방 안에 난로를 켜놓았을 때 난로 부근의 공기가 따뜻해져서 위로 올라가고 차가운 공기가 아래로 내려온다. 이와 같이 액체나 기체의 온도가높아지면 밀도가 감소하여 상승하게 되고, 접촉하고 있는 액체나 기체는온도가 내려가므로 밀도가 커져 아래로 떨어지게 되는데, 이러한 현상을 대류라고 한다.

대류는 물질 자체가 움직이면서 열이 운반되는 현상으로, 액체나 기체에서 주로 일어난다. 대류에는 자연 대류, 강제 대류, 혼합 대류 등이 있다.

자연 대류는 가열과 같은 온도 변화로 인해 밀도차가 생겨서 더운 유체는 위로 올라가고 찬 유체는 아래로 내려오면서 열이 흐르게 되는 현상이다.

강제 대류는 펌프나 송풍기, 교반기 등의 기구를 이용하여 기계적으로 유체의 흐름을 일으켜서 생기는 현상이며, 혼합 대류는 강제 대류와 자연 대류가 혼재되어 있는 경우이다.

대류에 의한 열전달 속도에 영향을 주는 두 가지 요인으로는 유체의 혼합 속도와 온도차가 있다. 유체의 혼합 속도와 유속을 빠르게 하면 열전달이 잘 일어나며 더운 유체와 찬 유체와의 온도차가 클수록 열전달 속도가 증가하게 된다.

(1) 열전달 원리

경막에서의 열전달 공업적으로 많이 사용되는 열교환기는 보일러나 난방 배관과 같이 고체 벽을 통해 한쪽의 유체로부터 다른 쪽의 유체로 열을 전달하는 장치이다.

그림 4와 같이 유체가 관 속을 흐를 때 관 벽에 근접하고 있는 부분에서는 유체가 거의 움직임이 없는 엷은 막이 존재하는데, 이를 경막이라고 한다.

일반적으로 경막은 얇은 막이지만 열이 흐르는데 큰 열저항을 가지고 있으며, 관 벽으로부터 유체로 열이전달될 경우 이 경막 부분에서 온도가 급격히 떨어지게 된다.

그러나 경막과 대류가 일어나는 부분 사이의 한계가 명확하지 않고, 온도도 정확하게 측정하기 어려우므로 온도차는Dt  = t2-t4를 사용하여 나타낸다.                                   그림 4 관 벽과 유체 사이에서의열전달에 의한 온도 분포

고체 벽과 유체 간의 열전달은 열이 이 경막을 통하여 일어나므로 이것도 하나의 벽으로 보고 열전달 속도식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 q = hA(t2-t4)

이 식을 열저항의 관계식으로 바꾸면,

위의 식에서 , h는 경막 열전달 계수로서 단위는 kcal/㎡·h·℃이며 전도에서는 kl에 해당된다.

이와 같이 경막 열전달 계수 값이 클수록 열전달 속도가 크다는 것을 알수 있다.

경막 열전달 계수는 자연 대류일 때보다 강제 대류일 때가 더 크며, 유체의 속도가 클수록 경막이 얇아져서 경막 열전달 계수 값이 커진다.

(2) 고체 벽을 통한 두 유체 간의 열전달

화학 공업에서 쓰이는 열교환 장치는 금속 파이프 속에 과열 수증기를보내어 파이프 바깥쪽의 차가운 물을 가열하는 방식으로 열전달 조작이이루어진다. 그림 5와 같이 금속 고체를 사이에 두고 양쪽에 뜨거운 유체와 차가운 유체를 흐르게 하는 경우, 금속 고체의 양쪽 벽에 경막(F1F1, F2F2)과 고체 벽에서 각각 열전달이 이루어진다.

                                                그림 5 고체 벽을 통한 두 유체 간의 열전달

경막(Ⅰ), 고체 벽(Ⅱ), 경막(Ⅲ)에서 일어나는 열전달 속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(Ⅰ) 뜨거운 유체로부터 고체 벽으로의 열전달 :

(Ⅱ) 고체 벽에서의 전도:

(Ⅲ) 고체 벽으로부터 찬 유체로의 열전달 :

여기서, 이므로

이다.

따라서 열전달 속도를 다음과 같이 나타낸다.

(2) 총괄 열전달 계수

그림 Ⅲ-5에서 열전달량이 양쪽 유체의 온도차(t1-t4)와 평균 접촉 넓이(A)에 비례한다고 하면 총괄 열전달 계수(U, kcal/㎡·h·℃)를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서 이다.

만일 접촉 면적이 일정하다면

이다.

이 식은 총괄 열전달 계수 U와 경막 열전달 계수 h1, h3와의 관계를 나타낸다.

총괄 열전달 계수는 고체 벽과 양쪽 경막 전체에 관계되는 비례상수로서 열을 전달해 주는 능력을 나타낸다. 총괄 열전달 계수의 값이크면 열전달 속도는 증가한다.