송풍기 종류·효율

왜 배우는가: 송풍기는 제연설비, 환기설비, 집진설비 등 거의 모든 기계 설비에 쓰이므로 형식과 효율을 함께 알아야 설계와 선정이 가능하다. 원심형과 축류형의 차이와 효율의 정의는 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제127회 4교시 6번, 제89회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의

송풍기는 날개의 회전으로 공기에 압력과 속도를 주어 이송하는 기계이며, 공기 흐름 방향에 따라 원심형과 축류형으로 나뉜다.

핵심 키워드

• 원심송풍기(Centrifugal Fan): 공기가 축방향으로 들어와 반경방향으로 토출되는 송풍기
• 축류송풍기(Axial Fan): 공기가 회전축과 나란한 방향으로 흐르는 송풍기
• 전압효율(Total Efficiency): 공기가 얻은 전압을 축동력으로 나눈 값
• 정압효율(Static Efficiency): 공기가 얻은 정압을 축동력으로 나눈 값
• 축동력: 모터가 송풍기 축에 공급하는 동력
• 공기동력: 풍량과 전압의 곱으로 나타내는 공기가 얻은 동력
• 표준흡입상태: 성능을 비교하기 위해 정한 흡입 공기 조건

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 송풍기는 공기를 밀어 보내는 기계다. 선풍기, 주방 환기팬, 건물의 급기·배연 장치가 모두 여기에 속한다. 종류를 가르는 기준은 공기가 날개를 지나며 흐르는 방향이다.

정식으로는 송풍기를 임펠러(날개차)의 회전으로 기체에 속도와 압력 에너지를 주어 토출측 압력을 흡입측보다 높이는 유체기계로 정의한다. 날개 방향 기준으로는 원심형과 축류형으로 나뉜다. 압력 크기 기준으로 송풍기와 압축기를 구분하는 방법도 있으나 기준마다 경계 수치가 달라 답안에서는 날개 방향 분류를 기본으로 쓴다.

정압은 흐름 방향에 수직인 벽에 작용하는 압력이다. 동압은 공기 속도 때문에 생기는 속도압이며 속도의 제곱에 비례한다. 전압은 두 값의 합이다.

$P_t = P_s + P_v$

P_t: 전압[Pa], P_s: 정압[Pa], P_v: 동압[Pa]. 전압은 송풍기 토출구와 흡입구의 전압 차로 표시한다.

원심송풍기는 임펠러 바깥으로 공기를 던져 원심력으로 압력을 올린다. 그래서 정압 상승이 크다. 축류송풍기는 회전 날개가 공기에 접선 방향 힘을 주어 축방향 속도를 키운다. 이때 속도 에너지가 주로 늘어 동압 비중이 크고 정압 상승은 작다. 이 차이가 두 형식의 용도를 가른다.

원심형은 공기 유입 방식과 날개 형태에 따라 더 나뉜다. 유입 방식으로는 단흡입형과 양흡입형이 있고, 날개 형태로는 후향 날개형, 전향 날개형, 방사형, 에어포일형이 있다. 축류형은 날개 수와 정류 날개(스테이터) 유무, 날개 각도 가변 여부로 나뉜다.

효율은 공기가 실제로 얻은 에너지와 모터가 공급한 에너지의 비다. 공기가 얻은 동력은 풍량과 전압의 곱으로 계산한다. 전압효율은 전압을, 정압효율은 정압을 대입한다. 정압은 전압보다 동압만큼 작으므로 정압효율은 전압효율보다 작거나 같다.

$\eta_t = \frac{Q \cdot P_t}{L}, \qquad \eta_s = \frac{Q \cdot P_s}{L}$

Q: 풍량[m³/s], P_t·P_s: 전압·정압[Pa], L: 축동력[W]. 효율은 같은 풍량을 얼마나 적은 동력으로 보냈는지 나타내는 지표다.

계산 예로 풍량 2m³/s, 전압 300Pa, 축동력 1,000W인 송풍기의 전압효율을 구한다. 공기동력은 2×300=600W이다. η_t = 600/1,000 = 0.6, 즉 60%다. 일반 송풍기 효율 범위 안의 값이므로 상식 범위다.

3. 등장 배경과 필요성

기계 환기와 공기조화가 건축물 전반에 쓰이면서 공기를 일정한 풍량과 압력으로 보내는 장치가 필요해졌다. 공장 집진, 공정 배기, 냉난방 덕트가 대표적인 사례다. 같은 풍량이라도 덕트 저항이 다르면 필요한 압력이 달라지므로 송풍기 형식을 골라야 한다.

소방에서는 제연·급기 송풍기가 제연구역 차압과 방연풍속을 맞춰야 한다. 풍량이 부족하면 연기가 넘어가고, 과하면 출입문 개방력이 커져 피난을 방해한다. 따라서 선정 순서는 필요 풍량과 전압으로 형식을 정하고, 효율로 모터 용량과 운전비를 정하는 것이다.

송풍기 선정은 풍량·전압으로 형식을, 효율로 동력을 정한다.

형식 선택의 근거는 저항 특성이다. 저압 대풍량에는 축류형이 맞고, 덕트 저항이 큰 곳에는 원심형이 맞다. 프로펠러형 축류송풍기는 저압에 쓰인다. 튜브축류형은 송풍기를 원통 안에 넣어 높은 압력을 낸다. 튜브축류형은 응축성 연기나 분진이 섞인 공기에 적합하다.

효율이 높으면 같은 풍량을 적은 축동력으로 보내므로 운전비와 모터 용량이 줄어든다. 송풍기 성능 시험은 관련 시험방법에 따라 실시하는 것이 일반적이다. 설계 단계에서는 효율 곡선이 운전점과 가까운 형식을 고르는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

송풍기는 회전하는 임펠러(날개차)가 공기에 에너지를 주어 압력을 높이는 기계다. 원심송풍기는 공기가 축방향으로 흡입되어 날개 사이를 지나며 원심력으로 반경방향으로 토출된다. 축류송풍기는 날개의 회전력과 양력으로 공기를 축과 나란한 방향으로 밀어낸다. 원심형은 적은 풍량에서도 높은 압력을 얻고, 축류형은 큰 풍량을 낮은 압력으로 보내는 데 적합하다.

원심송풍기는 케이싱 안의 임펠러와 나선형 케이싱으로 구성된다. 공기는 임펠러 중심에서 흡입되어 외주에서 토출되고, 케이싱이 동압을 정압으로 바꾸는 역할을 한다. 축류송풍기는 날개차와 원통형 덕트로 구성되며, 정익(안내 날개)을 더하면 압력 성능이 높아진다.

원리는 다음 세 식으로 정리한다. 전압은 정압과 동압의 합이며, 공기동력은 풍량과 전압의 곱이다.

$P_T = P_S + P_V$

$L_a = Q \times P_T$

$\eta_T = \frac{L_a}{L}, \quad \eta_S = \frac{Q \times P_S}{L}$

여기서 P_T는 전압(Pa), P_S는 정압(Pa), P_V는 동압(Pa), Q는 풍량(㎥/s), L은 축동력(kW), L_a는 공기동력(kW)이다. 공기동력은 Pa·㎥/s를 1,000으로 나눠 kW로 환산한다.

성능 시험 절차는 다음과 같다.

• 송풍기를 시험 덕트에 연결하고 회전수를 설정한다.
• 댐퍼 개도를 바꿔 풍량을 단계별로 변화시킨다.
• 각 점에서 풍량 Q, 정압 P_S, 축동력 L을 측정한다.
• 동압과 전압을 구하고 L_a, \eta_T, \eta_S를 계산한다.
• 풍량에 대한 압력·동력·효율 곡선(송풍기 특성곡선)을 작성한다.

효율은 전효율과 정압효율을 구분하고, 기준 압력과 분모 동력을 명시해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

송풍기 성능은 시험 방법과 표준 상태를 함께 정해야 비교가 가능하다. 국내 송풍기 시험은 송풍기 시험방법을 기준으로 한다는 것이 교육 자료에 나온다. 표준 흡입상태는 송풍기 사양에 별도 명기가 없으면 적용하는 기준 상태다. 게이지 압력에 따른 분류는 다음과 같이 쓴다.