건축기계설비(송풍기의 이론 및 종류)

개요

송풍기(Fan)는 기계적인 에너지를 기체나 유체에 주어서 압력과 속도에너지로 변환시켜 주는 기계 장치이다. 송풍기는 사람들의 일상생활과 밀접한 일반 건축물의 급·배기용 및 공기조화용으로 활용됨은 물론 산업체의 제조공정용, 보일러 및 발전설비의 연소공기 공급용, 광산·지하철 및 터널 등의 급·배기용으로 폭넓게 사용되고 있으며, 사용 빈도가 높아 에너지 소비량도 많은 기계장치 중 의 하나이다. 송풍기는 사용 용도나 조건에 따라 높은 송출압력을 필요로 하는 경우도 있고 큰 풍량이 요구되는 경우도 있다. 일반적으로 송출압력에 따라 다음과 같이 팬(Fan)과 블로어(Blower), 압축기(Compressor)로 구분하고 있다.

풍량

풍량은 송풍기가 단위시간당 흡입하는 공기의 양이다. 단, 압력비가 1.03 이하일 경우는 토출풍량을 흡입풍량으로 계산해도 무방하다. 풍량을 계산할 때 표준상태는 기온 20℃, 대기압 760mmHg, 습도 65%에서 공기의 비중량이 1.205kg/m3일 경우를 말한다. 송풍기의 풍량은 연결된 덕트계통의 송풍량들의 총합계와 같다. 풍량을 결정할 때는 누설이나 송풍 기의 노후화를 고려해 필요에 따라 5~10% 정도의 여유 치를 갖는 것이 좋으며 풍량의 단위는 주로 CMM과 CMH가 널리 사용된다.

 

압력

공기조화와 환기용으로 사용되는 송풍기의 발생 압력은 압력계 등으로는 거의 측정할 수 없을 정도의 저압력이므로 일반적으로 수주로 표시되어 있다. 이렇게 액체의 높이로 압력을 표시하는 경우에는 액체의 종류가 변하면 비중량이 달라져서 높이가 달라지므로 단위에 액체의 종류를 표시한다. 예를 들어, 물을 100mm 높이로 밀어 올리는 압력이라면 100 mmAq라 표기하고, 수은의 경우 수은 주가 760mm일 경우 760mmHg 등으로 표기한다.(※ 1 mmAq=1kg/m²=0,0001kg/cm2)

 

종류

(1) 다익형 팬(Multi Blade fan, 또는 Sirocco fan)

다익형 팬은 가장 많은 수량의 날개가 임펠러에 부착되어 있고 날개깃의 길이가 짧고 폭이 넓은 것이 특징이다. 팬의 날개는 임펠러의 회전방향인 앞쪽으로 구부러진 형태로 전익형(Forward vaned fan)의 구조로 되어있다. 주로 70~80 mmAq 이하의 저압에서 다량의 공기이송에 적합하고 소음도 적은 편이다. 효율은 40~60%로 좋지 않으나 가격이 저렴하고 설치공간이 적게 소요되어 일반 공조용이나 환기용으로 가장 많이 사용되고 있다. 동일한 공기량과 압력에서 팬의 크기가 작고, 동일한 회전수에서 풍량이 가장 크지만, 풍량이 증가하면 축동력이 급격히 증가해 Over Load(과부하가 발생하므로 주의가 필요하다. 보통 시로코(Sirocco) 팬으로도 널리 불리고 있는데, 시로코란 외국 송풍기 제조회사의 상호이므로 다익 송풍기 (Multi Blade fan)로 명칭 하는 것이 바람직하다.

 

(2) 에어포일팬(Air foil fan)

에어포일팬의 날개는 항공기나 새의 날개 단면과 같은 형태를 가지도록 굴곡된 두 개의 강판이 날개의 상하부면을 구성하고 있는데, 날개는 임펠러의 회전방향에서 뒤쪽으로 구부러져 있는 형상(후곡, 후향깃)을 갖고 있다. 날개깃의 길이는 다익 송풍기보다 길고 폭은 좁으며, 날개의 수량도 10~12 개 정도로 적게 부착된다. 중정압(50~350 mmAq)의 범위에서 많은 풍량의 이송이 가능하고, 동일 풍량과 정압 조건에서 가장 운전효율(70~85%)이 좋은 편이다. 운전 범위도 넓어서 풍량이 증가하여도 동력이 일정 수준이상 증가하지 않는 Limited Load 특성을 가지고 있어 과부하에 잘 걸리지 않는다. 원활한 공기 유동에 유리한 유선형 날개 형상을 가지고 있어 고속회전 시에도 소음이 적은 편이다. 다양한 정압과 풍량에 대응이 가능하여 공조기나 환기팬과 같은 공조용뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 급배기용, 환경설비나 필터장치의 강제 송풍장치 등으로 널리 사용되고 있다. (공조기에서는 운전 정압이 높은 급기 팬으로 많이 적용되고 있으며, 정압이 낮은 환기팬으로는 시로코팬이 주로 사용된다.)

 

(3) 터보 팬(Turbo fan)

터보 팬(Turbo fan)은 후곡형(BackWard vaned fan)의 날개 구조를 가지고 있는데, 날개가 임펠러의 회전방향의 뒤쪽으로 구부러져 있는 형상(후곡, 후향깃)이다. 다익형 송풍기에 비해 날개깃의 길이는 길고 날개 폭은 상당히 좁아지며 날개의 개수(10~18개 사이)는 적게 부착된다. 운전효율은 다익 송풍기보다 우수하며, 주로 중~고정압(100~500 mmAq)에서 다량의 공기 또는 가스를 이송하는 용도로 적용된다. 임펠러의 구조가 간결하여 고속회전에서도 강도상 무리가 없고 비교적 정숙한 운전이 가능하다. 풍량의 변동에 따른 정압의 변화폭이 크며 임펠러를 다단으로 연결할 경우 1,000 mmAq 이상의 고정압용 Turbo Blower도 만들 수 있다. 산업용 플랜트설비(발전소, 원자력설비, 제철/제강/주조공장 등)나 공해방지설비(소각로, 집진설 비, 세정설비, 수처리설비 등)에서의 공기나 가스의 이송장치, 기타 보일러와 같이 고압급기가 필요한 설비에서 사용되고 있다.

 

(4) 방사형 팬(Radial Fan)

두 임펠러의 날개가 회전축에 수직인 방향으로 평판 형태로 부착된 팬으로, 플레이트(Plate) 팬, 래디 [얼(Radial) 팬, 반경류형 팬으로도 불리고 있다. 날개 수량은 6~12개 정도로 가장 적으나 외형의 크기와 효율은 다익형과 터보형의 중간 정도이다. 소음은 큰 편이나 서징현상이 거의 없고, 풍량의 변화 시 축동력이 선형적으로 변하는 특성이 있어 팬의 제어가 용이하다. 내열 및 내마모, 자기 청소 (self-cleaning)의 특성을 가지고 있어 공조용보다는 중정압(200~600 mmAq)에서 약간의 분진이 혼합된 기체의 송풍을 위해 많이 사용되고 있으며, 부유성 물질을 이동시키기 위한 용도로도 사용된다. 산업용 플랜트설비 (시멘트공장, 파쇄설비, 제지, 제분공장 등)나 공해방지설비(소각로, 집진 및 대기환경설비) 등에서 분진이나 유체의 종류에 따라 다양한 날개의 구조 및 형태가 적용되고 있다.

 

(5) 플레넘 팬(Plenum Fan)

플레넘 팬은 하우징이 없이 임펠러에 전동기가 직결된 형태로 구성된 원심형 팬의 일종이다. 모터 직결식이어서 컴펙트한 사이즈로 제작이 가능하고, 벨트나 베어링의 유지보수에 따른 부담이 없다. 또한 동력 전달을 위한 벨트 손실분이 없으므로 전력절감도 가능하여 일반 공조용 및 환기용 팬으로 적용 사례가 증가하고 있다. 다만 풀리와 벨트가 없는 직결식이기 때문에 풍량이나 정압의 변화가 필요하거나 설계치에 맞춰 세팅이 필요할 때에는 인버터제어장치를 함께 설치해야 한다. 임펠러는 주로 후익형(Backward)과 에어포일형(Airfoil)으로 적용되고 있으며, 일반적으로 강판을 가공하여 제작하지만 소용량은 공업용 강화플라스틱으로도 제작되고 있다.

 

(6) 축류형 팬(Axial Fan)

Axial 팬의 날개는 프로펠러 형태이어서 공기를 임펠러의 축방향후면→전면)으로 이송시키는 구조이다. Axial 팬의 날개 것은 익형으로 되어 있으며 팬의 용량에 따라 4~18개 정도의 날개가 설치된다. 효율 및 압력 향상을 위하여 임펠러가 원형의 케이싱(Tube) 내에 설치되며, 별도의 안내깃이나 베인이 설치되지 않는 것이 일반적이다. 그러나 베인형 축류송풍기(Vane axial fan)는 케이싱 속에 안내깃(가이드 베인, 또는 고정익)이 설치되어 있어 임펠러 후류의 선회 유동을 방지하여 효율과 압력을 높일 수 있도록 제작된 팬이다. 베인형 축류팬은 다른 축류형 팬에 비하여 비교적 높은 압력도 가능하여 터널이나 지하주차장의 환기용으로 적용되고 있다. 날개의 재질은 강판이나 알루미늄 케스팅, 또는 공업용 플라스틱 등으로 다양하게 제작되고 있으며, 날개의 각도를 조정할 수 있도록 제작되는 경우에는 현장에서의 풍량 조정도 가능하다. 저 정압(15~80 mmAq) 범위에서 비교적 많은 송풍양을 발휘할 수 있으며, 풍량 변화에 대한 풍압의 변동폭이 적고 동력 변화폭이 적은 편이다. 팬의 구조가 간단하고 덕트 관로 중에 직결할 수 있는 등 설치가 간단한 장점이 있으나, 팬의 운전효율이 낮고 가동 시의 소음은 큰 편이다. 이 때문에 사무실이나 정숙이 요구되는 곳에는 부적당하며, 공조용보다는 기계실이나 전기실, 창고, 공장 등의 단순 급배기용으로 널리 사용되고 있다. 적은 사이즈에 대풍량이 가능하여 냉각탑이나 제연용 송풍기로도 사용된다.

 

(7) 사류형 팬(Mixed flow fan)

유체 유동의 흐름 방향이 원심형과 축류형의 중간(혼류형)에 해당하며, 날개가 회전방향 및 축방향에 대하여 약 45~55°의 경사를 이루고 있다. 날개의 폭이 넓고 유체가 45' 방향으로 유입되어 보스 면을 따라 유동한다. 날개의 수량은 많지 않은 편이고 가변익으로 제작되어 용량을 조절할 수 있게 제작되기도 한다. 보통 사각의 케이싱에 흡입 측에 콘(Cone)이 설치되고 토출 측에 가이드베인이 내장된 형태로 제작되는 경우가 많아 유체 흐름이 양호해 소음이 적은 편이다. 사각덕트를 연결하기 쉬운 형태이고 동일 용량의 다른 팬보다 사이즈가 작아 설치도 용이하다. 케이싱 내부에 흡음재를 부착하여 소음이 감소되도록 제작하는 경우가 많다. 10~100 mmAq 정도의 압력 범위에서 사용할 수 있으며 효율도 양호한 편이다. 주로 기계실이나 전기실, 주차장, 창고 등의 급배기용으로 많이 사용되며 공조용으로도 사용된다.

 

(8) 관류형 팬(Tubular fan)

축류형의 사각 케이싱 내에 에어포일(Airfoil)이나 사류형, 또는 축류형 날개를 구비한 송풍기로써, 덕트 관로 중에 설치되어 덕트 인라인팬(Duct In-Line fan)으로도 많이 불린다. 지붕면에 설치하는 Roof fan도 관류형 팬의 구조로 많이 제작된다. (근래에는 축류형으로도 Roof fan을 많이 제작하고 있음) 원심력을 이용하여 배출되는 기류가축방향으로 이송되는 구조이며, 송풍효율은 프로펠러 팬보다는 양호한 수준이지만 원심형보다는 낮다. 바닥의 설치공간이 필요 없이 상부의 덕트와 직결되어 설치되므로 튜브형 Axial 팬과 더불어 낮은 정압대의 단순 급·배기용으로 널리 사용되고 있다. 소음은 큰 편이서 외부의 사각 케이싱 내부에 흡음재를 부착하는 사례가 많다.