네, 안녕하세요.

맥동현상은 잘 정리되었네요.

캐비테이션(공동현상)은 자주 나오는 질문이고 실무적으로 중요한 기술이므로 다른 학습자들을 위해 조금 정리해보았습니다.

 

~ 정리 요약

공동현상이란 펌프에서 흡입되는 유체(액체)의 압력이 낮아져 증기압 이하가 되면 증기 기포가 발생하여 흡입 유체에 빈공간이 생기는 현상이며

임펠러에 의해 압축될 때 빈공간이 붕괴(압축, 타격)되면서 임펠러의 유체 타격현상으로 인한 소음, 진동과 고장을 유발 하게 된다.

 

  1. 서론

우선 공동현상은 백과사전 의미로는 다음과 같습니다.

 

유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말하며 공동현상이라고도 한다.

공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다.

 

(※ 해당 내용만 보면 전문적인 유체현상으로 전 분야에 걸친 폭넓은 해석이라 공조분야의 관점으로 이해나 정리가 어렵습니다.

따라서 다음과 같이 캐비테이션에 대해 인터넷 자료를 수정하여 설명 드리고 간단히 정의 하겠습니다.

가장 좋은 암기법은 해당 기술을 이해 한 후 자기만의 요약정리를 하는 것입니다.)

 

용어

캐비테이션(cavitation)은 라틴어 'cavus'에서 유래했으며, '빈 공간'을 의미 합니다.

따라서 공동현상이라고도 합니다.

 

 

 2. 캐비테이션의 발생 원리

캐비테이션은 크게 두 가지 조건에서 발생합니다.

  첫째, 유체의 압력이 그 유체의 증기압 이하로 떨어질 때 발생합니다.

  둘째, 베르누이 방정식에 따라 유체의 속도가 급격히 증가하면 압력은 낮아지기 때문에 발생할 수 있습니다.

  셋째, 둘의 영향을 가중시키는 유체의 온도가 높은 때 더 발생합니다.

 

  - 펌프나 터빈의 흡입구 등에서 유체의 압력이 낮아지면, 그 지점에서 기포(증기)가 형성될 수 있습니다. 이러한 기포는 유체가 이동하면서 압력이 다시 높아질 때 붕괴하게 됩니다.

  - 유체가 좁은 통로를 빠르게 통과할 때, 유체의 속도는 증가하고 압력은 감소합니다. 이로 인해 기포가 형성될 수 있으며, 이러한 기포는 다시 확장된 영역으로 이동하면서 붕괴합니다.

  - 유체의 온도가 높으면 증발현상이 잘 일어납니다.

 

즉, 여러 원인으로(압력이 낮아지는 원인이 가장 큼) 액체가 증발하여 기체가 되는 문제입니다. 펌프에서는 흡입측이 저압이 걸리면서 발생하게 됩니다.

 

 

3. 캐비테이션의 영향

캐비테이션 현상은 여러 가지 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 대표적으로는 다음과 같습니다.

 

  1) 기계적 손상 : 기포가 붕괴하면서 발생하는 충격파는 펌프, 터빈, 프로펠러 등의 표면에 심각한 침식을 일으킬 수 있습니다. 이는 장비의 수명을 단축시키고 유지 보수 비용을 증가시킵니다.

  2) 성능 저하: 캐비테이션은 장비의 효율을 떨어뜨립니다. 예를 들어, 펌프의 경우 캐비테이션이 발생하면 유량이 감소하고, 터빈의 경우 출력이 감소할 수 있습니다.

  3) 소음 및 진동 : 기포가 압축되면서 임펠러 타격에 의해 발생하는 소음과 진동은 장비의 안정성을 저해하고, 주변 환경에도 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

 4. 캐비테이션의 종류

캐비테이션은 발생 원인과 조건에 따라 여러 가지로 분류될 수 있습니다. 대표적인 종류는 다음과 같습니다.

 

  1) 증기 캐비테이션 : 유체의 압력이 증기압 이하로 떨어져 발생하는 일반적인 캐비테이션입니다. (공조분야 유체이동에서 주로 발생하는 형태)

  2) 기포 캐비테이션 : 유체 내에 미세한 기포가 존재할 때 발생하는 캐비테이션입니다. 이러한 기포는 압력 변화에 더욱 민감하게 반응합니다.

  3) 유도 캐비테이션: 외부 요인(예: 초음파, 전기장 등)에 의해 유도되는 캐비테이션입니다. 이는 주로 실험적 목적이나 특정 응용 분야에서 연구됩니다.

 

 

 5. 결론

캐비테이션은 유체 기계 및 시스템에서 빈번하게 발생하는 현상으로, 이를 이해하고 예방하는 것은 매우 중요합니다. 압력 변화와 유속 증가가 주요 원인이며, 이러한 조건을 적절히 관리하여 캐비테이션을 방지할 수 있습니다. 캐비테이션에 대한 이해는 장비의 수명을 연장하고, 효율을 높이며, 유지 보수 비용을 절감하는 데 큰 도움이 됩니다.

 

 

 6. 정리 요약

공동현상이란 펌프에서 흡입되는 유체(액체)의 압력이 낮아져 증기압 이하가 되면 증기 기포가 발생으로 흡입 유체에 빈공간이 생기는 현상이며 임펠러에 의해 압축될 때 빈공간이 붕괴(압축, 타격)되면서 임펠러의 유체 타격현상으로 인한 소음, 진동과 고장을 유발 하게 된다.

 

 

※ 별해

대표적으로 공조시스템에서는 펌프에서 일어나는 현상이며 펌프는 유체를 임펠러라는 회전기구로 원심방향으로 밀어 힘을 만드는 기기입니다. 이때 흡입과 토출이 있게 되고 고속회전 하는 임펠러에 유체는 항상 밀착된 상태로 유입되어 원심방향으로 힘을 받아 토출되어야 합니다.

공동현상에서의 문제는 펌프의 흡입측에서 100% 유체가 유입되는 것이 아니라 일부 증발 된 기체(수배관에서는 증기)나 또는 침투한 공기에 의해 빈 공간이 생기게 되고 이 빈공간은 압축성이라 임펠러가 회전하면서 순간적으로 빈공간이 압축되어 앞에 있는 유체를 타격하는 현상이라고 보면 됩니다. 그럼 이 타격에 의해 진동뿐만 아니라 유체흐름이나 기계적으로 여러 이상현상(소음, 진종, 마모, 효율저하, 고장 등등)이 발생하게 되어 문제점을 인식하고 방지하기 위한 기술이 필요하게 된 것입니다