열전달(Heat Transfer)

2012년도 1학기(제 2주)

제1장 열전달 메카니즘 (Heat Transfer Mechanism)

2012년도 1학기

기계자동차공학부

박 승 운

제1장 열전달 메카니즘

◈ 학습목표 o 열전달 3대 메카니즘(전도, 대류, 복사)에 대한 개념 이해

o 실제 공학적인 문제에 대한 응용 예를 들어 실무 감각 숙지

◈ 학습성과 o 열전달 3대 메카니즘(전도, 대류, 복사)에 대한 기본식을 제시하고, 그 개념을

설명할 수 있어야 함.

강의 내용 및 순서

■ 열전달 메카니즘

■ 전도

■ 대류

■ 복사

■ 복합 열전달 메커니즘

■ 종합요약

제1장 열전달 메카니즘

■ 열전달 메카니즘 o 열역학 : 열의 평형상태를 취급

o 열전달 : 열 에너지가 평형상태를 유지하기 위해 이동하는 량을 취급

- 열의 이동 과정 : 전도(conduction), 대류(convection), 복사(radiation)

그림출처 http://image.search.naver.com

제1장 열전달 메카니즘

■ 전도(Conduction) o 입자간 상호작용에 의해 에너지가 많은 입자에서 에너지가 적은 입자로 전달되는

에너지의 형태.

- 고체 : 분자의 진동과 자유전자의 에너지 전달에 의함.

- 기체, 액체 : 분자들의 충돌과 확산에 의함.

제1장 열전달 메카니즘

■ 전도(Conduction) - 열전달률은 물체의 재질, 형상, 두께, 온도차에 의해 결정됨.

o 평면벽(plane wall)에서의 열전달

; Fourier 의 열전도 법칙

# 예제 1-1

제1장 열전달 메카니즘

■ 전도(Conduction) o 열전도도(thermal conductivity) [W/m℃]

; 물질에 따른 열 전도 능력

Thermal conductivity, k

Material k [W/m℃]

Diamond

Silver

Copper

Gold

Aluminum

Iron

Mercury

Glass

Water

Wood(oak)

Air

2300

429

401

317

237

80.2

8.54

0.78

0.613

0.17

0.026

제1장 열전달 메카니즘

■ 전도(Conduction) o 열전도도(thermal conductivity) [W/m℃]

제1장 열전달 메카니즘

■ 전도(Conduction)

o 열확산율(thermal diffusivity), α[m2/s]

; 열이 재질로 얼마나 빨리 확산되는가를 나타내는 재질의 열적 특성.

- 재질의 열전도도에 대한 단위 체적당 열용량의 비

Thermal diffusivity, α

# 예제 1-2

Material α [㎡/s]

( x 10-6 )

Silver

Gold

Copper

Aluminum

Iron

Mercury

Glass

Water

Wood(oak)ir

149

127

113

97.5

22.8

4.7

0.34

0.14

0.13

제1장 열전달 메카니즘

■ 대류(Convection) ; 고체면과 인접하여 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는 열전달 현상.

- 전도와 유체운동의 복합적 영향을 받음.

o 강제대류(forced convection) : 외부의 영향에 의하여 표면 위로 유체가

강제로 유동되는 경우.

o 자연대류(natural convection) : 유체 내부의 온도차에 의해 유체유동이

이루어 지는 경우.

제1장 열전달 메카니즘

■ 대류(Convection)

; Newton의 냉각법칙

※ h 는 물체의 특성이 아님.

-표면의 기하학적 형상, 유체유동, 유체특성,

유속 등 에 영향을 받음.

# 예제 1-4

제1장 열전달 메카니즘

■ 복사(Radiation) ; 물질의 원자나 분자의 구조가 변하면서 전자파 또는 광자의 형태로 방출되는

에너지의 전달.

- 중간매체가 필요 없음.

- 온도에 의해 물체가 방출하는 열복사(thermal radiation)만 취급.

제1장 열전달 메카니즘

■ 복사(Radiation)

o 절대온도 인 표면에서 방출하는 최대 복사율

; Stefan-Boltzmann 법칙

※ 흑체(blackbody) : 최대 복사열을 방출하는 이상적인 물체

흑체복사(blackbody radiation) : 흑체가 방출하는 복사

o 절대온도 인 표면의 실제 물체에서의 복사

제1장 열전달 메카니즘

■ 복사(Radiation)

o 흡수(absorbed) 와 반사(reflected)

제1장 열전달 메카니즘

■ 복사(Radiation)

o 절대온도 인 물체가 절대온도 인 물체에 둘려 싸인 경우

※ 둘러싸고 있는 표면의 면적과 방사율은 순 복사열전달에

아무런 영향이 없음.

o 기체로 둘러싸인 물체의 복사열전달

# 예제 1-5

제1장 열전달 메카니즘

■ 복합 열전달 메카니즘

o 고체 : 전도, 복사

o 고체 표면이 유체에 노출된 경우 : 대류, 복사

o 정체된 유체 : 전도, 복사

o 유동 유체 : 전도, 대류

o 진공 : 복사

# 예제 1-9

제1장 열전달 메카니즘

★ 열유동 부호

★ 좌표계

▶ 직교좌표계

p(x,y,z)

▶ 원통좌표계

p(r,φ,z)

▶ 구좌표계

p(r,φ,θ)

▣ 종합요약

▶ 전도(Conduction)

: Fourier의 열전도 법칙

▶ 대류(Convection)

: Newton의 냉각법칙

▶ 복사(Radiation)

: Stefan-Boltzmann 법칙

제1장 열전달 메카니즘

◈ 다음강의(예고)

- 정상상태에서의 열전도

* 정상상태란 ?

* 열저항이란?

* 1차원, 2차원, 3차원 열전달 개념

* 열 접촉저항과 열 관류율

* 기하학적 형상에 대한 열전달

감사합니다.