01. 열전달 기구                                                        2. 열전달의 종류

(1) 전도에 의한 열전달

고체에서 열이 전달되는 방법으로서 금속 고체벽을 통해 열이 전달

물질의 이동은 (          ) 열에너지를 받은 물질 속의 (             ) 등이 자신이 에너지를 전달해 줌으로서 열전달이 이루어짐

화학 장치 중의 열전달은 (                              ), 전도에 의한 열전달이 일어나는 (                                )등의 열이동은 매우 중요

(

)

열전달의 추진력은(              ), (           )가 있을 경우에 열전달이 일어남

푸리에는 한 방향으로의 전도에 의한 열전달 속도는 열흐름에 수직한 면적과그 방향의 온도 차이에 비례

열전달 속도

(                                                         )

여기서A: 단면적(m2)

: 물체의 미소 구간, : 온도차

: 미소 시간그림 Ⅲ-4 물체면의 온도 분포, : 흐르는 열

:열전달 속도, : 비례 상수(열전도도)

열전도도(thermal conductivity) :(                                          )

푸리에의 법칙에 따른 열전달의 네 가지 요인 : (                              )

온도차

열전달 속도를 결정해 주는 근본적인 요인은 온도차

일반적으로 두 개의 물체 사이의 온도차가 클수록 열전달 속도는 커짐

면적

열이 통과할 수 있는 면적이 크면 클수록 전도에 의한 열전달 속도는 커짐

두께

열이 통과하는 길이

물질의 (   )가 커지게 되면 열이 통과하는 길이가 (      ) 따라서 열이 전달되는 속도는 (           )

열전도도

물질에 따라 다르고 같은 물질이라도 온도에 따라 변함

온도차, 열전도도, 면적 및 두께의 네 가지 요인과 열전달 속도와의 관계

(                       )가 클수록 열전달 속도는 커짐

(                       )가 클수록 열전달 속도는 커짐

(                       )가 클수록 열전달 속도는 작아짐

(                       )가 높을수록 전도에 의한 열전달 속도는 커짐

열전달 속도

여기서: 추진력

: 열저항

추운 겨울에 두께가 3mm인 유리창 안쪽의 실내 공기가 25℃이고 바깥쪽의공기가 5℃라면 이 때, 유리창을 통한 열손실량은 얼마인가?(단 유리의 열전도도는 0.72W/m·℃ 이다.)

열전도도가 0.488W/m·℃인 균일 물질로서, 두께 20cm, 넓이가 10 m2인 가열 가마의 벽이 있다. 이 벽의 내면 온도가 300℃, 외면 온도가 50℃라 할 때, 이 벽면의 열저항과 열손실량을 구하여라?.

1층 :

2층 :

전체 벽에 대한 열전달 속도

두께가 300mm인 내화 벽돌과 두께100mm의 석면판으로 된 이중벽이 있다.벽돌의 안쪽 온도가1,000℃이고 석면판 바깥쪽 온도가50℃라면 이 벽1m2당 손실된 열량을 구하여라.(단,벽돌과 석면의 열전도도는0.5W/m·℃, 0.05W/m·℃)

내화 벽돌,단열 벽돌 및 붉은 벽돌의 세 층의 벽돌로 만든 가마벽의 안쪽의 온도를1,273K로 유지시키면서 열손실을800W/m2로 하려고 한다.이 때,각 벽돌의 두께를 얼마로 하는 것이 좋겠는가?

다만,내화 벽돌,단열 벽돌 및 붉은 벽돌의 열전도도는 각각1.0, 0.2, 0.5W/m․℃이고,단열 벽돌의 안전 사용 온도는1,073K,붉은 벽돌의 바깥 온도는356K,붉은 벽돌의 두께는15cm이다.

문제 1

추운 겨울에 두께가 5cm인 유리창 안쪽의 실내 공기가 20℃이고 바깥쪽의 공기가 -5℃라면 이 때, 유리창을 통한 열손실량은 얼마인가?(단 유리의 열전도도는 0.72W/m·℃ 이다.)

문제 2

열전도도가 0.488W/m·℃인 균일 물질로, 두께 10cm, 넓이가 20m2인 가열 가마의 벽이 있다. 이 벽의 내면 온도가 600℃, 외면 온도가 30℃라 할 때, 이 벽면의 열저항과 열손실량을 구하여라?.

문제 3

내화 벽돌, 단열 벽돌 및 붉은 벽돌의 세 층의 벽돌로 만든 가마벽의 안쪽의 온도를 1,000K로 유지시키면서 열손실을 500W/m2로 하려고 한다. 이 때, 각 벽돌의 두께를 얼마로 하는 것이 좋겠는가?

다만, 내화 벽돌, 단열 벽돌 및 붉은 벽돌의 열전도도는 각각 1.0, 0.2, 0.5W/m·℃이고, 단열 벽돌의 안전 사용 온도는 900K, 붉은 벽돌의 바깥 온도는 300K, 붉은 벽돌의 두께는 20cm이다.

화학 공업에서 유체를 수송할 때 보통 금속 파이프와 같은 원관을 사용하고 있으므로 원관을 통한 열 손실을 고려

관 벽의 두께 (              )

평균 열전달 넓이 (              )

은 원관의 평균 반지름으로가2이하일 경우는 산술평균

(                           )

가 2이상인 경우는 로그 평균

(                                 )

원관 벽을 통한 열전달

(                                  )

원관에 보온재를 입힌 경우와 같이 여러 층으로 된 원관에서의 열전달은 여러 층으로 된 평면 벽에서와 같은 이론으로 다음과 같이 쓸 수 있다.

안쪽 반지름200mm,바깥쪽 반지름300mm인 원통벽이 있다.이 원통벽의 안쪽 온도가900℃이고 바깥쪽 온도가300℃일 경우 원통1m당의 열손실을 구하여라.(단,원통벽의 열전도도는0.5W/m·℃이다.)

바깥쪽 반지름이5cm인 강철관의 외부를8cm두께의 석면으로 감고,그 외부를 다시4cm두께의 코르크로 감아서 최대한 외부로의 열손실을 막으려 한다.강철관 내부의 온도가300℃이고,코르크층 외부의 온도가30℃라고 하면,이 원통관1m당 열손실 속도는 얼마인가?또,석면층과 코르크층 사이의 온도는 얼마인가?(단 석면과 코르크층의 열전도도는0.965및0.500W/m·℃이다.)

문제 4

바깥쪽 반지름이 10cm인 강철관의 외부를 5cm 두께의 석면으로 감고, 그 외부를 다시 4cm 두께의 코르크로 감아서 최대한 외부로의 열손실을 막으려 한다. 강철관 내부의 온도가 400℃이고, 코르크층 외부의 온도가 20℃라고 하면, 이 원통관 1m당 열손실 속도는 얼마인가? 또, 석면층과 코르크층 사이의 온도는 얼마인가?(단 석면과 코르크층의 열전도도는 0.965 및 0.500W/m℃이다.)

(2) 대류에 의한 열전달

대류:가열된 공기나 유체가 움직이면서 열이 전달되는 현상

대류는 더워진 물질의 운동에 의해 열이 전달되며 이런 현상은 밀도차에 의해서 일어난다.

대류에는 자연 대류와 강제 대류,혼합 대류가 있다.

자연 대류 : (	)

강제 대류(forced convection) : (	)

혼합 대류(mixed convection) : (	)

대류에 의한 열전달 속도에 영향을 주는2가지 인자

(	)

(	)

유체 경막(filud film) :유체가 관 속을 흐르면 벽 근처에는 벽의 영향을 받아 비교적 혼합이 적은 경계층이 생기고 더 안쪽에는 속도가0에 가깝게 되는 층

경막은 극히 얇은 막이지만 이 부분은 큰 열저항

대류에 의한 열전달 속도

h :경막 열전달 계수

단위는

경막 열전달 계수의 값이 클수록 전달 속도가 크다.

자연 대류일 때보다 강제 대류일 때가 더 크고,유체의 이동 속도가 빠를수록 경막이 얇아져서 커진다.

금속 파이프 속에 과열 수증기를 보내어 파이프 바깥쪽의 찬물을 가열 할 때,금속 고체의 양쪽 벽에 유체의 경막이 각각 생성

열저항은 금속 고체와 양쪽 벽의 격막을 합한 세가지,세 가지의 물질이 겹쳐진 고체 벽과 비슷한 작용

뜨거운 유체 쪽일 때 전달되는 열량(Ⅰ)

금속벽일 때(Ⅱ) :금속일 때에는 전도에 의한 열전달

찬 유체 쪽일 때 전달되는 열량(Ⅲ)

정상 상태라면 이동되는 열전달량은 각 단면에 대하여 같으므로

:뜨거운 유체,찬 유체의 각 접촉 넓이(m2)

:각 유체와 금속 벽과의 접촉 넓이의 평균값(m2)

:금속 고체의 벽 두께(m)

:금속 고체의 열전도도(W/m·℃)

열전달량이 양쪽 유체의 온도차()와 평균 접촉 넓이(A)에 비례한다면

:총괄 열전달 계수()

금속벽과 양쪽 경막 전체에 관계되는 비례상수

열을 전달해 주는 능력

접촉면적이 일정하다면이므로

:총괄 열전달 계수와 경막 열전달계수와의 관계를 나타낸 식

안지름50mm,바깥지름54mm인 원관에 액체가 흐르고 바깥쪽에서 가스로 가열하고 있다.원관 안쪽 액체 측의 경막 계수가500W/m2·℃이고 원관 밖의 기체 측의 경막 계수는40W/m2·℃이며,강관의 열전도도는60W/m2·℃이다.총괄 열전달 계수를 구하여라.

물에 의해 원관 내를 흐르는 공기를 냉각하는 공기 냉각기가 있다.이 냉각기는 안지름이50mm,두께가2mm인 강관이다.원관 안쪽 공기측의 경막 계수가35W/m2·℃이고,원관 밖의 물측 경막 계수는600W/m2·℃이며,강관의 열전도도는45W/m2·℃이다.총괄 열전달 계수를 구하여라.

수증기로 가열하는 가열 넓이0.5m2인 이중 반응기에서 액상 반응을 시키고 있다.반응물은 교반기로 교반해 주면서 반응 적정 온도인75℃을 유지해 주기 위하여125℃의 포화 수증기를 공급하고 있다.반응열과 열손실을 무시할 경우,열공급 속도를 구하여라.(단,경막 계수는 수증기측이7,000W/m2·℃,반응물측이3,500W/m2·℃이며,반응기의 금속 벽의 저항은 무시한다.)

문제 1

안지름 100mm, 바깥지름 110mm인 원관에 액체가 흐르고 바깥쪽에서 가스로 가열하고 있다. 원관 안쪽 액체 측의 경막 계수가 600W/m2·℃이고 원관 밖의 기체 측의 경막 계수는 50W/m2·℃이며,강관의 열전도도는 70W/m2·℃이다.총괄 열전달 계수를 구하여라.

문제 2

물에 의해 원관 내를 흐르는 공기를 냉각하는 공기 냉각기가 있다. 이 냉각기는 안지름이 60mm, 두께가 4mm인 강관이다. 원관 안쪽 공기측의 경막 계수가 30W/m2·℃이고, 원관 밖의 물측 경막 계수는 700W/m2·℃이며, 강관의 열전도도는 40W/m2·℃이다. 총괄 열전달 계수를 구하여라.

(3) 복사에 의한 열전달

복사(radiation) :(

)

복사가 빈 공간을 통과하고 있을 때에는 열이나 다른 에너지 형태로 바뀌지 않는다.

복사가 통과하는 도중에 물체가 있으면 그것은 반사되거나 흡수되거나 투과되는데 이를 (	), (	), (	)라고 하고,이 때 흡수된 것만이 에너지 형태로 나타난다.

전도 및 대류와는 달리 열에너지가 전자파로서 사방으로 발산되는 것을 (	)

모든 물체는 절대 영도(0K)보다 높은 온도에서는 그 물체 표면으로부터 그 온도에 해당하는 복사 에너지를 발산,에너지의 크기는 온도가 상승함에 따라 급격히 증대

복사선은 전자파의 일종이고,그 파장은 (	)을 중심으로 한 넓은 영역에 걸치지만 특히 중요한 파장은 대략(	)

흑체(black body) :(

)

흑체는 실제로 존재하지 않으며 흑체에 가장 가까운 물질은 (	)

회색체(gray body) : (

)

흑체나 회색체는 복사에 의한 열전달을 이론적으로 밝히기 위한 기준 물체

방사(emission) : (	)

흑체의 단위 표면적에서 단위 시간에 복사되는 총 복사 에너지Eb는 그 물체의 절대 온도T(K)의 네제곱에 비례,이것을 스테판-볼쯔만 법칙(Stefan-Boltzmann law)

:스테판-볼쯔만 상수[= 5.67× 10-8(W/m2·K4)]

실제 물체의 총 복사 에너지는 흑체보다 작은 에너지를 방사하므로 방사율(,복사능emissivity)를 사용

는0 << 1로서 표면의 상태와 온도에 따라 다른 값

모든 물체는 절대 영도(0K)보다 높은 온도에서는 그 물체 표면으로부터 그 온도에 해당하는 복사 에너지를 발산

복사원(radiant source) : (	)

수체(sink) : (	)

복사에 의한 열전달 속도의 네가지 요인

(	)

(	)

(	)

(	)

두 개의 평형판이 마주보고 있는 경우

두 평면 사이의 거리에 비하여 넓이가 상당히 클 때

두물체가 벽으로 둘러싸였을 때의 복사

작은 물체가 그림과 같이 둘러 싸여 있는 경우에는 큰 벽은 일반적으로 흑체

열전달 속도 식

일반 가열 장치 일 때

일반적으로 많이 사용되는 가열 장치는 열이 전달되는 면의 모양이나 각도가 일정하지 않다.

열전달 식

F는 열이 전달되는 면의 모양,각도에 따른 보정 인자,각도인자라 하며0 ~ 1사이의 값

무한히 평행한 두 개의 흑판이 있다.각각의 표면 온도가500℃, 900℃일 때 복사에 의한 단위 넓이 당 열전달량을 계산하여라.

문제 1

무한히 평행한 두 개의 흑판이 있다. 각각의 표면 온도가 400℃, 800℃일 때 복사에 의한 단위 넓이 당 열전달량을 계산하여라.