열반사단열재의 이해(2)-열전달의 기초
열전달의 기초
열은 뜨겁거나 따뜻한 매체에서 차가운 매체로 3 가지 방식으로 흐릅니다.
➀ 따뜻한 표면에서 공기 공간을 통해 더 차가운 표면으로의 복사
➁ 고체 또는 액체 물질을 통한 전도
➂ 공기의 물리적인 이동을 수반하는 대류에 의해
1) 전도(Conduction)
전도는 물리적인 접촉으로 인한 물질을 통한 열의 직접적인 흐름입니다. 전도에 의한 열전달은 분자가 인접 분자로 에너지를 전달하고 온도를 상승시키는 분자 운동에 의해 발생합니다.
전도의 전형적인 예는 뜨거운 커피에서 컵을 통하여 컵을 들고 있는 손으로 전달되는 열입니다. 위의 사진과 같이 주전자의 내용물은 버너에서 주전자로 전달된 열로 인해 끓습니다. 또한 부지깽이는 석탄과 접촉으로 뜨거워집니다.
전도에 의한 열전달은 푸리에의 법칙(Fourier’s Law)으로 알려진 기본 방정식에 의해 제어됩니다.
열 흐름율 = -k × (면적) × (온도 구배)
인자 k는 열전도율 또는 많은 단열재에서 “겉보기 열전도율”이라고도 합니다. 이 특성은 재료의 특성이며 온도, 밀도(압축 정도) 및 조성에 따라 다릅니다. 그리고 일부 몇 가지 일반적인 재료의 열전도율 및 열저항 데이터는 아래의 표와 같습니다.
[일반적인 단열재의 열전도율 및 열저항]
2) 대류(Convection)
고체가 공기를 통해 열을 전달할 때, 공기로의 열전달은 전도를 통해서만 이루어지지 않는다는 것이 관찰 되었습니다. 대신 부분적으로는 복사에 의한 것이었고 부분적으로는 자유로운 대류에 의한 것이었습니다.뜨거운 고체와 공기의 평균 온도 사이에 온도 차이가 있었습니다. 이 경우 열전달 저항은 공기만의 열전도율을 사용하여 계산할 수 없습니다.
대신 저항은 고체의 표면 온도, 공기의 온도 및 고체에서 공기로 전달되는 열을 측정하여 실험적으로 결정되어야합니다. 계산된 저항은 전도, 자유 대류 및 복사의 결합된 저항입니다. 이 저항은 문자로 “R”로 표시되며 (㎡·K/W)의 단위를 가지며, 일반적으로 단열 재료의 열적 특성을 나타내기 위해서 사용됩니다.
[대류를 통한 열전달의 전형적인 예]
➀ 라디에이터에서 따뜻한 공기의 상승(강제 대류)
➁ 라디에이터의 모든 면에서 따뜻한 공기 상승(라디에이터와 접촉한 공기가 전도에 의해 가열된 후)
➂ 굴뚝에서 따뜻한 공기 상승(자유 대류)
복사(Radiation)
복사는 진공 또는 공기를 통해서 뜨거운 표면의 열(적외선 복사 에너지)을 차가운 표면으로 전달하는 것입니다. 라디에이터, 스토브, 천장 또는 지붕 및 일반 단열재를 포함한 모든 표면은 다른 각도로 방출합니다.복사열은 보이지 않으며, 온도도 없고, 에너지도 없습니다. 이 에너지가 다른 표면에 부딪히면, 복사열은 흡수되어 그 표면의 온도를 증가시킵니다.
이 개념은 다음 예제를 통해 이해할 수 있습니다. 발고 화창한 날에 태양으로부터 복사열이 자동차 창문을 통하여 주행하고 있는 핸들과 부딪히고 흡수되어 온도가 상승합니다.
태양으로부터 복사는 벽과 지붕의 외부 표면에 닿아 흡수되고 표면이 뜨거워집니다. 이 열은 전도를 통해 외벽에서 내벽으로 흐르고 다시 건물의 공기 공간을 통해 건물 내의 다른 표면으로 다시 복사됩니다.
복사열 전달을 논의할 때 일반적으로 두 가지 용어가 있습니다.
1) 방사(Eittance or Emissivity)는 복사에너지를 방출하는 재료 표면의 능력을 나타냅니다. 모든 재료의 방사 율은 0에서 1입니다. 재료의 방사가 낮을수록, 표면에서 방출되는 열(적외선 복사에너지)은 낮아집니다. 알루미늄 호일은 방사율이 매우 낮아 반사 단열 및 방사 장벽에 사용하는 것이 좋습니다.
2) 반사율(Reflectance or Reflectivity)은 표면에서 반사되어 들어오는 복사에너지의 비율을 나타냅니다. 반사 율과 방사율은 서로 관련이 있으며, 낮은 방사율은 반사율이 높은 표면을 나타냅니다. 예를 들어, 0.03의 방사율을 갖는 알루미늄은 0.97의 반사율을 갖습니다.
다양한 표면의 방사율은 아래의 표와 같습니다.
[다양한 재료의 방사율]