[소방기술사-114회 1교시] 유체기계를 운전할 때 압력의 순간적인 변동과 송출량의 급격한 변화가 일어나는 현상 및 방지대책에 대해 설명하시오.

상세 분류 : 소방 기계 (유체 기계 및 펌프 설계)

 

답안 1) 

 

1. 맥동현상의 개념
(1) 송풍기 또는 펌프의 운전 초기에 저유량 영역에서 발생되는 현상으로, 유량(풍량)과 압력이 주기적으로 변화하여 안정된 운전이 불가능한 현상이다.
(2) 펌프가 운전 중에 한숨을 쉬는 것과 같은 상태가 되어 펌프의 입구와 출구의 진공계, 압력계 의 지침이 흔들리고 동시에 송출유량이 변화하는 현상을 말하며, 송출압력과 송출유량 사이에 주기적인 변동이 일어나는 현상을 말한다.
(3) 서징현상은 원칙적으로 고유량 송풍기를 저유량 영역에서 사용 시 발생한다. 펌프도 서징현상이 발생할 수 있으나, 소방용 원심펌프의 대부분은 우하향곡선이라서 서징현상이 발생하기 어렵다.

2. 펌프의 맥동현상 방지대책
펌프의 맥동현상(Surging)은 아래의 4가지 조건 중에서 1가지만 만족되지 않아도 발생되지 않는다.
(1) 펌프의 H-Q 곡선이 우하향 구배인 펌프를 사용한다.
(2) 유량조절밸브를 펌프토출측 직근에 설치한다.
(3) 바이패스 관을 사용하여 운전점이 펌프의 우하향 구배 구간이 되도록 한다.
(4) 배관 중에 수조 또는 기체 상태인 부분이 없도록 배관한다.

3. 송풍기 맥동현상 방지대책
(1) 방 풍: 가장 일반적인 방법으로 토출밸브를 열어 풍량을 대기 중으로 방출한다. 낭비가 크고 신뢰도 저하가 우려된다.
(2) By-Pass: 방풍한 여분의 풍량을 송풍기 흡입 측으로 되돌린다.
(3) 흡입 조임: 흡입댐퍼나 Vane을 조여 성능곡선 우측의 운전 점으로 이동시킨다.
(4) 우하향 곡선의 송풍기의 사용

 

답안 2)

 

유체기계 운전 시 압력의 순간적 변동과 송출량의 급격한 변화는 주로 수격 현상(워터해머), 공동 현상(캐비테이션), 서징(맥동 현상) 때문에 발생합니다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 유체 속도를 줄이고, 펌프 위치를 낮추며, 흡입관 손실을 최소화하고, 운전 속도를 낮추는 등의 대책을 적용해야 합니다. 

 

주요 현상

• 수격 현상 (Water Hammer): 유체의 운동량이 급격하게 변할 때 발생하는 순간적인 압력파입니다. 밸브를 갑자기 닫거나 유체의 방향을 급격하게 바꿀 때 발생하며, 배관에 큰 진동과 소음을 유발합니다.
• 공동 현상 (Cavitation): 펌프 내부에서 유체의 압력이 유체 증기압보다 낮아지면 용존 기체가 분리되어 기포가 생기고, 이 기포가 터지면서 펌프 성능 저하, 회전차 부식, 소음, 수명 단축 등을 유발합니다.
• 서징 현상 (Surging): 펌프의 성능 곡선상에서 불안정한 지점을 운전할 때 발생합니다. 압력과 송출량이 주기적으로 크게 변동하고 소음과 진동이 발생하며, 밸브를 조작하여 운전 상태를 인위적으로 바꾸지 않는 한 이 상태가 지속됩니다. 

방지 대책

• 운전 속도 낮추기: 펌프의 회전 속도를 낮추면 유체 속도 변화가 줄어들어 수격 현상과 서징 현상을 완화할 수 있습니다.
• 흡입관 손실 최소화: 흡입관을 짧게 하고, 배관 내 마찰을 줄여 손실을 최소화하면 공동 현상을 방지하는 데 도움이 됩니다.
• 펌프 위치 낮추기: 펌프를 가능한 낮게 설치하여 흡입 양정을 줄이면 공동 현상의 발생 가능성을 낮출 수 있습니다.
• 안정적인 운전: 밸브를 급격하게 닫거나 열지 않고 서서히 조작하며, 펌프 성능 곡선상의 안정적인 지점에서 운전해야 합니다.
• 에어 챔버 또는 질소 실린더 설치: 갑작스러운 압력 변동을 흡수할 수 있는 완충 장치를 설치하는 것도 효과적인 방법입니다. 

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