열전달 개념
개념과 원리
열전달은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 에너지가 이동하는 현상이며, 기본 형태는 전도·대류·복사 세 가지입니다.
전도는 물질 내부에서 분자의 직접적인 에너지 전달로 열이 이동하는 현상입니다. 평판을 통한 정상상태 전도 열전달률은 Q̇ = kAΔT/L로 나타낼 수 있습니다.
대류는 고체 표면과 유체 사이에서 유체의 움직임을 동반하여 열이 전달되는 현상입니다. 대류 열전달률은 Q̇ = hAΔT로 계산합니다. 여기서 Q̇는 단위시간당 전달되는 열에너지이며 단위는 W입니다.
복사는 전자기파 형태로 열이 전달되는 현상으로, 매질이 없어도 전달될 수 있습니다. 태양에서 지표로 열이 전달되는 것이 대표적인 예입니다.
실제 벽체나 열교환기에서는 이 세 방식이 따로 떨어져 작용하기보다 여러 단계가 연속해서 나타납니다. 예를 들어 실내공기에서 벽 표면까지는 대류, 벽 내부는 전도, 벽 외부에서 외기까지 다시 대류가 일어납니다.
공조냉동 실기에서는 열전도율 k, 열전달계수 h, 열관류율 U를 서로 구분하는 것이 중요합니다. 각각 적용되는 위치와 단위가 다릅니다.
그림·공식 정리
열에너지는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며, 온도차가 클수록 일반적으로 열의 이동도 활발해진다.
열전달 방식은 전도, 대류, 복사의 세 가지로 구분한다.
풀이에 적용하기
두께 0.08 m, 열전도율 0.16 W/(m·K), 면적 12 m²인 평판의 양쪽 표면 온도차가 10℃라고 하겠습니다.
전도 열전달률
Q̇ = kAΔT/L
Q̇ = 0.16×12×10÷0.08 = 240 W
같은 면적 12 m²의 표면에서 대류열전달계수가 8 W/(m²·K), 공기와 표면의 온도차가 4℃라면:
Q̇ = hAΔT = 8×12×4 = 384 W
전도식에는 재료의 두께와 열전도율이 들어가고, 대류식에는 유체와 표면 사이의 열전달계수가 들어간다는 차이를 확인할 수 있습니다.
헷갈리는 부분
① k, h, U를 같은 계수로 보지 마세요.
k는 재료 자체의 열전도 특성, h는 표면과 유체 사이의 대류 특성, U는 여러 열저항을 포함한 전체 열전달 특성입니다.
② 전도식의 두께 L을 빠뜨리지 마세요.
같은 재료라도 두꺼워질수록 전도 열전달률은 작아집니다.
③ 복사는 공기가 있어야만 발생하는 현상이 아닙니다.
진공에서도 전달될 수 있습니다.
④ 열은 고온에서 저온 방향으로 이동합니다.
냉동기는 외부 일을 사용해 저온부의 열을 고온부로 이동시키는 장치입니다.