냉동 공학에서 사용되는 열전달의 세 가지 기본 형식과 특징

냉동 공학에서 사용되는 열전달의 세 가지 기본 형식과 특징

1. 개요

냉동 공학에서 열전달은 매우 중요한 개념이며, 열은 온도 차이에 의해 이동합니다. 열전달 과정의 세 가지 기본 형식은 전도, 대류, 복사입니다. 

2. 열전달의 세 가지 기본 형식과 특징

1. 1) 전도 (Conduction)

• (1) 정의: 물체 간의 직접적인 접촉을 통해 열이 전달되는 현상입니다. 즉, 고온의 물체에서 저온의 물체로 물체 내부를 통해 열에너지가 이동하는 것을 의미합니다. 
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• (2) 특징: 물체를 구성하는 분자들의 운동에 의해 열이 전달되며, 열전도율이 높은 물질일수록 열전달이 빠르게 일어납니다.  일반적으로 고체에서 열전도가 가장 잘 일어나고, 액체, 기체 순으로 열전도율이 낮아집니다.
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• (3) 예시: 냉장고 벽을 통한 열전달, 금속 막대의 한쪽 끝을 가열했을 때 다른 쪽 끝의 온도가 상승하는 현상 등이 있습니다. 
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• (4) 공식: 전도 열전달량은 푸리에 법칙(Fourier's Law)으로 계산할 수 있습니다. 

평면벽: Qcd = (λ * A * Δt) / ℓ
원통벽: Qcd = (2 * π * λ * L * (T1 - T2)) / ln(r2 / r1)

λ: 열전도율 (W/m·k 또는 kcal/mh℃) 
A: 전열면적 (㎡) 
Δt: 물체 양단의 온도 차이 (K) 
ℓ: 물체의 두께 (m) 
T1, T2: 원통 내벽면과 외벽면의 온도 (℃) 
r1,r2: 원통 내벽과 외벽의 반지름 (m) 
L: 원통의 길이 (m) 

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2. 2) 대류 (Convection)

• (1) 정의: 유체 (액체나 기체)의 움직임에 의해 열이 전달되는 현상입니다. 즉, 유체의 순환을 통해 열에너지가 이동하는 것을 의미합니다.
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• (2) 특징: 유체의 밀도 차이 또는 외부적인 힘에 의해 발생하며, 강제대류가 자연대류보다 열전달이 빠릅니다. 
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• (3) 종류: 
• 자연대류: 유체의 온도 차이에 의한 밀도 차이로 발생하는 대류 (예: 난로 위의 공기 순환)
• 강제대류: 펌프, 팬 등 외부적인 힘에 의해 발생하는 대류 (예: 냉각팬)
• 복합대류: 자연대류와 강제대류가 함께 작용하는 대류
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• (4) 예시: 끓는 물, 헤어드라이어, 에어컨 등이 있습니다.
• 공식: 대류 열전달량은 뉴턴의 냉각 법칙(Newton's Law of Cooling)으로 계산할 수 있습니다. 

Qcv = α * A * (t2 - t1)

α: 열전달률 (W/㎡·k 또는 kcal/㎡h℃) 

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1. 2) 복사 (Radiation)

• (1) 정의: 열에너지가 전자기파의 형태로 전달되는 현상입니다. 매개체 없이 열이 전달될 수 있으며, 주로 적외선 형태로 열이 전달됩니다. 
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• (2) 특징: 모든 물체는 절대 온도 이상에서 열을 복사하며, 온도가 높을수록 복사 에너지가 증가합니다. 진공 상태에서도 열전달이 가능합니다.
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• (3) 예시: 태양 에너지, 난로의 열, 적외선 램프 등이 있습니다.
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• (4) 공식: 복사 열전달량은 슈테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann Law)으로 계산할 수 있습니다.

Qr = εσA(T1⁴ - T2⁴)

ε: 물체의 방사율
σ: 슈테판-볼츠만 상수 (5.67 x 10⁻⁸ W/m²K⁴)
A: 복사 표면적 (m²)
T1: 복사하는 물체의 절대 온도 (K)
T2: 복사받는 물체의 절대 온도 (K)

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이처럼 냉동 공학에서 열전달의 세 가지 기본 형식은 각기 다른 특징을 가지고 있으며, 냉동 시스템 설계 및 열 손실 계산 등에 중요하게 활용됩니다.