대류
개념과 원리
대류 열전달률은 유체 종류와 유속, 유동 상태, 표면 형상에 따라 달라집니다. 자연대류는 밀도 차이에 의해, 강제대류는 팬이나 펌프 등에 의해 유동이 생깁니다. 열전달률은 재료 자체의 열전도율과 달리 유동 조건의 영향을 크게 받습니다.
대류 열전달을 계산에 연결하기
대류는 고체 표면과 접촉한 공기나 물 같은 유체 사이에서 일어나는 열전달입니다. 유체의 이동이 자연적인 밀도차에 의해 생기면 자연대류, 팬이나 펌프로 강제로 흐르게 하면 강제대류라고 합니다.
기본식은 Q=hAΔT이며 h(또는 α)는 대류 열전달계수, A는 열전달면적, ΔT는 표면과 유체 사이의 온도차입니다. Q는 열전달률(W)이며 Q̇로 표기하기도 합니다. 아래 공식의 α는 h와 같은 계수를 뜻합니다. h의 크기는 유체 종류, 속도, 표면 형상, 유동상태 등에 영향을 받습니다.
공조기의 코일에서는 팬에 의해 공기가 흐르므로 공기측 강제대류가 발생하고, 냉수 또는 냉매측에서도 유체의 흐름에 따른 대류 열전달이 일어납니다.
간단한 계산 예
대류 열전달계수가 12 W/(m²·K), 면적이 8 m², 표면과 공기의 온도차가 7 K라면 Q=12×8×7=672 W입니다.
주의: h는 재료 자체의 열전도율 k와 다릅니다. 벽 내부 전도에는 k를 사용하고 표면과 유체 사이 대류에는 h를 사용합니다.
그림·공식 정리
개념
액체나 기체가 이동하면서 물체의 표면과 열을 주고받는 현상이다. 코일 표면과 공기, 벽 표면과 실내외 공기 사이의 열전달에 적용한다.
뉴턴의 냉각법칙
| 기호 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| α(또는 h) | 대류 열전달계수(표면 열전달률) | W/(m²·K) |
| Ts | 물체 표면온도 | ℃ 또는 K |
| Tf | 유체온도 | ℃ 또는 K |
λ는 재료 내부의 전도, α는 표면과 유체 사이의 대류에 사용한다.
풀이에 적용하기
표면온도 50℃, 공기온도 20℃, 면적 2 m², 표면 열전달률 10 W/(m²·K)이면 Q̇=αAΔT=10×2×30=600 W입니다. 공기가 아니라 표면이 열을 잃는 방향입니다.
헷갈리는 부분
온도차의 부호는 선택한 열 흐름 방향을 나타냅니다. 방열량의 크기를 묻는 문제라면 고온−저온으로 양수를 구하고 방향을 문장으로 설명합니다.