대류

대류는 솔리드 면과 인접 유동 유체(또는 기체) 간에 열이 전달되는 열 전달 모드입니다. 대류에는 두 가지 요소가 있습니다.
  • 임의 분자 운동에 의한 에너지 전달(확산)
  • 유체의 벌크 또는 거시적 운동에 의한 에너지 전달(이류)
대류 매커니즘를 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 뜨거운 면에 인접한 유체 층의 온도가 상승함에 따라 그 밀도는 감소하고(일정 압력에서, 밀도는 온도와 반비례) 부유하게 됩니다. 면 근처의 차가운(더 무거움) 유체는 따뜻한 유체와 교체되어 순환 형태를 이룹니다.

온도 Tf의 유체와 온도 Ts의 고체 면(면적 A) 간의 열 교환 속도는 뉴톤의 냉각법칙을 따르며 그 식은 다음과 같습니다.

Qconvection = h A (Ts - Tf)

여기에서, h는 대류 열전달 계수입니다. h의 단위는 W/m2.K 또는 Btu/s.in2.F입니다. 대류 열전달 계수(h)는 유체 운동, 형상, 열역학 및 물리적 속성에 따라 다릅니다.

일반적으로, 대류 열전달은 두 가지 모드가 있습니다.

자연(자유) 대류

고체면에 인접한 유체의 운동은 고체와 유체 간 온도의 차이로 인해 유체의 밀도에 변화가 생김으로써 발생하는 부력에 의해 유발됩니다. 뜨거운 평판이 공기 중에 냉각을 위해 노출되었을 때 평판 면에 인접한 공기 분자는 점차 따뜻해지면서 밀도가 감소되어 위로 상승하게 됩니다.

강제 대류

고체 면의 유체 유동을 가속화하기 위해 팬이나 펌프와 같은 외부 수단이 사용됩니다. 고체 면의 빠른 유체 분자 운동이 온도 구배를 최대화하고 열교환율을 증대시킵니다. 다음 이미지에서와 같이 공기를 뜨거운 평판에 공급합니다.

대류 열전달 계수

뉴톤의 냉각법칙은 특정 온도(Ts)의 면에서 특정 온도(Tf)의 주변 유체로 방사되는 열전달률을 다음 방정식으로 표현합니다.

Qconvection = h A (Ts - Tf)

여기에서, 열전달 계수 h의 단위는 W/m2.K 또는 Btu/s.in2.F입니다. h 계수는 열역학 속성이 아닙니다. 이는 유체 상태와 유동 조건의 단순한 상관 관계이므로 주로 유동 속성이라고 불립니다.

대류는 고정 분자에 인접한 것으로 가정된 표면과 주변의 유체 유동 간의 얇은 변이층인 경계층의 개념과 연관됩니다. 이 개념은 평판의 유동 상태를 보여주는 다음 그림을 통해 파악할 수 있습니다.

여기에서 u(x,y)는 X방향 속도입니다. 자유 흐름 속도의 99%로 지정된 유체층의 바깥쪽 접선까지의 영역을 유체 경계층 두께 δ(x)라고 합니다.

표면 온도에서 주변 온도로의 온도 변이를 나타내는 유사 스케치를 작성할 수 있습니다. 다음 그림은 온도 변이 개요도를 나타냅니다. 열 경계층 두께는 유체층의 두께와 같지 않아도 됩니다. 프란틀 수를 구성하는 유체 속성은 두 경계층 유형의 상대적 크기를 제어합니다 프란틀 수(Pr) 1은 양 경계층에 대한 동일 거동을 나타냅니다.

경계층을 통한 실제 열전달 메커니즘은 벽 옆의 고정 유체를 통한 Y방향 전도로 간주되고 경계층에서 유체로의 대류 속도와 같습니다. 이 상태는 다음 방정식으로 표현될 수 있습니다.

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

이와 같이, 특정 상황에서의 대류계수는 열전달 속도와 온도 차이를 측정하거나 표면에 인접한 온도 구배와 온도 차이를 측정하여 계산할 수 있습니다.

경계층에 대한 온도 구배는 고정밀도로 측정되어야 하며 일반적으로 연구소에서 시행됩니다. 많은 문헌에, 각기 다른 구성의 대류 열전달 계수 값이 테이블 형식으로 포함되어 있습니다.

다음 테이블에는 몇가지 일반적 대류 열전달 계수 값이 표시되어 있습니다

열전달 계수 h(W/m2.K)
공기(자연 대류) 5-25
공기/고열 스팀(강제 대류) 20-300
기름(강제 대류) 60-1800
물(강제 대류) 300-6000
물(비등) 3000-60,000
증기(콘덴싱) 6000-120,000

Prandtl Number

프란틀 수는 속도와 열 경계층의 두께와 관련된 파라미터이며 다음 방정식으로 계산됩니다.

여기에서 ν는 동점성도, α는 열확산도, ρ는 유체 밀도, κ는 유체 열전도율, cp는 일정 압력의 유체 열용량입니다.

유체의 동점성도 ν는 분자 운동으로 인해 유체를 통해 확산될 수 있는 운동량에 대한 정보를 나타냅니다. 열확산도 α는 유체의 열확산도에 대한 정보를 나타냅니다. 이와 같이, 이 두 무차원양의 비율은 유체에서 운동량 및 열 확산도의 상대적 크기를 나타냅니다.