액체의 기화(증발)

전항 "6-1. 캐비테이션에 대하여"의 맥주 예는, 액체 중에 녹아 있던 탄산가스가 압력 저하에 따라 액체 밖으로 나가는 것을 나타냅니다.

여기서는, "액체 중에 녹아 있는(용존) 가스가 나가는 것이 아니라, 액체 자체가 가스화(기화)될 수 있다"는 점에 대해 살펴봅시다.
맥주는 물, 알코올 그리고 탄산가스의 혼합물이지만, 이야기를 간단히 하기 위해 순수한 물을 예로 들겠습니다.

물은 100°C에서 비등합니다. 이는 일반 상식이 되어 있는데, 과연 사실일까요?
사실 100°C에서 비등한다는 것은, 주위 압력이 대기압(1기압=0.1013MPa)일 때에 한합니다.
물(좀 더 마이크로로 보면 수분자)에 열을 가하면 격렬히 운동하게 됩니다. 온도가 낮은 동안에는 수분자끼리 서로 손을 잡고 있지만, 온도가 어느 정도 이상이 되면 운동이 너무 격렬해져 손이 떨어지게 됩니다.
물이 비등하는 것은, 손이 떨어져 버린 수중의 분자(수증기)가 물 표면의 힘을 극복하고 대량으로 밖으로 튀어나오는 것입니다. 그리고 이때의 온도를 비점이라고 합니다.

(그림 1)과 같이 밀폐되지 않은(개방) 용기의 경우, 물 표면의 힘이라는 것은 공기의 압력(대기압)입니다.
여기서는 대기압(1기압)을 극복하고 물이 비등하기 시작하는 온도가 100°C라는 것입니다. 그리고 이 조건에서는, 일단 비등하기 시작하면 물이 완전히 없어질 때까지 온도는 100°C 그대로입니다.

(그림 2)와 같이 뚜껑을 씌워 밀폐 상태로 해 봅시다.
이 상태에서 열을 더욱 가하면, 뚜껑을 열었을 때와 달리 온도가 점점 상승하여 마침내 100°C를 넘게 됩니다. 밀폐 상태에서는 용기 내 가스의 압력이 상승하여 물 표면을 억누르기 때문에, 내부의 물은 100°C가 되어도 비등하지 않습니다.

구체적으로 말하면, 물은 대기압(0.1MPa)에서 약 100°C, 0.2MPa에서 약 120°C, 0.37MPa에서는 대략 140°C에서 비등합니다.
이 원리를 이용한 것에 압력솥이 있습니다.
이는 솥 내부를 고압(이라고 하더라도 대기압 +0.1MPa 이내)으로 함으로써, 100°C 이상의 온도로 밥을 짓는 것입니다. 이 결과, 단시간에 맛있는 밥을 지을 수 있게 됩니다.

그럼 이번에는 완전히 반대의 경우를 생각해 봅시다.
압력솥과는 반대로, 밀폐 용기 내의 압력을 점점 낮추는 것입니다. 그 방법으로, 진공 펌프로 용기 내의 공기를 뺍니다. (그림 3)

(그림 4)와 같이, 예를 들어 용기 내부의 압력을 -0.05MPa까지 저하시켰다고 합시다. 이 경우, 액면을 누르는 힘이 약해져 내부의 물은 비등하기 쉬워집니다. 즉, 비점이 내려가 100°C 이하의 온도에서 물이 비등하게 됩니다. 또한 당연하지만, 압력이 저하되면 될수록 비점도 내려갑니다.
구체적으로는, 물은 -0.05MPa에서 약 80°C, -0.08MPa에서 약 60°C, -0.09MPa에서는 대략 45°C에서 비등합니다.

다이아프램 펌프의 원리를 떠올려 보시기 바랍니다.
다이아프램 펌프의 다이아프램이 후방으로 이동할 때, 펌프 헤드 내부에 부압이 발생한다.

다이아프램 펌프의 펌프 헤드 내부에서는, (그림 4)와 동일한 일이 일어나고 있는 것입니다.
예를 들어 60°C의 물(온수)을 다이아프램 펌프로 이송하고 있는 경우, 만약 펌프 헤드 내부나 흡입측 배관에서 0.08MPa 정도의 압력 저하가 일어나면, 이 물은 비등하게 된다는 것입니다.
또한 펌프 내부에서 물이 비등한다는 것은 펌프 헤드 내부로 가스가 들어온다는 것이므로, 다이아프램 펌프로서의 효율이 대폭 저하됩니다.

이와 같이, 펌프의 펌프 헤드나 흡입측 배관 내부에서 압력이 저하(부압이 발생)함으로써 액이 가스화되는 것을 "캐비테이션 현상"이라고 합니다.

다이아프램 펌프의 맥동에 의한 관성 저항의 발생에 대해서는, "2-3. 맥동 관성저항"에 자세히 설명되어 있습니다. 토출측 관성 저항은 압력 증대를 가져왔지만, 흡입측 관성저항은 압력 강하를 초래하는 것입니다. 따라서, 흡입측 관성저항이 과대해지면 압력 강하가 커져 액체의 비점이 내려가서 기화되기 쉬워집니다. 즉, 캐비테이션 현상이 발생합니다.
"2-3. 脉动 惯性阻力"

캐비테이션 발생을 조장하는 요인으로는, 관성저항의 경우와 마찬가지로

• a)
  흡입 배관(호스)이 길수록 발생하기 쉽다.
• b)
  흡입 배관(호스) 내경이 가늘수록 발생하기 쉽다.
• c)
  스트로크(흡입) 속도가 빠를수록 발생하기 쉽다.
• d)
  펌프의 흡입 높이가 높을수록 발생하기 쉽다. (그림 1)

  

등을 들 수 있습니다.

이는 일반 다이아프램 펌프의 흡입측인 경우도, 2련식 스무즈플로우펌프의 흡입측인 경우도 동일하다고 할 수 있습니다. 단, 2련식 스무즈플로우펌프는 흡입 속도가 빠르기 때문에 맥동에 의한 관성저항은, 같은 토출량이라면 일반 다이아프램 펌프보다 더 커집니다. 즉, 2련식 스무즈플로우펌프는 배관 설계가 부적절하면 캐비테이션이 일어나기 쉽다는 것입니다.

또한, 캐비테이션 발생을 조장하는 요인으로 a) b) c) d) 외에 다음을 들 수 있습니다. 이는 액체의 성질에 기인하는 것입니다.

• e)
  액체 온도가 높을수록 발생하기 쉽다.
• f)
  기화되기 쉬운(비점이 낮다: 휘발성이 있다) 액체일수록 발생하기 쉽다. 예를 들면 메탄올, 아세톤 등의 저분자량의 유기용제.