Heat Transfer(열 전달) 형태

스팀 가열 시스템에서 스팀의 생성 및 공급의 목적은 주로 공정의 열 전달면에 열을 공급하기 위한 것이다. 이에 대한 기초로서 열 전달(Heat Transfer)의 형태에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

Heat Transfer(열 전달) 형태 

온도 차이가 있는 경우 매체 내에서 혹은 매체 사이에서 열 전달이 발생하게 된다.

 

대표적인 열 전달 방법에는 대표적으로 3가지가 있다.

​전도(heat conduction) : 분자간의 직접 충돌로 인해 에너지의 전달되는 현상

대류(heat convection) : 유체에서 열을 가진 분자들이 확산 혹은 이동을 통해 열이 전달되는 현상

열복사(thermal radiation) : 열이 전자기파의 형태로 전달되는 현상

 

<그림 1> The four fundamental modes of heat transfer illustrated with a campfire

(Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer)

 

 

 

전도 (heat conduction)

고체 형태 혹은 정체된 유체 내에 온도 차이가 존재하는 경우 발생되는 열 전달을 ‘전도’ 라고 부른다. 유체 내에서 인접한 분자들이 서로 충돌할 경우, 에너지는 에너지가 강한 분자에서 약한 분자로 전달된다. 온도가 높을수록 더욱 높은 에너지를 동반하기 때문에 전도는 온도가 낮은 방향으로 진행될 수 밖에 없다.

이러한 현상은 액체 및 기체에서도 볼 수 있다. 그러나 액체의 경우, 기체에 비해 분자 간의 거리가 더욱 가깝기 때문에 분자의 상호 작용이 더욱 강하며 빈번하다. 반면 고체에서는 자유전자 및 격자구조내 진동에 의해 전도가 발생된다. 전도에 의한 열전달을 표현하기 위해 사용된 식은 ‘푸리에 법칙 (Fourier's law)’ 으로 부르고 있다. 일차원 평면의 벽에서 안정적 상태에서 선형적으로 온도 차이가 존재할 경우 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

 

<그림 2> 전도 열 전달율

 

<표 1> 물질 온도별 열 전도율 예시

 

 

대류 (heat convection)

온도 차이가 있을 때 고체 표면과 흐르는 유체 사이에 발생하는 열에너지의 전달을 ‘대류’라고한다. 이는 실제로 확산 메커니즘과 벌크 상태의 분자 운동의 결합이라고 할 수 있다.

유체 속도가 낮은 고체면 가까이에서는 확산(또는 임의적인 분자의 이동)의 활동이 활발히 진행된다. 그러나, 표면으로부터 떨어져 있는 곳에서는 벌크성 이동이 활발히 진행된다. 대류 열 전달은 강제 대류 혹은 자연 대류의 형태를 취하게 된다. 강제 대류는 유체 흐름이 폄프 혹은 교반기와 같은 외부의 힘에 의해 이루어지는 경우 발생한다. 반면 자연 대류는 유체 내의 온도 변화에 의한 밀도 차에 기인되는 부력에 의해 발생한다. 비등 또는 응축과 같은 상(Phase) 변화에 의해 초래되는 열에너지의 전달 또한 대류 열 전달 과정이라고도 부른다. 대류에 관한 식은 Newton의 냉각 법칙에서 도출되었다.

<그림 3> Heat transfer from a hot surface to air by convection

 

<그림 4> The cooling of a boiled egg by forced and natural convection(Source : Ref. 2)

 

 

복사 (thermal radiation)

전자기파의 형태로서, 표면으로부터 에너지의 방출로 인한 열 전달을 ‘복사’ 라고 부른다. 간섭하는 매체가 없을 경우, 온도차가 있는 두 개의 표면 사이에는 열이 전달된다. 이러한 형태의 열 전달은 하나의 물질적 매체에 의존하지 않게 되며, 실제로 진공 상태에서 가장 효율적이다.

 

<그림 5> Radiation heat transfer between a surface and the surface surrounding it.

(Source : Ref. 2)

 

Reference : 1. Spirax sarco, Steam People Vol. 125(Sep, 2020)

2. Yunus A. Cengel and Afshin J. Ghajar, "Heat and mass transfer (Fundamentals and applications)", 4th ed., McGraw-Hill Korea, 2011