이 글의 목적은 분진을 다루는 작업장에서 국소배기 후드 설계에 바로 적용할 수 있는 기본치를 체계적으로 정리하여 현장 엔지니어와 안전관리자가 안전하고 효율적인 시스템을 구축하도록 돕는 것이다.
1. 분진 포집의 원리와 설계 전략
분진은 발생 즉시 중력, 관성, 확산, 기류의 전단력에 의해 이동하거나 침강한다. 국소배기 설계의 핵심은 분진이 주변 공기로 확산되기 전에 근원점에서 지배적으로 포집하는 것이다. 이를 위해서는 분진의 입경, 밀도, 발생 속도, 방출 방향, 주변 교란기류, 작업자 위치를 함께 고려해야 한다. 외부형 포집보다 개구부를 축소한 반폐쇄 또는 전폐쇄형 후드가 동유량 대비 포집 성능이 높다. 캐노피형 상부 후드는 열 기류 포집에는 유리하나 중력으로 낙하하는 분진에는 비효율적이므로 분진 작업에는 적합하지 않다.
설계는 다음 순서로 진행하는 것이 합리적이다. ① 공정별 오염원 정의 ② 목표 포집속도 선정 ③ 후드 형태와 개구부 결정 ④ 요구 유량 산정 ⑤ 덕트 이송속도 설정 및 관경 결정 ⑥ 손실압력 계산과 팬 전양정 산출 ⑦ 집진기 규격 및 부대설비 확정 ⑧ 시험가동과 성능 검증 순으로 진행한다.
2. 후드 형태 선택 기준
후드 형태는 외부포집형, 반폐쇄형, 전폐쇄형, 슬롯형, 푸시풀형으로 요약할 수 있다. 외부포집형은 작업 접근성이 좋으나 요구 유량이 크다. 반폐쇄형은 개구부 면속도로 제어하여 안정적인 포집이 가능하다. 슬롯형은 작업대 전면에 길게 배치하여 균일한 포집장을 형성하며 길이 대비 면적을 줄여 효율을 높일 수 있다. 푸시풀형은 분진을 후드 방향으로 유도하는 보조 송풍을 사용하여 외부 교란기류에 대한 감도를 낮출 수 있다. 작업 특성상 수평 비산이 강한 연마·절단 공정은 슬롯 또는 반폐쇄형이 유리하며, 투입구·투출구가 고정된 이송 공정은 전폐쇄형이 적합하다.
3. 기본 포집속도(VC) 선정 기준
포집속도는 오염원 표면 또는 방출점에서 필요한 최소 흡인기류 속도를 의미한다. 값이 높을수록 포집 안정성은 커지지만 소요 유량과 에너지 비용이 증가한다. 주변 교란기류가 0.2~0.3 m/s를 넘는 환경에서는 상위 구간을 선택하는 것이 안전하다.
| 상황 분류 | 설명 | 목표 포집속도 VC [m/s] |
|---|
| 조용한 공기 중 저속 방출 | 완만한 취급·소분·선별 등 | 0.25 ~ 0.50 |
| 약한 교란기류 존재 | 일반 작업대 주변, 천장팬 저속 가동 | 0.50 ~ 1.00 |
| 활발한 생성·비산 | 연마, 샌딩, 절단 등 고체 비산 강함 | 1.00 ~ 2.50 |
| 고에너지 분출 근접 포집 | 스파크·칩 분출, 노즐 인근 외부후드 | 2.50 ~ 5.00 |
| 반·전폐쇄형 후드 개구부 면속도 | 출입구·점검창 등 | 0.50 ~ 1.00 |
위 값은 분진 전용 기준으로 설정하며 증기·가스 포집 기준과 혼용하지 않는다. 포집거리 증가에 따른 속도 저하는 급격하므로 후드-오염원 거리는 가능한 짧게 유지해야 한다. 일반적으로 외부후드는 오염원으로부터 0.5D~1.0D 이내 거리로 접근시키는 것이 유리하다. 여기서 D는 후드 유효 직경 또는 개구부의 특성 길이를 의미한다.
4. 덕트 이송속도(Conveying Velocity) 기본치
이송속도는 분진의 관내 침적을 방지하기 위한 최소 기류 속도이다. 이송속도는 입경, 밀도, 점착성, 수분함량에 좌우된다. 보수적으로는 하위 범위를 피하고 중간 이상 구간을 적용한다.
| 분류 | 예시 | 권장 이송속도 [m/s] |
|---|
| 가벼운 건조 분진 | 곡물 분말, 석고 분말 | 10 ~ 15 |
| 일반 산업 분진 | 연마분, 혼합 분진 | 15 ~ 20 |
| 중량 분진 | 시멘트, 모래, 주물사 | 18 ~ 22 |
| 목분·칩 | 목재 절삭칩, 톱밥 | 20 ~ 25 |
| 금속 칩·연마 스케일 | 철·알루미늄 칩, 산화스케일 | 20 ~ 28 |
점착성 또는 수분을 포함한 분진은 상위 구간을 택하고 관경과 구배를 조정하여 체류를 억제해야 한다. 수평 배관은 최소 1% 하향 구배를 두어 청소구 방향으로 흐름을 유도하는 것이 바람직하다.
5. 요구 유량 산정과 개구부 설계
전·반폐쇄형 후드의 기본 산정은 간단하다. 필요한 유량 Q는 개구부 면적 A와 목표 면속도 V_face의 곱으로 계산한다. Q = A × V_face로 정의한다. 작업 접근을 위해 개구부가 일시적으로 확대되는 경우를 고려하여 10~30%의 여유율을 포함한다. 외부포집형 후드는 개구부가 아닌 오염원 근방의 포집속도를 맞추는 것이 목적이므로 후드와의 거리를 최소화하고 필요시 플랜지를 부착하여 흡인장을 안정화한다. 슬롯형 후드는 슬롯 높이를 최소화하고 길이를 늘려 균일한 흡인을 확보하며, 슬롯 뒷공간의 정압 분배를 위해 내부 디퓨저 또는 다중 인입을 고려한다.
플랜지 부착은 개구부 측면 유입을 차단하여 같은 유량에서 더 높은 포집속도를 얻는 실용적 수단이다. 외부 교란기류가 있는 경우 푸시 제트 노즐을 후드 반대편에 배치하여 오염원을 후드 방향으로 유도하면 요구 유량을 과도하게 키우지 않고도 포집 안정성을 얻을 수 있다.
6. 정압 손실 기본치와 팬 전양정
팬 선정에 필요한 전양정은 후드 정압, 덕트 마찰, 국부 손실, 집진기, 배출덕트와 굴뚝 손실을 합산하여 산정한다. 공기 밀도를 1.2 kg/m³, 속도압을 VP = 0.5 × ρ × V²로 계산하면 실무에서 빠르게 근사할 수 있다.
| 요소 | 대표 손실계수 K 또는 범위 | 비고 |
|---|
| 후드 입구(플레인) | K ≈ 1.0 | 플랜지 없을 때 적용한다. |
| 후드 입구(플랜지 부착) | K ≈ 0.5 | 플랜지 폭은 개구부 최소 치수의 0.3배 이상이 바람직하다. |
| 벨마우스/테이퍼 인렛 | K ≈ 0.05 ~ 0.15 | 높은 회수 효율을 가진다. |
| 90° 엘보 | K ≈ 0.5 ~ 1.5 | 곡률 반경이 크면 손실이 감소한다. |
| 티(분기관) | K ≈ 1.0 ~ 2.0 | 합류 각도와 유량비에 따라 변한다. |
| 댐퍼(전개방) | K ≈ 2.0 ~ 5.0 | 부분 폐쇄 시 손실 급증에 주의한다. |
총손실압은 ΔP_total = Σ(K × VP) + 덕트 마찰손실 + 집진기 내부손실로 표현한다. 덕트 마찰손실은 관경, 길이, 거칠기, 이송속도에 따라 달라지며 실무에서는 설계 마찰경사 0.6~1.5 Pa/m 범위를 가정하고 상세 산정으로 보정한다. 팬은 최대 운전점에서의 여유를 포함하여 선정하며, 여유율 과다는 파이프 누설, 에너지 낭비, 집진 필터 과부하로 이어질 수 있어 10~20% 범위를 권장한다.
7. 집진기 선택과 부대설비
분진 처리에는 건식 집진기가 일반적이며 사이클론과 백필터가 대표적이다. 고입경·고밀도 분진은 사이클론 전처리와 백필터 병용이 효율적이다. 점착성이나 수분이 많은 분진은 프리필터, 드롭아웃 챔버, 예열 또는 가열 배관으로 응집을 억제한다. 백필터는 여과면적 대비 공기량을 의미하는 A/C 비로 관리하며 일반 공정 분진은 1.0~2.5 m/min 범위를 적용하고, 미세·점착 분진은 0.8~1.5 m/min로 낮춘다. 펄스제트형의 경우 운전 ΔP를 제조사 권장 범위 내에서 유지하고, 압축공기 품질과 분사압을 주기적으로 점검한다.
8. 설치 레이아웃과 작업자 보호
후드는 오염원과 작업자 사이에 두지 않고 오염원 반대편에서 흡인하여 기류가 작업자를 관통하지 않도록 배치한다. 바닥면 분진 비산이 잦은 공정은 장저형 슬롯 후드를 바닥 가까이 배치하고, 상단에는 취출구를 두지 않는다. 외부 교란기류는 0.5 m/s 이하를 목표로 하며 대형 도어·창문 주변에는 공기막 또는 칸막이를 설치하여 배기 안정성을 높인다. 배관은 가능한 직선으로 설계하고 불가피한 방향 전환은 큰 곡률 반경의 벤드로 구성한다. 청소구는 수평배관의 하류 끝과 저점마다 설치한다. 분진 폭발 가능성이 있는 공정은 전기기기 방폭 등급, 접지, 스파크 방지 설계, 압력해제 패널, 불티분리기 적용을 우선 검토한다.
9. 빠른 산정 예시
가정 조건은 다음과 같다. 탁상 연마기의 전면 반폐쇄형 후드를 설계하며 개구부는 0.30 m × 0.20 m이고 작업 접근이 필요하다. 주변 교란기류는 보통 수준이다. 선택 과정은 다음과 같다.
① 면속도 선정이다. 반폐쇄형 개구부이므로 V_face = 1.0 m/s를 선택한다. ② 요구 유량이다. Q = A × V_face = 0.06 m² × 1.0 m/s = 0.06 m³/s이다. 시간유량은 0.06 × 3600 = 216 m³/h이다. ③ 덕트 이송속도 선정이다. 연마 분진은 일반~중량 사이로 18 m/s를 채택한다. ④ 관경 계산이다. 단면적 A_d = Q / V = 0.06 / 18 = 0.00333 m²이다. 원형 관경 D = √(4A_d/π) = 0.065 m로 표준 65 mm를 채택한다. ⑤ 속도압 계산이다. VP = 0.5 × 1.2 × 18² = 194 Pa이다. ⑥ 손실 산정이다. 후드 입구 플랜지 부착 K=0.5로 ΔP_hood ≈ 97 Pa이다. 배관 6 m, 마찰경사 1.0 Pa/m으로 ΔP_fric ≈ 6 Pa이다. 엘보 2개 K=1.0 가정 시 ΔP_elbows ≈ 2 × 194 = 388 Pa이다. 간단 합산으로 배관계 ΔP ≈ 491 Pa이다. 여기에 집진기 권장 운전 ΔP 1000 Pa를 더하면 시스템 총손실은 약 1,590 Pa 수준이다. ⑦ 팬 선정이다. 운전점 0.06 m³/s, 전양정 1.6 kPa, 여유 15%를 반영하여 팬과 모터 용량을 결정한다. ⑧ 검증이다. 시운전 시 개구부 면속도 1.0 m/s 이상, 덕트 속도 18 m/s ±10%를 만족하는지 열선 풍속계 또는 피토관으로 확인한다.
상기 예시는 근사이며 실제 설계에서는 배관 상세, 집진기 특성곡선, 환경조건, 소음과 진동 제한, 에너지 비용을 함께 최적화해야 한다.
10. 균형조정과 측정
다지점 흡인 시스템은 각 분기관의 유량 균형이 중요하다. 분기관 저항을 일치시키는 것이 이상적이나 현실적으로는 균형댐퍼로 조정한다. 조정 절차는 다음과 같다. ① 모든 분기관을 전개방으로 시작한다 ② 말단부터 설계속도에 맞출 때까지 댐퍼를 소폭씩 조인다 ③ 합류부 압력 변화를 모니터링하며 상류 분기관을 재보정한다 ④ 후드 면속도와 덕트 속도를 반복 확인한다. 측정 장비는 열선 풍속계, 피토관, 차압계, 연기 발생기 등을 사용한다. 주기적인 점검 기준은 월 1회 시각점검, 분기 1회 속도·정압 측정, 반기 1회 필터 및 댐퍼 상태 점검을 권장한다.
11. 유지관리 체크리스트
| 항목 | 점검 내용 | 주기 | 합격 기준 |
|---|
| 후드 위치·간격 | 오염원과의 거리, 플랜지 변형 여부 | 월 1회 | 설계거리 ±10% 이내 유지 |
| 면속도 | 개구부 평균 면속도 측정 | 분기 1회 | 목표값의 90% 이상 |
| 덕트 속도 | 주요 구간 속도 및 침적 여부 | 분기 1회 | 분류별 최소 이송속도 이상 |
| 차압 | 집진기 전후 ΔP 기록 | 상시 | 제조사 권장 범위 |
| 댐퍼·엘보 | 개폐 상태, 이물·침적 | 반기 1회 | 완전 개방 시 걸림 없음 |
| 필터 | 막힘, 파손, 재생 상태 | 월 1회 | 누설 없음, ΔP 정상 |
| 팬·모터 | 진동, 소음, 전류 | 월 1회 | 진동·전류 정상 |
12. 현장 적용 팁
작업대 전면 슬롯 후드는 작업자가 몸을 숙일 때 흐름을 막지 않도록 테이블 하부에 경사 가이드판을 적용하면 포집 안정성이 향상된다. 분진이 무겁거나 큰 칩을 동반할 때는 ㄴ자 형상 또는 스커트로 측면 유입을 차단한다. 분진 비산이 주로 수평이라면 후드 입구를 수평면과 일치시키는 것보다 분진 궤적 연장선상에 직교되게 배치하는 편이 유리하다. 다만 작업자 호흡권으로 기류가 지나가지 않도록 각도를 조정한다. 배관 청소 계획은 설계 단계에서 반영하며 청소구가 실제 공구 접근이 가능한 위치에 있는지 확인한다. 소음 제약이 있을 때는 풍속을 약간 낮추고 관경을 키우되 침적 위험이 생기지 않도록 최저 이송속도를 유지한다.
13. 기본치 요약 표
| 항목 | 권장 기본치 | 비고 |
|---|
| 포집속도 VC | 0.25 ~ 5.00 m/s | 상황에 따라 표의 구간 선택 |
| 개구부 면속도 | 0.50 ~ 1.00 m/s | 반·전폐쇄형 후드 |
| 이송속도 | 10 ~ 28 m/s | 분류별 표 참고 |
| 후드 입구 손실계수 | 플레인 1.0, 플랜지 0.5, 벨마우스 0.05~0.15 | 설계 근사치 |
| 교란기류 허용 | ≤ 0.5 m/s | 가능하면 더 낮게 유지 |
| 팬 여유율 | 10 ~ 20 % | 과대 여유 지양 |
FAQ
캐노피형 후드는 분진 포집에 쓰면 안 되는가
캐노피형은 뜨거운 공기의 부력을 이용하는 후드이므로 중력으로 떨어지는 분진에는 비효율적이다. 분진 작업에는 슬롯형이나 반폐쇄형을 우선 고려하는 것이 합리적이다.
교란기류가 큰 현장에서 포집을 안정화하는 방법은 무엇인가
후드를 오염원에 최대한 근접시키고 플랜지를 부착한다. 필요 시 푸시 제트를 적용해 오염원을 후드 방향으로 유도한다. 대형 도어나 국소 송풍기는 위치를 재조정하여 후드 기류와 간섭하지 않도록 한다.
분진 폭발 위험 공정에서 추가로 고려할 사항은 무엇인가
방폭 등급 전기기기 적용, 금속 덕트 접지, 불티 분리기 또는 화염방지기, 압력해제 패널, 연속 차압 감시를 포함한다. 점화원 제거와 침적 최소화가 핵심이며, 여과포 재질과 청소 방식도 적합성을 확인해야 한다.
속도 측정은 어디에서 하는가
반폐쇄형은 개구부 5점 평균으로 면속도를 측정한다. 원형 덕트는 직경의 45° 교차선상 여러 지점에서 속도를 취해 평균한다. 피토관 사용 시 정압·동압을 동시에 계측하여 속도압으로 환산한다.
여유율을 크게 잡으면 안전하지 않은가
과도한 유량은 에너지 낭비, 소음 증가, 필터 과부하, 작업자 불편을 유발한다. 설계 여유는 10~20% 범위에서 제어하고, 운전 중 균형조정으로 미세 보정하는 것이 합리적이다.
슬롯 후드 길이를 늘리면 항상 유리한가
슬롯 길이가 길어질수록 슬롯 뒤 플레넘의 압력 분포가 불균일해져 끝단 유량 집중이 발생할 수 있다. 내부 디퓨저를 설치하거나 다지점 인입으로 균일도를 확보해야 한다.
