덕트 설계

왜 배우는가: 국소배기장치의 성능은 후드에서 정해지지만, 현장에서 풍량이 설계값에 미치지 못하는 원인은 상당수가 덕트 치수와 접속 불량에 있다. 덕트 설계는 설계 고려사항과 법적 기준을 함께 묻는 문항으로 반복해서 출제되어 왔다.

출제 이력: 제128회 2교시 4번, 제111회 2교시 4번, 제101회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

덕트 설계는 후드가 포집한 오염물질을 반송속도 이상의 기류로 송풍기까지 이송하도록 덕트의 치수와 형상을 정하는 일이다. 국소배기장치는 후드, 덕트, 공기정화장치, 송풍기, 배기구의 다섯 요소로 구성되며, 덕트는 후드에서 공기정화장치와 송풍기까지 오염 공기를 실어 나르는 이송 통로이다. 덕트가 잘못 설계되면 후드가 설계 성능을 갖추었더라도 전체 배기 성능이 떨어진다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 반송속도: 입자가 덕트 바닥에 침강하지 않고 기류에 실려 이동할 수 있는 최소 풍속이다. 분진의 종류와 입경에 따라 요구되는 값이 달라진다.
• 정압: 덕트 내벽에 작용하는 압력으로, 송풍기가 극복해야 하는 저항의 크기를 나타낸다.
• 동압: 기류의 운동에너지에 해당하는 압력으로, 풍속의 제곱에 비례한다.
• 전압: 정압과 동압을 더한 값으로, 구간별 압력손실을 누적 계산할 때 기준이 된다.
• 곡관 반경: 덕트가 방향을 바꾸는 굴곡부의 중심 반경이며, 작을수록 난류와 압력손실이 커진다.
• 청소구: 덕트 내부에 쌓인 분진을 제거하기 위해 설치하는 점검·청소용 개구부이다.
• 접속부: 덕트 조각을 잇는 부위로, 누기와 내부 돌출부가 생기기 쉬운 곳이다.

2. 개념 풀이

정식 정의로 쓰면 덕트 설계는 후드 개구면에서 포집한 오염 공기를 공기정화장치를 거쳐 배출구까지 이송하도록 관로의 치수, 형상, 재질, 접속 방식을 정하여 목표 풍량과 반송속도를 확보하고 압력손실을 최소화하는 설계 행위이다. 이 정의에는 풍량 확보, 반송속도 유지, 압력손실 최소화의 세 조건이 함께 들어 있으며, 하나라도 빠지면 국소배기 성능은 기대한 값에 미치지 못한다.

원리는 연속의 법칙에서 출발한다. 관 내부를 흐르는 풍량은 단면적과 평균 풍속의 곱으로 정해지며, 식은 다음과 같다.

$Q = A × V$

Q는 풍량(m³/s), A는 덕트 단면적(m²), V는 평균 풍속(m/s)이다. 실무에서는 풍량을 분당 단위로 쓰므로 다음과 같이 환산한다.

$Q(m³/min) = 60 × A(m²) × V(m/s)$

기류의 동압은 공기 밀도와 풍속의 제곱에 비례하며, $P_v = ρ V² / 2$로 구한다. P_v는 동압(Pa), ρ는 공기 밀도(kg/m³), V는 풍속(m/s)이다.

풍량이 일정할 때 직경을 줄이면 풍속이 커져 반송속도는 확보되지만 마찰손실과 동압에 따른 압력손실이 빠르게 늘고 송풍기 동력도 커진다. 반대로 직경을 키우면 압력손실은 줄어들지만 풍속이 떨어져 분진이 덕트 바닥에 쌓인다. 따라서 덕트 설계는 반송속도의 하한과 압력손실의 상한 사이에서 직경을 정하는 균형 문제이다.

덕트 설계의 핵심은 반송속도를 확보하는 직경과 압력손실을 줄이는 직경 사이의 균형이다.

압력손실은 직관부의 마찰손실과 굴곡·분기·축소·확대부에서 생기는 국부손실을 합산하여 구한다. 굴곡부의 곡관 반경은 덕트 직경의 1.5배 정도로 하는 것이 일반적이며, 반경을 충분히 확보하기 어려우면 방향 전환 날개를 설치한다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 마찰손실: 관벽과 기류 사이의 마찰로 생기는 에너지 손실이며, 덕트 길이에 비례하고 풍속의 제곱에 비례하여 커진다.
• 국부손실: 곡관, 분기, 직경이 바뀌는 부위처럼 흐름 형상이 급변하는 곳에서 생기는 손실이며, 손실계수에 동압을 곱하여 구한다.
• 손실계수: 국부손실의 크기를 동압의 배수로 나타낸 무차원 계수로, 부속 형상에 따라 값이 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

국소배기장치는 오염원 가까이에서 유해물질을 포집하는 설비이다. 전체환기는 실내 전체를 희석하는 방식이어서 많은 배기량과 보충 공기가 필요하지만, 국소배기는 발생원에서 바로 제거하므로 적은 배기량으로 작업환경을 지킬 수 있다. 이 효율을 실제로 얻으려면 포집된 오염물질을 후드에서 공기정화장치까지 손실 없이 옮기는 덕트가 필요하다. 덕트 설계가 부실하면 후드의 설계 성능이 현장에서 재현되지 않으므로, 덕트는 후드 설계와 송풍기 선정 사이를 잇는 필수 단계로 다뤄진다.