실험용 히터, 온도센서, 항온시스템

 

안녕하세요. 대학교 연구실, 기업부설연구소를 대상으로 실험장비를 100% 맞춤제작하고 있는 에이비랩솔루션입니다.

 

 

 

 

실험실에서 온도를 상승시키거나 일정하게 유지하기 위해 사용되는 히터(Heater)에 대해 알아보겠습니다.

주요 히터 종류로는 투입히터, 카트리지히터, 히팅자켓 등이 있으며, 각 히터의 특징과 사용법은 아래와 같습니다.

 

 

투입히터

투입히터는 금속 파이프에 발열체를 내장하고, 이를 직접 액체에 투입하여 가열하는 방식의 히터입니다. 이러한 구조로 인해 열효율이 높으며, 소형화된 설계로 공간 활용에 유리합니다. 주로 소형 용기나 낮은 압력의 시스템에서 사용됩니다.

 

1. 작동 원리: 액체나 기체에 직접 담가서 사용하는 방식

 

2. 주요 특징

• 열전달 효율이 매우 높음 (직접 접촉 방식)
• 다양한 형태와 크기로 제작 가능
• 스테인리스스틸, 티타늄 등 내부식성 재질 사용, 테프론 및 세라믹 코팅을 통한 내식성 추가 확보가능

 

3. 주요 용도

• 화학 실험에서의 용액 가열
• 수조 온도 유지
• 산업용 탱크 가열

 

여러가지 형태의 투입히터

 

 

카트리지 히터 (Cartridge Heater)

 

카트리지히터는 고수명과 고전력 밀도를 가지며, 금속 플레이트나 금형의 가열에 최적화된 히터입니다. 설치의 편의성을 위해 공정 직경보다 약간 작게 제작되며, 최고 사용 온도는 사용조건에 따라 맞춤제작 가능합니다. 장착 시에는 히터와 피가열물 사이의 밀착 정도가 중요하며, 클리어런스(틈새)를 최소화하는 것이 중요합니다.

 

 

1. 작동 원리: 원통형 금속 케이스 내부에 발열체를 내장

 

2. 주요 특징

• 고온까지 가열 가능 (최대 750°C 정도)
• 정밀한 온도 제어 가능
• 다양한 직경과 길이로 제작
• 높은 내구성과 수명

 

3. 주요 용도

• 금형 가열/제작
• 핫 플레이트/히팅 플레이트 제작
• 반응기 가열/제작
• 실험 장비의 온도 유지

 

카트리지 히터

 

카트리지 히터의 내부 구조

 

 

히팅자켓 (Heating Jacket)

 

히팅자켓은 실험실에서 반응기 실험용기의 외부에 장착하여 내용물을 가열하거나 온도를 유지하는 데 사용됩니다. 실리콘 등 유연한 소재로 제작되어 다양한 형태의 반응기에 적용할 수 있으며, 균일한 열 분포와 정확한 온도 제어가 가능합니다. 또한, 반응기에 설치와 탈착이 용이하여 실험 환경에서 편리하게 사용할 수 있습니다.

 

1. 작동 원리 : 용기 외부를 감싸서 열을 전달

 

2. 주요 특징:

• 균일한 열 분포
• 탈부착이 용이
• 유연한 재질로 다양한 형태의 용기에 적용 가능

 

3. 주요 용도

• 실험반응기, 실험용기 가열
• 반응기 온도 유지
• 파이프라인 보온

 

히팅자켓 (Heating Jacket)

 

 

 

밴드 히터(Band Heater)

 

밴드히터는 반응기 표면을 가열하기 위해 설계된 히터로, 주로 플라스틱 성형기, 사출 성형기, 배출기(Extruder), 드럼, 파이프 등의 원형 장비에 사용됩니다. 또한 반응기 곡면에 밀착되도록 설계된 가열 장치로, 내부에는 전기 저항 발열체가 내장되어 있습니다.

 

1. 발열체: 니크롬(Nichrome) 와이어 또는 다른 고온 저항선.

2. 내부 절연체: 마그네슘 산화물(MgO)과 같은 절연 물질로, 열전도율이 높고 전기 절연성이 뛰어납니다.

3. 외부 재질: 스테인리스강이나 금속 커버로 내구성을 높이고 열 손실을 방지합니다.

4. 고정 방식: 클램프 또는 나사 방식으로 원통형 장비에 부착.

 

5. 밴드히터의 장점

• 효율적인 열 전달: 원통형 장비에 밀착되므로 열 전달 효율이 높습니다.
• 다양한 크기와 맞춤 제작 가능: 사용자의 요구에 따라 다양한 크기와 전력(와트수)로 제작이 가능합니다.
• 내구성: 고품질의 발열체와 외장 재질로, 장기간 사용에도 안정적입니다.
• 간편한 설치 및 유지보수: 고정 클램프를 이용해 쉽게 장착 및 분리할 수 있습니다.

 

밴드 히터(Band Heater)

 

 

 

 

히터의 용량 계산 공식

 

1. 액체 가열 시 필요한 열량 계산식

■ Q = m × c × ΔT

• Q: 필요한 열량 (칼로리 또는 J)
• m: 액체의 질량 (kg)
• c: 비열 (물의 경우 4.186 kJ/kg·°C)
• ΔT: 온도 변화 (°C)

 

2. 필요한 히터 전력(W) 계산

■ P = Q ÷ t

• P: 필요한 전력 (와트/W)
• Q: 필요한 열량 (줄/J)
• t: 원하는 가열 시간 (초/S)

 

3. 열손실 고려 계산 실제 필요한 히터 용량 = 이론적 필요 전력 × (1 + 열손실계수)

• 열손실계수는 보통 0.2~0.5 사이 (단열 상태에 따라 다름)

 

4. 부피로부터 질량 계산

■ m = ρ × V

• m: 질량 (kg)
• ρ: 밀도 (물의 경우 1000 kg/m³)
• V: 부피 (m³)

 

5. 계산 예시

"물 10L를 20°C에서 80°C까지 30분 동안 가열하는 경우"

 

1. 질량 = 10L × 1kg/L = 10kg
2. 필요 열량 = 10kg × 4.186 kJ/kg·°C × (80-20)°C = 2511.6 kJ
3. 필요 전력 = 2511.6 kJ ÷ (30 × 60초) = 1.396 kW
4. 열손실 30% 고려 시 실제 필요 용량 = 1.396 × 1.3 = 1.815 kW

 

6. 계산 시 고려사항

 

• 용기 재질의 열용량
• 주변 온도와 단열 상태
• 교반 여부
• 안전율 (일반적으로 10~20% 추가)

 

 

 

온도센서

 

온도 센서는 다양한 환경과 조건에서 온도를 측정하기 위한 장치로, 아래와 같이 두종류의 센서가 일반적으로 히터와 연동하여 쓰이고 있습니다.

 

1. Thermocouple (열전대)

• 두 가지 다른 금속을 접합하여 구성. 접합점에서 온도 차이가 발생하면 전압(열기전력)이 생성되며, 이를 통해 온도를 측정합니다.
• 측정 온도 범위: -200℃ ~ 2,000℃ (금속 조합에 따라 다름)
• 재질 : 금속 조합에 따라 K형(니켈-크로멜), J형(철-콘스탄탄), T형(구리-콘스탄탄), S형(백금-로듐) 등 다양한 종류가 있음

 

2. RTD (Resistance Temperature Detector, 저항 온도계)

• 금속의 저항값이 온도에 따라 변하는 원리를 이용.
• 측정 온도 범위: -200℃ ~ 600℃.
• 재질 : 백금(Pt100, Pt1000), 니켈, 구리 등.

 

(좌)RTD (우)Thermocouple

 

 

 

 

온도제어 시스템(Temperature Control System)

 

실험용 히팅시스템은 아래 그림에서와 같이 온도를 높이거나 유지할 액체가 담긴 반응기와 여기에 삽입된 온도센서와 히터, 그리고 온도센서와 히터의 연동 및 제어를 할 수 있는 컨트롤러 등 온도제어시스템으로 구성됩니다. 온도제어 시스템(Temperature Control System)의 작동 방식은 히터를 통해 물의 온도를 설정값까지 올리고, 그 온도를 안정적으로 유지하는 것입니다.

온도제어 시스템(Temperature Control System)

• 히터 : 물을 가열하여 온도를 상승시킵니다.
• 온도 센서 : 물의 현재 온도를 실시간으로 측정하여 컨트롤러에 신호를 전달합니다.
• 반응기 : 물(용액)을 담는 용도로, 열전달을 고려하여 재질(스테인리스강, 유리, 알루미늄 등)을 선택합니다.
• 온도 컨트롤러 (PID Controller) : 온도 센서로부터 받은 온도 데이터를 기반으로 히터의 전원을 제어하여 설정 온도를 유지.

☞ ID 제어: Proportional, Integral, Derivative 제어 방식을 사용하여 정밀한 온도 제어를 수행.

 

 

 

실험용 히터/히팅시스템 맞춤제작 사례

 

저희 에이비랩솔루션에서는 연구목적 및 환경에 따라서 알맞은 히터, 온도센서, 반응기, 컨트롤러 등 온도제어시스템의 모든 부분을 설계 제작할 수 있습니다.

 

Pipe 항온용 온도제어 시스템

• Pipe 용 히팅자켓(Heating Jacket)
• 온도센서
• 전용 온도컨트롤러

 

 

 

Pipe 항온용 히팅자켓

 

 

 

아크릴 Tank 항온 실험반응기

 

스테인레스 SUS 히터

 

스테인레스+세라믹코팅 히터

 

 

 

맞춤제작 히팅 플레이트(Heating Plate)

 

 

카트리지 히터

 

 

반응기 Room 히터

 

 

 

Test Station의 항온 Tank 히팅자켓(Heating Jacket)

 

 

 

실리콘 재질 히팅자켓(Heating Jacket)

 

 

 

이상으로 실험용 히터, 온도센서, 항온시스템의 설계제작에 대한 글을 마치겠습니다.

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"저희 에이비랩솔루션은 간단한 컨셉만 주셔도,

연구 목표에 맞는 실험 장비를 설계부터 제작까지 정확하게 진행해 드립니다

항상 연구원님의 아이디어를 실현하고 연구 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있도록

최선을 다하겠습니다. 감사합니다"