송풍기 선정·풍량조절

왜 배우는가: 송풍기는 국소배기장치의 풍량과 정압을 결정하는 핵심 장비이다. 선정 원리와 풍량조절 원리를 알아야 설계 오류를 막고 운전 중 성능 저하를 진단할 수 있다. 시험에서는 선정 절차와 풍량조절법을 나열하는 형태로 묻는다.

출제 이력: 제111회 2교시 3번, 제101회 1교시 10번, 제95회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

송풍기 선정은 요구 풍량과 시스템 정압을 동시에 만족하는 송풍기의 형식·크기·회전수·동력을 정하는 일이다. 풍량조절은 설치 후 운전 중에 송풍기의 풍량을 필요한 값으로 바꾸는 조작이다.

송풍기 선정과 풍량조절은 국소배기장치 설계에서 서로 맞물리는 주제이다. 선정은 설계 단계에서 한 번 결정되고, 풍량조절은 운전 단계에서 그 결정을 현장 조건에 맞춰 다시 맞추는 일이다. 두 내용을 이해하려면 아래 키워드의 뜻을 먼저 정확히 잡아야 한다.

• 송풍기: 임펠러의 회전 운동으로 공기에 에너지를 주어 풍량과 압력을 얻는 기계이다.
• 정압: 덕트 벽에 작용하는 정적 압력이며, 시스템 저항을 이겨내는 데 쓰이는 압력이다.
• 동압: 공기 흐름의 운동 에너지에 해당하는 압력이며, 전압에서 정압을 뺀 값이다.
• 동작점: 송풍기 특성곡선과 시스템 저항곡선이 만나는 점으로, 실제 풍량과 정압이 정해지는 점이다.
• 풍량조절: 댐퍼 개도, 회전수, 흡입베인 등을 바꿔 동작점을 옮기는 방법이다.
• 서징: 풍량이 작은 불안정 영역에서 풍량과 압력이 주기적으로 맥동하는 현상이다.
• 흡입상태 환산: 표준 공기 기준으로 된 선정값을 실제 흡입 가스 조건의 풍량과 압력으로 바꾸는 계산이다.

이 키워드들은 송풍기 특성곡선과 시스템 저항곡선을 한 그림에 놓고 읽는 데 필요하다. 특히 동작점, 서징, 흡입상태 환산은 선정 절차와 풍량조절법을 설명하는 근거가 되므로 뜻을 혼동하지 않아야 한다.

2. 개념 풀이

송풍기는 임펠러의 회전 운동으로 공기에 에너지를 가해 풍량과 압력을 얻는 기계이다. 흡입구와 토출구의 압력비가 1.1 미만이면 팬(fan), 1.1 이상 2.0 미만이면 블로어(blower)로 분류하며, 이를 통칭하여 송풍기라 한다. 국소배기장치에서는 원심형 송풍기를 주로 쓰므로 이후 설명은 원심형을 중심으로 한다.

송풍기가 낼 수 있는 풍량과 압력의 관계는 특성곡선으로 나타낸다. 일정 회전수에서 풍량을 가로축, 정압·전압·효율·축동력을 세로축에 놓고 그린 곡선이다. 풍량이 늘면 축동력은 급상승하고 정압은 감소하며, 효율은 어느 한계까지 오르다가 내려간다. 전압곡선과 정압곡선의 간격이 동압에 해당한다.

덕트, 후드, 공기정화장치가 만드는 압력손실은 풍량의 제곱에 비례한다. 이 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$P_{loss}=K Q^{2}$

P_loss는 시스템 압력손실(Pa), Q는 풍량(㎥/s), K는 덕트·후드·정화장치를 합친 저항계수(Pa·s²/㎥²)이다. 이 식을 풍량-압력 평면에 그리면 원점을 지나는 포물선이 되며, 이를 시스템 저항곡선이라 한다.

실제 풍량은 송풍기 특성곡선과 시스템 저항곡선이 만나는 동작점에서 정해진다. 동작점이 송풍기 효율이 높은 구간에 놓이도록 기종과 크기를 고르는 것이 선정의 핵심이다. 설계 풍량과 동작점이 어긋나면 풍량이 부족하거나 과다해지며, 그 차이를 보정하는 것이 풍량조절이다.

특성곡선에서 압력이 최고가 되는 점보다 풍량이 작은 영역은 불안정하다. 이 영역에서 운전하면 서징이 일어나 풍량과 압력이 주기적으로 맥동하고 진동과 소음이 커진다. 반대로 풍량이 지나치게 커지면 축동력이 급증하는 오버로드 영역에 들어가 전동기 용량을 넘을 수 있다. 따라서 운전 풍량은 서징 영역과 오버로드 영역 사이의 안정 구간에 있어야 한다.

회전수를 N₁에서 N₂로 바꾸면 풍량은 회전수에 비례하고, 정압은 회전수의 제곱에 비례하며, 축동력은 회전수의 세제곱에 비례한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$Q_2/Q_1=N_2/N_1$

$P_2/P_1=(N_2/N_1)^{2}$

$L_2/L_1=(N_2/N_1)^{3}$

여기서 Q는 풍량, P는 정압, L은 축동력, N은 회전수이다. 동력이 세제곱으로 변하므로 회전수 제어는 댐퍼로 풍량을 줄이는 방법보다 동력 절감 효과가 크다.

선정표의 풍량은 흡입 상태의 풍량으로 표시되고, 압력은 표준 공기(20℃, 760mmHg, 비중량 1.2kgf/㎥) 기준의 정압으로 표시되는 것이 일반적이다. 기준상태(0℃, 760mmHg)의 풍량으로 계획했다면 흡입 상태 풍량으로 환산해 선정한다. 흡입 가스가 표준 공기와 다르면 압력도 표준 상태로 환산해야 하며, 이 두 환산을 빠뜨리면 선정한 송풍기의 성능이 실제 조건과 어긋난다.