전기가열 방식의 원리와 용도

전기가열이란

전기가열은 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 피가열물을 가열하는 방식이다.

가열 원리에 따라 유도, 유전, 저항, 아크, 적외선 가열로 나뉜다.

방식마다 열이 생기는 장소와 원리가 다르므로 원리부터 구분해야 한다.

다섯 가지 가열 방식

방식마다 열이 생기는 위치와 원리가 다르다. 표로 먼저 구분해 두자.

저항가열은 줄열을 발열체에서 얻어 복사, 전도, 대류로 전달한다.

유도가열은 도체에 와전류가 흐르고, 강자성체는 히스테리시스 손실이 더해진다.

유전가열은 절연물 자체가 유전체 손실로 발열한다.

아크가열은 전극 사이 아크의 고온을, 적외선가열은 복사 에너지 흡수를 이용한다.

저항가열과 줄열

저항가열의 기본은 줄열이다. 도체에 전류가 흐르면 열이 생긴다.

열량 H는 전류의 제곱, 저항, 시간에 비례한다.

발열체에서 생긴 열을 복사, 전도, 대류로 피가열물에 전달한다.

열원을 따로 두고 열을 전달하므로 가열 속도가 느린 편이다.

유도가열과 유전가열

유도가열은 교번 자계 안의 도체에 와전류가 흘러 발열하는 방식이다.

유전가열은 고주파 전기장 속 절연물이 분극을 반복하며 스스로 발열하는 방식이다.

유도가열은 주파수가 높을수록 표피효과로 얕은 표면만 가열된다.

유전가열은 열전도에 의존하지 않아 열전도율이 낮은 절연물도 가열할 수 있다.

표피 깊이 계산

앞 문제의 정답은 절연체다. 유전체 손실은 절연물 자체에서 생긴다.

유도코일의 표피 깊이는 고유저항, 주파수, 투자율로 구한다.

비자성 금속, 10kHz 조건에서 계산하면 표피 깊이는 약 0.66mm다.

주파수를 100kHz로 올리면 표피 깊이는 약 1/√10 배로 줄어 0.21mm가 된다.

시험 포인트와 흔한 실수

가장 흔한 실수는 도체와 절연체의 발열 매질을 바꿔 쓰는 것이다.

두 번째 실수는 주파수 관계를 거꾸로 쓰는 것이다.

채점에서는 원리, 대표 용도, 방식 차이를 모두 써야 감점이 없다.

앞 문제 정답은 얕아진다. 주파수가 커지면 표피 깊이가 줄어든다.

정리

전기가열의 방식은 열이 생기는 위치와 원리로 구분한다.

피가열체가 도체인지 절연체인지, 원하는 가열 깊이가 무엇인지에 따라 고른다.

이 두 기준을 기억하면 방식 비교 문제를 풀 수 있다.