이 글의 목적은 전단가열(shear heating)이 발생하는 물리적 원리와 공정별 리스크를 정리하고, 온도상승을 정량적으로 예측·감시·억제하는 실무 기준을 제공하는 것이다.
1. 전단가열의 정의와 왜 문제가 되는지
전단가열은 유체나 용융 고분자, 페이스트, 슬러리 등이 흐르거나 교반될 때 내부 마찰로 기계적 에너지가 열로 전환되어 온도가 상승하는 현상이다.
전단가열은 겉보기에는 “모터가 돌면서 뜨거워진다” 수준으로 보이나, 실제로는 유동장 내 특정 구간에서 국부적으로 발생해 점도 저하, 반응속도 증가, 기포·가스 발생, 열폭주, 변색·열분해, 입자 파괴, 점도 불안정 같은 품질 문제로 이어지기 쉽다.
주의 : 전단가열은 평균 온도보다 “국부 최고 온도”가 먼저 문제를 만든다. 탱크 온도계가 안전 범위를 가리켜도 임펠러 팁, 로터-스테이터 간극, 기어펌프 치형부, 다이 벽면 근처에서 국부 열화가 먼저 시작될 수 있다.
2. 발생 메커니즘과 핵심 변수
2.1 점성 소산과 전단응력의 일률
전단가열의 직접 원인은 점성 소산(viscous dissipation)이다.
단순화하면 “전단응력(τ) × 전단률(γ̇)”이 체적당 발열률로 변환되는 구조이다.
체적 발열률(개념식) q''' ≈ τ · γ̇ [W/m^3] 뉴턴유체(단순 전단)에서 τ = μ · γ̇ 따라서 q''' ≈ μ · (γ̇)^2 평판 쿠에트 흐름(속도구배 du/dy)에서는 q''' ≈ μ · (du/dy)^2따라서 점도(μ)가 높고 전단률(γ̇)이 큰 공정에서 전단가열이 급격히 커지기 쉽다.
2.2 비뉴턴(전단박화·전단박화)과 열-점도 피드백
고분자 용융체, 농축 슬러리, 잉크, 실란트, 접착제, 배터리 슬러리 등은 비뉴턴 거동을 보이는 경우가 많다.
전단박화(점도 감소) 계열은 전단이 올라가면 점도가 내려가 발열이 완화될 것처럼 보이나, 실제로는 온도상승으로 점도가 추가로 내려가 유동이 벽면 고전단층에 집중되고 국부 발열이 커지는 형태로 “핫스팟”이 강화되는 경우가 있다.
전단농화(점도 증가) 계열은 전단이 올라가면 토크가 증가해 입력 동력이 커지고 발열이 바로 증가하는 형태로 나타나기 쉽다.
2.3 열이 밖으로 빠져나가는 능력의 한계
전단가열의 위험도는 “발열량”과 “제거능력”의 경쟁으로 결정된다.
열전도율이 낮고 비열이 상대적으로 높은 고분자 용융체는 내부에서 발생한 열이 벽면까지 전달되는 속도가 느려 국부 온도상승이 지속되기 쉽다.
3. 공정별 전단가열 발생 포인트
| 공정/장치 | 고전단 구간 | 대표 징후 | 우선 관리변수 |
|---|---|---|---|
| 교반 탱크(저점도~고점도) | 임펠러 팁, 배플 근처, 액면 와류 | 탱크 평균온도는 낮은데 점도 급락/기포 증가 | RPM, 임펠러 형상, 점도-온도 상관, 재킷 열제거 |
| 로터-스테이터 분산기 | 간극(gap) 내부, 흡입부 캐비테이션 구간 | 변색, 냄새, 입도 과파쇄, 국부 겔화 | 간극, 통과횟수, 유량, 단계적 속도 상승 |
| 기어펌프/로브펌프 | 치형 맞물림, 누설 간극, 재순환 | 펌프 출구 온도 상승, 토크 증가, 재료 타는 흔적 | 차압(ΔP), 회전수, 점도, 바이패스 설정 |
| 압출기(단/이축) | 니딩블록, 믹싱 엘리먼트, 다이 입구 | 용융온도 과상승, 젤/탄화물, 휘발분 증가 | 스크류 속도, 배럴 온도프로파일, 충전율, 토크 |
| 사출성형 충전 | 게이트/러너, 금형 벽면 고전단층 | 흐름자국, 번마크, 단차부 과열, 점도 불안정 | 사출속도, 게이트 설계, 용융온도, 금형온도 |
| 3롤밀/캘린더 | 롤 니프, 박막 전단층 | 박리/스코칭, 점도 저하, 용제 증발 가속 | 니프 간극, 롤 속도비, 냉각수 유량, 체류시간 |
4. 전단가열을 정량으로 다루는 계산 프레임
4.1 “동력 → 발열 → 온도상승” 1차 추정
현장에서는 복잡한 유동해석보다 에너지수지 기반의 1차 추정이 먼저 유효하다.
평균 온도상승 1차 추정(연속 공정) ΔT_bulk ≈ P_diss / (m_dot · Cp) - P_diss : 유체에 실제로 전달되어 열로 소산되는 동력[W] - m_dot : 질량유량[kg/s] - Cp : 정압비열[J/(kg·K)]P_diss는 모터 정격이 아니라 “유체에 전달된 유효동력”이어야 한다.
교반은 전력계(또는 인버터 출력), 토크·RPM 기반 축동력, 펌프는 ΔP·Q 기반 유압동력으로 접근하는 것이 실무적이다.
펌프/유로에서 유체로 전달되는 동력(근사) P_hyd ≈ ΔP · Q - ΔP : 펌프 전후단 차압[Pa] - Q : 체적유량[m^3/s]주의 : 전단가열 문제는 “평균 ΔT”가 작아도 국부 발열률 q'''이 큰 장치에서 발생한다. 따라서 1차 추정은 스크리닝 용도로 사용하고, 리스크가 보이면 고전단 구간의 체류시간·간극·벽면 전단률 중심으로 2차 평가를 수행하는 것이 안전하다.
4.2 전단률 기반의 위험도 비교
전단률을 직접 계산하기 어려울 때는 “상대 비교”가 목적이라면 충분히 근사적으로 접근할 수 있다.
| 구간 | 전단률 근사 | 의미 | 관리 포인트 |
|---|---|---|---|
| 간극 전단(로터-스테이터, 니프) | γ̇ ≈ V / g | 간극이 작아질수록 급증 | 간극 관리, 속도 상승 램프, 통과횟수 제한 |
| 관내 흐름(대략) | γ̇ ~ 유속/직경 스케일 | 직경 감소, 유량 증가에 민감 | 라인 직경, 밸브 스로틀 금지, 바이패스 |
| 임펠러 팁 | 팁속도 ~ π·D·N | RPM과 직경에 비례 | 임펠러 선택, 배플 설계, 단계 운전 |
4.3 무차원 수로 보는 “전단발열 vs 열제거” 균형
전단가열이 열전달로 상쇄되기 어려운 조건을 판단할 때는 점성발열 대비 전도(또는 외부 가열) 비를 나타내는 무차원 수를 활용할 수 있다.
현장에서는 정밀 정의를 고집하기보다, 점도·속도(또는 전단 스케일)·열전도율·허용 온도여유가 결합된 지표로 이해하고 설계 여유를 키우는 것이 실용적이다.
5. 전단가열 관리의 실무 전략
5.1 원리 기반의 6대 레버
전단가열을 줄이는 방법은 결국 q''' ≈ τ·γ̇ 또는 입력동력 P_diss를 줄이거나, 발생한 열을 더 빨리 빼는 방향으로 정리된다.
| 레버 | 핵심 조치 | 장점 | 부작용/주의 |
|---|---|---|---|
| 전단률 저감 | RPM 저감, 간극 확대, 밸브 스로틀 제거 | 가장 직접적 | 혼합/분산 부족, 생산성 저하 가능 |
| 점도 저감 | 예열, 용제/가소제, 조성 변경 | 토크와 발열 동시 저감 | 반응 가속, 휘발 증가, 안전성 재평가 필요 |
| 체류시간 저감 | 패스 수 제한, 순환유량 최적화 | 열화 누적 방지 | 품질 균일성 저하 가능 |
| 열제거 강화 | 재킷/코일, 열교환기, 냉각수 유량 증대 | 품질 안정성 향상 | 점도 상승으로 동력 증가가 재발할 수 있음 |
| 장치 형상 최적화 | 임펠러/스크류/다이 재설계, 라인 직경 상향 | 근본 개선 | CAPEX, 검증 기간 필요 |
| 모니터링·인터록 | 토크/전력/ΔP/온도 다중감시, 알람/차단 | 사고 및 불량 예방 | 센서 위치 최적화가 필수 |
5.2 교반·분산 공정 운전 절차 예시
고점도 또는 열민감 재료의 교반·분산은 “속도-온도-점도”의 동시 제어가 핵심이다.
권장 운전 로직(예시) 1) 예비 혼합 단계: 낮은 RPM으로 젖음/분산 기반 형성 2) 단계 상승 단계: RPM을 램프 형태로 상승시키며 토크와 온도 상승률(dT/dt) 감시 3) 고전단 유지 단계: 목표 입도/균일도 달성 구간에서 시간 제한을 둠 4) 쿨다운/균질화 단계: RPM 저감 후 열제거로 목표 온도 복귀주의 : “RPM 고정”보다 “토크 또는 전력 상한”을 두는 제어가 전단가열을 더 잘 막는 경우가 많다. 점도 변동이 큰 배치에서는 RPM 고정 시 특정 시점에 동력 소산이 급증할 수 있다.
5.3 펌프·라인에서의 전단가열 억제 포인트
펌프는 전단가열을 “만드는 장치”이면서 동시에 “공정 전 구간에 열을 공급하는 장치”이다.
차압 상승이 곧 발열 증가로 연결되므로 ΔP를 관리변수로 두는 것이 효과적이다.
- 배출 밸브를 조여 유량을 맞추는 방식은 전단가열과 캐비테이션 리스크를 동시에 키우는 방식이다.
- 바이패스 라인은 “유량 확보” 목적 외에 “펌프 내부 재순환 발열 억제”에도 중요하다.
- 점도 높은 유체는 펌프 선정에서 회전수 낮은 타입, 누설 간극 최적화, 저전단 구조를 우선 고려하는 것이 유리하다.
5.4 압출·사출에서의 전단가열 관리 포인트
고분자 성형에서는 전단가열이 점도 저하를 통해 충전을 돕는 면이 있어 완전 제거가 목표가 아니고 “재현성 있는 범위로 제한”이 목표이다.
토크, 용융온도, 다이 압력, 스크류 속도 사이의 상관을 데이터로 고정하고, 허용 범위를 벗어나면 즉시 원인을 분리하는 체계를 갖추는 것이 효과적이다.
- 스크류 속도 증가로 생산량을 올릴 때는 배럴 냉각 강화 또는 혼련 엘리먼트의 전단 강도 완화가 동반되어야 한다.
- 다이/게이트의 국부 전단률은 품질 결함(번마크, 젤, 탄화물)에 직접 연결되므로 형상 변경이 가장 확실한 대책인 경우가 많다.
6. 계측·감시·품질 연동 기준
6.1 온도만 보지 말고 “열 발생의 대리변수”를 같이 보다
전단가열은 온도 센서가 늦게 반응하는 경우가 많으므로 동력·전단의 대리변수를 함께 보는 구성이 필요하다.
| 대리변수 | 의미 | 권장 알람 방식 | 현장 팁 |
|---|---|---|---|
| 모터 전력(kW) 또는 토크 | 유체 내 소산 동력의 1차 지표 | 절대값 상한 + 상승률 상한 | 원료 투입 직후, 점도 상승 구간에서 유효하다 |
| 펌프 ΔP | 라인 전단/손실 증가 지표 | 상한 + 변동폭 감시 | 필터 막힘, 밸브 조작, 점도 변화 감지에 유효하다 |
| 출구 온도(Tout)와 dT/dt | 열 축적의 결과 | 목표값 편차 + 상승률 | 국부 핫스팟은 dT/dt로 먼저 드러나는 경우가 있다 |
| 품질 지표(점도, 색도, 휘발분, 젤 수) | 열화의 결과 | 공정 데이터와 상관 분석 | 불량 재현 조건을 “토크-온도” 좌표로 저장하는 것이 좋다 |
6.2 현장 기준서에 넣기 좋은 인터록 예시
인터록 예시(개념) - 토크 > 토크상한 for 10 s → RPM 자동 저감 + 냉각수 유량 상향 - dT/dt > 상승률상한 for 30 s → 고전단 단계 종료 + 순환 모드 전환 - 펌프 ΔP > 상한 → 바이패스 오픈 + 필터 점검 알람 - Tout > 절대상한 → 투입 차단 + 안전 정지7. 전단가열 문제 발생 시 원인분석 절차
현장 대응은 “무엇이 바뀌었는지”를 빠르게 좁히는 방식이 효율적이다.
7.1 체크 순서
- 점도 변화가 선행인지 확인하다.
- 토크/전력 변화가 선행인지 확인하다.
- ΔP 상승, 필터 막힘, 밸브 조작 이력 여부를 확인하다.
- 냉각수 유량, 냉각수 입구 온도, 재킷 스케일링 여부를 확인하다.
- 원료 온도, 원료 배치, 고형분/입도, 수분 등 원료 변동을 확인하다.
- 교반기 간극, 스테이터 마모, 펌프 클리어런스 변화 같은 기계적 변화를 확인하다.
7.2 증상-원인-조치 매트릭스
| 증상 | 가능 원인 | 즉시 조치 | 근본 조치 |
|---|---|---|---|
| 온도 급상승 + 토크 급상승 | 점도 상승, 분산 불량, 응집, 필터 막힘 | RPM 저감, 바이패스, 냉각 강화 | 투입 순서/속도 개선, 필터 면적 확대, 레시피 점도 관리 |
| 온도 상승 + 토크 감소 | 국부 과열로 점도 저하, 윤활화, 벽면 슬립 | 고전단 단계 종료, 냉각, 체류시간 단축 | 간극/형상 최적화, 센서 위치 개선, 핫스팟 방지 설계 |
| 변색/탄화물 증가 | 다이/간극 국부 과열, 체류 데드존 | 조건 완화, 배출/퍼지 | 데드존 제거, 유로 단순화, 표면처리/세정 기준 강화 |
| 기포 증가/휘발 증가 | 발열로 증기압 상승, 용제 플래싱, 캐비테이션 | 압력 유지, 속도 저감, 진공/탈기 조정 | 펌프 NPSH 여유 확보, 단계적 가열, 탈기 설계 개선 |
8. 현장용 전단가열 관리 체크리스트
| 구분 | 점검 항목 | 기준 | 기록 |
|---|---|---|---|
| 설비 | 로터-스테이터/펌프/스크류 마모 및 간극 | 제조사 허용 범위 이내 | 점검일/측정값 |
| 운전 | RPM 상승 램프, 고전단 유지시간 | 표준 레시피 범위 | 배치 로그 |
| 열관리 | 냉각수 유량, 입구온도, 재킷 차압 | 목표 범위 유지 | 유량/온도 |
| 라인 | 필터 ΔP, 밸브 스로틀 사용 여부 | ΔP 상한 이하, 스로틀 금지 | ΔP 트렌드 |
| 감시 | 토크/전력, Tout, dT/dt 알람 설정 | 상한·상승률 기준 적용 | 알람 이력 |
| 품질 | 점도, 색도, 휘발분, 젤 수 | 규격 내 | 시험성적 |
FAQ
전단가열을 “완전히 없애야” 하는지 궁금하다
전단가열은 유동·혼합 과정에서 본질적으로 발생하는 현상이라서 완전 제거가 목표가 아니고, 품질과 안전에 영향을 주지 않는 범위로 제한하는 것이 목표이다.
온도계가 정상인데도 변색이 나는 이유가 궁금하다
국부 고전단 구간에서 순간적으로 온도가 상승하는 핫스팟이 발생했을 가능성이 크다. 평균 온도만으로는 감지가 늦을 수 있으므로 토크·전력·ΔP와 함께 상승률을 감시하고, 고전단 유지시간을 제한하는 방식이 필요하다.
펌프에서 출구 온도가 계속 올라가는 원인이 궁금하다
차압 상승, 내부 재순환, 점도 상승, 필터 막힘, 밸브 스로틀이 주요 원인이다. ΔP·유량·전력의 동시 트렌드를 보고, 바이패스를 활용해 펌프가 고차압 저유량 영역에 머무는 시간을 줄이는 것이 우선이다.
고전단 분산 품질을 유지하면서 전단가열을 줄이는 방법이 궁금하다
간극과 통과횟수, 단계적 속도 상승, 냉각 강화, 목표 입도 도달 즉시 고전단 종료, 전력 상한 기반 운전이 조합으로 효과적이다. 레시피 측면에서는 초기 젖음 단계의 점도 관리가 전체 발열을 줄이는 데 크게 기여하다.
전단가열을 계산으로 관리하려면 무엇부터 시작해야 하는지 궁금하다
연속 공정은 ΔT_bulk ≈ P_diss/(m_dot·Cp) 형태의 에너지수지로 1차 스크리닝을 하고, 리스크가 있으면 고전단 구간의 간극 전단률과 체류시간을 중심으로 2차 평가를 수행하는 접근이 실무적이다.