열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 1 열전달의 기본 개념 열전달의 기본 문제 의 정량적 관계 규명 Some Questions why we need this relation? where we measure Q? how we define T? haven’t we learned them in thermodynamics already? what kind of physical processes are involved?
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 2 열전달의 기본 개념 1-1 ▪ 서론 ( 열전달의 응용 ) Tri-generation – system construction
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 3 열전달의 기본 개념 Tri-generation – energy balance
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 4 열전달의 기본 개념 1-2 ▪ 열전달에 관한 관점 열전달은 오랜 역사와 전통을 가진 학문 많은 지식이 알려져 있어 학습할 내용이 많음 정확한 개념과 용어의 이해가 대단히 중요 세 가지 다른 관점에서 바라보면 개념 정리 용이 - 분자세계 관점 ( 미시적 관점 ) - 연속체 관점 - 시스템 관점 ( 거시적 관점 )
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 5 열전달의 기본 개념 1-3 ▪ 열역학과 열전달의 관계 열역학의 기본 법칙 –The Zeroth Law : ch1 –The Fist Law (Conservation of Energy) : ch2 –The Second Law (Increase of Entropy) : ch6 –The Third Law (S=0 at T=0) : ch7 시스템 구분 –Closed System (fixed mass) –Open System (mass flow through boundary) 열역학의 기본 법칙 –The Zeroth Law : ch1 –The Fist Law (Conservation of Energy) : ch2 –The Second Law (Increase of Entropy) : ch6 –The Third Law (S=0 at T=0) : ch7 시스템 구분 –Closed System (fixed mass) –Open System (mass flow through boundary)
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 6 열전달의 기본 개념 열역학의 기본 공리
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 7 열전달의 기본 개념 Closed System Open System 제 1 법칙 제 2 법칙 Closed System Open System Thermodynamic Properties x=f(state only) P,v,T,c p,c v u, h, s, u….
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 8 열전달의 기본 개념 열역학 제 1,2 법칙 요약 - 동영상 자료 Total energy 1 st Law – Closed system 1 st Law – Open system 2 nd Law – Closed system 2 nd law – Open System Application example – turbine [Note] Flow work
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 9 열전달의 기본 개념 inlets outlets 열역학 제 1 법칙 - 일반식
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 10 열전달의 기본 개념 Example 1: Closed System ( 열역학 해석 ) 시스템 경계 1 시스템 경계 2 단열 시스템 경계 1 T w,o m w, c w T so m s, c s 시스템경계 2
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 11 열전달의 기본 개념 시간,t 온도 T T s,o T w,o T eq F 값 증가 Example 1: Closed System ( 열전달 해석 )
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 12 열전달의 기본 개념 Example 2: Open System ( 열역학 해석 ) 검사체적 1 검사체적 2 유체 1 유체 2 검사체적 1 검사체적 2
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 13 열전달의 기본 개념 Example 2: Open System ( 열전달 해석 ) 검사체적 2 유체 1 유체 2 검사체적 1 검사체적 2
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 14 열전달의 기본 개념 1-4 ▪ 열전달 방식 전통적으로 전도, 대류, 복사로 분류 미시적 관점에서는 전도와 복사만 존재 대류는 연속체 관점에서 대류 효과와 관련되어 출현 - 시스템적으로 Newton 의 냉각법칙 적용 - 자주 나타나는 대표적 유동 양식에 대해 상관관계식 개발 및 응용
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 15 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (1/9) 액체 분자 충돌 분자 확산 기체 분자 충돌 분자 확산 고체 격자 진동 자유전자 이동 자유 전자 (1) 분자적 관점 분자 활동 결과 에너지가 고온부에서 저온부로 이동
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 16 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (2/9) (2) 연속체 관점 측면단열 단면적, A 길이 x 온도 T 1 온도 T 2 qxqx Fourier 전도법칙
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 17 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (3/9) 실험 결과 다른 조건들이 같을 때 열량은 단면적 (A) 에 비례한다. 다른 조건들이 같은 때 열량은 거리 ( x) 에 반비례 한다. 다른 조건들이 같을 때 열량은 온도차 ( T) 에 비례한다. 수학적 표현 비례상수 도입 및 극한값
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 18 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (4/9) 열전도도 (thermal conductivity)
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 19 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (5/9) 1 차원 => 3 차원 확장 열유속은 x,y,z 방향으로 각각 성분을 갖는다. 열전도도 k 는 등방성 물질에 대하여 상수이다. (Thermodynamic Property) 각 방향별 열유속은 각 방향 별 온도 기울기에 각각 독립적으로 비례한다. Fourier 전도법칙
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 20 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (6/9) (3) 시스템 관점 계산 결과를 어떻게 광범위 하고 유용하게 제공할 것인가 ? 전기회로의 Ohm 의 법칙 원용 정상 상태이고 (steady) 내부 발열이 없으며 1 차원 현상일 경우 전기 흐름 열 흐름 사이 유사성 존재
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 21 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (7/9) 열역학 제 1 법칙 (closed system, steady state) 각 node 별 열전달 관계식 열전달에 대한 Ohm 의 법칙
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 22 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (8/9) 항목 전기회로전도열전달 보존법칙 마디 법칙
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 23 열전달의 기본 개념 열전도 (Heat Conduction) (9/9) 병렬 및 직렬 연결 총저항으로 표시한 열전달량
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 24 열전달의 기본 개념 T1T1 T2T2 TnTn T n+1 Q1Q1 Q2Q2 QnQn V1V1 V2V2 VnVn V n+1 전기회로열전도 등가회로 123A3A 5 3B3B 3C3C 4A4A 4B4B 검사체적 열전도 – 전기 회로 유사성 계산 연습 (1)
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 25 열전달의 기본 개념 병렬 연결 (1) 병렬 연결 (2) 전체 직렬연결 열전도 – 전기 회로 유사성 계산 연습 (2) 마디 별 관계식
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 26 열전달의 기본 개념 1 차원 Fourier 전도 법칙 ( 형태상 Separable ODE) 1. 변수 분리 (k=const) (5) Ohm 의 법칙의 확장 – 기하학적 형상의 영향 2. 적분 수행 Define
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 27 열전달의 기본 개념 (5) Ohm 의 법칙의 확장
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 28 열전달의 기본 개념 예제 (1-1) 간단한 도형에 대한 열저항
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 29 열전달의 기본 개념 (6) 열전도도가 온도의 함수인 경우, k=k(T) 1. 변수 분리 [ k=k(T) ] 2. 적분 수행 직렬 병렬 연결 계산 방법 더 이상 성립하지 않음
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 30 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) (1) 분자적 관점 대류 효과는 좌표계를 동반한 거시적 운동 ( 유동 ) 에 의한 것으로 분자들은 거시적 유동의 존재를 알지 못한다고 가정한다. 따라서 분자적 관점에서는 대류열전달이 존재하지 않는다.
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 31 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 (2) 연속체 관점 ( 유동에 의한 변화 효과 )
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 32 열전달의 기본 개념 (3) 시스템 관점 (Newton 의 냉각 법칙 ) q w : 고체와 유체가 만나는 접촉면에서의 열유속 T w : 고체 벽면의 온도 T f (?) 대류 (Heat Convection) - 계속
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 33 열전달의 기본 개념 형상변화 유동변화 물질변화 기타 변화 속도분포변화 온도분포변화 압력분포변화 벽면온도구배변화 열전달량변화 대류열전달계수변화 대류 (Heat Convection) - 계속
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 34 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 No slip condition 실험 또는 연속체 대류 열전달 이론 결과 값 변경 값 변화 원인
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 35 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 독립적으로 미리 알려진 경우는 간단 미리 알려지지 않은 경우라도 별도의 방법으로 비교적 간단히 구할 수 있으면 OK (4) 일반화된 Newton 의 냉각 법칙 의 결정
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 36 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 (5) T 의 결정 : T f =? 2 flow External flow
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 37 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 (5) T 의 결정 : Bulk temperature for internal flow internal flow Advantage : bulk temperature 를 사용하면 다른 온도를 사용했을 때에 비하여 미지수의 개수가 한 개 줄어 든다.
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 38 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 계속 (5) 대류열전달계수의 무차원화 Nusselt number
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 39 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 예제 1.2
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 40 열전달의 기본 개념 대류 (Heat Convection) - 평균 열전달 계수 속도분포 온도분포
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 41 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) : 분자적 관점 (1) 분자적 관점 표면현상 체적현상
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 42 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) : 연속체 관점 (2) 연속체 관점 : 복사 참여기체 영역에 대해
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 43 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) : 시스템 관점 Blackbody : a perfect diffuse emitter and absorber The Stefan-Boltzmann Law
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 44 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) : Gray Surface gray surface real surface
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 45 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) : 회체 면복사 Gray surface
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 46 열전달의 기본 개념 복사 (Thermal Radiation) (3) 시스템 관점 : 회체 면에 대한 등가 회로도 EbEb G J q
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 47 열전달의 기본 개념 예제 1-4 트랜지스터 냉각 특수 상황 (small object in a large enclosure)
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 48 열전달의 기본 개념 1.5 온도와 열유속의 연속성 ( 경계면 조건 ) (1) 온도의 연속성 u s (2) 열유속의 연속성
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 49 열전달의 기본 개념 예외 조건 (1) : 상변화 경계면 u s (1) 온도의 연속성 (2) 열유속의 연속성
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 50 열전달의 기본 개념 예외 조건 (2) : 접촉저항 (1) 온도 jump 조건 (2) 열유속의 연속성
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 51 열전달의 기본 개념 1.6 복합 열전달 ( 전도, 대류, 복사 혼재 )
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 52 열전달의 기본 개념 노출 면에 대한 에너지 보존 Conservation of energy
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 53 열전달의 기본 개념 [ 예제 1.5] 복사에 의한 온도 측정 오차 Surface energy balance with adiabatic solid 측정오차 :
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 54 열전달의 기본 개념 1.7 시스템 관점에서 본 q- T 의 관계 q- T 열전달의 기본 관계 : q- T What T do you mean?
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 55 열전달의 기본 개념 전도 형상계수, S 재료의 열전도에 비례하고 양면에서의 온도 차에 비례하고 등온선이 배치되는 기하학적 형상에 관계되는 어떤 계수에 비례한다. p114 [ 표 2.5] 등온 T=T 1 등온 T=T 2 단열
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 56 열전달의 기본 개념 1.8 무차원화 기법 무차원화를 하는 이유 : 변수의 개수를 줄인다. 효율의 두 가지 유형 How do we know the maximum possibilities? physical reasoning
열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 57 열전달의 기본 개념 1.9 난류 문제 1.10 열전달 문제의 유형별 분류