입양정을 작게 하는 것은 공동현상 방지에 효과가 있다. (낙차에 의한 손실을 작게 함으로써 공동현상 방지)

   ㉢ 공동현상은 유체 내의 국소압력이 포화증기압 이상일 때 나타난다. (유체의 국소압력이 포화증기압 보다 낮아 질 때

        나타난다)

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5. 수격작용에 대한 설명으로 맞는 것은 ?

  ④ 흐르는 물을 갑자기 정지시킬 때 수압이 급격히 변화하는 현상을 말한다.

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6. 펌프의 흡입양정이 클 때 발생할 수 있는 현상은 ? 공동현상

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7. 펌프를 운전중에 펌프 입구와 출구에 설치된 진공계와 압력계의 지침이 크게 흔들리고 동시에 토출유량이 변하는 현상

     으로 송출압력과 송출유량 사이에 주기적인 변동이 일어 나는 현상은 ? 서징 (맥동) 현상

​

8. 온도가 T인 유체가 정압이 P인 상태로 관속을 흐를 때 공동현상이 발생하는 현상으로 가장 적절한 것은 ? 단, 유체 온도

     t에 해당하는 포화증기압을 Ps라고 한다.

  ③ 유체내의 압력 P < Pv (포화 증기압)

    ⊙ 유체내의 압력이 포화증기압 보다 작아질 때

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9. 다음 중 대표적인 펌프의 이상현상에 해당되지 않는 것은 ? ④

  ① 공동현상   ② 수격작용   ③ 맥동 현상   ④ 진공현상

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10. 펌프에서 공동현상이 발생할 때 나타나는 현상이 아닌 것은 ? ③

  ① 소음과 진동 발생                  ② 양정곡선이 저하된다.

  ③ 효율곡선이 증가한다.           ④펌프 깃의 침식 현상

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※ 공동현상이 발생하면 소음과 진동이 발생하고 관의 부식을 촉진한다. 또한 펌프의 성능이 저하된다.

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1. 증기압, 증발, 비등

▣ 증기압 : 기체가 갖을 수 있는 액체에 대한 최적분율 또는 질량분율을 말한다.

▣ 액체가 기체로 변화하는 현상에는 증발과 비등이 있다.

위 그림의 왼쪽을 보면 물은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 형상을 보임을 알 수 있

다. 그림에서 1기압 상태에서 0[℃]까지는 물음 얼음(고체), 0 ~ 100 [℃]에서는 액체, 그

리고 100 [℃]를 넘은면 기체 상태에 있는 것을 알 수 있다.

증기압은 액체와 기체가 열적인 평형상태를 이루는 것을 말한다. 열적인 평형이란 위 그림

의 오른쪽 그림에서 나타내는데 예를 들어 액체인 물이 기체가 되기 위해서는 일정한 에너

지를 필요로 한다. 위 그림에서 100 [℃] 에서는 공기중에 100[kPa] 만큼의 수증기가 존

재할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 때 온도를 50 [℃]로 낮추면 공기중에 20[kPa] 압력 만큼

의 수증기만 있을 수 있어 나머지 수증기는 물방울로 맺히게 된다. 위에서 증기압은 포화증

기압이라고 가정했을 때의 예이다.

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가. 증발(Evaporation)과 비등 (Boiling)

증기압에 대하여 이야기할 때 증발과 비등을 구분해야 한다. 액체가 기체가 되는 것은 증발

이나 비등이나 같다. 그러나 실제 물리적인 메카니즘은 다르다. 위 그림에서 보듯이 증발은

유체가 공기와 만나는 면에서 발생한다. 그러나 비등은 공기와 만나는 면 뿐만 아니라 유체

내부에서도 발생한다. ※ 위 그림에서 정수압은 물에 의한 수압을 말한다.

비등은 유체의 체적작용으로 유체 온도에 해당하는 포화증기압이 유체 압력과 같아져서 유

체 내부에서도 기포가 발생하게 된다.

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나. 낮은 온도에서 비등과 공동화 현상 (Low Pressure Boiling - Cavitation)

앞에서 온도를 낮추면 기체의 포화증기압이 낮아진다고 했다. 이번에는 압력을 낮추면 끓는

점이 낮아지게 된다. 즉, 낮은 온도에서도 비등(보일링)현상이 발생하게 된다. 대표적인 현

상이 공동화 현상 (Cavitation)을 들 수 있다. 예를 들면 관에서 프로펠러가 돌면 프로펠러

주변의 유속이 매우 빨라지게 된다. 이 때 베르누이 법칙에 의해 유속의 제곱에 비례하여

압력이 변하게 된다. 유속이 빨라지면 속도의 제곱에 비례하여 압력이 낮아진다. 압력이 떨

어지면 온도가 100[℃] 보다 낮음에도 유체 속에서 기포가 발생하는 공동화 현상 (Cavitaion) 현상이

발생하게 된다. 이 공동현상은 기기류에 매우 치명적이다. 속도가 높아지면서 발생한 기포는

다시 속도가 낮아지면 압력이 높아져서 기포가 존재할 수 없는 상황이 되게 되는데

이 때 기포는 뽀개지고 기포가 분열하게 되는데 기포가 뽀개지면서 매우 큰 충격에너지가 발생하게 된다.

위 그림의 오른쪽을 보면 유체에 Cavitation이 발생하여 그 충격으로 인해 강철로 만든 프로펠러(회전날개)가

파괴된 모습을 볼 수 있다. 이와 같이 기포는 기기에 매우 큰 충격을 주게 된다.

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2. 비열(Specific Heat)과 에너지 (Energy)

어느 평면에 수직으로 작용하는 힘을 면적으로 나눈 것을 압력이라고 하고 접선 방향으로

작용하는 힘 즉, 전단력을 면적으로 나눈 것을 전단응력이라고 한다.

위 그림에서 어떤 물체를 꺾었을 때 위 부분은 늘어났고 아래 부분은 수축하였다. 늘어난 부

분은 전단응력이 작용하여 Normal Stress가 발생했고 아래 부분은 수직압력이 작용했다

고 볼 수 있다.

위 그림 왼쪽은 실린더에 피스톤이 있는데 이 때는 평형상태에 있었다. 그런데 피스톤에

500[kg]을 올려 놓았다면 이 때의 압력은 500[kg] / 피스톤 단면적 이라고 할 수 있다.

오른쪽 그림은 4각형 모양의 물체에 수직방향도 아니고 접선방향도 아닌 방향으로 힘이

작용한 경우를 보여주고 있다. 위의 힘은 수직방향과 접선방향의 힘으로 구분할 수가 있는

데 이 힘을 면적으로 나누면 압력과 전단응력이 된다.

위 그림은 하천에 세워진 교각에 물의 흐름에 의한 영향을 보여주고 있다.

교각에는 물의 흐름에 의해 수직방향의 압력과 접선방향의 마찰력 즉, 전단응력이 함께

작용하게 된다.

압력은 어떤 면 A에 수직으로 작용하는 힘 F가 있다면 힘을 면적으로 나눈 것이다.

즉, 압력 P = F / A 이다.

절대압력은 압력이 "0"[Pa]에서 측정한 압력을 말하고

상대압력은 표준대기압 즉, 101,300 [Pa]에서 측정한 압력을 말한다.

따라서 상대압력이 절대압력보다 101,300 [Pa] 만큼 작게 된다.

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