작성자: Tom Godbey, Donaldson Torit 응용 전문가 및 Dan Johnson, Donaldson Torit 응용 엔지니어
산업은 미국에서 생산되는 소매 전기 에너지의 27%를 소비하고 있으며, 팬과 펌프는 해당 27% 중에서도 40%를 차지합니다. 40% 중에서도 팬이 대부분을 차지하고 있습니다(1, 2 참조). 하지만 매일 얼마나 많은 공기를 이동시키는지, 또 그 공기를 이동시키는 데 사용되는 전력은 얼마나 되는지 확인하기 위해 공기 감사를 마지막으로 실시한 것은 언제인가요? 대부분의 공장은 생산되는 제품보다 더 많은 양의 공기를 이동시키며, 그 공기를 이동하는 데는 상당한 에너지가 사용됩니다. 에너지는 돈이기 때문에 움직이는 공기에 쓰이는 에너지를 절약할 수 있다면 돈을 절약하고 생산되는 제품의 비용을 낮출 수 있습니다.
공기는 무게가 있기 때문에 배출 시스템을 다룰 때는 현명한 엔지니어링 판단을 내려야 합니다. 표준 공기는 다음을 포함하는 가스로 정의됩니다.
- 78.1% 질소
- 21% 산소
- 0.9% 아르곤
- 습기 없음, 해수면 높이 및 온도 70 °F
표준 조건에서는 공기 무게가 세제곱피트당 0.075 lbs입니다. 30 인치 직경의 흡입구 덕트가 팬으로 연결되는 일반적인 분진 배출 시스템은 분당 약 17,000 세제곱피트(CFM)의 공기를 처리합니다. 또는 무게로 표현하면, 이 팬은 매일 24시간 가동을 기준으로 매년 335,000톤 이상의 공기를 처리합니다. 많은 시설에서 이와 같은 여러 시스템을 갖추고 있습니다.
그렇다면 공장에서 공기를 움직이는 데 비용이 얼마나 들까요? 에너지는 돈이기 때문에 에너지 방법을 변화시키면 은행에 돈을 저축하는 효과를 냅니다. 본 문서에서는 시스템 내에서 공기를 이동시키는 데 드는 비용에 초점을 맞춥니다. 기본적으로 작업 공간에서 공기를 가열, 냉각, 가습하는 비용보다는 팬을 작동시키는 비용을 중점적으로 살펴보겠습니다.
팬 샤프트에 필요한 전력을 일반적으로 팬의 제동 마력[Bhp]이라고 합니다. Bhp는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다(3 참조).
bhp = (Q x ∆P/6356 x Nf) x df
여기서
bhp 팬 샤프트 마력
Q 분당 세제곱피트(cfm)로 나타낸 공기 흐름
∆P "wg로 나타낸 팬 압력 강하/상승
6356 상수
Nf 소수로 나타낸 팬 효율
df 표준 공기의 밀도/실제 밀도로 정의되는 밀도 계수
본 문서의 목적상 공기는 표준 조건으로 간주되므로 df = 1입니다.
일반적인 팬 효율은 방사형 날개 팬의 경우 60~68%, 후향 날개 팬의 경우 70~80%입니다. 산업용 벤틸레이션 시스템에 사용되는 팬의 유형은 용도 및 성능 요구사항에 따라 결정되어야 합니다. 방사형 날개 팬은 일반적으로 더러운 공기에서 사용되며, 후향 날개 팬은 집진기의 깨끗한 쪽과 같이 상대적으로 깨끗한 공기에서 사용됩니다. 안타깝게도 대다수의 구형 팬은 효율이 낮은 방사형 날개로 구성되어 있습니다. 이러한 팬은 튼튼한 성능은 발휘합니다. 그러나 이러한 팬을 처음 구매한 당시에는 에너지가 저렴했기 때문에 에너지 사용에 대한 고려 없이 설치되었을 것입니다.
에너지 비용은 Bhp가 아닌 킬로와트(kW)를 기준으로 하므로 Bhp를 kW로 변환해야 합니다. Bhp를 kW로 변환하려면 Bhp에 0.746을 곱하면 됩니다. 하지만 총 에너지를 모터에 포함하려면, 이 샤프트 에너지를 모터 효율인 Nm으로 나누어야 합니다.
모터 효율은 모터 설계에 따라 다르지만, 보통 약 90%입니다[0.9]. 흔히 스타터에서 추가적인 전기 손실이 발생하고 전기 측정기와 모터 사이의 라인에서 변속기 손실이 발생합니다. 이러한 손실은 적으며, 상대적인 절감 효과를 고려할 때 모터 효율 90%에 통합해도 괜찮을 만큼 미미한 편입니다. 이제 조정된 kW에 작동 시간과 kW 시간당 전기 비용을 곱합니다.
연간 비용 = (Q x ∆P x 0.746 x H x 52 x C)/(6356 x Nf x Nm)
여기서
52 연당 운영 주 수
H 주당 운영 시간
C kW 시간당 비용
물론 6356과 0.746을 단일 상수로 결합할 수 있지만, 그러면 논리가 끊어집니다. 이는 "공기 에너지 비용은 얼마인가요?"라는 질문의 답이 됩니다.
에너지 비용 공식 중 어떤 부분을 제어할 수 있나요?
이 공식의 모든 항목 중 산업용 벤틸레이션 시스템의 설계자와 조작자로부터 영향을 받을 수 있는 유일한 항목 두 가지는 공기 흐름과 압력 강하입니다.
이러한 변수를 어떻게 제어하나요?
에너지를 최소화하는 것이 목표라면, 시스템의 총 공기 흐름을 최소화하고 최대한 오랫동안 압력 강하(또는 흐름 저항)를 줄여야 합니다.
이러한 제어에 성공하고 에너지를 절약하는 방법의 사례
모범 설계 사례
공기량을 최소화하고 필트레이션 시스템의 압력 손실을 줄이는 한 가지 방법은 처음부터 모범 설계 사례를 적용하는 것입니다. 설계는 본 문서에서 다루기엔 너무 폭넓고 광범위한 주제이지만, 산업용 벤틸레이션 컨퍼런스(www.michiganivc.org) 등의 여러 좋은 참고 자료를 통해 설계 사례를 얻을 수 있습니다. 이 컨퍼런스에서는 최소한의 총공기량으로 작동하고 시스템의 정적 손실/저항을 최소화하며 팬 성능을 극대화하는 배출 시스템을 설계하는 방법에 대한 교육을 제공합니다.
상당수의 공장은 그림 1에 나와 있는 것과 유사한 설비를 갖추고 있습니다.
외관상으로 볼 때는 매우 좋은 설비지만, 문제는 팬 흡입구의 L자 관에 있습니다. 팬이 최고 효율로 작동하려면, 마지막 L자 관과 실제 팬 흡입구 사이의 흡입구에 3~4직경의 직선 덕트가 필요합니다 (참고 4). 이러한 직선 덕트가 없으면 팬 흡입구에 공기가 균일하게 채워지지 않으며, 팬은 발표된 속도보다 낮은 속도로 작동하고 설계 공기량을 제공하지 않습니다. 실제로 흡입구에서 L자 관의 위치는 시스템에서 0.9 "wg의 압력을 잃는 것과 같습니다.
17,000 cfm 시스템이 80% 효율의 팬으로 하루 24시간 작동하고 kW시간당 비용이 0.09달러라고 가정할 때, 이 설비는 연간 1,960달러의 에너지 비용을 불필요하게 소비합니다. 그 비용은 이 시스템이 가동되는 동안 매년 발생합니다. 장비 레이아웃과 팬을 L자 관에서 직경 4배 길이만큼 떨어진 곳으로 이동시키는 비용이 현실적이지 않을 경우, L자 관 볼트를 풀고 내부에 회전 베인 3개가 있는 동일한 L자 관으로 교체하면 연간 불이익이 최소 435달러(약 1,525달러 절감)로 감소할 수 있으며, 시스템이 추가적인 에너지 비용 없이도 공기 흐름을 증가시킬 수 있습니다.
국내 덕트 구성요소 공급업체에 따르면, 직경이 30 인치이며 5개 부품으로 이루어진 L자 관 내부에 회전 베인을 설치하는 초기 비용은 약 300달러라고 합니다. 두 명의 유지 관리자가 교체에 약 반나절이 걸린다는 점을 감안하여 L자 관을 새로 설치하는 데 드는 1100달러의 비용과 비교해 보십시오 (5 참조).
좋은 설계가 중요합니다. 설계가 우수하지 않으면 시스템이 작동하는 동안 비용이 더 많이 듭니다.
중앙집중식 시스템
전통적인 집진 시스템은 후드, 덕트, 호퍼가 달린 집진기, 분진 처리 장치 및 팬으로 구성됩니다.
팬의 법칙 또는 시스템의 법칙
시설에는 항상 더 많은 처리량, 시간이 지남에 따른 벨트 속도 증가, 버킷 엘리베이터 드라이브의 업그레이드 등의 부담이 있습니다. 늘어나는 생산량을 감당하기 위해 공기 흐름을 늘리지 않았기 때문에 곧 배출 시스템이 더 이상 적합하지 않게 됩니다. 그렇다면 해결책은 무엇일까요? 전형적인 해결 방법은 팬의 속도를 높이는 것이며, 그렇게 하면 흐름이 개선될 것입니다. 대신 불이익이 따라옵니다. 아주 심각한 불이익이죠. 이어지는 상황에는 물리 법칙이 적용됩니다. 팬의 법칙 또는 시스템의 법칙이라는 법칙으로 다음 방정식과 같이 나타납니다 (3 참조).
cfm(신규) = cfm(기존) x [rpm(신규) / rpm(기존)]
흐름의 변화는 속도 변화에 정비례합니다. 20%의 유량을 늘리려면 팬 속도를 20% 증가시켜야 합니다.
SP(신규) = SP(기존) x [rpm(신규) / rpm(기존)]2
팬 속도가 20% 증가하면 정압(SP)이 40% 증가합니다. 이는 고정 덕트 시스템을 통과하는 공기 흐름이 20% 증가하면 시스템 저항이 40% 증가하기 때문입니다.
HP(신규) = HP(기존) x [rpm(신규) / rpm(기존)]3
전력 요구량, 즉 에너지 요구량은 팬 속도 변화에 대한 세제곱 함수로, 공기 흐름(즉, 속도)이 20% 증가하면 전력 요구량이 약 73% 증가합니다. 즉, 공기 흐름이 20%만 증가해도 큰 비용이 든다는 의미입니다.
전체 시스템을 해체하고 큰 비용을 들여 교체하기에는 자금이 부족할 경우, 공장 엔지니어가 해야 할 일은 무엇일까요?
중앙 덕트 시스템에서 하나 이상의 픽업 지점을 떼어내 개별 전용 집진기에 장착해 보십시오. 공기는 남은 픽업 지점을 통해 재분산되며, 나머지 후드를 통해 흐름이 증가합니다. 이 새로운 전용 집진기는 더 작은 팬과 분진 배출기를 갖춘 더 작은 프리스탠딩형 중앙집중식 집진기가 될 것입니다. 작업에서 허용되는 경우, 이 전용 집진기는 그림 3 및 4와 같이 후드 인클로저에 통합할 수 있을 정도로 작아질 수 있습니다. 따라서 덕트를 제거하고 정적 손실을 훨씬 줄일 수 있습니다.
이 소형 전용 집진기 또는 일체형 집진기는 더 큰 중앙집중식 백하우스만큼 안정적이며 필요한 에너지가 훨씬 적습니다. 그림 3에서, 분진 발생원 근처에 설치한 전용 집진기에는 팬 속도가 증가된 집진기에 필요한 74%의 에너지보다 약 20%의 에너지가 추가로 필요합니다. 일체형 전용 집진기의 경우, 모든 덕트 손실이 제거되기 때문에 덕트가 필요 없고, 먼지 분진 배출기도 필요 없으며, 전력 비용도 낮다는 장점이 있습니다.
효과를 극대화하기 위해서는 전용 장치를 설치할 곳을 찾아야 합니다.
- 중앙 집진기로부터 가장 멀리 떨어진 분진 발생 지점
- 배출 장비가 항상 사용되지는 않는 분진 발생 지점. 그리고 배출하는 생산 장비가 사용되지 않고 분진을 생성하지 않을 경우에는 전용 집진기를 차단할 수 있습니다. (에너지를 최대한 절약하려면 기계를 아예 끄는 편이 가장 좋습니다.)
고성능 필터 여과지
공기 흐름을 최소화하고 압력 강하를 줄이면서 작업 요구사항을 충족할 때 에너지 절약 효과가 발생한다는 사실을 기억하시기 바랍니다. 압력 강하를 줄이는 한 가지 방법은 섬유 및 카트리지 유형 집진기의 필터 여과지를 최신 고성능 여과지로 업그레이드하는 것입니다. 고성능 여과지는 4가지 범주로 나뉩니다.
- 표면 처리된 필터 여과지
- 플리츠 백 여과지
- 첨단 기술 여과지
- 혁신적인 필터 여과지 구성 기술
표면 처리된 필터 여과지
표면 처리는 여러 측면으로 성능을 향상해 줍니다. 효율성 향상, 필터 압력 강하 감소, 습기와 화학물질에 대한 저항성 향상, 먼지층 방출 개선, 브리징 감소 등입니다.
많은 표면 처리 방법이 존재합니다. 기계적 방식, 화학적 변형 방식 등이 있으며 각 방법을 조합하기도 합니다. 표면 처리의 주요 목표는 대부분의 입자를 여과지의 표면 위와 밖에서 포집하고 배출하는 것입니다. 이렇게 하면 필터를 더 오래 깨끗하게 유지하여 더 낮은 압력 강하를 유지할 수 있습니다. 또한 표면 처리는 수분과 화학물질에 대한 저항력을 높이고 브리징을 줄여 줍니다. 조금 더 일반적인 필터 여과지 표면에는 다음이 있습니다.
- 무지: 개방 섬유로 인한 자연스러운 부드러움을 지니도록 무지 펠트 마감 처리된 표준 필터 백입니다. 이 섬유는 미세 입자 포집에 도움을 주고 먼지층을 잡아 줍니다. 단백질, 녹말, 소석회와 같은 분진의 특수한 문제는 이러한 분진이 쉽게 응집되어 고습 환경에서 딱딱한 먼지층을 형성한다는 것입니다.
- 신지형 마감: 표면 섬유를 가스 불꽃으로 녹여 표면에 달라붙는 분진 입자를 줄이는 것입니다. 일반적으로 신지형 마감은 먼지층을 더 잘 방출하므로 압력 강하가 낮습니다.
- 광택 마감: 반투명 마감이라고도 알려진 광택 마감은 여과지 섬유의 미세한 층을 녹이고 문질러서 먼지층을 더 잘 방출시키는 매끄러운 표면을 형성하는 것입니다. 이를 통해 먼지층 방출을 개선하고 매우 끈끈한 분진이 있을 때도 작동 압력 강하를 낮게 유지할 수 있습니다.
- 실리콘 처리: 먼지층의 초기 축적을 돕고 섬유로 흡수되는 수분을 줄여 습기에 민감한 분진을 더 잘 배출하고 작동 압력 강하를 낮출 수 있습니다.
- 소유성 마감, 소수성 마감 및 보편적인 화학적 마감: 모두 플루오로카본 용기에 담겨 압착된 다음 열을 가한 펠트를 설명하는 용어입니다. 플루오로카본은 섬유로 수분과 산이 흡수되는 것을 줄여 주고, 먼지층이 방출되도록 표면을 매끄럽게 해 줍니다. 습기와 열로 인한 가수분해에 대한 섬유 저항을 높이고 산 분해에 대한 저항성을 높일 수 있습니다.
- 팽창형 PTFE: 팽창형 PTFE 멤브레인은 기존의 니들 펠트나 직물의 표면에 열로 접합할 수 있습니다. 이 멤브레인은 효율이 높으며, 먼지층 방출 성능이 우수하고, 공기 흐름을 개선해 줍니다.
아크릴 폼과 같은 기타 표면 처리도 사용 가능하며, 이러한 처리 방식은 특정 산업 및 작업의 고유한 요구사항에 맞게 개발되었습니다.
플리츠 백: 더욱 더 많은 여과지를 백하우스에 설치하여 공기 흐름을 늘리고 기존 원형 튜브 집진기의 효율을 높이려는 목적으로 플리츠 백 필터가 발명되었습니다. 기존 집진기에 플리츠 백 필터를 설치하면 압력 강하를 줄일 수 있어 에너지 절약 효과도 얻을 수 있습니다. 플리츠 백 필터는 기존의 6 또는 6.25 인치 직경의 백처럼 타원형 또는 원형일 수 있습니다. 단, 여과지가 플리츠 형태라 필터 길이의 리니어피트당 더 많은 총 여과 표면적을 제공한다는 점이 다릅니다.
플리츠 백 필터는 기존 집진기의 총 필터 표면적을 두 배 또는 세 배까지도 늘릴 수 있습니다. 그렇다고 해서 집진기 공기량이 세 배가 될 수 있는 것은 아닙니다. 플리츠 백은 일반적으로 패브릭 백보다 훨씬 더 낮은 필트레이션 속도로 작동합니다. 필트레이션 속도가 느려지는 정도는 분진 특성과 집진기 하우징 설계에 따라 달라집니다. 기존 백하우스 집진기에 플리츠 백을 새로 장착하면 필터 면적이 넓어지면서 공기 흐름 저항이 감소하기 때문에 집진기의 압력 강하를 비용 효율적으로 낮출 수 있습니다. 플리츠 백 필터는 다양한 여과지로 제공됩니다. 고효율 나노섬유로 표면 처리를 한 스펀본드 여과지가 일반적입니다. 나노섬유는 플리츠 여과지의 표면에 먼지를 계속 포집한 후 손쉽게 펄스 클리닝합니다. 그 결과 기존의 코팅되지 않은 스펀본드 여과지보다 압력 강하가 낮고 배출량이 적습니다. 이 여과지는 현재 타원형 또는 원형 플리츠 백과 기존 카트리지 필터 모두에 사용할 수 있습니다.
첨단 기술 여과지: 여기에는 등급을 매긴 데니어, 합성, 수류 결합 및 전기 방사 나노섬유 여과지가 포함됩니다. 이 여과지 기술은 대부분 10년 전에는 존재하지 않았고, 대개 기존 집진기를 구입 및 설치하고 필터 여과지를 지정한 지 오래 지난 뒤에야 도입되었습니다. 예정된 필터 교체 시기에 고성능 여과지를 설치하여 집진기를 업그레이드하면 작동 압력 강하를 크게 줄이고 효율을 높이며 필터 수명을 늘릴 수 있습니다.
등급을 매긴 데니어: 이 여과지는 청정 공기 쪽에는 더 큰 직경의 섬유층으로, 오염 공기 쪽에는 더 미세한 섬유층으로 구성되어 있습니다. 이렇게 하면 전체 미세섬유 펠트보다 압력 강하를 낮추고 펄스 클리닝을 향상하는 동시에 표면 필트레이션 성능도 개선할 수 있습니다.
합성 여과지: 각각의 고유한 특성을 활용하기 위해 두 가지 다른 섬유로 구성됩니다. 조금 더 일반적인 합성 여과지 중 하나는 폴리에스테르처럼 저렴한 펠트 표면에 얇은 P84® 섬유층을 사용하는 것입니다. P84®는 효율이 뛰어나고 먼지층을 더 잘 방출하며 높은 내열성(압력 강하 낮음)을 갖추고 있는 반면 비용이 많이 듭니다. 폴리에스테르는 저렴하면서도 튼튼한 섬유입니다. 전체 P84® 섬유는 압력 손실 감소만을 위해 구입하는 경우 비경제적일 수 있지만, 폴리에스테르 베이스와 결합하면 고질적인 압력 손실 문제와 열 문제에 대한 비용 효율적인 해답이 될 수 있습니다.
수류 결합 펠트 여과지: 수류 결합은 펠트를 만드는 공정으로, 제조 공정에서 니들 대신 컴퓨터로 제어되는 고압 워터 제트를 사용합니다. 필터 여과지의 일반적인 제조 공정에는 섬유를 잡아당기고 함께 엮고 얽히게 하여 두꺼운 펠트를 형성하는 니들링 공정이 통합되어 있습니다. 이 기계적 니들링 공정의 단점은 섬유 구멍 간격과 크기가 일관되지 않다는 점입니다. 이렇게 일관성이 없으면 분진이 기공 구조를 통과할 뿐 아니라 분진 입자가 심층 포집(또는 펠트 깊이 잠복)되어 공기 흐름을 차단하고 필터 전반에 과도한 압력 손실을 유발하므로 필트레이션 효율 및 압력 손실에 영향을 미칩니다. 수류 결합 펠트는 구멍 크기가 훨씬 균일하여 결과적으로 작은 구멍을 만듭니다. 따라서 심층 포집이 감소하고 압력 강하가 낮아집니다.
전기 방사: 나노섬유 여과지를 생산하는 데 사용되는 공정으로, 두께가 0.2~0.3 미크론인 매우 미세한 연속 탄성 섬유가 만들어집니다. 나노섬유 여과지는 여과지 표면에 영구적인 망을 형성하여 여과지 표면에 분진을 포집합니다. 이를 통해 여과지가 1 미크론 미만의 입자를 더욱 효율적으로 여과할 수 있고, 펄스 클리닝 효율을 높여 필터를 오래 사용할 수 있고, 장기간에 걸쳐 낮은 압력 강하를 유지할 수 있습니다.
전기 방사 공정을 통해 미세섬유의 비율이 높으며 더 작고 일관된 구멍 크기를 지닌 필터가 만들어집니다. 이러한 일관성과 균일성 덕분에 더 효과적으로 분진을 표면에 포집하고, 더 효율적으로 펄스 클리닝을 수행하며, 더 낮은 압력 강하를 유지하는 필터 여과지가 탄생합니다. 구멍 크기가 작기 때문에 다음과 같은 이점도 얻을 수 있습니다.
심층 포집을 차단하여 필터 클리닝 효율 향상
압력 손실을 낮춰 공기 흐름을 높이고 필터 수명을 연장하며 배출량을 감소
혁신적인 여과지 구성 기술
최신 필터 설계 기술은 미세섬유 기술의 장점과 최초의 여과지 구성 방식이 결합한 기술입니다. 이 여과지는 기존의 플리츠 카트리지 필터 여과지 또는 백 필터와 비교하여 세로 홈 채널을 활용합니다. 또한 필터 클리닝 효율을 크게 향상시키고, 펄스 클리닝 성능을 높여 작동 압력 강하를 낮추고 더 많은 에너지를 절약해 줍니다.
고성능 여과지로 절감 효과를 실현하는 방법
집진기에 고성능 필터 여과지를 장착한다고 해서 곧바로 에너지가 절약되는 것은 아닙니다. 왜 그럴까요? 여과지가 제공하는 낮은 압력 강하는 팬 흡입구에서 더 낮은 압력을 유발하기 때문입니다. 팬의 성능을 조정하지 않는 한, 팬은 더 많은 공기를 이동시키고 더 많은(절대 적지 않은) 마력을 사용하게 됩니다. 고성능 여과지로 에너지를 절약하려면 기존의 설계 흐름으로 공기 흐름이 유지되도록 팬 속도를 줄여야 합니다.
그림 7은 정압(SP) 곡선과 브레이크 마력(bhp) 곡선을 보여 주는 팬 성능 곡선입니다. 이러한 성능 곡선 위에 겹쳐 있는 것은 시스템 곡선으로, 필터 여과지 전반에 걸쳐 최종적으로 증가한 압력 강하를 뺀 집진 시스템(후드, 덕트, 집진기 등) 내 모든 구성요소의 저항을 나타냅니다.
설계 공기량이 ∆P1로 설계된 Q1이고 감소한 압력 강하인 ∆P2로 작동하는 고성능 필터 백이 설치되어 있으면 팬 흡입구의 정압이 SP1로 감소하여 그림 8과 같이 흐름 Q2가 증가하고 마력 bhp2가 증가합니다. 이 흐름을 설계 흐름 Q1로 되돌리려면 팬 시스템의 기계적 변화가 필요합니다.
공기 흐름을 원래 Q2 값으로 줄이는 한 가지 방법은 그림 9와 같이 단순히 댐퍼를 닫아 정적 저항을 대체하는 것입니다. 그러면 공기 흐름이 원래 수준으로 감소하지만, bhp도 원래 수준으로 되돌아갑니다. 실제로 댐퍼는 그림 10과 같이 새로운 시스템 곡선을 생성합니다. 이렇게 해서는 에너지를 줄이려는 목적을 달성할 수 없습니다.
잠재적 에너지 절약을 실현하려면 bhp 요구사항을 줄여야 하며, 이를 위해서는 회전 팬 속도를 변경해야 합니다. 팬 속도를 변경하는 두 가지 방법은 가변 속도 모터 드라이브를 이용하고 벨트 및 시브를 간단하게 변경하는 것입니다.
시스템이 측정되지 않았거나, 팬 곡선을 사용할 수 없거나, 시스템 흐름이 가변적인 경우, 가장 효율적인 솔루션은 아마도 VFD(주파수 변조 드라이브)를 사용하는 것입니다. VFD는 그림 11과 같이 팬 SP 곡선과 이에 상응하는 bhp 곡선을 무한대로 제공할 수 있습니다. 단순히 원하는 흐름을 제공하는 속도로 조정하는 것만으로도 브레이크 마력을 변경하는 이점을 누릴 수 있습니다.
세 번째 팬의 법칙인 고정 시스템의 경우 속도 변화의 세제곱만큼 bhp가 감소한다는 법칙을 기억하십시오.
- 속도 5% 감소 시 에너지 절약량 14% 0.953 = 0.86
- 속도 10% 감소 시 에너지 절약량 27% 0.903 = 0.73
- 속도 12% 감소 시 에너지 절약량 32% 0.883 = 0.68
벨트 및 시브의 단순한 변경보다 VFD가 구입 비용이 더 많이 든다는 것이 단점입니다. 40 hp 시스템의 경우 프리스탠딩형 VFD의 비용은 5,000달러에서 5500달러 사이이며, 전기 기술자 2명이 반나절 정도면 설치를 완료합니다. 이 금액은 여전히 많은 상황에서 만족스러운 투자비 회수를 달성할 수 있습니다.
공기 흐름의 변화에 대한 요구사항이 없는 고정 시스템의 경우, 팬 드라이브에서 간단하게 벨트 및 시브만 변경하면 됩니다. 속도가 변경되면 원래 Q1 값으로 흐름이 돌아오고, 전력 요구량이 bhp1에서 bhp2로 감소합니다(그림 12참조). 고정 속도를 변경하면 100% 에너지가 복구되며, 비용도 저렴합니다. 40 hp 모터가 장착된 예시 시스템의 경우, 비용은 약 300달러이며, 유지 관리 직원 2명이 반나절 정도면 설치를 완료합니다.
사례 기록
미국 남부의 대규모 곡물 처리 및 지방 종자 가공 시설에는 패브릭 필터를 장착한 백하우스 집진기 35대가 있었습니다. 에너지 비용을 절감해야 한다는 압박감과 고성능 필터 여과지에 대한 많은 연구 끝에 집진기 한 대에 수류 결합 필터 여과지를 장착하기로 결정했습니다. 새 여과지를 통해 집진기 전체의 압력 손실을 2 "wg까지 줄이고, 집진기 35대에 모두 이 여과지를 장착하여 결과적으로 상당한 에너지 절약 효과를 달성하는 것이 목적이었습니다.
그림 13은 분석 데이터를 보여 줍니다. 공기 흐름은 12,900 cfm으로 설정되었습니다. 니들 펠트 압력 강하는 5 "wg였지만, 수류 결합 필터 백은 3 "wg에서 안정화되었습니다. 팬은 63%의 효율을 지닌 방사형 날개 팬이었습니다. 효율 90%의 전기 트랜스미션/모터가 사용되었습니다. 이 시설은 매일 24시간, 일주일에 7일, 연간 51주씩 운영됩니다. 전기 요금은 kW 시간당 0.09달러였습니다.
압력 강하를 낮게 유지하며 안정화했을 뿐만 아니라, 수류 결합 필터 엘리먼트도 필터 수명이 두 배나 되었습니다. 공장 관리자가 필터 교체 횟수 감소로 인한 인건비 절감, 드라이브 교체로 인한 비용 증가, 필터 백 비용 증가를 모두 감안하여 효과를 계산하자 투자 원금 회수 기간은 3.8개월이었습니다.
단순히 수류 결합 백 필터를 구입하여 설치하고 다시 결합하여 속도를 낮출 경우, 집진기 35대에 대해 연간 77,000달러 이상을 절약할 수 있다고 판단했습니다.
요약
공기는 무게가 있으며, 산업용 벤틸레이션 시스템 내에서 공기를 이동시킬 때는 상당한 에너지가 사용됩니다. 에너지 비용을 최소화하여 제품의 비용을 절감하기 위해서는 새로운 시스템을 설계할 때 현명한 엔지니어링 판단을 내려야 하며 대체 시스템도 고려해야 합니다. 기존 시스템의 경우, 시스템을 통과할 때의 압력 손실을 줄이기 위해 필터 마감이 개선된 백, 고급 성능의 여과지 및/또는 혁신적인 필터 여과지 구성과 같은 대체 제품을 고려해 보십시오. 이 모든 솔루션은 초기 비용이 더 높을 수 있지만, 에너지 절약을 고려할 때 전반적으로 장기적인 비용 절감을 제공할 수 있습니다.
