2.1 유도가열의 기본 원리

유도가열(Induction Heating)은 코일에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 시변 자기장이 인접한 금속 내부에 와전류(Eddy current)를 유도하여, 그 전류의 저항 손실(Joule heating)로 열이 발생하는 원리이다^[2]. 이때, 코일의 권선수 $N$, 자속$\Phi$, 시간$t$ 간의 관계는 패러데이(Faraday)의 유도 법칙으로 표현된다 (1).

발열량은 피 가열체 내부의 전류 $I_e$와 저항 $R$의 관계로 정의되며, 도체의 자속밀도 $B$, 투자율 $\mu$, 부피 $V$로 다음과 같이 표현된다 (2).

즉, 자속밀도 $B$가 높을수록, 그리고 투자율 $\mu$가 낮을수록 더 큰 열이 발생한다. 고주파 전류를 인가할 경우 표피효과(Skin Effect)가 발생하여 열이 표면에 집중되므로, 가열 속도가 빠르고 효율이 높다^[2]. 아래 그림 1은 유도가열의 기본원리를 그림으로 나타낸 것이다.

그림 1. 전자기 유도가열의 원리.

Fig. 1. Principle of Electromagnetic Induction Heating

이러한 유도가열의 장점은 빠른 열 응답성과 정밀한 온도제어가 가능하다는 점이며, 금속 열처리, 전자레인지, 반도체 공정, 산업용 히터 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

2.2 자기저항(Magnetic Reluctance)과 발열 특성

유도가열 시스템의 효율은 피 가열체의 자성(磁性) 특성에 큰 영향을 받는다. 자기저항은 자속이 통과하는 경로에서의 자기적 저항을 의미^[2]하며, 다음 식으로 정의된다(3).

여기서 $l$은 자속 경로의 길이, $A$는 단면적, $\mu$는 재질의 투자율이다. 자기저항이 큰 재질일수록 동일한 전류에서 자속밀도가 낮아져 발열 효율이 감소한다. 반대로 강자성체(Ferromagnetic Material)는 투자율이 높아 자속이 집중되어 발열 효율이 크게 향상된다^[4].

본 연구에서는 강자성체 재질인 SS316L을 가열코일 내부에 적용하였다. SS316L은 높은 내식성과 기계적 강도를 가지며, 자기저항이 낮아 자속이 집중되는 특성을 갖는다. 그림 2는 강자성체 내부의 자속 집중 개념을 그림으로 나타낸 것이다. 이로 인해 교류자속이 집중되는 중앙부에서 와전류가 강하게 발생하여 코일 중심부에 고효율의 발열이 구현된다. 또한, 고주파 전류 구동 시 전자의 스핀 궤도 상호작용(Spin–Orbit Coupling)에 의해 스핀홀 효과(Spin Hall Effect)가 발생한다. 이는 전류가 흐를 때 전자의 스핀이 방향별로 분리되어 금속 표면에 추가적인 전위차가 형성되는 현상으로, 유도가열 시스템에서의 전류 분포 균일화 및 표면 발열 강화에 기여한다^[5].

그림 2. 강자성체 내부의 자속 집중 개념도

Fig. 2. Magnetic reluctance and flux concentration in a ferromagnetic pipe.

2.3 식물유 열매체의 열적 및 전기적 특성

기존 유도가열 시스템의 열매체로 널리 사용되는 물은 비열이 높고 사용이 편리하지만, 100°C 이상에서는 기화로 인한 압력 상승 및 부식 문제가 발생한다. 이에 비해 식물유(Vegetable Oil)는 비열이 0.4cal/g·°C로 물보다 낮으나, 발화점이 약 240°C 이상으로 고온에서도 안정적인 상태를 유지한다^[6]. 대표적인 식물유의 물리적 특성을 표 1에 정리하였다^[7].

또한, 변압기 절연유로 활용되는 BIOTRAN-35(식물성 절연유)의 전기적 특성은 절연 내력 78.8 kV, 체적 저항률 $4.9 \times 10^{13} \Omega \cdot \text{cm}$ 유동점 –21 °C로 보고되어 있으며, 이러한 특성은 본 연구의 식물유 열매체가 고온 운전에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 뒷받침한다^[12].

2.4 관련 연구 동향

Rudnev 등^[2]은 고주파 유도가열의 이론적 기반을 정립하였으며, Kilic 등^[3]은 유체가 직접 통과하는 Flow- through Induction Heating 구조를 제안하여 열전달 효율을 향상시켰다. 또한, Li 등^[4]은 주파수 변화에 따른 효율 특성을 실험적으로 검증하여 변주파 인버터 제어 방식의 우수성을 입증하였다. 식물유 관련 연구로는 Rafiq 등^[6]이 식물성 절연유의 열적 안정성과 생분해성 특성을 분석하였으며, Owuna 등^[7]은 식물유 기반 절연유의 산화 안정성을 평가하였다. 국내에서도 Kim 등^[8]이 바이오 절연유의 적용 동향을 보고하였다. 이러한 선행연구들은 유도가열 기술과 식물유 열매체의 융합이 고효율·친환경형 열에너지 시스템으로 발전할 수 있음을 시사한다. 다만, 대부분의 연구는 단일 소자 수준의 효율 실험에 국한되어 있으며, 본 연구와 같이 실증 규모(Pilot Scale)에서의 에너지 효율 및 탄소저감 효과를 평가한 사례는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 자기저항 기반 유도가열보일러 시스템을 실제 양식장에서 구현하고, 에너지 절감 효과 및 열매체 안정성을 실험적으로 검증하였다.

3.1 시스템 개요

본 연구의 유도가열보일러 시스템은 고주파 전자기 유도 원리를 이용하여 금속 도체 내부에 와전류(Eddy current)를 발생시키고, 그 저항 손실(Joule heating)을 통해 열을 생성하는 구조로 설계되었다. 전체 시스템은 전원 공급부, 인버터 제어부, 유도발열부, 열교환기, 식물유 저장탱크, 순환펌프로 구성된다^[10].

그림 3. 유도가열보일러 시스템 설치 전경

Fig. 3. Installation view of the induction heating boiler system.

그림 3은 전원부를 제외한 사진이다.

전원부는 3상 380V, 60Hz 교류전원을 인가하며, 인버터는 Full-Bridge 공진형 구조를 적용하여 3~10kHz의 고주파를 발생시킨다. 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 전력 손실을 최소화하였으며, 제어부는 PID 알고리즘 기반의 마이크로컨트롤러로 발열 온도를 일정하게 유지한다.

발열부는 외측 구리(Cu) 코일이 생성한 교류자속에 의해 강자성체 SS316L 관 내부에 와전류가 유도되어 자기저항(Magnetic Reluctance) 효과를 이용해 발열한다. 발생된 열은 코일 내부를 순환하는 식물유 열매체(Vegetable-oil thermal medium)에 의해 열교환기로 전달된다. 식물유는 높은 발화점(약 240°C)과 전기 절연성을 지니며, 환경 친화적 특성을 갖는다. 식물유 순환계통은 폐회로(Closed-loop) 구조로 구성되어 있으며, 식물유는 인덕션 발열부 → 열교환기 → 저장탱크 → 순환펌프 → 발열부 순으로 순환한다. 순환펌프는 인버터 제어형(1.5kW)으로 작동하여 유량을 8 L/min으로 일정하게 유지한다. 배관 전 구간에는 단열재를 적용하여 열 손실을 최소화하였다.

본 시스템은 저자의 석사학위논문^[10]에서 제시된 실험 장비를 기반으로 구성되었으며, 본 연구에서는 이 장비의 구조 및 운전 원리를 보다 체계적으로 정리하고, 실증 환경에서의 운전 특성과 성능을 상세하게 분석하는 데 초점을 두었다. 즉, 별도의 구조 개선이나 제어 알고리즘 변경 없이 기존 시스템을 그대로 활용하여, 에너지 효율과 열매체 운전 특성을 실험적으로 검증하였다.

3.2 제어 시스템 및 계측

제어 시스템은 그림 4와 같이, 전류·전압·온도·유량을 실시간으로 모니터링하는 PID 제어반(Control Panel) 과 데이터 수집 장치(Data Logger), 전력계(Power Meter), 온도센서(K-type Thermocouple)로 구성된다. PID 제어기는 목표 온도(140°C)를 설정값으로 유지하기 위해 인버터의 듀티비(Duty Ratio)를 조정하며, 데이터는 1Hz 간격으로 기록되어 실시간 분석에 활용되었다^[11].

그림 4. 제어반 및 계측 시스템 구성

Fig. 4. Control and measurement system configuration.

그림 4의 제어반 화면에는 매체 탱크 온도, 입·출수 온도, 순환펌프 상태 및 경보 신호 등을 표시한다. 전력계의 측정 범위는 0–300A, 0–500V이며, K-type 열전대의 정확도는 ±0.5°C이다^[10].

3.3 유도코일 구조

발열부는 외측 구리코일(Ø 10mm, 58turn)과 내측 강자성체 SS316L 코일(Ø 25mm, 16turn)로 구성된다. 외측 코일은 교류 자속을 생성하고, 내측 코일은 자기저항 효과를 이용하여 발열한다. 코일 간 절연층은 내열 세라믹으로 절연하였으며, 식물유를 순환시켜 코일 열을 효율적으로 전달하였다. 그림 5는 유도가열 실험에 적용된 유도가열 코일 형태를 보여준다.

그림 5. 이중코일 구조도

Fig. 5. Dual-coil structure of the induction heating unit

코일의 주요 제원은 표 2에 정리하였다.

3.4 열교환기 및 순환계통

열교환기 및 배관 구조는 그림 6에 나타내었다.

그림 6. 열교환기 및 순환계통 구성도

Fig. 6. Heat exchanger and circulation loop

1차 측에는 140°C의 식물유가, 2차 측에는 14°C의 해수가 유입되어 열을 교환하며, 스테인리스 판형 열교환기를 사용하였다. 순환펌프(1.5kW)는 8L/min의 유량으로 운전되며, 식물유 회수 탱크(100L)가 설치되어 열매체 온도를 안정적으로 유지한다.

3.5 실험 조건

실험은 세 가지 운전 조건—무부하(No load), 정격부하(Nominal), 과부하(Overload)—로 수행되었다.

주요 조건은 표 3과 같다.

3.6 열효율 및 CO₂ 저감량 계산

시스템의 열효율은 출력 열량 $Q_{out}$과 $P_{in}$의 비율로 산출하였다. 열출력은 해수의 비열, 유량, 온도상승을 이용하여 계산하였다 (4).

($C_{sw}$: 해수 비열 0.96kcal/kg·℃, $M_{sw}$: 해수 유량, $\Delta$Tsw : 온도상승). CO₂ 저감량은 한국전력의 전력 배출계수(0.459kg CO₂/kWh)를 이용해 다음 식으로 산정하였다^[8],(5).

여기서 $P_{ref}$는 기존 전기보일러 소비전력(186kW), $P_{sys}$는 유도가열보일러 소비전력(80kW), t는 연간 가동시간(300 일 × 24 h × 0.8)이다.

3.7 실험 절차

시운전 단계는 시스템 절연 상태, 전류 파형, 냉각라인을 확인 후 30분 무부하 운전 하였다. 정격 운전 단계에서 매체를 140°C까지 상승시킨 뒤 해수 순환 개시하였고, 전력·온도·유량을 1Hz로 기록하고, 1시간 평균값을 분석하여 데이터를 수집하였다. 배관 복사열 손실(보정계수 0.98), 센서 오차(±0.5°C) 반영하여 보정하였다.

4.1 온도 상승 특성

그림 7은 운전 시간에 따른 식물유 열매체 및 해수의 온도 변화를 나타낸 것이다. 시운전 후 약 20분이 경과하면 식물유의 온도는 70°C에서 140°C까지 상승하였으며, 열교환기를 통과한 해수는 14°C에서 27°C로 상승하였다.

해수의 온도는 약 60분 이내에 목표 온도(27°C)에 도달하였으며, 이후 ±0.5°C 범위 내에서 안정적으로 유지되었다. 이는 PID 제어에 의해 인버터의 출력주파수와 전류가 실시간으로 조절되어 발열량이 정밀하게 제어된 결과이다.

또한 동일한 열량 기준으로 전기보일러 대비 약 1.5배 빠른 가열응답성을 보였다.

그림 7. 식물유 열매체와 해수의 온도 변화.

Fig. 7. Temperature variation of vegetable-oil thermal medium and seawater.

4.2 에너지 효율 분석

유도가열보일러의 열효율은 3.6절에서 제시한 식을 이용하여 계산하였다. 본 절에서는 계산된 결과를 바탕으로 시스템 효율 특성과 기존 전기보일러와의 성능 차이를 분석하였다. 그림 8은 운전 시간에 따른 입력전력과 시스템 효율 변화를 나타낸 것이다.

그림 8. 운전 과정에서의 효율 및 입력전력 변화

Fig. 8. Efficiency and input power variation during operation

시동 초기에는 인버터 전류가 순간적으로 상승하면서 효율이 85% 수준을 보였으나, 30분 이후부터는 열매체 온도가 안정화되어 효율이 급격히 향상되었다. 약 40분 경과 시 평균 효율은 96.5%에 도달하였으며, 최대 효율은 98.3%로 측정되었다.

이는 전력 손실이 적은 Full-Bridge 인버터 구조와 폐회로 열 순환 방식이 결합 되어 열 손실이 최소화된 결과로 판단된다^[10]. 또한 유도가열보일러의 기존 설치된 전기보일러 대비 비교 효율은 232.5%로 나타났으며, 이는 전력 80kW를 사용하여 160,000 kcal/h의 동일한 열량을 공급한 결과이다. 이는 “유도가열보일러가 100%를 초과하는 열효율을 가진다”는 의미가 아니라 제시된 “232.5%” 값은 열역학적 의미의 “열효율”이 아니라, 전력 소비의 상대비(지수)로 해석되어야 한다. 효율 변화 경향은 Table 4의 정량적 비교에서도 확인할 수 있다.

4.3 열매체 안정성 평가

72시간 연속 운전 후 식물유 열매체의 변화를 분석하였다. 점도와 발연점 변화도 미미하여 열매체의 안정성이 충분함을 확인하였다. 이는 식물유의 산화 안정성과 절연특성이 장시간 운전에서도 유지된다는 기존 연구 결과^[7],[8]와 일치한다. 다만, 장시간 설비 가동을 멈추었을 경우와 일시적이지만 겨울철 영하의 기온 조건에서 비가동 할 경우 변화는 추가적인 관찰과 연구가 필요한 부분이다.

4.4 경제성 및 환경적 효과

CO₂ 배출계수를 적용하여 연간 절감 효과를 산출한 결과, 연간 전력 절감액은 약 54.9백만원, CO₂ 저감량은 365 tCO₂eq/년으로 산출되었다. 이는 중형(1일 10ton급) 양식장 규모 기준으로 계산된 값이며, 대형(300ton급) 시설에 적용할 경우 약 1,500tCO₂eq/년의 저감효과가 기대된다. 또한, 본 시스템은 연소 과정이 없어 NOₓ·SOₓ 등의 대기오염물질 배출이 전혀 없으며, 기계적 마모가 적어 유지보수 비용이 감소될것으로 예상되었다. 이는 기존 전기보일러 및 가스보일러 대비 운영 효율성과 환경성 측면에서 동시에 우수한 결과로 평가된다^[10].