전기 건조

왜 배우는가: 전기건조는 연료 연소 없이 전력으로 물체를 가열해 수분을 제거하는 방식이다. 가열 속도가 빠르고 내부부터 데울 수 있어 식품, 목재, 도료, 의약품 등 여러 산업에서 쓰인다. 건조 방식의 원리와 특징을 비교하는 문제로 자주 나온다.

출제 이력: 제116회 4교시 5번, 제109회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기건조는 전력을 공급해 물체를 가열하고 함유 수분을 증발시켜 건조하는 방식이다.

• 전기건조
• 유전가열
• 적외선 건조
• 마이크로파 건조
• 함수율
• 항률건조
• 감률건조

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 젖은 물건을 불 대신 전기 에너지로 데워서 물을 날려 보내는 것이다. 열풍으로 겉만 데우는 방식과 달리, 전기 방식은 열을 물체 안쪽에서 바로 만들거나 복사열을 직접 쏘인다.

정식 정의는 다음과 같다. 전기건조는 전기 에너지를 열 또는 전자기파 에너지로 바꾸어 물질에 공급하고, 수분의 증발잠열을 공급하여 함수율을 낮추는 단위조작이다. 건조 과정에서는 열을 전달하는 열전달과 수분이 기체로 이동하는 물질전달이 동시에 일어난다.

가열 방식은 열이 옮겨 가는 원리에 따라 나뉜다. 저항 발열체로 공기를 데워 대류와 전도로 전달하는 방식이 가장 기본이다. 적외선 건조는 복사열을 표면에 쏘여 흡수시킨다. 적외선의 파장 범위는 0.75~1,000μm 이다. 유전가열과 마이크로파 건조는 전자기파가 물질 내부에서 열을 만든다.

내부 발열의 원리는 물 분자의 극성에 있다. 물 분자는 한쪽은 양(+), 다른 쪽은 음(-)의 극성을 가진다. 고주파 전계나 마이크로파가 가해지면 분자가 전계 방향에 맞추어 빠르게 회전한다. 이때 분자끼리 마찰이 생겨 열이 발생한다. 이 열이 물질 내부 전체에서 동시에 생기므로 가열이 균일해진다.

건조 속도는 물질 안의 수분이 표면으로 이동하는 속도와 표면에서 증발하는 속도에 따라 정해진다. 수분이 충분할 때는 표면 증발이 속도를 결정하는 항률건조 구간이다. 수분이 줄면 내부 확산이 속도를 정하는 감률건조 구간으로 바뀐다. 전기건조는 두 구간 모두에서 가열 방식을 바꾸어 대응할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 열풍 건조는 표면을 먼저 데우고 열이 내부로 천천히 전달된다. 이 과정에서 표면이 먼저 말라 딱딱해지는 표면 경화가 생기기 쉽다. 또 열풍을 만드는 데 드는 열손실이 크고, 장비가 커지며 가열 시간이 길어진다.

전기건조는 이런 한계를 줄이기 위해 필요해졌다. 가열 응답이 빨라 온도 제어가 정밀하다. 내부부터 데울 수 있어 건조 시간이 짧아진다. 연소 가스가 없으므로 청정 공정이 가능하고, 밀폐된 공간에서도 쓸 수 있다.

건조가 중요한 이유는 저장성과 물류에도 있다. 식품 내 수분이 어는 수준 이하로 줄면 미생물과 효소에 의한 변질이 억제된다. 부피와 무게가 줄어 포장과 수송비가 절감된다. 다만 과열하면 풍미, 색, 영양분이 손실되므로 온도와 시간을 정밀하게 조절해야 한다.

산업 측면에서는 생산성과 에너지 효율이 함께 요구된다. 물 1kg을 증발시키는 데 약 2,257kJ 의 에너지가 필요하다. 이 에너지를 어디에 어떻게 공급하느냐가 방식 선택의 핵심이다. 그래서 공정 조건에 맞는 전기 가열 방식을 고르는 능력이 답안에서 중요하게 평가된다.

4. 구성요소·원리·절차

전기 건조 설비는 전원부, 가열부, 피건조물을 나르는 반송부, 수증기를 빼내는 배기부, 온도와 출력을 조절하는 제어부로 구성된다. 가열부의 방식에 따라 적외선 건조, 유전 건조(고주파·마이크로파), 저항 가열 열풍 건조로 나뉜다. 열원이 물체 표면을 데우는지, 내부 분자를 직접 움직이게 하는지에 따라 건조 속도와 균일성이 달라진다.

건조의 원리는 수분을 증발시키는 데 필요한 잠열을 공급하는 것이다. 식품 건조는 수분 증발에 필요한 잠열을 공급하는 열전달과, 수분이 공기 중으로 이동하는 물질전달이 동시에 일어나는 단위조작이다. 전기 건조는 이 잠열을 전력으로 공급하는 방식이다.

적외선 건조는 물체가 적외선 복사를 흡수해 표면과 내부가 가열되는 방식이다. 흡수율은 물질과 파장에 따라 달라서, 같은 복사라도 어떤 재료는 투과하고 어떤 재료는 흡수한다. 적외선 히터는 대류 오븐과 접촉 가열을 대체하며 인쇄 건조와 코팅 경화 공정에 많이 쓰인다.

유전 건조는 수분 분자가 쌍극자라는 점을 이용한다. 물 분자는 한쪽 끝이 양극, 다른 쪽이 음극을 띠므로, 고주파 교번 전계에서 분자가 방향을 빠르게 바꾸며 마찰열이 생긴다. 열이 물체 내부에서 동시에 발생하므로 두께가 있는 제품도 고르게 마른다. 마이크로파 건조도 같은 원리이며, 산업용은 ISM 대역을 사용한다.

저항 가열 열풍 건조는 발열체로 공기를 데워 강제 순환시키는 방식이다. 열원이 표면을 거쳐 내부로 전달되므로 열전달 속도가 느리고, 표면이 먼저 마르는 경향이 있다.

건조 과정은 두 구간으로 나뉜다. 표면의 자유수가 증발하는 항률 건조 구간에서는 건조 속도가 일정하다. 내부 수분의 이동이 제한되면 감률 건조 구간으로 넘어가 속도가 줄어든다. 함수율이 평형 함수율(EMC)에 도달하면 더 이상 마르지 않으므로 목표 함수율은 EMC보다 높게 잡을 수 없다.

전기 건조의 절차는 다음과 같다.

• 피건조물의 초기 함수율과 목표 함수율을 측정한다.
• 재질과 형상에 맞춰 열원(적외선, 유전, 저항)을 선정한다.
• 온도, 풍속, 출력을 설정하고 피건조물을 투입한다.
• 항률 건조 구간에서는 출력을 높여 표면 증발을 빠르게 한다.
• 감률 건조 구간에서는 열을 조절해 표면 과열과 품질 저하를 막는다.
• 함수율이 목표값에 도달하면 가열을 멈추고 냉각한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기 건조 설비는 건조 전용 기준보다 전기설비 기준과 산업안전 기준을 함께 적용한다. 전기설비의 설치는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. KEC는 2021-01-01부터 시행되었고, 옛 「전기설비기술기준의 판단기준」을 대체했다. 건조 설비의 전원과 접지, 과열 보호는 이 규정의 적용을 받는다. 작업자 안전은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 전기 관련 조항과 함께 본다.

건조 설계에 쓰는 대표 기준값은 다음과 같다.

잠열은 물의 온도에 따라 값이 달라진다. 100℃에서 기화할 때의 잠열 약 2,257kJ/kg을 기준으로 계산한다. 교육 자료의 잠열 근사값은 물성값과 차이가 있으므로, 계산에는 물성값을 쓴다.

ISM 대역은 산업·과학·의료용으로 배정된 주파수다. 고주파 가열 장치는 배정된 대역 안에서 운전해야 다른 무선 설비와 간섭을 피한다. 적외선 파장은 짧을수록 물질 내부로 깊이 들어가고, 원적외선은 주로 표면에서 흡수된다.

개정 연혁으로는 KEC 시행(2021-01-01)이 전기설비 기준의 대표적 변화다. 건조 설비에 직접 적용되는 전용 규격은 설계자가 소속 기관의 사내 기준과 함께 검토해야 한다.

6. 유형과 비교

전기건조는 열을 만드는 방식과 열을 물체에 전달하는 방식에 따라 나뉜다. 열원 자체를 물체에 두는지, 물체 내부에서 열을 발생시키는지에 따라 전달 효율과 건조 속도가 크게 달라진다. 답안에서는 가열 방식별로 특징을 비교해 쓰는 것이 기본이다.