압력 맥동 설명: 포괄적인 가이드

압력 맥동은 다양한 산업 응용 분야에서 상당한 문제를 일으킵니다. 이러한 진동을 방치하면 과도한 진동, 소음, 효율성 저하, 심지어 치명적인 장비 고장으로 이어질 수 있습니다.

이 포괄적인 가이드에서는 기계 산업에서 압력 맥동의 원인과 결과를 자세히 살펴봅니다. 그런 다음 이러한 문제를 완화하기 위한 입증된 솔루션과 모범 사례를 살펴보고, 최고의 성능과 안정성을 위해 시스템을 최적화하는 데 도움을 드립니다.

압력 맥동이란 무엇입니까?

압력 맥동은 유체 시스템, 특히 펌프, 압축기 또는 터빈이 있는 시스템에서 발생하는 압력의 주기적 변동입니다. 이러한 압력 변화는 시스템의 정상 작동 압력에 중첩되며 진폭은 수 밀리바에서 여러 바까지 다양할 수 있습니다.

압력 맥동은 정상 상태 압력 변화 또는 압력 서지와 다릅니다. 정상 상태 변화는 전체 시스템 압력의 비교적 느리고 점진적인 변화입니다. 반면 압력 서지는 밸브 폐쇄 또는 펌프 시동과 같은 이벤트로 인해 발생하는 갑작스럽고 고진폭 스파이크입니다. 서지는 일시적인 이벤트인 반면 맥동은 원인 메커니즘(예: 펌프)이 작동하는 한 지속되는 지속적인 진동입니다.

압력 맥동의 원인

왕복 펌프 및 압축기

압력 맥동의 가장 흔한 원인 중 하나는 다음을 사용하는 것입니다. 왕복 펌프 그리고 압축기. 이 장치는 피스톤이나 플런저의 순환 운동을 통해 유체를 변위시켜 작동합니다. 피스톤이 앞뒤로 움직이면서 흡입과 배출 단계가 번갈아가며 발생하여 흐름과 압력에 내재적인 변동이 발생합니다.

용적식 펌프

기어 펌프, 스크류 펌프, 베인 펌프를 포함한 양적 변위 펌프도 압력 맥동에 기여할 수 있습니다. 이러한 펌프는 불연속적인 유체 부피를 가두고 이동시켜 흐름 리플과 압력 변동을 초래할 수 있으며, 특히 펌프 배출구에서 그렇습니다.

파이프 레이아웃

확장이나 수축과 같은 파이프 직경의 급격한 변화는 흐름 교란과 압력 변동을 일으킬 수 있습니다. 길고 직선적인 파이프는 맥동이 전파되고 증폭될 수 있는 반면, 굽힘과 엘보우는 압력파를 반사하여 간섭 패턴을 초래할 수 있습니다. 파이프 지지대와 앵커의 위치와 간격도 시스템의 맥동에 대한 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.

압력 용기 및 탱크

시스템의 압력 용기와 탱크는 맥동 흐름과 상호 작용하여 맥동을 증폭하거나 감쇠시킬 수 있습니다. 맥동 주파수가 용기 또는 탱크의 고유 주파수와 일치하면, 공명 과도한 진동과 잠재적인 손상으로 이어질 수 있습니다.

난류 및 와류 방출

유체가 장애물을 지나거나 복잡한 기하 구조를 통과할 때 주기적으로 흘러내리는 국부적인 와류와 소용돌이를 생성할 수 있습니다. 이러한 흐름 불안정성은 파이프 벽에 변동하는 힘을 생성하여 압력 맥동을 유발합니다.

워터 해머(빠른 밸브 폐쇄)

빠른 밸브 폐쇄 또는 펌프 시동/정지는 수격 현상으로 알려진 현상을 유발할 수 있습니다. 움직이는 유체가 갑자기 멈추거나 방향을 바꾸도록 강제되면 음속으로 시스템을 통과하는 압력파가 생성됩니다. 이 압력 서지는 정상 작동 압력보다 몇 배 더 높을 수 있으며, 잠재적으로 파이프, 밸브 및 기타 구성 요소에 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다.

흐름 방향/속도의 변화

흐름 방향이나 속도의 급격한 변화는 압력 맥동을 생성할 수 있습니다. 이는 유체가 경로나 속도를 변경하도록 강제되는 파이프 굽힘, 티 또는 리듀서에서 발생할 수 있습니다. 그 결과 흐름 교란은 시스템 전체에 전파될 수 있는 국부적인 압력 변동을 생성합니다.

공명

공명은 압력 맥동의 주파수가 배관 시스템 또는 그 구성 요소의 고유 주파수와 일치할 때 발생합니다. 공명 조건에서 맥동은 상당히 증폭되어 과도한 진동, 소음 및 잠재적인 구조적 손상으로 이어질 수 있습니다. 공명의 위험은 길고 지지되지 않은 파이프 스팬, 낮은 감쇠 또는 여기 주파수와 음향 또는 구조적 고유 주파수 사이의 일치가 있는 시스템에서 더 높습니다.

유체 특성

운반되는 유체의 특성도 압력 맥동 거동에 영향을 미칠 수 있습니다. 주요 유체 특성은 다음과 같습니다.

• 밀도: 밀도가 높은 유체는 관성이 더 크기 때문에 흐름이 교란되면 압력 변동이 더 심해질 수 있습니다.
• 점도: 점도가 높은 유체는 흐름에 대한 저항이 커지고 에너지를 소산시키는 능력이 커져 압력 맥동을 억제하는 경향이 있습니다.
• 압축성: 가스와 같은 압축성 유체는 비압축성 액체에 비해 압력 맥동에 더 취약합니다. 압축성으로 인해 압력파가 더 쉽게 전파되고 더 높은 맥동 진폭으로 이어질 수 있습니다.

제어되지 않는 압력 맥동의 결과

진동

과도한 진동은 제어되지 않은 압력 맥동의 가장 흔한 결과 중 하나입니다. 변동하는 압력파는 파이프, 밸브 및 기타 구성 요소에 기계적 진동을 유발할 수 있습니다. 이러한 진동은 장비의 마모를 증가시킬 뿐만 아니라 시스템의 구조적 무결성에 위험을 초래합니다.

소음

압력 맥동은 종종 가청 소음으로 나타나는데, 특히 흐름 속도가 빠르거나 압력 변화가 빠른 시스템에서 그렇습니다. 난류와 캐비테이션 맥동하는 흐름에 의해 생성되는 소리는 낮은 울림에서 높은 음조의 휘파람 소리까지 다양한 주파수의 소음을 생성할 수 있습니다.

효율성 손실

맥동 흐름과 관련된 에너지는 원하는 유체 전달에 기여하지 않으므로 본질적으로 낭비됩니다. 이 에너지 손실은 펌프와 압축기의 전력 소비 증가로 나타나 운영 비용이 높아집니다. 또한 맥동으로 인한 난류 및 흐름 중단은 열교환기, 필터 및 기타 공정 장비의 효율성을 떨어뜨려 시스템 효율성을 더욱 저하시킬 수 있습니다.

장비 손상

아마도 제어되지 않은 압력 맥동의 가장 심각한 결과는 장비 손상의 가능성일 것입니다. 변동하는 압력에 의해 부과되는 반복적인 응력 사이클은 다양한 구성 요소의 가속된 마모와 조기 고장으로 이어질 수 있습니다.

• 씰, 개스킷 및 게이지: 순환적 하중은 씰과 개스킷이 더 빨리 열화되어 누출과 시스템 무결성 손실이 발생할 수 있습니다. 압력 게이지와 기타 계측기도 맥동 압력으로 인해 손상되어 부정확한 판독 또는 완전한 고장이 발생할 수 있습니다.
• 부식: 압력 맥동과 관련된 난류 흐름 패턴은 침식을 가속화할 수 있으며, 특히 흐름 방향이나 속도가 갑자기 변하는 영역에서 그렇습니다. 시간이 지남에 따라 이 침식은 파이프 벽을 얇게 만들고, 누수를 만들고, 심지어 파열로 이어질 수도 있습니다.
• 캐비테이션: 압력 맥동이 심한 경우, 국부적인 압력 강하로 인해 캐비테이션이라고 알려진 증기 거품이 형성되고 붕괴될 수 있습니다. 이러한 거품의 폭발은 표면을 침식하고 파고들어 임펠러, 밸브 및 기타 구성 요소에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 고강도 충격파를 생성합니다.
• 파이프라인 파열: 극단적인 상황에서는 압력 맥동으로 인한 진동, 침식, 피로가 결합된 효과로 인해 파이프라인 파열이 발생할 수 있습니다.

솔루션

맥동 감쇠기

맥동 감쇠 장치 유체 시스템의 압력 변동을 줄이기 위해 설계된 장치입니다. 일반적으로 압력 용기 내부의 가스 충전 방광 또는 다이어프램으로 구성됩니다. 유체 압력이 증가함에 따라 가스가 압축되어 압력 스파이크를 흡수합니다. 압력이 떨어지면 가스가 팽창하여 하류 압력을 보다 일정하게 유지합니다.

맥동 감쇠기는 펌프 배출구나 밸브 근처와 같이 맥동 원인에 가깝게 설치하여 시스템을 통한 맥동 전달을 최소화합니다.

서지 억제기

서지 억제기, 충격 방지기 또는 수격 어레스터는 수격 현상과 관련된 갑작스러운 압력 스파이크를 흡수하도록 설계되었습니다. 밸브가 빠르게 닫히는 동안 서프레서는 제한된 유체가 팽창 챔버로 흐르도록 하여 압력 서지를 완화합니다.

서지 억제기는 일반적으로 파이프 끝부분과 신속 폐쇄 밸브 근처에 설치됩니다.

계단형 베인 임펠러

을 위한 원심 펌프, 베인이 엇갈린 임펠러를 사용하면 압력 맥동을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 기존 임펠러에서 베인은 균일하게 간격을 두고 있어 각 베인이 볼류트 텅을 통과할 때 압력 맥동이 발생합니다. 베인을 불균일한 간격으로 엇갈리게 배치하면 압력 맥동이 더 균일하게 분산되어 전체 맥동 진폭이 줄어듭니다.

계단형 베인 임펠러는 펌프의 블레이드 통과 주파수에서 맥동을 줄이는 데 가장 효과적입니다. 맥동을 완전히 제거하지는 않지만 상당히 줄일 수 있습니다. 진동 소음 문제도 있고요.

펌프 설계

최고 효율 지점(BEP)에서 멀리 떨어진 곳에서 작동하는 대형 펌프는 흐름 불안정성과 맥동이 더 많이 발생합니다. 원하는 유량에서 BEP에 가깝게 작동하는 펌프를 선택하면 맥동을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

을 위한 양정 변위 펌프, 하나의 큰 펌프 대신 여러 개의 작은 펌프를 병렬로 사용하면 맥동 진폭을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 트리플렉스 펌프는 더 부드러운 흐름 전달로 인해 심플렉스 또는 듀플렉스 설계보다 맥동이 낮은 경향이 있습니다.

대안적 접근 방식

어떤 경우에는 배관 시스템을 간단히 변경하여 맥동을 완화할 수 있습니다.

• 오리피스 플레이트: 맥동원 하류에 오리피스 판을 설치하면 압력 강하가 발생하여 맥동 에너지를 소산시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 유연한 호스 및 팽창 조인트: 맥동원 근처에 유연한 연결을 사용하면 나머지 배관 시스템에서 진동을 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다. 팽창 조인트는 파이프 움직임과 열 성장을 수용하는데, 그렇지 않으면 높은 응력과 고장으로 이어질 수 있습니다.

운영 조정

하드웨어 솔루션 외에도 시스템 작동을 조정하면 압력 맥동을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 펌프 속도 제어: 펌프를 저속으로 작동시키면 맥동 주파수와 진폭이 감소합니다. 가변 주파수 드라이브를 사용하면 펌프가 저수요 기간 동안 저속으로 작동할 수 있습니다.
• 멀티 펌프 페이징: 다중 펌프 설치의 경우 각 펌프의 위상각을 조정하여 맥동이 동기화되지 않도록 하면 하류 맥동을 최소화하는 데 도움이 됩니다.