원심형 송풍기

왜 배우는가: 산업환기 설계에서 송풍기는 필요한 압력과 풍량을 함께 맞춰야 하므로 형식별 원리를 알아야 한다. 원심형 송풍기는 종류 구분과 특성, 성능곡선을 함께 묻는 기본 주제이다.

출제 이력: 제137회 2교시 3번, 제110회 2교시 1번, 제93회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

원심형 송풍기는 회전차의 원심력으로 공기를 바깥쪽으로 밀어내 압력을 높이는 송풍기이다.

원심형 송풍기는 공조장치, 보일러 공기 공급, 분진 집진설비 등 일정 이상의 압력이 필요한 곳에 널리 쓰인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 원심력: 회전차가 기체에 주는 반지름 방향의 힘이며, 압력 상승의 근원이 된다.
• 회전차(임펠러): 축에 고정된 날개 집합체로, 공기를 흡입해 바깥으로 보낸다.
• 케이싱(스크롤): 회전차를 감싸는 나선형 외곽으로, 속도압을 정압으로 바꾼다.
• 정압·동압·전압: 송풍기 성능을 나타내는 세 가지 압력이다.
• 다익형: 날개가 회전 방향으로 기울어 풍량이 많은 형식이다.
• 터보형: 날개가 회전 반대 방향으로 굽어 효율이 높은 형식이다.
• 플레이트형: 날개가 반지름 방향으로 곧게 뻗어 분진에 강한 형식이다.

2. 개념 풀이

원심형 송풍기(Centrifugal fan)는 케이싱 안에 설치된 회전차가 회전하면서 기체에 원심력을 주어 기체를 압송하는 기계이다. 회전차 중심 부근의 흡입구로 들어온 공기는 날개 사이를 지나며 반지름 방향으로 밀려나고, 나선형 케이싱을 따라 토출구로 나간다. 흡입은 축 방향으로 이루어지고 토출은 축에 수직인 방향으로 이루어지는 것이 이 형식의 특징이다.

원리는 두 단계로 설명한다. 첫째, 회전차의 원심력이 기체에 정압을 준다. 둘째, 케이싱의 단면이 점점 넓어지면서 기체의 속도가 줄고, 줄어든 속도압의 일부가 정압으로 바뀐다. 이 때문에 원심형은 같은 풍량에서 축류형보다 높은 압력을 낼 수 있다. 회전차가 돌면 날개 사이의 기체는 외곽으로 밀려나고 중심부는 압력이 낮아져 주변 공기를 계속 빨아들인다. 이 흡입 작용이 연속으로 이어져 공기 흐름이 유지되며, 흡입 측 압력 강하와 토출 측 압력 상승이 동시에 일어나는 것이 송풍 원리이다.

회전차 날개의 굽은 방향은 기체가 날개를 떠나는 속도 성분을 정하므로 압력과 효율을 가르는 핵심 요소이다. 날개가 회전 방향으로 굽으면 같은 회전수에서 많은 풍량을 얻고, 회전 반대 방향으로 굽으면 효율이 높고 고속 운전에 유리하다. 이 차이가 원심형을 세 가지 형식으로 나누는 기준이 된다. 원심형의 공기 흐름은 회전차 입구와 출구에서 방향이 크게 바뀌므로 케이싱 안에서 소용돌이가 생길 수 있다. 이를 줄이기 위해 케이싱의 형상과 혀(cutoff)의 위치를 함께 설계한다.

송풍기의 압력은 세 가지로 구분한다. 정압은 기체가 덕트 벽면에 작용하는 압력이고, 동압은 기체 흐름 속도에 따른 압력이다. 전압은 정압과 동압의 합이며 식으로 쓰면 다음과 같다.

$P_t = P_s + P_v$

여기서 P_t는 전압, P_s는 정압, P_v는 동압이며 모두 Pa 단위이다. 동압은 P_v = ho v^2 / 2로 구하고, $ ho는 공기 밀도(kg/m³), v$는 흐름 속도(m/s)이다. 동압은 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 두 배가 되면 동압은 네 배가 된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 회전차: 축에 고정된 날개 집합체이며 원심력을 발생시키는 부품이다.
• 케이싱: 회전차를 감싸는 나선형 외곽이며, 토출 방향으로 넓어지는 단면이 속도압을 정압으로 바꾼다.
• 정압: 기체가 관 벽에 가하는 압력이며 송풍기가 덕트 저항을 이기는 데 쓰인다.
• 동압: 기체 흐름의 속도에 따른 압력이며 속도의 제곱에 비례한다.
• 전압: 정압과 동압의 합이며 송풍기가 기체에 준 전체 압력을 나타낸다.

3. 등장 배경과 필요성

국소배기장치는 유해물질을 발생원에서 포집해 외부로 내보내는 설비이다. 이 과정에서 공기는 후드, 덕트, 공기정화장치를 차례로 지나며 압력손실을 겪는다. 송풍기는 이 손실을 이기고 필요한 풍량을 흘려보내야 하므로 설계에서 송풍기의 압력 능력을 먼저 확인해야 한다. 후드 흡인 속도가 떨어지는 현상은 송풍기 압력이 시스템 저항을 이기지 못할 때 흔히 나타난다.

축류형 송풍기는 회전축 방향으로 공기를 밀어내는 방식이어서 풍량은 많지만 압력은 낮은 편이다. 덕트와 정화장치가 길고 저항이 큰 계통에서는 이 압력으로 부족하므로, 압력을 높일 수 있는 원심형이 쓰인다. 원심형이 존재하는 이유는 같은 풍량에서 더 큰 압력을 내는 데 있다.