송풍기
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1. 개요
송풍기는 공기 또는 기타 가스를 이동시키는 데 사용되는 기계 장치이다. 1556년 게오르기우스 아그리콜라가 저서 《De Re Metallica》에서 원심형 송풍기를 최초로 언급하며 광산 환기에 사용된 것이 시초이다. 송풍기는 작동 원리, 압력, ASME 기준에 따라 분류되며, 원심 팬, 임펠러, 구동 메커니즘 등으로 구성된다. 성능은 풍량, 정압, 효율 등으로 평가되며, AMCA 표준에 따라 테스트된다. 송풍기는 HVAC 시스템, 광산, 산업 설비 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 송풍기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 유체 기계 |
| 작동 방식 | 유체가 회전하는 임펠러에서 방사형으로 흐르도록 힘을 가함 |
| 용도 | HVAC 시스템 산업 공정 공기 오염 제어 시스템 |
| 작동 원리 | |
| 작동 원리 설명 | 원심 팬은 회전 임펠러를 사용하여 가스 또는 공기에 운동 에너지를 전달하고, 이는 다시 압력 증가로 변환되어 유체를 움직임 |
| 압력 생성 | 팬 케이싱의 형태와 임펠러의 설계가 압력 생성에 중요한 역할 수행 |
| 구성 요소 | |
| 임펠러 | 회전 날개로 구성되어 있으며, 공기 또는 가스를 가속화하는 역할 |
| 케이싱 | 임펠러를 둘러싸고 공기 흐름을 안내하는 하우징 |
| 흡입구 및 배출구 | 팬으로 들어오고 나가는 공기 흐름을 위한 개구부 |
| 구동 메커니즘 | 일반적으로 전기 모터로, 임펠러의 회전을 제공 |
| 유형 | |
| 에어포일 팬 | 고효율을 위해 설계된 에어포일 블레이드 사용 |
| 곡선형 블레이드 팬 | 전진 또는 후진 곡선형 블레이드를 사용하여 다양한 성능 특성을 제공 |
| 레이디얼 블레이드 팬 | 고압 응용 분야에 적합하며, 먼지가 많은 환경에서도 사용 가능 |
| 인라인 원심 팬 | 덕트 시스템 내에 설치되도록 설계 |
| 성능 특성 | |
| 풍량 | 팬이 특정 시간 동안 이동시킬 수 있는 공기의 양 |
| 정압 | 팬이 공기 흐름에 대해 생성할 수 있는 압력 |
| 효율 | 팬이 공기 흐름을 움직이는 데 사용하는 에너지의 양 |
| 소음 수준 | 작동 중에 팬에서 발생하는 소리의 양 |
| 응용 분야 | |
| HVAC (난방, 환기 및 공조) 시스템 | 건물 전체에 공기를 순환시키고 환기를 제공 |
| 산업 공정 | 건조기, 오븐 및 보일러와 같은 다양한 산업 응용 분야에서 공기 또는 가스를 이동 |
| 공기 오염 제어 시스템 | 오염 물질을 제거하기 위해 공기에서 입자 및 가스를 추출 |
| 환기 시스템 | 주차장 및 터널과 같은 밀폐된 공간에서 신선한 공기를 제공하고 오염된 공기를 제거 |
| 냉각 시스템 | 전자 장비 및 기계에서 열을 제거 |
| 장점 | |
| 효율성 | 특정 작동 조건에서 높은 효율성을 제공 가능 |
| 다재다능함 | 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 크기와 구성으로 제공 |
| 신뢰성 | 견고한 설계로 긴 서비스 수명과 최소한의 유지 보수 제공 |
| 압력 기능 | 중간에서 높은 압력을 생성 가능 |
| 단점 | |
| 크기 | 축류 팬보다 크고 무거울 수 있음 |
| 비용 | 축류 팬보다 초기 비용이 더 높을 수 있음 |
| 소음 | 특정 설계 및 작동 조건에서 소음이 더 클 수 있음 |
| 유지 보수 | |
| 정기 점검 | 마모되거나 손상된 부품을 점검 |
| 청소 | 블레이드 및 하우징에서 먼지와 잔해물을 제거 |
| 윤활 | 제조업체의 지침에 따라 베어링 및 기타 움직이는 부품을 윤활 |
| 균형 조정 | 과도한 진동을 방지하기 위해 임펠러의 균형을 조정 |
| 설치 고려 사항 | |
| 공간 요구 사항 | 팬의 크기 및 위치에 적합한 충분한 공간이 있는지 확인 |
| 덕트 연결 | 효율적인 공기 흐름을 위해 덕트 시스템에 적절하게 연결 |
| 진동 격리 | 소음과 진동을 줄이기 위해 격리 장치를 사용 |
| 전기 연결 | 안전하고 안정적인 작동을 위해 적절한 전원 공급 장치에 연결 |
| 기타 | |
| 축류 팬과의 비교 | 원심 팬은 축류 팬에 비해 더 높은 압력을 생성할 수 있지만, 일반적으로 풍량이 낮음 |
2. 역사
1556년 게오르그 파우어(la)는 저서 《De Re Metallica》에서 원심형 송풍기를 최초로 언급했으며, 광산 환기에 사용되었다.[12] 이후 원심형 송풍기는 점차 사용되지 않다가 19세기 초에 다시 관심이 높아졌다. 1815년 샤반 후작은 원심형 송풍기 사용을 옹호하며 영국 특허를 받았다.[13] 1827년 에드윈 A. 스티븐스는 증기선 《노스 아메리카》의 보일러에 공기를 불어넣기 위해 송풍기를 설치했다.[14] 1832년 존 에릭슨은 증기선 《코르세어》에 원심형 송풍기를 사용했다.[15] 같은 해 알렉산드르 사블루코프가 원심형 송풍기를 발명하여 러시아 경공업(제당 등)과 해외에서 사용되었다.[16]
광산업의 중요한 발전 중 하나는 기발 팬으로, 1862년 프랑스 엔지니어 테오필 기발이 벨기에에서 특허를 받았다. 기발 팬은 팬 블레이드를 둘러싼 나선형 케이스와 탈출 속도를 제어하는 유연한 셔터를 갖추어 이전보다 훨씬 우수했으며, 깊은 곳에서의 채광을 가능하게 했다.[17][18] 이러한 팬은 영국 전역에서 광산 환기에 광범위하게 사용되어, 당시 영국이 주도하던 산업 혁명에 필요한 석탄 생산량을 비약적으로 증대시켰다.
2. 1. 초기 역사
1556년 게오르그 파우어(la)는 저서 《De Re Metallica》에서 원심형 송풍기를 최초로 언급했으며, 광산 환기에 사용되었다.[12] 이후 원심형 송풍기는 점차 사용되지 않다가 19세기 초에 다시 관심이 높아졌다. 1815년 샤반 후작은 원심형 송풍기 사용을 옹호하며 영국 특허를 받았다.[13] 1827년 에드윈 A. 스티븐스는 증기선 《노스 아메리카》의 보일러에 공기를 불어넣기 위해 송풍기를 설치했다.[14] 1832년 존 에릭슨은 증기선 《코르세어》에 원심형 송풍기를 사용했다.[15] 같은 해 알렉산드르 사블루코프가 원심형 송풍기를 발명하여 러시아 경공업(제당 등)과 해외에서 사용되었다.[16]광산업의 중요한 발전 중 하나는 기발 팬으로, 1862년 프랑스 엔지니어 테오필 기발이 벨기에에서 특허를 받았다. 기발 팬은 팬 블레이드를 둘러싼 나선형 케이스와 탈출 속도를 제어하는 유연한 셔터를 갖추어 이전보다 훨씬 우수했으며, 깊은 곳에서의 채광을 가능하게 했다.[17][18]
2. 2. 광산 환기 기술 발전
1556년 게오르그 파우어(라틴어: 게오르기우스 아그리콜라)는 저서 《De Re Metallica》에서 원심형 송풍기가 광산 환기에 어떻게 사용되었는지 보여주었다.[12] 이후 원심형 송풍기는 점차 사용되지 않다가 19세기 초에 다시 관심이 높아졌다. 1832년 러시아 군사 기술자 알렉산드르 사블루코프가 원심형 송풍기를 발명하여 러시아 경공업(제당 등)과 해외에서 사용되었다.[16] 광산업에 가장 중요한 발전 중 하나는 기발 팬으로, 1862년 프랑스 엔지니어 테오필 기발이 벨기에에서 특허를 받았다. 기발 팬은 팬 블레이드를 둘러싼 나선형 케이스와 탈출 속도를 제어하는 유연한 셔터를 갖추어 이전의 개방형 팬 설계보다 훨씬 우수했으며, 깊은 곳에서의 채광 가능성을 열었다. 이러한 팬은 영국 전역에서 광산 환기에 광범위하게 사용되었다.[17][18]3. 분류
3. 1. 작동 원리에 따른 분류
3. 2. 압력에 따른 분류 (한국 기준)
송풍기는 공기의 압력에 따라 다음과 같이 분류한다.- 1000mmAq 이하 : 팬(fan)
- 10000mmAq 이하 : 블로워(blower)
- 10000mmAq 이상 : 콤프레셔(compressor)
3. 3. ASME(미국 기계 기술자 협회) 기준
미국 기계 기술자 협회(ASME)에서는 배출 압력 대 흡입 압력의 비율(Specific Ratio)을 기준으로 팬, 송풍기, 압축기를 구분한다. 팬은 특정 비율이 최대 1.11이고, 송풍기는 1.11에서 1.20 사이이며, 압축기는 1.20 이상이다. 일반적으로 더 높은 압력이 관련되기 때문에 송풍기와 압축기는 팬보다 훨씬 더 튼튼하게 제작된다.4. 구성 요소 및 작동 원리
4. 1. 구성 요소
원심 팬은 팬 하우징, 임펠러, 흡입구 및 배출구 덕트, 구동축, 구동 메커니즘, 팬 댐퍼 및 베인, 팬 블레이드, 팬 배출 케이싱 등으로 구성된다.[19] 베어링은 송풍기의 중요한 부품이다. 소형 팬에는 슬리브 링 베어링이 사용되고, 대형 주거 및 상업용에는 볼 베어링이 사용된다. 산업용에서는 수냉식 슬리브 베어링과 같은 특수 베어링이 사용될 수 있다.[21] 많은 터보 송풍기는 에어 베어링 또는 자기 베어링을 사용한다.[22] 자기 베어링 송풍기는 낮은 진동, 고속 부상, 낮은 전력 소비, 높은 신뢰성, 무급유 작동 및 기류 내 오염 물질에 대한 내성을 제공한다.[23]
4. 2. 구동 메커니즘
송풍기 구동 방식은 송풍기 휠(임펠러)의 속도와 이 속도를 얼마나 변화시킬 수 있는지를 결정하며, 크게 두 가지 유형이 있다.[11]팬 휠은 전동기의 샤프트에 직접 연결될 수 있다. 이는 팬 휠의 속도가 모터의 회전 속도와 동일하다는 것을 의미한다. 직접 구동 방식은 모터의 회전 속도를 팬의 회전 속도로 변환하는 데 손실이 없기 때문에 가장 효율적인 형태의 팬 구동 방식이다. 일부 전자 제조업체는 외부 회전자 모터(고정자는 회전자 내부에 있음)가 있는 원심 팬을 만들었으며, 회전자는 팬 휠(임펠러)에 직접 장착된다.
도르래 세트가 모터 샤프트와 팬 휠 샤프트에 장착되고, 벨트가 모터에서 팬으로 기계적 에너지를 전달하는 방식도 있다. 팬 휠 속도는 모터 도르래의 직경과 팬 휠 도르래의 직경의 비율에 따라 달라진다. 벨트 구동 팬의 팬 휠 속도는 벨트가 미끄러지지 않는 한 고정된다. 벨트 미끄러짐은 팬 휠 속도를 분당 수백 회전(RPM)까지 감소시킬 수 있다.[20] 벨트는 또한 추가적인 유지보수 항목을 발생시킨다.
4. 3. 임펠러 형태
팬 휠은 여러 개의 팬 날개가 부착된 허브로 구성된다. 허브의 팬 날개는 전방 곡선형, 후방 곡선형, 방사형의 세 가지 방식으로 배열될 수 있다.[11]전향 곡선 날개는 팬 휠의 회전 방향으로 굽어져 있다. 이는 미립자에 민감하며, 에어컨과 같은 청정 공기 적용 분야에 주로 사용된다.[24] 팬 코일 유닛에 일반적으로 사용되지만, 후향 곡선 팬보다 효율이 떨어진다.[26]
후방 곡선 날개는 팬 휠의 회전 방향과 반대 방향으로 곡선을 이룬다. 소형 송풍기는 직선 형태의 후방 경사 날개를 가질 수 있으며, 대형 송풍기는 에어포일 단면과 유사한 날을 가진다. 이러한 유형의 송풍기는 입자 부하가 낮거나 중간 정도인 가스 흐름을 처리하도록 설계되었다.[27] 후방 곡선형 팬은 래디얼 날개 및 전방 곡선형 팬보다 에너지 효율이 높다.[27]
레이디얼 블레이드 임펠러는 허브 중심에서 블레이드가 곧게 뻗어 있는 형태를 가지며, 블레이드에 고체 물질이 쌓이는 것에 가장 덜 민감하여 입자 함유 가스 흐름에 자주 사용된다. 하지만 소음이 크다는 단점이 있다. 진공 청소기, 공압 이송 시스템 등에 사용된다.
4. 4. 작동 원리
원심 팬은 임펠러의 회전에 의해 공급되는 원심력을 사용하여 공기/가스의 운동 에너지를 증가시킨다. 임펠러가 회전하면 임펠러 근처의 가스 입자가 임펠러에서 떨어져 나와 팬 케이싱으로 이동한다. 결과적으로 가스의 운동 에너지는 케이싱 및 덕트에 의해 제공되는 시스템 저항으로 인해 압력으로 측정된다. 그런 다음 가스는 출구 덕트를 통해 출구로 유도된다. 가스가 방출된 후 임펠러 중간 영역의 가스 압력이 감소한다. 임펠러 아이의 가스는 이를 정상화하기 위해 돌입한다. 이 사이클이 반복되므로 가스를 지속적으로 전달할 수 있다.4. 5. 속도 삼각형
속도 삼각형은 블레이드 입구와 출구에서의 유동 형상을 결정하는 데 도움을 준다. 블레이드의 한 지점에서 속도 삼각형을 그리기 위해, 블레이드 속도(U), 상대 속도(Vr), 절대 속도(V)의 세 가지 구성 요소를 고려한다. 유동 방향의 변화로 인해 블레이드의 서로 다른 지점에서 속도 일부 구성 요소가 달라지므로, 주어진 블레이드에 대해 무한히 많은 속도 삼각형이 가능하다. 단 두 개의 속도 삼각형만 사용하여 유동을 설명하기 위해 속도와 그 방향의 평균값을 정의한다.이러한 속도는 벡터 덧셈의 삼각형 법칙에 의해 다음과 같이 관련된다.
:
이 방정식은 속도 다이어그램을 그릴 때 자주 사용된다. 전향 및 후향 블레이드의 속도 다이어그램은 이 법칙을 사용하여 그려진다. 각도 α는 축 방향에 대한 절대 속도가 이루는 각도이고, 각도 β는 축 방향에 대한 블레이드가 이루는 각도이다.
5. 성능 평가 및 표준
5. 1. 성능 지표
송풍기의 성능은 풍량(CFM, Cubic Feet per Minute), 정압(Static Pressure), 효율(Efficiency) 등으로 평가된다. 원심 팬의 성능 표 및 곡선은 표준 공기 SCFM을 기준으로 한다. 팬 제조업체는 표준 공기를 깨끗하고 건조하며 밀도가 입방 피트당 0.075파운드 질량(1.2 kg/m3)이고 기압이 해수면에서 29.92인치 수은주(101.325 kPa)이며 온도가 70 °F (21 °C)인 공기로 정의한다. 표준 공기 이외의 조건에서 작동하도록 원심 팬을 선택하려면 정압과 전력을 모두 조정해야 한다.표준보다 높은 고도(해수면) 및 표준보다 높은 온도에서 공기 밀도는 표준 밀도보다 낮다. 따라서 공기 밀도 보정은 더 높은 온도에서 지속적으로 작동하도록 지정된 원심 팬을 고려해야 한다. 원심 팬은 공기 밀도에 관계없이 주어진 시스템에서 일정한 부피의 공기를 변위시킨다.
원심 팬이 표준 이외의 조건에서 주어진 CFM 및 정압에 대해 지정된 경우, 공기 밀도 보정 계수를 적용하여 새로운 조건을 충족하는 적절한 크기의 팬을 선택해야 한다. 예를 들어 200 °F (93 °C) 공기는 70 °F (21 °C) 공기의 80%만 무게가 나가므로, 원심 팬은 더 적은 압력을 생성하고 더 적은 전력을 필요로 한다. 200 °F (93 °C)에서 필요한 실제 압력을 얻기 위해, 설계자는 표준 조건에서의 압력에 공기 밀도 보정 계수 1.25(예: 1.0/0.8)를 곱하여 시스템이 올바르게 작동하도록 해야 한다. 200 °F (93 °C)에서 실제 전력을 얻기 위해, 설계자는 표준 조건에서의 전력을 공기 밀도 보정 계수로 나눠야 한다.
5. 2. 표준 공기 조건
송풍기의 성능은 표준 공기 조건에서 측정된다. 표준 공기는 깨끗하고 건조하며, 밀도가 1.2 kg/m³이고, 기압이 101.325 kPa이며, 온도가 21°C인 공기를 의미한다. 표준 공기 조건이 아닌 경우, 송풍기의 정압과 전력을 조정해야 한다.표준보다 높은 고도나 온도에서는 공기 밀도가 낮아지므로, 공기 밀도 보정이 필요하다. 원심 송풍기는 공기 밀도와 관계없이 일정한 부피의 공기를 이동시키지만, 밀도가 낮으면 생성되는 압력과 필요한 전력이 감소한다. 따라서, 표준 조건이 아닌 환경에서 송풍기를 선정할 때는 공기 밀도 보정 계수를 적용하여 적절한 크기를 선택해야 한다.
5. 3. AMCA(공기 이동 및 제어 협회) 표준
공기 이동 및 제어 협회(AMCA)에서 등급을 매긴 원심 팬은 해당 유형의 팬에 전형적인 설치를 시뮬레이션하는 테스트 설비를 갖춘 실험실에서 테스트된다. 일반적으로 AMCA 표준 210에 지정된 대로 4가지 표준 설치 유형 중 하나로 테스트되고 등급이 매겨진다.[28]AMCA 표준 210은 하우징된 팬에 대한 실험실 테스트를 수행하여 주어진 회전 속도에서 기류 속도, 압력, 동력 및 효율을 결정하는 통일된 방법을 정의한다. AMCA 표준 210의 목적은 다양한 제조업체에서 제공하는 등급이 동일한 기준을 가지며 비교할 수 있도록 팬 테스트의 정확한 절차와 조건을 정의하는 것이다. 이러한 이유로 팬은 표준화된 SCFM으로 등급을 매겨야 한다.[28]
6. 손실
원심 팬은 고정 부분과 가동 부분 모두에서 효율 손실이 발생하여 주어진 수준의 기류 성능에 필요한 에너지 투입을 증가시킨다. 흡입구에서의 유동과 축 방향에서 방사형 방향으로의 전환은 흡입구에서 손실을 유발한다. 마찰 및 유동 박리는 받음각의 변화로 인해 임펠러 블레이드 손실을 유발한다. 임펠러의 회전하는 원주와 입구의 케이싱 사이에 제공된 간극으로 인해 공기 누설과 주 흐름장의 교란이 발생한다.
마찰과 유동 박리는 디퓨저에서도 손실을 발생시킨다. 장치가 설계 조건을 벗어나 작동하면 입사각으로 인한 추가 손실이 발생한다. 임펠러 또는 디퓨저에서 나온 유동은 단면적이 더 큰 볼류트에서 팽창하며, 이는 와류의 형성을 유발하고, 이는 다시 압력 헤드를 감소시킨다. 마찰과 유동 박리 손실은 볼류트 통로로 인해 발생하기도 한다. 임펠러 디스크의 뒷면에서 점성 항력이 발생하여 디스크 마찰 손실을 유발한다.
7. HVAC (난방, 환기, 공기 조화)
8. 같이 보기
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