덕트 환기 시스템용 팬
이 모듈에서는 덕트 환기 시스템에 사용되는 원심 팬과 축 팬을 살펴보고, 그 특성과 작동 속성을 포함한 선택된 측면을 고려합니다.
덕트 시스템 구축에 사용되는 두 가지 일반적인 팬 유형은 일반적으로 원심 팬과 축류 팬으로 불립니다. 이 이름은 팬을 통과하는 공기 흐름의 방향에서 유래되었습니다. 이 두 유형은 특정 유량/압력 특성뿐만 아니라 크기, 소음, 진동, 청소 용이성, 유지보수 용이성 및 견고성 등의 기타 작동 특성을 제공하기 위해 개발된 여러 하위 유형으로 나뉩니다.
표 1: 직경 600mm 이상 팬에 대한 미국 및 유럽 발행 최대 팬 효율 데이터
표 1에는 HVAC에 사용되는 자주 사용되는 팬 유형 몇 가지와 미국 및 유럽의 여러 제조업체에서 발표한 데이터에서 수집한 지표 피크 효율이 함께 나와 있습니다. 이 외에도, 원심 팬의 변형인 '플러그' 팬이 최근 몇 년 동안 인기를 얻고 있습니다.
그림 1: 일반적인 팬 곡선. 실제 팬은 이러한 단순화된 곡선과 크게 다를 수 있습니다.
그림 1은 팬의 특성 곡선을 보여줍니다. 이 곡선들은 과장되고 이상적인 곡선이며, 실제 팬은 이 곡선들과 상당히 다를 수 있습니다. 그러나 유사한 특성을 보일 가능성이 높습니다. 여기에는 헌팅(hunting)으로 인한 불안정 영역이 포함됩니다. 헌팅은 팬이 동일한 압력에서 두 가지 가능한 유량 사이에서 회전하거나 팬 정지(공기 흐름 상자 정지 참조)로 인해 불안정해지는 영역입니다. 제조업체는 또한 제품 설명서에 선호하는 '안전' 작동 범위를 명시해야 합니다.
원심 팬
원심 팬은 공기가 축을 따라 임펠러로 유입된 후 원심력에 의해 임펠러에서 방사형으로 배출됩니다. 이러한 팬은 높은 압력과 높은 유량을 모두 생성할 수 있습니다. 대부분의 기존 원심 팬은 스크롤 타입 하우징(그림 2 참조)에 내장되어 있어 움직이는 공기의 방향을 조정하고 운동 에너지를 정압으로 효율적으로 변환합니다. 더 많은 공기를 이동시키기 위해 팬에 '이중 폭 이중 유입구' 임펠러를 설계하여 케이싱 양쪽에서 공기가 유입되도록 할 수 있습니다.
그림 2: 스크롤 케이싱의 원심 팬, 뒤로 기울어진 임펠러 포함
임펠러를 구성하는 블레이드에는 여러 가지 형태가 있으며, 주요 유형은 전방 곡선형과 후방 곡선형입니다. 블레이드의 형태는 성능, 잠재적 효율, 그리고 팬의 특징적인 곡선 형태를 결정합니다. 팬의 효율에 영향을 미치는 다른 요인으로는 임펠러 휠의 폭, 흡입 콘과 회전 임펠러 사이의 여유 공간, 그리고 팬에서 공기를 배출하는 영역(소위 '분사 영역')이 있습니다.
이 유형의 팬은 전통적으로 벨트 풀리 방식의 모터로 구동되어 왔습니다. 그러나 전자 속도 제어 기술의 발전과 전자 정류(EC 또는 브러시리스) 모터의 보급 증가로 직접 구동 방식이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 직접 구동 방식은 벨트 구동 방식의 비효율성(유지보수 여부에 따라 2%에서 10% 이상까지 발생할 수 있음)을 제거할 뿐만 아니라 진동을 줄이고, 유지 보수를 줄이며(베어링 및 청소 필요성 감소), 조립품을 더욱 소형화할 수 있습니다.
뒤로 휘어진 원심 팬
후방 곡면(또는 '경사형') 팬은 회전 방향에서 멀어지는 방향으로 기울어진 날개를 특징으로 합니다. 그림 3과 같이 에어포일 날개를 사용하거나 3차원 평면 날개를 사용할 경우 최대 90%의 효율에 도달할 수 있으며, 평면 곡면 날개를 사용할 때는 효율이 약간 떨어지고, 단순한 평판 후방 경사 날개를 사용할 때는 효율이 다시 떨어집니다. 공기는 임펠러 끝에서 비교적 낮은 속도로 배출되므로 케이싱 내부의 마찰 손실이 적고 공기에서 발생하는 소음도 적습니다. 작동 곡선의 양 끝단에서는 정지할 수 있습니다. 비교적 넓은 임펠러는 효율이 가장 높으며, 더 큰 에어포일 프로파일 날개를 쉽게 사용할 수 있습니다. 얇은 임펠러는 에어포일 사용 시 이점이 거의 없으므로 평판 날개를 사용하는 경향이 있습니다. 후방 곡면 팬은 특히 저소음과 높은 압력을 동시에 생성할 수 있는 능력으로 유명하며, 과부하 방지 전력 특성을 가지고 있습니다. 즉, 시스템 저항이 감소하고 유량이 증가함에 따라 전기 모터의 전력 소모량이 감소합니다. 후방 곡면 팬은 효율이 낮은 전방 곡면 팬보다 구조가 더 견고하고 다소 무거울 가능성이 높습니다. 날개를 통과하는 공기의 속도가 상대적으로 느리기 때문에 먼지나 기름과 같은 오염 물질이 쌓일 수 있습니다.
그림 3: 원심 팬 임펠러의 그림
전방 곡선형 원심 팬
전방 곡선형 팬은 다수의 전방 곡선형 블레이드를 특징으로 합니다. 일반적으로 압력이 낮기 때문에 동급의 동력 후방 곡선형 팬보다 작고 가벼우며 저렴합니다. 그림 3과 그림 4에서 볼 수 있듯이, 이 유형의 팬 임펠러는 20개 이상의 블레이드를 포함하며, 이 블레이드는 단일 금속판으로 제작될 수 있을 정도로 간단합니다. 개별 블레이드를 사용하면 크기가 커질수록 효율이 향상됩니다. 공기는 블레이드 끝에서 높은 접선 속도로 배출되며, 이 운동 에너지는 케이싱에서 정압으로 변환되어야 합니다. 이는 효율을 저하시킵니다. 이 팬은 일반적으로 저압(일반적으로 1.5kPa 미만)에서 소량에서 중간 정도의 풍량에 사용되며, 효율은 70% 미만으로 비교적 낮습니다. 스크롤 케이싱은 최고의 효율을 달성하는 데 특히 중요한데, 공기가 블레이드 끝에서 고속으로 배출되어 운동 에너지를 정압으로 효과적으로 변환하는 데 사용되기 때문입니다. 이 팬은 낮은 회전 속도로 작동하므로 기계적으로 발생하는 소음 수준이 고속 후방 곡선형 팬보다 낮은 경향이 있습니다. 팬은 낮은 시스템 저항에 대해 작동할 경우 과부하 전력 특성을 갖습니다.
그림 4: 통합 모터가 있는 전방 곡선형 원심 팬
예를 들어, 공기가 먼지로 심하게 오염되었거나 기름 방울이 섞여 있는 경우에는 이러한 팬이 적합하지 않습니다.
그림 5: 뒤로 곡선형 날개가 있는 직접 구동 플러그 팬의 예
방사형 날개 원심 팬
방사형 날개 원심 팬은 오염된 공기 입자를 고압(10kPa 수준)으로 이송할 수 있다는 장점이 있지만, 고속으로 작동하면 소음이 매우 크고 효율이 낮기 때문에(60% 미만) 일반 HVAC에는 사용해서는 안 됩니다. 또한 과부하 전력 특성이 있습니다. 시스템 저항이 감소하면(아마도 볼륨 조절 댐퍼 개방으로 인해) 모터 출력이 상승하고, 모터 크기에 따라 '과부하'가 발생할 수 있습니다.
플러그 팬
스크롤 케이싱에 장착하는 대신, 이 특수 설계된 원심 임펠러는 공기 처리 장치 케이싱(또는 덕트나 플레넘)에 직접 사용할 수 있으며, 초기 비용은 하우징형 원심 팬보다 낮을 가능성이 높습니다. '플레넘', '플러그' 또는 간단히 '언하우징형' 원심 팬이라고도 하는 이 팬은 공간 활용 측면에서 유리하지만, 작동 효율이 떨어진다는 단점이 있습니다(최고 효율은 하우징형 전방 곡선형 원심 팬과 유사). 이 팬은 흡입구 콘을 통해 공기를 흡입한 후(하우징형 팬과 동일한 방식), 임펠러 외경 360° 전체를 따라 방사형으로 배출합니다. 플레넘에서 배출구 연결에 있어 뛰어난 유연성을 제공하므로, 덕트에 인접한 굴곡이나 급격한 전환 지점이 필요 없어 시스템 압력 강하(따라서 팬 전력 증가)가 발생할 가능성이 줄어듭니다. 플레넘에서 나오는 덕트에 벨마우스 입구를 사용하면 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다. 플러그 팬의 장점 중 하나는 향상된 음향 성능인데, 이는 주로 플레넘 내부의 흡음성과 임펠러에서 덕트 입구로 향하는 '직접적인 시야' 경로가 없기 때문입니다. 효율은 플레넘 내 팬의 위치와 팬과 배출구의 관계에 따라 크게 달라집니다. 플레넘은 공기의 운동 에너지를 변환하여 정압을 높이는 데 사용됩니다. 임펠러 유형에 따라 성능과 작동 안정성이 크게 달라집니다. 단순 원심 임펠러를 사용하여 생성된 강한 방사형 공기 흐름 패턴으로 인한 흐름 문제를 해결하기 위해 방사형 및 축류 흐름이 결합된 혼합 흐름 임펠러가 사용되었습니다.
작은 장치의 경우, 컴팩트한 설계에 쉽게 제어할 수 있는 EC 모터를 사용하는 경우가 많습니다.
축류 팬
축류 팬에서 공기는 회전축을 따라 팬을 통과합니다(그림 6의 단순 튜브 축류 팬 참조). 이때 가압은 공기역학적 양력(항공기 날개와 유사)에 의해 발생합니다. 축류 팬은 비교적 소형, 저비용, 경량이며, 특히 상대적으로 낮은 압력으로 공기를 이동시키는 데 적합하기 때문에 공급 시스템보다 압력 강하가 낮은 배기 시스템에 자주 사용됩니다. 공급 시스템에는 일반적으로 공기 처리 장치(AHU)의 모든 공조 구성 요소의 압력 강하가 포함됩니다. 단순 축류 팬에서 나오는 공기는 임펠러를 통과하면서 공기에 가해지는 회전으로 인해 소용돌이를 발생시킵니다. 그림 7의 베인 축류 팬처럼 하류에 가이드 베인을 설치하여 소용돌이를 회수하면 팬의 성능이 크게 향상될 수 있습니다. 축류 팬의 효율은 블레이드의 모양, 블레이드 끝과 주변 케이스 사이의 거리, 그리고 소용돌이 회수의 영향을 받습니다. 블레이드의 피치를 변경하여 팬의 출력을 효율적으로 조절할 수 있습니다. 축 팬의 회전을 반대로 하면 공기 흐름도 반대로 바꿀 수 있습니다. 다만 팬은 주 방향으로 작동하도록 설계됩니다.
그림 6: 튜브 축류 팬
축류 팬의 특성 곡선은 정지 영역이 있어서 작동 조건이 매우 다양한 시스템에는 적합하지 않지만, 과부하가 발생하지 않는 전력 특성의 이점이 있습니다.
그림 7: 베인 축류 팬
베인 축류 팬은 역방향 곡선형 원심 팬만큼 효율적일 수 있으며, 적당한 압력(일반적으로 약 2kPa)에서 높은 흐름을 생성할 수 있지만 소음이 더 많이 발생할 가능성이 있습니다.
혼류 팬은 축류 팬의 발전형으로, 그림 8에서 볼 수 있듯이 원뿔형 임펠러를 가지고 있으며, 공기는 팽창 채널을 통해 방사형으로 흡입된 후 직선화 가이드 베인을 통해 축방향으로 통과합니다. 이러한 복합 작용은 다른 축류 팬보다 훨씬 높은 압력을 생성할 수 있습니다. 효율과 소음 수준은 역곡선 원심 팬과 유사할 수 있습니다.
그림 8: 혼합 흐름 인라인 팬
팬 설치
효과적인 팬 솔루션을 제공하려는 노력은 팬과 공기의 국부적인 덕트 경로 간의 관계로 인해 심각하게 훼손될 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 1월 7일