캐비테이션에 대한 설명: 증기 거품의 이해, 예방 및 활용

액체에서 증기 거품이 빠르게 형성되고 붕괴되는 캐비테이션은 기계에 상당한 과제를 안겨줍니다. 이 현상은 기계적 손상을 일으키고, 효율성을 떨어뜨리고, 파괴적인 소음을 발생시킬 수 있습니다. 캐비테이션의 메커니즘을 이해하는 것은 장비 고장을 방지하고 성능을 최적화하는 데 필수적입니다.

이 기사에서는 캐비테이션의 과학, 다양한 형태, 파괴적인 효과, 유익한 응용 분야에 대해 깊이 있게 다룹니다. 또한 순 양성 흡입 헤드(NPSH)를 이해하여 캐비테이션 문제를 해결하는 방법도 논의합니다.

캐비테이션이란 무엇인가

캐비테이션은 액체 내에서 증기로 채워진 공동이 형성되고 빠르게 붕괴되는 것을 특징으로 하는 현상입니다. 이러한 공동은 종종 거품이라고 하며, 유체의 국부 압력이 증기압 아래로 떨어질 때 나타납니다. 이러한 거품이 붕괴되면 상당한 에너지가 생성되어 파괴적이고 유익한 다양한 효과가 발생합니다.

캐비테이션을 더 자세히 정의하려면, 그것이 단순히 끓는 것이 아니라는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 비록 증기 거품의 형성이 두 공정 모두에 관련되기는 하지만요. 캐비테이션에서 압력 강하는 주된 원인인 반면, 끓는 것은 액체가 끓는점에 도달할 때 발생합니다.

캐비테이션의 과학

A. 압력과 증기압

캐비테이션의 발생은 주로 액체 내부의 국부 압력과 해당 액체의 증기압 사이의 관계에 의해 결정됩니다. 증기압은 액체가 주어진 온도에서 증기로 변하는 압력입니다. 액체 내부의 국부 압력이 증기압 아래로 떨어지면 액체가 증발하기 시작하여 증기 거품이 형성됩니다. 이는 일반적으로 유체가 가속되는 영역에서 발생합니다.

B. 거품 형성 단계

캐비테이션은 액체 내의 저압 영역에서 시작됩니다. 이러한 저압 구역은 종종 흐름 속도의 변화에 의해 생성됩니다. 베르누이 원리에 따르면 유체가 가속되면 압력이 감소합니다.

증기 기포의 형성에는 또한 핵 형성 부위가 필요합니다. 이러한 부위는 유체 시스템 내의 미세한 불순물, 용해된 가스 또는 고체 표면의 작은 틈새일 수 있습니다. 이러한 불완전성은 액체의 표면 장력이 감소하기 때문에 증기 기포가 발달할 수 있는 초기 위치를 제공합니다. 기포가 형성되기 시작하면 주변 액체가 저압 구역으로 계속 증발함에 따라 기포는 빠르게 커집니다.

C. 격렬한 거품 폭발

이러한 증기 기포가 저압 영역에서 고압 영역으로 이동하면 주변 액체가 몰려들어 공극을 채웁니다. 이로 인해 기포가 빠르게 붕괴되고 주변 액체 분자가 충돌하여 온도와 압력이 빠르게 상승합니다. 이러한 폭발이 캐비테이션의 파괴적 잠재력의 근본 원인입니다.

붕괴 중에 매우 높은 압력의 충격파가 생성됩니다. 이 충격파는 바깥쪽으로 방사되어 근처 물질 표면에 영향을 미칩니다. 또한, 마이크로젯이라고 알려진 작고 고속의 액체 제트가 형성되어 표면에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 마이크로젯은 충격파와 함께 주변 물질에 상당한 피해를 입힐 수 있습니다. 더욱이, 폭발에는 주로 열과 기계적 힘의 형태로 상당한 에너지가 방출됩니다.

캐비테이션의 종류

공동현상은 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 각각 고유한 특성과 원인이 있습니다.

A. 관성(과도) 캐비테이션

이 유형은 앞서 설명한 대로 증기 거품의 빠른 성장과 격렬한 붕괴를 수반합니다. 일반적으로 고에너지 사건과 관련이 있으며 파괴적인 특성으로 알려져 있습니다. 관성 캐비테이션은 상당한 기계적 손상과 소음을 일으킬 수 있습니다.

B. 비관성 캐비테이션

관성 캐비테이션과 대조적으로 비관성 캐비테이션은 기존 가스 버블의 성장과 진동을 수반합니다. 관성 캐비테이션보다 파괴력이 적지만 특정 응용 분야에서는 여전히 일부 효과가 있을 수 있습니다. 비관성 캐비테이션은 종종 초음파 필드와 음향 스트리밍을 포함하는 응용 분야와 관련이 있습니다.

C. 유체역학적 캐비테이션

유체 역학적 캐비테이션은 흐르는 액체 내에서 유체 속도와 압력의 변화로 인해 발생합니다. 이는 펌프, 프로펠러 및 제어 밸브에서 자주 관찰되며, 유체의 빠른 가속 및 감속이 발생합니다. 이러한 형태의 캐비테이션은 증기 거품이 형성되고 높은 에너지로 붕괴되기 때문에 매우 파괴적입니다.

D. 증발 캐비테이션

증발 캐비테이션은 유체의 온도가 저압 영역에서 비등점까지 상승할 때 발생합니다. 이는 비등과 비슷하지만 온도 상승 대신 국부적인 압력 강하로 인해 발생합니다. 이는 압력이 증가하면 격렬하게 붕괴될 수 있는 증기 거품의 형성으로 이어집니다.

E. 난류 캐비테이션

난류 캐비테이션은 난류 흐름 내에서 압력의 급격한 변동으로 인해 발생합니다. 난류 흐름의 불규칙하고 혼란스러운 특성은 유체가 캐비테이션을 일으키는 국소적인 저압 구역을 생성합니다. 이는 난류가 있는 흐름 시스템에서 일반적입니다.

F. 베인 패싱 캐비테이션

베인 통과 캐비테이션은 펌프 및 터빈과 같은 회전 기계에 특화되어 있습니다. 이는 유체와 회전 베인 또는 블레이드의 상호 작용으로 인해 발생하며, 이로 인해 압력이 낮은 영역이 발생합니다. 이러한 국부적인 압력 강하는 베인 근처에 거품이 형성되어 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다.

캐비테이션의 파괴적 효과

캐비테이션은 파괴적인 잠재력으로 인해 항상 바람직한 현상은 아니며 장비 성능과 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

A. 기계적 손상

캐비테이션은 재료에 다양한 유형의 기계적 손상을 일으킬 수 있습니다.

피팅: 증기 거품의 반복적인 붕괴는 재료 표면에 작은 크레이터나 구덩이를 발생시킵니다. 이는 국소적인 침식의 한 형태이며 시간이 지남에 따라 구성 요소의 구조를 약화시킬 수 있습니다.
부식: 거품이 붕괴되면서 표면에 충격을 주는 고속 마이크로젯이 생성되어 점차적으로 재료가 침식됩니다. 이는 특히 부드러운 금속에 해롭습니다.
재료 피로: 반복되는 충격파와 마이크로젯은 재료에 주기적 응력을 유도하여 피로 균열을 일으킬 수 있습니다. 피로는 시간이 지남에 따라 구성 요소의 구조적 무결성을 약화시킵니다.
미세 골절: 거품 붕괴로 인한 강렬한 압력은 특히 취성 재료에서 미세 균열을 일으킬 수 있습니다. 이러한 미세 균열은 커져서 결국 구성 요소 고장으로 이어질 수 있습니다.

나. 소음 및 진동

증기 거품의 폭발은 시스템에서 들리고 느낄 수 있는 상당한 소음과 진동을 생성합니다. 이 소음과 진동은 불편함을 유발할 수 있으며, 장기간 노출되면 장비 마모와 파손에 기여할 수 있습니다. 또한 시스템에서 캐비테이션이 발생하는 지표가 될 수도 있습니다.

C. 효율성 및 성능 손실

캐비테이션은 유체의 원활한 흐름을 방해합니다. 증기 거품의 형성과 붕괴는 난류를 생성하고 유체 흐름을 방해합니다. 이러한 방해는 펌프, 터빈 및 기타 유압 시스템의 효율성을 감소시킵니다. 예를 들어, 캐비테이션이 발생하면 펌프가 유체를 전달하는 데 어려움을 겪기 때문에 펌프의 성능이 떨어집니다.

D. 화학적 효과

캐비테이션은 특히 액체에서 화학적 효과를 유발할 수 있습니다. 거품 붕괴 중에 발생하는 극한의 온도와 압력은 화학 반응을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 물에서 캐비테이션은 음파 발광, 빛의 방출 및 자유 라디칼의 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 자유 라디칼은 반응성이 매우 높아 물의 화학에 추가 변화를 일으킬 수 있습니다.

E. 가장 취약한 재료

특정 재료는 캐비테이션 손상에 더 취약합니다.

연성 금속: 알루미늄, 구리, 황동과 같은 재료는 경도가 낮기 때문에 침식과 침식에 특히 취약합니다.
플라스틱: 많은 플라스틱은 캐비테이션으로 인해 손상될 수 있습니다. 플라스틱은 부서지기 쉽고 압력을 받으면 균열이 생길 수 있습니다.
엘라스토머: 엘라스토머도 캐비테이션으로 인해 침식 손상을 입을 수 있습니다.
경도가 낮은 재료: 경도가 낮은 재료는 일반적으로 캐비테이션의 영향을 받기 쉽습니다.
결함이 있는 재료: 재료 내에 결함이나 불완전성이 존재하면 응력 집중 장치 역할을 하여 재료가 캐비테이션 손상에 더 취약해질 수 있습니다.

캐비테이션의 응용

캐비테이션의 파괴적인 영향은 잘 알려져 있지만, 이 현상은 다양한 유익한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

A. 펌프의 캐비테이션

캐비테이션은 펌프에서 흔히 발생하는데, 특히 펌프가 낮은 입구 압력으로 이어지는 조건에서 작동할 때 발생합니다. 펌프의 압력 강하는 압력이 액체의 증기압 아래로 떨어지면 캐비테이션으로 이어질 수 있습니다.

B. 터빈 및 프로펠러의 캐비테이션

펌프와 마찬가지로 터빈과 프로펠러도 캐비테이션의 영향을 받습니다. 이러한 시스템의 회전하는 블레이드와 다양한 압력장은 저압 영역으로 이어질 수 있습니다. 이 캐비테이션은 효율성을 떨어뜨리고 많은 소음을 발생시키며 블레이드를 손상시킵니다.

C. 캐비테이션의 유익한 사용

초음파 세척: 캐비테이션은 초음파 세척의 핵심 메커니즘으로, 고주파 음파를 사용하여 세척 용액에 미세한 거품을 생성합니다. 거품은 빠르게 붕괴되고 표면에서 먼지, 기름 및 기타 오염 물질을 제거할 수 있는 에너지를 방출합니다.
초음파화학: 캐비테이션은 초음파 화학에서 화학 반응을 시작하거나 가속화하는 데 적용됩니다. 버블 붕괴 중에 발생하는 극한 조건은 화학적 변화를 유도하여 새로운 재료를 생산하거나 기존 화학 공정을 향상시킬 수 있습니다. 초음파 화학은 제약 합성, 재료 과학 및 환경 정화와 같은 분야에 응용됩니다.
의료용 응용 분야: 캐비테이션은 표적 약물 전달 및 암 치료와 같은 의료 응용 분야에서 조사 중입니다. 초음파는 암세포 근처 또는 표적 위치에 캐비테이션 버블을 생성하여 조직을 파괴하거나 약물을 방출하는 데 사용될 수 있습니다. 의료 시술에서 캐비테이션을 사용하는 것은 아직 연구 중이지만 최소 침습적 치료에 대한 희망을 가지고 있습니다.

순유효흡입수두(NPSH)

순 양정 흡입 헤드(NPSH)는 펌프 흡입구의 절대 압력에서 펌핑되는 유체의 증기압을 뺀 값으로 정의됩니다. 유체를 펌프로 밀어넣고 캐비테이션을 방지하는 데 사용할 수 있는 압력 에너지를 나타냅니다. NPSH에는 두 가지 유형이 있습니다.

NPSHa(사용 가능한 순 양수 흡입 헤드): 이는 펌프에 들어가는 유체의 총 헤드 또는 압력에서 펌프 입구의 유체 증기압을 뺀 것을 말합니다. NPSHa는 펌프가 아닌 시스템의 특성입니다. 유체 온도, 대기압 및 시스템 형상과 같은 요인에 따라 달라집니다.
NPSHr(필요한 순 흡입 양정): 이것은 캐비테이션을 피하기 위해 펌프에 필요한 최소 NPSH입니다. NPSHr은 펌프의 특성이며 일반적으로 제조업체에서 제공합니다. 펌프 설계 및 작동 조건에 따라 달라집니다.

시스템에서 적절한 NPSHa를 보장하고 캐비테이션 조건을 방지하려면 NPSHa는 항상 NPSHr보다 커야 합니다. 작동 조건의 변화를 고려한 안전 여유가 있어야 합니다.

캐비테이션 문제 해결

캐비테이션 문제를 해결하려면 종종 체계적인 접근 방식이 필요합니다.

시스템 압력 증가: 정적 헤드를 증가시키거나 흡입 라인 손실을 줄여 펌프의 입구 압력이 액체의 증기압보다 높아지도록 합니다.
유체 온도 낮추기: 액체의 온도를 낮추면 증기압이 낮아져 캐비테이션이 발생할 가능성이 줄어듭니다.
펌프 배치 최적화: 펌프를 유체 공급원에 더 가깝게 재배치하거나 흡입 헤드를 줄이기 위해 펌프를 낮추면 NPSHa를 증가시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
파이프 직경 증가: 더 큰 파이프를 사용하고 길이를 줄이면 압력 손실을 줄일 수 있습니다.
흐름을 원활하게 하기: 압력 변동을 줄이고 흐름 경로에 급격한 구부러짐이나 막힘을 최소화하면 캐비테이션을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
적절한 펌프를 선택하세요: 캐비테이션 조건을 피하기 위해 적용 분야에 적합한 펌프를 선택하세요.
장비 검사: 장비가 제대로 유지 관리되는지 확인하십시오. 펌프와 파이프에 장애물이나 손상이 있는지 확인하십시오.
제어 시스템 구현: 자동화된 제어 시스템을 사용하여 작동 조건을 관리하고 압력 변동을 최소화합니다.
특수 소재를 사용하세요: 캐비테이션이 불가피한 경우 캐비테이션 영향에 더 강한 재료를 사용하세요.
안티 캐비테이션 장치 설치: 시스템에 캐비테이션 방지 장치나 구성요소를 설치하는 것을 고려하세요.