송풍기의 성능을 이해하고 시스템에 적합한 송풍기를 선정하기 위해서는 '상사 법칙'과 '특성 곡선'에 대한 이해가 필수적입니다. 이 두 가지는 송풍기의 성능 변화를 예측하고 나타내는 중요한 도구입니다.
1. 송풍기의 상사 법칙 (Fan Similarity Laws)
송풍기의 상사 법칙은 하나의 송풍기에 대한 시험 데이터를 바탕으로, 유사한 형태의 다른 크기 송풍기나 동일 송풍기의 다른 회전 속도, 다른 유체 밀도에서의 성능(풍량, 압력, 동력)을 예측하는 데 사용되는 법칙입니다. 송풍기의 회전수(N), 직경(D), 유체 밀도() 변화에 따른 성능 변화를 수학적으로 나타냅니다.
주요 상사 법칙은 다음과 같습니다. (일반적으로 유체 밀도 변화는 크지 않아 회전수와 직경 변화에 대한 법칙이 주로 사용됩니다.)
- 풍량 (Q: Cubic meters per second or minute) :
- 송풍기 회전수(N)에 비례하고, 송풍기 직경(D)의 세제곱에 비례합니다.
- (일반적으로 동일 송풍기에서 회전수만 변할 경우)
- 압력 (P: Pascal or mmAq) :
- 유체 밀도()에 비례, 송풍기 회전수(N)의 제곱에 비례, 송풍기 직경(D)의 제곱에 비례합니다.
- (일반적으로 동일 송풍기에서 회전수만 변하고 밀도 일정 시)
- 축 동력 (W: Watt or kW) :
- 유체 밀도()에 비례, 송풍기 회전수(N)의 세제곱에 비례, 송풍기 직경(D)의 다섯제곱에 비례합니다.
- (일반적으로 동일 송풍기에서 회전수만 변하고 밀도 일정 시)
상사 법칙의 중요성:
- 설비 설계 시 필요한 풍량과 압력에 맞춰 적정 송풍기를 선정하고 성능을 예측할 수 있습니다.
- 가변속 제어(인버터, VFD)를 통해 송풍기 회전수를 변경할 때, 풍량은 회전수에 비례하여 변하지만, 압력은 회전수의 제곱, 동력은 회전수의 세제곱에 비례하여 크게 변함을 알 수 있습니다. 이 때문에 인버터를 이용한 회전수 제어는 송풍기 운전 동력을 크게 절감하는 효과를 가져옵니다. (예: 회전수를 절반으로 줄이면 풍량은 절반이 되지만, 동력은 약 1/8로 감소)
2. 송풍기의 특성 곡선 (Characteristic Curves)
송풍기의 특성 곡선은 특정 크기의 송풍기가 일정 회전수와 일정 유체 밀도 조건에서 운전될 때, 풍량 변화에 따른 압력, 동력, 효율 등의 성능 변화를 그래프로 나타낸 것입니다. 송풍 제조사에서 제공하는 성능 데이터의 핵심입니다.
그래프 구성:
- X축: 풍량 (Q) - 보통 0에서 최대 풍량까지 나타냅니다.
- Y축:
- 압력 (P): 정압(Static Pressure), 동압(Velocity Pressure), 또는 전압(Total Pressure = 정압 + 동압)을 나타냅니다. 풍량에 따른 압력 변화 관계를 보여주는 핵심 곡선입니다.
- 축 동력 (W): 해당 풍량에서의 송풍기가 필요로 하는 동력을 나타냅니다.
- 효율 (): 정압 효율 또는 전압 효율을 나타냅니다. 풍량에 따른 효율 변화를 보여주며, 효율이 가장 높은 **최고 효율점(Peak Efficiency Point)**이 존재합니다.
특성 곡선의 주요 특징 및 해석:
- 정체압력 (Shutoff Head): 풍량이 0일 때(토출구를 완전히 막았을 때) 송풍기가 낼 수 있는 최대 압력입니다.
- 자유 토출 (Free Delivery): 압력 강하가 0일 때(토출구가 대기압에 완전히 개방되었을 때) 송풍기가 낼 수 있는 최대 풍량입니다.
- 안정 영역 및 불안정 영역: 일부 송풍기(주로 전곡형 송풍기)의 정압 곡선은 특정 풍량 구간에서 오른쪽으로 갈수록 압력이 상승하거나 불안정한 형태를 보입니다. 이 구간을 서지(Surge) 영역 또는 불안정 영역이라고 하며, 이 영역에서 운전 시 소음, 진동 증가 및 성능 저하가 발생할 수 있으므로 가급적 피해야 합니다. 후곡형이나 익형 송풍기는 일반적으로 정체압력부터 풍량 증가에 따라 압력이 연속적으로 감소하는 안정적인 곡선 형태를 가집니다.
- 최고 효율점: 해당 송풍기가 가장 효율적으로 운전되는 풍량과 압력 지점입니다. 송풍기는 가급적 이 지점 근처에서 운전되도록 시스템 설계 및 송풍기 선정이 이루어져야 합니다.
특성 곡선의 활용:
- 시스템 곡선과의 교점 (운전점 산정): 특정 덕트 시스템이나 배관 시스템의 압력 강하는 풍량의 제곱에 대략 비례합니다 (). 이 관계를 그래프로 나타낸 것을 시스템 곡선이라고 합니다. 송풍기 특성 곡선과 시스템 곡선이 만나는 지점이 해당 시스템에서 송풍기가 실제로 운전될 때의 **운전점(Operating Point)**으로, 실제 풍량과 압력을 결정합니다.
- 송풍기 선정: 요구되는 운전점(필요 풍량 및 압력)을 기준으로, 해당 운전점을 최고 효율점 근처에서 만족시키는 송풍기의 크기와 회전수를 특성 곡선을 비교하여 선정합니다.
- 성능 변화 분석: 시스템 변경(덕트 마찰 증가/감소 등)이나 송풍기 성능 변화에 따른 운전점 이동을 파악하고, 이를 통해 문제점을 진단하거나 개선 방안을 모색합니다.
요약하자면, 송풍기의 상사 법칙은 서로 다른 운전 조건이나 크기의 송풍기 성능을 예측하는 관계식이며, 특성 곡선은 특정 조건에서의 송풍기 성능을 그래프로 나타낸 것으로, 이 둘을 통해 송풍기의 성능을 이해하고 시스템에 적합한 송풍기를 선정 및 분석할 수 있습니다.