송풍기의 상사법칙이란?
개념
송풍기의 상사법칙은
회전기계인 송풍기의 회전수나 임펠러 직경이 변할 때,
풍량, 정압, 축동력 등의 값이 어떻게 변하는지를
예측할 수 있도록 해주는 법칙입니다.
쉽게 말하면
기존 팬과 비슷한 조건의 팬을 도입하거나
기존 팬의 조건을 변경했을 때,
성능이 어떻게 달라질지를 수학적으로 계산해주는 도구라고 볼 수 있습니다.
이 법칙은 유체역학적 상사(similarity)에 기반한 것으로,
전형적인 비압축성 유체 흐름을 가정했을 때만 적용됩니다.
다시 말해, 송풍기의 운전 조건이 극단적으로 달라지지 않는 범위 내에서
유효한 근사 법칙인 셈입니다.
풍량 변화와의 관계
첫번째로 기억해야 할 것은 풍량(Q)은
회전수(n)나 임펠러 직경(D)에 정비례한다는 점입니다.
즉, Q₂ / Q₁ = n₂ / n₁ = D₂ / D₁
예를 들어 회전수를 10% 증가시키면,
풍량도 10% 증가합니다.
마찬가지로 임펠러 지름을 10% 키우면,
풍량도 10% 증가합니다.
매우 직관적인 관계입니다.
현장에서 송풍기 교체 시 풍량 보정이 필요한 이유도 이 때문입니다.
특히 덕트 설계 풍량이 정해져 있는데 기존 팬보다 속도가 빠르거나
임펠러가 큰 팬을 쓰게 되면, 풍량이 과하게 증가해 오히려 문제가 생길 수 있습니다.
정압 변화와의 관계
두번째로, 정압(H)은 회전수나 임펠러 직경의 제곱에 비례합니다.
즉, H₂ / H₁ = (n₂ / n₁)² = (D₂ / D₁)²
조금만 바꿔도 큰 차이가 발생하는 구간입니다.
예를 들어 회전수를 10% 높이면 정압은 약 21% 증가합니다.
정압은 공기의 저항과 관련된 항목이기 때문에,
덕트 길이, 굴곡 수, 필터 등과 밀접하게 연관되어 있습니다.
따라서 단순히 풍량만 고려하고 팬을 선택하면,
정압 부족으로 설비가 정상 작동하지 않는 일이 발생할 수 있습니다.
상사법칙에서 이 제곱 관계를 반드시 고려해야 합니다.
축동력 변화와의 관계
세번째로 중요한 점은 축동력(P)은 회전수나 임펠러 직경의 세제곱에 비례한다는 사실입니다.
즉, P₂ / P₁ = (n₂ / n₁)³ = (D₂ / D₁)³
이 부분이 바로 설비 전기용량이나 모터 용량과 직결되는 항목입니다.
회전수를 10%만 높여도 소비전력은 약 33% 가까이 늘어납니다.
임펠러 지름이 커지는 경우도 마찬가지입니다.
따라서 팬을 교체하거나 리노베이션 설계를 할 때,
축동력의 변화를 정확히 예측하지 못하면
모터 과부하나 차단기 트립 같은 심각한 문제가 발생할 수 있습니다.
설계 단계에서 전기 부하 계산을 할 때
이 부분을 무시하면 향후 유지관리 단계에서 큰 리스크가 생깁니다.
결론
정리하자면, 송풍기의 상사법칙은 다음과 같은 관계를 가집니다.
풍량 Q ∝ n
정압 H ∝ n²
축동력 P ∝ n³
위 관계는 임펠러 직경이 바뀌는 경우에도 마찬가지로 적용됩니다.
송풍기의 상사법칙은 단순히 공식 외우는 문제를 넘어,
실제 현장의 합리적인 설계와 안전한 운전을 위한 필수 기준입니다.
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