효율 높은 가열장치를 설계하기 위한 전기히터 용량(kW) 계산식

가열장치를 설계할 때, 전기히터를 선정하기 위해서 필요 용량(kW)을 계산해야 하는데, 첫째 가열 장치에 필요한 열량(Q)을 먼저 계산하고 둘째 계산된 열량(Q)을 시간(t)으로 나누어 전력(kW), 즉 필요한 전기히터의 용량을 구합니다.

20리터의 물을 26도에서 100도까지 5분 동안 끓일 때,
전기히터의 필요 용량은?

- 예시 문제 -

“예시 문제 풀이는 하단에서”

전기히터의 용량 계산 절차

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가열장치의 피가열물의 질량 계산
가열장치의 피가열물의 비열 선정
피가열물의 상승 온도 계산
가열 온도 도달 시간 선정
전기히터의 효율 선정

“피가열물 = 가열되는 물체”

열 손실 : 실 사용 시 열 손실이 발생하므로 계산된 전력보다 더 높은 용량의 히터를 선정합니다. 열 손실은 단열 상태, 주변 환경 온도, 공기 흐름과 같은 요인에 따라 달라질 수 있습니다.
전력밀도 : 히터의 표면적당 전력밀도를 확인합니다. 높은 전력 밀도는 히터의 수명을 단축하며, 낮은 전력 밀도는 발열 성능이 저하됩니다.
안전계수 : 계산된 용량에 안전계수를 곱하여 실제 필요한 히터 용량을 결정합니다. 일반적으로 1.2~1.5의 안전 계수를 사용합니다. 안전계수는 히터의 효율과 동일한 개념으로 필요에 따라 추가로 고려합니다.

- 전기히터 용량 계산 시 추가 고려사항 -

가열장치의 피가열물의 질량 계산

“$질량(kg)=\frac{부피(cm³)\times비중(g/cm³)}{1000}$”

부피(cm³)란? 3차원의 공간 안에서 물체가 차지하는 공간의 크기를 나타내는 물리량으로, 2차원 공간에서는 넓이(cm²), 1차원 공간에서는 길이(cm)으로 나타냅니다.

“부피(cm³)=가로x세로x높이”

비중(g/cm³)이란? 어떤 물질의 밀도를 표준물질인 물의 밀도와 비교하여 무게를 나타내는 수치입니다. 일반적으로 고체와 액체는 4℃의 물이, 기체는 0℃, 1기압의 공기가 표준물질로 사용됩니다.

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가열장치의 피가열물의 비열 선정

비열이란? 어떠한 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량(Q)입니다. 즉, 물질이 열을 얼마나 잘 흡수하고 온도를 보존하는지를 나타내는 물리량입니다.

“물 20℃의 비열은
1.0 kcal/kg℃”

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피가열물의 상승 온도 계산

“상승 온도(ΔT) =
요구 온도(℃) - 현재 온도(℃)”

피가열물의 현재 온도는 가열하기 전의 상태 온도로 특수한 환경이 아니라면 보통 주변 대기 온도를 기준으로 ±2℃ 정도에 맞춰서 선정합니다.

물체의 현재 온도 12℃일 때, 요구 온도를 100℃라하면 상승 온도(ΔT)는?
상승 온도(ΔT) = 100℃ - 12℃
= 88℃

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가열 온도 도달 시간 선정

“도달 시간이 30분일 때,
0.5시간으로 계산”

가열 온도 도달 시간은 피가열물을 요구 온도까지 상승시키는 대까지 걸리는 시간을 말하는 것으로 높은 요구 온도를 짧은 시간 내에 상승시키려면 히터의 용량이 너무 커지기 때문에 적절한 상승 시간을 계산해야 합니다.
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전기히터의 효율 선정

접촉면의 상태가 다소 불안정할 때, 0.2 ~ 0.3
접촉면의 상태가 비교적 밀착일 때, 0.4 ~ 0.5

“값이 1에 가까울 수록
효율이 높음”

전기히터의 효율 계산은 전기히터의 배치에 따른 피가열물의 보온과 단열, 열전도율 등 사용 환경에 따라 상이하여 정확한 값을 정하는 것이 어렵습니다. 일반적으로 경험치에 맞춰 선정하는데 평균적으로 0.2 ~ 0.5 정도에서 효율을 선택합니다.

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전기히터는 사용 환경과 조건에 따라 성능의 차이가 발생하기 때문에 계산된 값을 절대치로 결정하기보다는 제조사의 전문가와 함께 협의하여 최적의 효율을 낼 수 있는 조건을 찾아서 설계를 완료해야 합니다.

물의 질량 = 20kg
물의 비열 = 1kcal/kg℃
온도 상승 = 74℃
가열시간 = 0.12h
효율 = 0.5

$용량(kW)=\frac{20\times1\times74}{860\times0.12\times0.5}$
= 28.68 kW

- 앞서 제시한 예시 문제 풀이 -

글을 마치며,
가열장치를 설계하기 위한 전기히터의 필요 용량을 계산하는 방법을 알아보았습니다. 전기히터의 용량 선정을 어렵게만 생각하지 마시고 위의 계산식에 설정값을 대입하고 풀이하여 다양한 결괏값을 비교, 검토하여 원하는 설계 목표를 이루시길 바랍니다.