열전달 (Heat Transfer)
화재로 인해 발생된 열은 다양한 형태로 주변으로 전달되고 이러한 열의 흐름은 기본적 인 화재현상의 이해뿐만 아니라 화재안전설계 및 감지설비등과 같은 응용분야에 있어서 매 우 중요한 요소가 된다. 본 장에서는 화재현상을 이해하기 위한 기초적인 학문분야로서 열 전달에 대한 기본적인 개요와 열전달의 3가지 기본 모드인 전도(conduction), 대류 (convection), 복사(radiation)에 대해 소개한다.
The heat generated by a fire is transmitted to the surroundings in various forms, and this heat flow is a very important factor not only in understanding basic fire phenomena but also in application fields such as fire safety design and detection equipment. This chapter introduces a basic overview of heat transfer as a basic academic field for understanding fire phenomena and the three basic modes of heat transfer: conduction, convection, and radiation.
Basic mode of heat transfer Heat is a relatively widely used term in everyday life, but it is a physical quantity that cannot be seen or touched. Heat transfer generally refers to the process of transferring energy from one object to another due to a temperature difference.
이러한 열의 흐름을 열전달로 정의하고 기본적으로 3가지 형태의 열전 달 모드가 존재한다. [그림 3-13]에서 보는바와 같이 봉을 불에 가열하면 고체 매질인 봉을 따라 열이 전달되 어 봉을 잡은 손이 뜨거워지게 되는데 이는 전도열전달에 기인한 것이고, 화염부에서는 연 소반응에 기인한 열기류(thermal flow)에 의해 상승유동이 발생하고 주변기체와의 혼합 등 을 통해 열이 유동에 의해 직접 상부로 전달되는데 이와 같은 유체의 유동(bulk flow)에 의한 열전달을 대류열전달이라 한다.
한편 화염 근처에서 고체매질을 통하지 않고, 유체 유 동에 의해 열이 전달되지 않음에도 화염으로부터의 온기를 느낄 수 있는데 이는 태양으로 부터 지구로의 열전달과 같이 복사열에 의해 서로 다른 온도의 물질사이에 일어나는 복사 열전달에 기인한다.
On the other hand, even though heat is not transferred by fluid flow or through a solid medium near the flame, you can feel the warmth from the flame. This is a phenomenon that occurs between substances of different temperatures due to radiant heat, such as heat transfer from the sun to the earth. It is due to radiative heat transfer.
일상에서 열전달 현상은 어느 한 가지 모드에 의해서만 일어나는 것이라기보다는 두 개 이상의 복합적인 모드에 의해 열전달이 이루어는 것이 대부분이고 다양한 형태의 열전달 가운데 어떠한 열전달 모드가 물리적 현상을 지배하고 있는지를 파악하는 것이 보다 현실 적인 접근방법이 되는 경우가 많다.
In everyday life, most heat transfer phenomena occur through two or more complex modes rather than through just one mode. It is more important to understand which heat transfer mode dominates the physical phenomenon among the various forms of heat transfer. This is often a realistic approach.
예를 들어, 화재 발생 초기에는 화재실 내부의 온도가 상대적으로 낮고 화재강도가 크지 않기 때문에 화재실 내부의 열전달을 지배하는 모드는 대류열전달이 된다
For example, at the beginning of a fire, the temperature inside the fire room is relatively low and the fire intensity is not high, so the dominant mode of heat transfer inside the fire room is convective heat transfer.
그러나 화재가 성장하여 화재실 내부 온도가 상승하여 전실화재(flashover)단계에 도달 하게 되면 화재실 내부의 주요 열전달 메커니즘은 대류열전달에 의한 영향에 비해 복사열 전달에 의한 영향이 점차 증가하게 된다. 이와 같이 열전달 특성은 항상 일정한 것이 아니 라 여러 가지 조건에 따라 지속적으로 변화하기 때문에 각 조건에 대한 정량적인 평가를 통하여 주요 열전달 메카니즘을 이해하는 것이 중요하다.
However, as the fire grows and the temperature inside the fire room rises and reaches the flashover stage, the main heat transfer mechanism inside the fire room gradually becomes more influenced by radiant heat transfer than by convective heat transfer. As such, heat transfer characteristics are not always constant but continuously change depending on various conditions, so it is important to understand the main heat transfer mechanisms through quantitative evaluation of each condition.
전도열전달
에너지 확산(diffusion)은 유동이 없는 분자간의 불규칙적인 운동에 의한 에너지 전달을 의미하며 전도는 분자나 전자크기의 매체에 의해 전달되는 열흐름에서 열확산(thermal diffusion)이라고 한다. 현대 물리학에 따르면 고체에서의 전도는 격자파(lattice wave)에 의해 이루어지는 것으로 알려져 있다.
팬의 바닥면을 통한 열흐름은 바닥면의 두께와 바닥면 내외부의 온도차에 의존하게 되며 이 경우 열전달량은 두께가 얇을수록, 온도차가 클수록 증가한다. 푸리에(Fourier)의 연구 에 따르면 전도에 의한 단위시간당의 열전달량은 온도차와 면적에 비례한다
Heat flow through the bottom of the pan depends on the thickness of the bottom and the temperature difference between the inside and outside of the bottom. In this case, the amount of heat transfer increases as the thickness becomes thinner and the temperature difference increases. According to Fourier's research, the amount of heat transfer per unit time by conduction is proportional to the temperature difference and area.
전도 열전달은 온도차와 두께에 의해서만 결정되는 것이 아니라 물질에 따라서 다르기 때문에 비례상수 k를 고려하여 열전달량을 고려하게 되고 k를 열전도율(thermal conductivity)이라고 한다. 열전도율은 일반적으로 온도에 따라 변화하는 형태로 주어지고 열전도율의 단위는 [W/mK]가 된다. [표 3-1][은 대표적인 물질 에 대한 열전도율의 물성값을 나타낸다.
이것을 푸리에의 전도법칙 (Fourier's law of conduction)이라 한다. 전체 부호가 음인 것은 온도가 감소하는 방향으로 열이 흐르게 된다는 것을 의미한다. 즉 면적과 열전도율은 항상 양이기 때문에 온도구배가 음이 되는 것을 의미하고 음의 온도구배에 대해서 1점에서 2점으로 열의 흐름이 발생하게 된다. 또한 열전달은 3차원 공간에 대해서 이루어지기 때문에 각 방향으로의 전도열전달이 다르게 일어날 수 있다
대류열전달
전도 열전달에서는 매질의 유동이 없기 때문에 온도차와 물성값인 열전도율에 의해 해석 이 가능하다. 유체내부에서의 온도분포는 유체유동과 관련되어 있기 때문에 열전달 해석이 매우 복잡하게 된다.
In conduction heat transfer, since there is no flow of the medium, analysis is possible based on temperature difference and thermal conductivity, which is a physical property value. Since the temperature distribution inside the fluid is related to the fluid flow, heat transfer analysis becomes very complicated.
즉 열전달 특성이 유동에 따라서 크게 달라지기 때문에 전도열전달과 같이 열전달이 매질 특성 보다는 유체의 유동특성에 크게 의존하게 된다. 따라서 대류열전달 은 단순히 고체 표면의 온도와 유체 온도사이의 온도차에 비례하는 형태로 정의할 수 있다
In other words, because heat transfer characteristics vary greatly depending on the flow, heat transfer, like conduction heat transfer, largely depends on the flow characteristics of the fluid rather than the characteristics of the medium. Therefore, convective heat transfer can be simply defined as being proportional to the temperature difference between the temperature of the solid surface and the temperature of the fluid.
이를 뉴턴의 냉각법칙 (Newton's law of cooling)이라고 하고 이때 비례상수 h [W/m2K]를 대류열전달 계수(convective heat transfer coefficient)로 정의한다. 대류열 전달 계수는 열전도율과 달리 물질마다 고유한 값을 가지는 물성 값이 아니라 유동형태에 의존하기 때문에 유체 유동에 대한 상세한 이해를 필요로 한다.
대류열전달은 크게 자연대류(natural convection)와 강제대류(forced con- vection)로 나뉜다. 자연대류는 강제적인 외부의 유동이 없이 온도차나 압력차에 의해 생긴 부력에 의 한 대류현상을 의미하고 강제대류는 외부의 인위적인 유동에 의해 형성되는 대류현상을 의 미한다.
예를 들어, 커피 잔에 뜨거운 물을 부은 후 가만히 두게 되면 상대적으로 온도가 높은 유체는 위로상승하고 표면에서 식은 유체는 다시 하강하는 큰 순환유동을 형성하는데 이는 외부의 강제적인 유동이 없기 때문에 자연대류로 간주할 수 있다.
그러나 스푼으로 커피 잔 의 물을 저으면 내부에는 인위적인 유동이 형성되기 때문에 강제대류 현상으로 간주하게 된다. 기체의 대류현상에 대하여 대류열전달 계수의 크기정도(order of magnitude)는 자연 대류의 경우 약 100~101 [W/m2K]정도이며 강제대류의 경우 101~102 [W/m2K] 정도이다