열전달 전도, 대류, 복사 중에 이번에는 대류에 대해 설명하겠습니다. 전도가 물질의 원자 간에 진동에 의한 열전달이라고 한다면 대류는 큰 규모의(bulk) 유체의 열전달에 대한 것 입니다.

대류에 의한 온도변화

어떤 뜨거운 판이 있습니다. 그 위를 유체가 흐르고 있다고 합시다. 판에서 가까운 곳에서 유체는 유체와 판과의 마찰 때문에 속도(u)가 느리게 나타나고 위로 올라갈 수록 빨라집니다. 판의 표면온도가 Ts 라고 한다면 판에 가장 근접한 유체의 온도는 표면온도와 같을 것입니다. 판에서 멀어질수록 온도가 내려가다가 T∞ 에 도달하게 됩니다.

열유속 q”는 판으로 부터 유체로 이동하게 되며 이것은 유체의 종류, 속도, 판과 유체의 온도차의 영향을 받게 됩니다.

대류는 강제대류와 자연대류로 나누어 집니다. 강제대류 (forced convection)은 펌프, 송풍기, 바람에 의해 발생하는 대류를 말하고 자연대류는 밀도차에 의해 유체가 이동할 때 발생하는 대류를 말합니다. 상변화과정에서도 대류가 발생합니다. 대표적인 예로써 물이 끓을 때나 응축이 될 때 기류의 변화가 생기면서 대류가 발생합니다.

대류는 뉴튼의 냉각법칙으로써 아래와 같이 표현합니다.

q”는 대류 열유속 (convective heat flux, W/m²)이며 표면온도와 유체의 온도차에 비례 합니다. h는 대류 열전달계수 (convection heat transfer coefficient) 이고 표면의 형상, 유체의 유동 특성에 따라 달라집니다.

대표적인 열전달계수는 아래와 같습니다.

부하계산을 할 때에 건축물 벽체의 열통과율을 계산하는 과정에서 대류 열전달계수가 이용되므로 알아 두는 것이 좋겠습니다.