대류열전달 기술교육팀 원자력교육원

학습목표 대류열전달 개념과 용어를 안다. 뉴톤의 냉각법칙을 안다. 대류열전달계수의 특성을 안다. 대류열전달 관련 무차원수들의 개념을 안다.

1. 대류열전달 개요(1/2) 유체유동에 의한 열 에너지 전달 고체표면과 유동 유체(액체 또는 기체) 사이의 열전달 고체표면과 유동 유체(액체 또는 기체) 사이의 열전달 전도에 의한 열전달과 함께 발생 비등, 응축 열전달도 대류 열전달

1. 대류열전달 개요(2/2) 자연대류(Natural Convection, Free Convection) 유체의 유동이 온도차로 발생한 밀도차에 의한 자연순환에 의해 열전달 자연순환 구동력 발생원 열 제거원이 존재 열원보다 열 제거원의 위치가 높아야 함 강제대류(Forced Convection) 외부의 힘(펌프, 송풍기)에 의해 유체 유동을 강제적으로 발생시켜 열전달

2. Newton의 냉각법칙(1/4) 온도분포 속도분포 T∞ U∞ 자유유동 U∞ T∞ T U 경계층 Q Tw U=0 가열된 고체 위로 유체가 흐를 때(외부유동) 온도분포 속도분포 T∞ U∞ 자유유동 U∞ T∞ T U 경계층 Q Tw U=0

2. Newton의 냉각법칙(2/4) Q : 열전달율(Watt 또는 BTU/hr) h : 대류 열전달 계수(Watt/m2 •℃ 또는 BTU/hr•ft2 • ℉) A : 열전달 표면적(m2 또는 ft2) Tw-T∞ : 열전달 표면과 유체간의 온도차 T∞ (자유유동 온도) U∞ (자유유동 속도) T∞ (자유유동 온도): 경계층을 벗어나 일정온도를 유지하는 곳의 유체온도 U∞ (자유유동 속도): 일정속도를 유지하는 곳의 유체속도

2. Newton의 냉각법칙(3/4) 원관 내의 흐름인 경우 (내부유동)

2. Newton의 냉각법칙(4/4) 내부 유동의 경우 자유유동 온도(T∞)를 찾을 수 없어, 체적온도 적용 체적온도(Tb, Bulk Temp.) 유체흐름을 가로지른 평균온도 즉, 관내의 유체를 그릇 속에 섞어 놓고 평형상태가 된 후 측정한 온도 비열: 물1그램을 1도씨올리는데 필요한 열량

3. 대류 열전달 계수(h)(1/5) 전열면 표면에 접한 얇은 유체층은 대류 열전달 계수에 큰 영향을 미침 막전도 계수(Film Conductance)라고도 함 유동유체 내의 온도분포에 의해 결정되는 양 대류열전달계수에 간접적 영향인자 유체의 성질(비열, 밀도, 점성, 열전도도) 유체의 속도분포 및 열전달 표면 형상 유동형태(층류 또는 난류) 강제대류 또는 자연대류

3. 대류 열전달 계수(h)(2/5) 경계층(Boundary Layer)

3. 대류 열전달 계수(h)(3/5) 속도 경계층 온도 경계층 점성효과로 인해 속도가 변하는 영역 평판면에서의 유체속도는 “0” 온도 경계층 온도변화가 있는 전열벽 가까이의 유체 층

3. 대류 열전달 계수(h)(4/5) 대류 열전달 계수의 대표값 구분 h W/m2 • ℃ BTU/hr•ft2 •℉ 공기의 자연대류 5~25 1~5 공기의 강제대류 10~500 2~100 물 100~15,000 20~3,000 물의 비등 2,500~25,000 500~5,000 수증기의 응축 5,000~100,000 1,000~20,000

3. 대류 열전달 계수(h)(5/5) 평판과 접하는 부분의 유체속도는 0이므로 전도에 의한 열전달이 발생하며, 가열평판과 유동유체간의 열전달량은 평판에 접한 얇은 유체막에서의 전도 열전달량과 같다. 퓨리에 열전도 방정식 Newton의 냉각법칙 위 두 식에서 h값은 ∴ 대류 열전달계수(h)는 평판 에 접한 유체의 온도 구배에 비례

4. 무차원수(1/8) 레이놀드(Reynolde) 수 : Re 유체유동(층류와 난류 결정)에 관한 무차원수 유체흐름속도의 증가에 따라 관성력이 점성력을 지배하여 분자 상호간의 인력을 이길 때 난류형성 층류보다 난류에서 대류 열전달 계수는 크다(실험적 증명) 층류에서는 각 분자 사이의 미시적 열에너지 전달 난류에서는 유체 덩어리의 거시적 열에너지 전달

4. 무차원수(2/8) 평판 위를 흐르는 유체 유동 층류와 난류의 구분 층류: 난류:

4. 무차원수(3/8) 원관 내에서 유체 유동 층류: 천이구역: 난류: 4000 Re >

4. 무차원수(4/8) 누셀트(Nusselt) 수 : Nu 대류열전달의 세기를 나타내는 무차원수 대류에 의한 열전달과 전도에 의한 열전달 크기 비 대류열전달 계수 증가 층류층 두께를 줄이거나 층류층 내에서 상변화 허용 강제대류에 의한 속도증가: 층류층 두께감소, h증가

4. 무차원수(5/8) 프란들(Prandtl) 수 : Pr 유체유동과 열전달 사이의 관계를 나타내는 무차원수 (물질에 따라 정해지는 물성치) 속도경계층과 온도경계층의 상대적 크기에 관한 양 기체는 온도만의 함수 (물, 공기, 증기, CO2 등): 점성≈ 열확산율 (오일, 유기물 등): 점성> 열확산율 (수은, 납, 나트륨 등): 점성< 열확산율

4. 무차원수(6/8)

4. 무차원수(7/8) 스탄톤(Stanton) 수 유체의 마찰과 열전달계수와의 관계를 나타냄

4. 무차원수(8/8) 그라쇼프(Grashof) 수 자연대류계에서 점성력에 대한 부력의 비를 나타냄 자연대류에 의한 열전달에 중요한 무차원수 동점성계수 팽창계수 부피의 가속도 중력 유체유동에서 특성길이 : u b g L

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(1/6) 평판 위 층류흐름에서 대류 열전달계수 계산 평판 위의 층류흐름에 대한 특정거리 x 에서의 국소 Nusselt수의 이론식

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(2/6) x=0 에서 x=L 까지 구간에서 평균 열전달 계수식은 즉, x = 0 에서 x = L까지 구간에서의 평균 대류 열전달 계수는 x = L에서 국소 열전달 계수 h(x)의 2배

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(3/6) x=0 에서 x=L 까지 구간에서 평균 Nusselt 수는 평판 위의 층류유동에서는 Pr과 Re를 알면 평균 대류 열전달 계수를 구할 수 있음

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(4/6) 평판 위 난류흐름에서 대류 열전달계수 계산

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(5/6) 원관내 층류흐름에서 대류 열전달 계수 계산

5. 강제대류 열전달에 관한 이론식(6/6) 원관내 난류흐름에서 대류 열전달 계수 계산 이론식 실험식-이론식이 잘 맞지 않아 실험식 적용