대체로 Control 밸브로 Globe, Ball, Butterfly, Diaphragm 밸브가 Control용으로 많이 사용되고 있습니다.
그러나 밸브마다 압력회복이 다르기 때문에 밸브의 종류에 따라서 Cv가 같더라도 유량은 같지 않으며 밸브 종류에 따라 수십 %정도 차이가 있는것도 있습니다.
유체가 밸브의 제일 좁은 부위를 통과할 때 유속은 증가하며 증가한 만큼 압력은 감소합니다. 제일 좁은 부위를 통과한 유체는 흐르는 힘에 의하여 좀 더 수축되는데 이 부위를 수축부(Vena Contractor)라 합니다.
이때에 유체의 단면적과 압력은 최소가 되고 유속은 최대가 됩니다. 이 수축부를 지나면 압력과 유속은 다시 회복됩니다. 그러나 회복율은 밸브마다 다른데 이것을 밸브의 압력회복 계수(FI)라 합니다.
Fl=((P1-P2)/(P1-Pvc))^0.5
Fl : 압력 회복계수
P1 : 입구 압력
P2 : 출구 압력
Pvc : 수축부 압력(Super Cooled Vapor Pressure)
Ball 이나 Butterfly 밸브는 압력회복이 Globe 밸브에 비하여 크기 때문에 저압에서는 Flashing이나 Cavitation 이 발생하기
쉽습니다. 예를 들어 Globe 밸브와 Butterfly 밸브를 비교했을때 두 밸브의 Cv가 같다면 측정된 차압이 달라도 유량은 같아야 합니다. 그런데 Cavitation, Flashing 현상이 일어난다면 실제 유량은 전혀 다르게 나타날 겁니다.
자 그럼 오늘의 가장 중요한 포인트! Cavitation과 Flashing을 방지하기위해선 어떻게 해야 할까요?
Cavitation은 먼저 고려해 보면
① 가능하면 dP 값을 적게 가져가는 겁니다.
② 계산치보다 큰 구경을 선정 하고
③ 차압을 순차적으로 감소 시킬수 있게 밸브를 여러개 설치합니다.
④ 액체의 포화 증기압 이상이 될 수 있도록 밸브를 가능한 한 낮은 곳에 설치하여 수두를 크게 가져 가거나,
공정 압력을 올립니다.
Flashing은 유체의 증기압보다 낮고 회복된 압력도 유체의증기압보다 낮아 밸브출구측에서 Vapor가 발생하는 겁니다. 이 현상을 Flushing이라하며 이 증기가 액체와 같이 흘러 실제유량은 상대적으로 적어짚니다..따라서 계산상 Cv는 Flashing 일 때에는 반드시 보정해 주어야 합니다.
Centrifugal 펌프의 head 와 capacity의 관한 특징(drooping)에 대해 포스팅 하려고 합니다.
API 610 과 같이 많은 펌프 standard 들은 끊임없이 shut-off를 향해 올라가는 Head-capacity curve를 가진 펌프를 요구합니다.(capacity가 점점 줄어들면 head가 점점 올라가면서 결국엔 shut-off에 도달하는 curve)
그런데 high head, low capacity, single stage 펌프에서는 가끔 위와 다른 curve를 가지게 됩니다. 더 정확히 말하면 어떤 capacity에서 peak head를 가집니다. 이런 curve를 Drooping curve라고 합니다.
이제부터 왜 몇몇의 펌프에서 이런 drooping head-capacity curve를 갖는지, 언제 어떻게 이 문제가 발생 하는지, 이 문제를 예방하기 위한 point가 무엇인지 알아 볼까 합니다.
밝혀진 바에 의하면, Drooping curve를 가지는 동일한 두 펌프는 넓은 범위의 capacity를 가지고, boiler feedwater와 fire-main system과 같은 조건하에서는 작동되면
안됩니다.(적용해서는 안된다)
병렬로 동작하는 두 펌프에서 drooping curve를 발견하는것은 드물고, 병렬로 배관이 연결되어 있지만 작동하는 펌프가 한 대라면(나머지는 spare) 드물게 발견 됩니다.
이것의 이점은 무엇일까요? 높은 효율 또는 낮은 가격 입니다. 일반적인 curve를 가진 펌프와 drooping curve를 가진 펌프를 비교해 보면, 동일한 사이즈의 펌프라고 했을때 drooping curve를 가진 펌프가 더 효율적입니다.(왜냐하면 head가 더 크기 때문에) 다시 말해 동일한 head를 보낸다고 한다면(동일한 효율로), drooping curve를 가진 펌프 크기가 더 작아도 된다는 말입니다.
펌프 design은 drooping을 피해 수정 할 수 있습니다.위의 그림
Fig.2
처럼 Vane discharge angle을 줄이면 impeller passages 안에 높은 fluid velocities를 만듭니다. 그래서 head와 효율이 감소 합니다. 같은 head를 얻기 위해서는 더 큰 impeller를 사용해야 합니다. 자, 그럼 이 펌프를 언제 사용 가능 할까요?
펌프 system은 surge가 발생되면 안되는데, surge가 발생 할 수 있는 3가지 조건이 존재 합니다.
여기서 포인트는 single pump system에서는 거의 발생되지 않고, 병렬로 작동하는 펌프에 흔하게 나타난다는 겁니다.
3가지 조건은
첫째, 액체의 질량이 왔다갔다 변화 하는것.둘째, system의 일부가 back pressure energy를 저장하거나 주는것.셋째, system의 일부가 swing이 시작할 수 있는 충격을 제공 하는것.
Fig.3a
는 두 대의 centrifugal 펌프가 병렬로 설치 되어 있는 모습입니다.
Fig.3b
는 펌프가 동일하고 각각의 펌프는 drooping curve를 가집니다. drooping curve 두개가 결합된 모습인데요. 세가지 문제점이 있습니다.
첫째가 shut off A 점의 head 보다 작동하는 D 점의 head가 큽니다. 그래서 다른 펌프가 연결되어 있다면 capacity 가 zero 인 head에서도 back pressure로 인하여 check valve를 열지 못합니다. 둘째로 두 대의 펌프가 C 점에서 작동하고 있을때, flow 수요로 throttle valve를 이용하여 부분적으로 닫아서 감소시키면 펌프는 E 점에서 작동합니다. 여기서 한 대의 펌프 또는 둘 다 F 점까지 이동시키면 head는 변동이 없는 상태에서 유량만 변경 시킬 수 있습니다. 이와 같은 형태의 펌프들은 load를 균등하게 공유할 수 없으므로 압력에 변동이 일어 날 수 있습니다. 세번째로 두 대의 펌프가 F 점에서 운전하고 있을대 throttle valve를 열어 한 대의 펌프 유량을 늘린다면 surge(조건 세번째)가 발생 할 수 있습니다. surge가 발생한다면 F 점에서 작동하는 펌프를 shut off 시킵니다.
이와 같은 system에서 surge를 예방하는 두가지 방법이 있습니다. discharge line 에 bypass를 설치하는 겁니다.
Fig.4a
에 보이는 B 점에서 모든 흐름을 이동 시킵니다. 이러면 head가 증가하거나 flow가 감소하더라도 surge가 시작되지 않습니다. 그리고 bypass는 낮은 흐름에서 유체의 흐름이 열을 해소하기에 충분하지 않을때 overheating되는 걸 방지합니다.
다른 방법은 discharge line에 throttle valve 또는 orifice 설치하거나 각 펌프의 discharge가 만나는 line에 single valve를 추가 합니다. 이 방법은
Fig.4b
에서 보듯이 curve를 변화 시킵니다. 그런데 이 방법은 추가적인 pressure drop으로 더 많은 power를 필요로 합니다.
같은 범위에서 병렬로 작동하는 drooping curve를 가진 펌프가 낮은 용량에서 작동되는것은 바람직하지 않습니다.
결론, drooping curve를 가진 펌프를 사용하면 위에서 언급했던거와 같이 드물게 문제가 발생합니다. 하지만 그걸 잘 예방 한다면 더 좋은 효율과 자본을 절약할 수 있을 겁니다. 이런 점에서 고려해 볼 만 한것 같습니다.
그런데 요즘에도 이런 curve를 가진 펌프를 사용 할까요? 의문이네요.. 혹시 본다면 알려주세요~
Source : Chemical Engineering,Oct,15,1984,Head-vs.capacity characteristics of centrifugal pumps.
