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저항 가열의 원리

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저항 가열의 원리

 

 
  


 저항가열의 원리

우선, 저항 가열로 ( 電氣爐 )의 특징을 알기위해서는 전기가 하는 일을 이해하여야 한다.

전압을 가하고 전류가 흐르게 되면 전기는 여러 가지 일을 한다. 이러한 전류의 작용을 크게 나누며는 전류가 흐르면서 발생하는 열작용 , 전기가 분해되는 화학작용 , 그리고 흐르는 전류 주변에 발생하는 자기작용 등 세 가지로 구분되고 그 응용범위도 다양하나 여기서는 전류의 열작용에 대해서만 살펴보기로 한다.

 

 전류의 열작용

전류의 흐름에 의해서 발생하는 열을 이용한 전기기구는 우리생활주변에서 쉽게 찾아 볼 수가 있다. 예로, 부엌의 토스터기 및 백열전등, 전기다리미와 같이 실생활과 관련된 것을 비롯하여 전기보일러 및 난방기 그리고 산업현장에서 쓰이는 용접기 등 수없이 많다.

그러면 이열은 어떻게 발생하는 것일까?
우리는 물질을 마찰하면 발열하여 뜨겁게 되는 것을 알 수 있다.
즉, 이것은 우리가 마찰하기위해서 준 “일” 이 “ 열”로 변환되었기 때문이다.

전류가 발생하는 열도 마찬가지이다. 물질가운데를 전자가 지나갈 때는 전자는 전압에 의해서 분자나 원자사이를 뚫고 지나 일정한 방향으로 이동하게 된다. 이때 전자는 마찰력을 받아서 에너지, 즉 전력량을 소비하게 되며 이소비에너지가 “열”로 바꾸어지게 되는 것이다.
따라서 전류가 저항을 지날 때는 그 소비하는 전력량이 모두 열로 바꾸어진다고 보면 되는 것이다. 이 같은 열의 발생에는 ‘JOUL 의 법칙'이라는 전열과 관련된 중요한 법칙이 있다.
예로, R(Ω)의 저항에 I (A)의 전류가 흘렀다고 하면 I² RT 의 전력량을 소비하게 된다.

즉, 저항에서 소비한 전력량은 전부 열로 바뀌고 일정 시간 내에 발생되는 열은 전류의 2승과 저항의 적에 비례한다. 다시 말해, JOUL의 법칙이란 단위시간 (1초)당 발생하는 열 P (W) 를 도체의 저항 R(Ω) 과 그 도체에 흐르는 전류 I (A)에 대한 법칙으로 공식은 아래와 같다.

W = I²RT

전기공학에서는 이 주울을 열량의 단위로 사용하는 경우가 많은데 열량의 단위로서는 cal ( 칼로리)를 사용 하고 있다.

1 Joul = 0.239 cal

따라서 이 단위를 사용한 열량을 Hc 라고 하면, Hc = 0.24 I 2 RT (cal)로 계산 할 수 있다. 또한 가해지는 전압 (v)이 일정할 경우 열량 He는 다음 식으로도 표시 된다.

He = 0.24 x V/R x t ( cal )

열량을 생각할 때 주울 (joul) 이란 단위는 매우 작으므로, 여기서는 전기로에서 많이 사용하고 있는 1 kw 의 전력량이 열로 발생되는 열량을 살펴보기로 하자.

1 Wh는 3600 J

1 J = 0.239 cal

고로, 1Kw = 0.239 x 3600 x 1000 = 860 (kcal )가되고, 이 관계는 전열을 이용하여 열량을 계산하는 여러 가지 경우에 이용되고 있다.
즉, 저항치 R을 가지는 전기도체에 의해 860P(cal/h)에 상당하는 열이 발생하고 , 도체는 가열됨과 동시에 주위의 물체를 방사, 전도, 대류의 전열형태에 의해 가열시킨다.

이것을 저항 가열이라 부르며, 이것을 이용한 공업가열장치의 대표적인 것이 전기로 ( ELECTRIC FURNACE ) 이다.

 

 표면부하밀도

변압기에 의해 가열도체의 단자전압을 높이면 전력 P는 그에 따라 커지고 도체는 빛을 발생하고 고온이 되며 산화반응, 변형, 용융을 거쳐 끊어지게 되므로 가열체의 역할을 못하게 된다.

이와 같이 도체를 가열하므로 부가되어지는 전력 P는 그 도체의 성질 ( 용융, 경화점, 공기 또는 분위기에서의 반응도등 )과 가열온도와 관계가 있다는 것을 알 수 있다.
이렇듯 도체에서 발생되는 joul 열 P는 원래 도체자신의 가열 ( 온도상승)에 소비를 하게 되지만 , 최종적으로는 도체 표면에서 주위를 향해 열을 방산하게 된다.
그래서 발생하는 joul 열을 도체의 표면에서 뺀 값, 즉 단위 면적만의 전력을 표면 부하밀도( W/cm 2 )라고 하며 , 이러한 표면 밀도의 결정은 주위의 온도, 분위기 그리고 발열체의 조성 및 설치 방법 등에 의해 형성되어진다.

* 표면부하 밀도 ( W/cm2 ) = π . D(가열도체의 외경) . L(가열도체 발열부의 길이) / 
W ( 전기용량 )

 

[출처 : 템프 저항 가열의 원리

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