1-7. 휀(Fan)에서 발생 할 수 있는 맥동현상(Surging)의 원인과 방지대책에 대하여 설명하시오.

휀(Fan), 즉 송풍기에서 발생하는 맥동현상(Surging 또는 Surge)은 송풍 시스템의 불안정한 운전 상태를 나타내는 현상입니다. 이는 송풍기의 성능 저하, 소음 및 진동 유발, 심할 경우 장비 손상까지 초래할 수 있는 위험한 상태입니다.

 

1. 맥동현상(Surging)의 원인

맥동현상은 송풍기의 정압-풍량 성능 곡선과 시스템 저항 곡선의 상호 작용으로 인해 발생합니다.

• 송풍기 성능 곡선: 송풍기가 특정 풍량에서 낼 수 있는 정압(공기를 밀어내는 압력)을 나타내는 곡선입니다. 이 곡선은 일반적으로 풍량이 증가함에 따라 정압이 증가하다가 최고점에 도달한 후 풍량이 더 증가하면 정압이 감소하는 특성을 보입니다. 최고 정압점을 기준으로 좌측(저풍량 영역)의 특정 구간은 불안정(Stall Region 또는 Unstable Region)해질 수 있습니다. 이 불안정 영역에서는 풍량이 감소할수록 송풍기가 낼 수 있는 정압이 오히려 감소하는 경향을 보입니다.
• 시스템 저항 곡선: 덕트, 필터, 코일, 댐퍼 등 송풍 시스템을 구성하는 요소들이 공기 흐름에 대해 가지는 저항을 나타내는 곡선입니다. 일반적으로 풍량의 제곱에 비례하여 저항이 증가하는 포물선 형태를 가집니다.
• 운전점: 송풍기는 송풍기 성능 곡선과 시스템 저항 곡선이 만나는 지점(교차점)에서 운전됩니다.

맥동현상의 발생 과정:

시스템 저항 곡선이 송풍기 성능 곡선의 **불안정 영역(최고 정압점 좌측의 기울기가 음수인 구간 등)**과 교차하여 운전점이 형성될 때 맥동현상이 발생할 위험이 높습니다. 이 영역에서 운전할 때:

1. 어떤 이유로든 순간적으로 풍량이 감소하면 (예: 시스템 압력 변동)
2. 송풍기 성능 곡선의 불안정 영역 특성상, 풍량이 감소할수록 송풍기가 내는 정압이 감소합니다.
3. 감소된 송풍기 정압이 시스템 저항을 극복하지 못하게 되어 풍량이 더 감소하거나 심지어 역류(공기 흐름이 반대가 됨)합니다.
4. 풍량이 급격히 감소하거나 역류하면 시스템 저항이 순간적으로 낮아집니다.
5. 낮아진 저항에 대해 송풍기는 다시 압력을 형성하고 풍량을 밀어내기 시작합니다.
6. 이 과정이 반복되면서 풍량, 압력, 소음, 진동 등이 주기적으로 크게 요동치는 현상이 발생하는데, 이것이 맥동현상입니다.

맥동현상을 유발하는 주요 원인:

• 설계 풍량보다 훨씬 낮은 풍량으로 운전: 송풍기의 설계점이나 효율적인 운전 범위에서 벗어나 저풍량 영역에서 운전할 때 발생 가능성이 높아집니다.
• 예상보다 높은 시스템 저항: 필터 막힘, 코일 오염, 댐퍼 과도한 닫힘, 덕트 설계 오류 등으로 인해 시스템 저항이 예상보다 높아져 운전점이 불안정 영역으로 이동할 때 발생합니다.
• 부적절한 송풍기 선정: 시스템의 운전 범위가 송풍기의 안정 운전 범위를 벗어나도록 송풍기를 잘못 선정했을 때 발생합니다.
• 시스템 부하의 급격한 변동: 댐퍼 제어 등으로 시스템 저항이나 요구 풍량이 급격하게 변할 때 불안정 영역으로 일시적으로 진입할 수 있습니다.
• 병렬 운전 시 간섭: 여러 대의 송풍기를 병렬로 운전할 때 각 송풍기의 성능 곡선 특성에 따라 특정 송풍기가 다른 송풍기의 운전에 영향을 받아 맥동 영역으로 빠질 수 있습니다.

2. 맥동현상(Surging)의 방지대책

맥동현상을 방지하기 위해서는 송풍기가 불안정 영역에서 운전되지 않도록 시스템을 설계하고 운전해야 합니다.

• 설계 단계에서의 대책:
  • 적절한 송풍기 선정: 시스템의 최대 및 최소 운전 풍량 범위 전체가 송풍기의 안정 운전 영역 내에 포함되도록 송풍기의 성능 곡선을 신중하게 검토하여 선정합니다.
  • 시스템 저항 최소화 설계: 덕트 시스템 설계 시 불필요한 엘보나 급격한 단면적 변화를 피하고, 필터나 코일 등의 압력 손실을 적정 수준으로 계획하여 전체 시스템 저항을 최소화합니다.
  • 시스템 분할: 필요시 여러 대의 소용량 송풍기로 시스템을 분할하여 각 송풍기가 효율적인 운전 범위 내에서 작동하도록 합니다.
• 운전 및 제어 단계에서의 대책:
  • 최소 풍량 확보 (바이패스 덕트): 시스템 부하가 낮아질 때 송풍기의 풍량이 맥동 영역 이하로 떨어지는 것을 방지하기 위해 송풍기 토출측 일부 공기를 흡입측 또는 저압부로 돌리는 바이패스 덕트를 설치하고 댐퍼로 최소 풍량을 확보해 줍니다.
  • 변속 제어 장치(VSD) 활용: 송풍기 회전수를 조절할 수 있는 변속 제어 장치를 사용하여 시스템 부하 변동에 따라 송풍기 성능 곡선 자체를 이동시켜 항상 안정 운전 영역 내에서 운전되도록 합니다. 하지만 VSD 제어 시에도 너무 낮은 회전수에서는 여전히 맥동 영역이 존재할 수 있으므로 제어 범위 설정에 주의해야 합니다.
  • 댐퍼 제어 방식 고려: 풍량 조절 시 토출 댐퍼를 과도하게 닫으면 시스템 저항이 높아져 맥동 위험이 커집니다. 흡입 댐퍼 제어나 회전수 제어가 안정성 면에서 더 유리할 수 있습니다.
  • 필터 및 코일 관리: 필터나 코일의 오염으로 인해 시스템 저항이 불필요하게 증가하지 않도록 정기적으로 점검하고 청소하거나 교체합니다.
  • 병렬 운전 제어: 병렬 운전 시에는 각 송풍기의 부하 분담을 균등하게 하거나, 특정 조건에서 일부 송풍기를 정지시키는 등 적절한 제어 로직을 통해 각 송풍기가 안정적으로 운전되도록 합니다.
  • 운전 상태 감시: 송풍기의 운전 전류, 토출/흡입 압력, 진동, 소음 등을 지속적으로 감시하여 맥동 발생 징후(주기적인 압력/전류 요동 등)를 조기에 파악하고 대응합니다.

맥동현상은 송풍 시스템의 수명과 안전에 심각한 영향을 미치므로, 설계 단계부터 이를 고려하고 운전 중에도 주의 깊은 관리가 필요합니다. 송풍기 성능 곡선과 시스템 저항 특성을 이해하는 것이 맥동 방지의 첫걸음입니다.