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.

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1 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?

2 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

3 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 3 열전달의 기본 개념 Tri-generation – energy balance

4 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 )

5 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)

6 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 6 열전달의 기본 개념 열역학의 기본 공리

7 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….

8 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

9 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 9 열전달의 기본 개념 inlets outlets 열역학 제 1 법칙 - 일반식

10 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

11 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 )

12 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

13 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

14 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

15 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 15 열전달의 기본 개념 1.4.1 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

16 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 16 열전달의 기본 개념 1.4.1 열전도 (Heat Conduction) (2/9) (2) 연속체 관점 측면단열 단면적, A 길이  x 온도 T 1 온도 T 2 qxqx Fourier 전도법칙

17 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 17 열전달의 기본 개념 1.4.1 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

18 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 18 열전달의 기본 개념 1.4.1 열전도 (Heat Conduction) (4/9) 열전도도 (thermal conductivity)

19 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 19 열전달의 기본 개념 1.4.1 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

20 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 20 열전달의 기본 개념 1.4.1 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

21 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 21 열전달의 기본 개념 1.4.1 열전도 (Heat Conduction) (7/9) 열역학 제 1 법칙 (closed system, steady state) 각 node 별 열전달 관계식 열전달에 대한 Ohm 의 법칙

22 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 22 열전달의 기본 개념 1.4.1 열전도 (Heat Conduction) (8/9) 항목 전기회로전도열전달 보존법칙 마디 법칙

23 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 23 열전달의 기본 개념 1.4.1 열전도 (Heat Conduction) (9/9) 병렬 및 직렬 연결 총저항으로 표시한 열전달량

24 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)

25 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

26 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

27 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 27 열전달의 기본 개념 (5) Ohm 의 법칙의 확장

28 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 28 열전달의 기본 개념 예제 (1-1) 간단한 도형에 대한 열저항

29 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

30 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 30 열전달의 기본 개념 1.4.2 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.

31 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 31 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속 (2) 연속체 관점 ( 유동에 의한 변화 효과 )

32 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 (?) 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속

33 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 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속

34 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 34 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속 No slip condition 실험 또는 연속체 대류 열전달 이론 결과 값 변경 값 변화 원인

35 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 35 열전달의 기본 개념 1.4.2 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

36 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 36 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속 (5)  T 의 결정 : T f =? 2  flow External flow

37 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 37 열전달의 기본 개념 1.4.2 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.

38 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 38 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 계속 (5) 대류열전달계수의 무차원화 Nusselt number

39 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 39 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 예제 1.2

40 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 40 열전달의 기본 개념 1.4.2 대류 (Heat Convection) - 평균 열전달 계수 속도분포 온도분포

41 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 41 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) : 분자적 관점 (1) 분자적 관점 표면현상 체적현상

42 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 42 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) : 연속체 관점 (2) 연속체 관점 : 복사 참여기체 영역에 대해

43 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 43 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) : 시스템 관점 Blackbody : a perfect diffuse emitter and absorber The Stefan-Boltzmann Law

44 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 44 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) : Gray Surface gray surface real surface

45 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 45 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) : 회체 면복사 Gray surface

46 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 46 열전달의 기본 개념 1.4.3 복사 (Thermal Radiation) (3) 시스템 관점 : 회체 면에 대한 등가 회로도 EbEb G J q

47 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)

48 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

49 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

50 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

51 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 )

52 열전달 강의노트 2013 학년도 1 학기 담당교수 : 정 모 제 1 장 Slide 52 열전달의 기본 개념 1.6.1 노출 면에 대한 에너지 보존 Conservation of energy

53 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 :

54 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?

55 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

56 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

57 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