수직형 미세 분무 열건조 시스템의 온도 구배 해석과 설계 기준

— 수평형 대비 부력 영향과 구조적 대응 —

1. 왜 수직형에서 온도 구배가 문제되는가

수직형 건조기는
최근 신소재 공정에서 요구가 증가하고 있습니다.

그러나 수직 구조에서는
수평형과 다른 물리 현상이 발생합니다.

핵심은 부력(Buoyancy) 입니다.

고온 가스는 밀도가 낮아져 상부로 상승하려는 힘을 가집니다.
이로 인해 상·하부 온도 차가 발생할 수 있습니다.

2. 부력의 정량적 표현

부력에 의한 압력차는 다음 식으로 표현됩니다.

ΔP = g · H · (ρ_cold − ρ_hot)

• g : 중력가속도 (9.81 m/s²)

• H : 수직 높이 (m)

• ρ : 가스 밀도 (kg/m³)

온도가 높아질수록 ρ_hot은 감소합니다.
따라서 H가 클수록 상·하부 압력차는 커집니다.

이는 수직형에서 자연적인 상향 흐름을 유도합니다.

3. 온도 차이의 구조적 원인

수직형에서 발생하는 온도 구배의 원인은 다음과 같습니다.

1. 가열된 가스의 밀도 감소

2. 자연 상승 흐름 발생

3. 하부 상대적 저온 영역 형성

즉,

수평형에서는 길이 방향 전도 문제가 크다면,
수직형에서는 높이 방향 부력 영향이 추가됩니다.

4. 수평형과의 차이

수평형 건조기에서는
부력 방향이 열존 길이 방향과 일치하지 않습니다.

따라서 온도 구배는 주로

• 벽체 열손실

• 단열 성능

• 가스 유량

에 의해 결정됩니다.

반면,

수직형은 구조적으로
부력 방향과 축 방향이 일치합니다.

즉,

부력이 곧 온도 구배 요인이 됩니다.

5. 설계자가 보는 핵심 변수

수직형 설계 시 반드시 고려해야 할 요소는 다음입니다.

① 높이(H)

높이가 증가하면
ΔP가 선형적으로 증가합니다.

따라서 높이가 길수록
온도 균일 설계가 중요합니다.

② 가스 밀도 변화

아르곤 기준 예시:

• 25℃ 밀도 ≈ 1.6 kg/m³

• 800℃ 밀도 ≈ 약 0.4 kg/m³

밀도 차가 클수록
상향 흐름 경향이 강해집니다.

③ 강제 흐름 조건

자연 부력을 억제하려면,

• 캐리어 가스 유량 조정

• 출구 압력 제어

• 내부 유속 균형 설계

가 필요합니다.

6. 설계 대응 전략

수직형에서 온도 균일을 확보하기 위한 방법은 다음과 같습니다.

• 열존 길이 분할 제어

• 상·하부 온도 독립 제어

• 가스 유속 최소화 설계

• 단열 두께 최적화

핵심은,

부력을 제거하는 것이 아니라
부력을 설계 변수로 관리하는 것입니다.

7. 설계 관점의 결론

수직형 로타리킬른은
수평형보다 온도 해석 난이도가 높습니다.

그러나 부력 모델을 적용하면
정량적 예측이 가능합니다.

수직형의 온도 안정성은
경험이 아니라 계산으로 접근해야 합니다.

온도 구배는 피할 수 없는 현상이 아니라,
설계로 제어 가능한 변수입니다.