대류 및 복사열전달

제 14 장 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯

대류 및 복사 열전달

1. 목 적

열역학 0 법칙에 의하면 두 물체 사이의 평형은 두 물체의 온도가

동일한 상태에서 이루어진다. 온도가 다른 두 물체를 가까이 접촉시키면

고온의 물체로부터 저온의 물체로 열이 이동하게 되는데, 이러한 과정을

열전달이라고 한다. 열전달은 비가역적으로 엔트로피가 증가하는 과정인데,

열역학 제 2 법칙은 초기 비평형상태로부터 무한한 시간이 흐른 후의

평형상태로 이동함에 있어서 초기와 말기의 상태가 어떻게 다른가 만을

기술하는데에 반하여, 열전달은 열에너지가 얼마나 빠른 속도로 평형상태를

향하여 이동하는지를 다루는 학문이다. 우리 주변에는 열전달과 관련된

기기들이나 자연 현상이 많이 있는데, 이를테면 각종의 냉난방기기, 엔진

및 원동기관의 냉각장치, 전자부품의 냉각, 옷, 주택, 날씨, 우리 몸의

머리카락, 땀샘 등을 예로 들 수 있다. 열전달은 열역학과는 달리 얼마나

빨리, 또 얼마나 크게 해야 하는가를 다룬다는 점에서, 개념적인 열역학적

장치를 구현하는데에 있어서 현실적으로 적용을 하기 위한 공학적

학문이라고 할 수 있다. 이번 실험에서는 이러한 점을 염두에 두고

열전달이 실제적으로 일어나는 형태와 그 속도에 관하여 알아보도록 하자.

2. 예습 부문

(1) Incropera, F. P., DeWitt, D. P., "Fundamentals of Heat and

Mass Transfer", 3rd ed., Wiley, New York, 1990.

기 계 공 학 실 험 2

Ch. 1 : 열전달의 세 가지 모우드

Ch. 5.1 - 5.3 : 집중 열용량계

Ch. 7.4.2 : 실린더 주위의 강제대류

Ch. 9.6.3 : 실린더 주위의 자연대류

3. 실험 장치

(1) 묽은 염산수용액

(2) 묽은 수산화나트륨용액

(3) 직경 2.5cm, 길이 15cm 인 구리봉 및 구리봉 지지대

(4) 부탄가스 토오치

(5) 열전대 및 열전대형 디지탈 온도계

(6)풍동 및 풍속계

4. 이 론

4.1 열전달의 세 가지 모드

열 에너지란 미시적으로 보아 물체의 불규칙적인 운동에너지가 모인 것으로,

물체가 얼마나 뜨거운가, 즉 그 온도가 얼마인가 하는 것은 이러한

불규칙적인 에너지가 어떠한 형태로 분포되어 있는가를 결정하는

결정인자이다. 따라서 미시적인 운동에너지의 분포 방식은 온도에 의하여

정량적으로 기술될 수 있으며, 온도가 다른 두 가지 물체가 서로 열 에너지를

주고 받을 때에 그 열전달의 미시적 현상이란 물질의 미시적 운동 에너지가

새로운 평형상태로 천이되며 이동하는 과정이라고 할 수 있다. 이렇게 운동

에너지가 이동하는 방식은 크게 두 가지로 나누어 볼 수가 있는데, 그 하나의

방법은 온도가 낮은 물질이 온도가 높은 물질의 곁으로 다가와 직접적인

충돌을 행함으로써 낮은 온도의 물체의 운동에너지가 증가하는 방식이 있고,

또 하나의 방법은 두 물체가 직접 접촉 하지 않고 고온의 물체가 방출한

빛을 저온의 물체가 흡수함으로써 열전달이 이루어지는 방법이 있다. 전자의

경우를 전도 및 대류라고 하고, 후자의 경우를 복사라고 한다.


전도 및 대류 열전달은 미시적으로 직접적 분자간 충돌이라고 하는 과정을

거쳐서 이루어지므로 동일한 과정이라고 할 수 있다. 이러한 열전달의

모우드를 구태여 두 가지로 분류하는 기준은 두 물체 중 하나라도 거시적인

유동을 하는가 하는 것인데, 거시적 유동이 없을 때를 전도, 있을 때를

대류라고 부른다. 대류가 일어나는 경우에 있어서, 비록 미시적 과정은 전도

현상과 동일하다고 하여도, 거시적으로는 유체의 유동에 의하여 저온측 또는

고온측 유체가 분자 단위가 아닌 대규모 질량으로 이동하며 접촉을 하게

되므로 열전달이 촉진되고 유동을 동반하여 함께 그 과정을 이해하여야

하므로 거시적 기술이 한층 복잡하여진다. 전도 현상에 있어서 몇 가지

단순한 일차원적 현상은 기초적인 물리학 과정에서 배웠으리라고 생각되므로

자세한 이야기는 하지 않기로 한다. 우리가 공학적으로 부딪치게 되는

열전달의 문제는 절반 이상이 대류에 관련된 문제라고 볼 수 있는데, 냉난방

기기라든가, 원동기와 발전소의 냉각 문제 등 열전달과 관련된 가장 중요한

분야에서 주된 응용처를 찾아 볼 수 있다.

복사 현상은 물체간의 직접적 접촉이 없이 운동 에너지가 전자기적 에너지

(빛, 주로 적외선)로 바뀌어 중간 매질이 진공이라도 쉽게 이동하여 전달되고,

또 전달된 후에는 그 에너지의 형태가 다시 운동 에너지로 바뀐다는 점에서

매우 흥미있는 열전달의 방식이라고 할 수 있다. 이러한 형태의 열전달

방식은 1000 도가 넘는 고온에서 종종 가장 중요한 열전달 방식이 되며,

따라서 각종 보일러, 고온의 철강, 유리, 세라믹 등의 제조로에서 그 응용처가

발견된다. 그런가 하면 비록 낮은 온도에서라도, 위성을 이용한 자원 탐사 및

첩보 활동, 극저온 기기의 보온, 온돌 난방의 경우와 라디에이터 형의

난방기구 등에서도 복사 열전달이 상당히 중요해 질 수가 있다.

4.2 대류 열전달과 무차원수

어떠한 고체 표면의 온도가 일정한 온도 로 유지되고 있다고 하자. 이

물체의 주위에 온도가 인 유체가 흘러 갈 경우 고체로부터 유체로 단위

시간당 전달되는 열에너지의 양 는 고체의 표면적

wTT∞

q A 에 비례하고 또

열전달계수 에 비례하여, h

( wq hA T T )∞= − (1)


로서 주어진다. 이 식을 뉴우튼의 냉각법칙이라고 하는데, 여기에서

열전달량은 고체의 성질이라든가 색깔 따위에 무관하다는 것을 염두에 두기

바란다. (1)식은 엄밀히 말하여 대류 열전달의 경우, 특히 그 중에서도 강제

대류의 경우에만 옳은 식이라고 볼 수 있는데, 여기에서 잠시 대류 열전달의

두 가지 양식, 즉 강제 대류와 자연 대류를 설명하고 넘어가 보자. 전술한

바와 같이 유체의 유동이 있어야 대류라고 부른다고 하였다. 강제 대류라

함은 선풍기 따위로 바람을 불어준다든가 혹은 바람이 부는 들판에서 서

있는다든가 하는 방법으로 열전달이 일어나건 안 나건 일단 유동장이 형성된

후에 열전달이 일어나는 경우를 말하는 것이다. 이에 반하여 자연 대류라고

하는 것은 뜨거운 난로의 주위에 공기가 데워져서 부력에 의하여 모락모락

더운 공기가 상승하는 등의 방법으로 유체의 유동이 발생된 경우를

말한다. 짐작 할 수 있겠거니와 자연 대류에 의한 유동은 열전달이 없으면

(즉, 모두 등온이면) 발생하지 않고 고체와 유체간의 온도 차가 커질 수록

유동도 강해지며 열전달 계수도 커진다. 이에 반하여 강제 대류는 이미

유동장이 열전달에 무관하게 주어져 있어서 그 열전달 계수도 고체와

유체간의 온도 차에 관계없이 일정하게 주어진다. 열전달 계수는 유동장의

양상, 유체의 종류 등에 따라 크게 달라지는 값인데, 대략적으로 공기의

경우에는 수 에서 수십 정도로 변화하고, 물의 경우에는

수천에서 수만 가량이 된다.

2W/m K 2W/m K2W/m K

대류 열전달량을 계산할 때에 가장 문제가 되는 값이 바로 이 열전달

계수의 정확한 값으로서 이 값을 각종의 유체와 유동장에 대하여 모두 따로

따로 기술하다 보면 한도 끝도 없는 일이 될 것이다. 따라서 여러 형태의

유동장에 대하여는 어쩔 수 없이 따로따로 기술하되, 유체의 종류에 대하여

만은 따로 기술하지 않고 모든 유체를 포괄할 수 있는 표현 방식을 찾아내게

되었다. 이른바 무차원수로서 모든 물리적 관계식은 좌변= 우변 이라는

물리량간의 등식으로 이루어져 있고, 좌우변이 모두 영이 아닌 형태로 썼을

때, 이 식은 좌변÷우변=1 이라는 모양으로 다시금 정리할 수 있다. 이 때에

좌변÷우변으로 묶여진 항은 물리적인 단위가 없는 수, 즉 무차원수가

된다. 실제로 열전달 계수에 영향을 미치는 물리적 관계식은 하나가 아니고

여러 개이며, 하나의 미지의 양에 대하여 각기 하나씩의 수식이 주어져 있게

된다. 따라서 우리가 알고자 하는 종속변수도 몇 개의 무차원수의 함수로


주어지게 되는데, 이것을 강제대류의 경우에 대하여 수식적으로 써보면

다음과 같이 된다.

( , pChL VLfk k

)μρ

μ= (2)

여기에서 , , , , ,k L V Cρ μ 는 각각 유체의 열전도계수, 고체의 대표 길이,

유체의 밀도, 유체의 접근 속도, 유체의 점성계수, 유체의 비열이다. 위에서

나타난 세가지 무차원수를 각각, 눗셀트 수 (Nusselt number; ),

레이놀즈 수 (Reynolds number;

/LNu hL k=Re /L VLρ μ= ), 프란틀 수 (Prandtl

number; Pr /pC kμ= )라고 한다. (2)식의 예로 유동방향에 직각으로 놓인

원통의 경우 그 눗셀트 수는 다음처럼 정리될 수 있다.

(3) 0.618 1/30.193Re PrL LNu =

이 식은 고체의 대표 길이를 원통의 직경으로 취할 때 성립하는 식으로서

여러 실험 데이터를 모아서 4,000 Re 40,000L≤ ≤ 에서 잘 맞도록 만든 식이다.

한편, 자연 대류의 경우에는 무차원수의 형태도 다소 달라져서,

( , PrL LNu f Gr )= (4)

로 되어 (2)식에서의 레이놀즈 수 대신에 그라쇼프 수 (Grashof number:

2 3 /LGr g TL 2ρ β= Δ μ )를 쓰는데, , ,g Tβ Δ 는 각각 중력상수, 유체의 체적

팽창계수, 유체와 고체표면간의 온도차이다. 유체 중에서 조용하게

자연대류되고 있는 원통에 대하여 예를 들자면, 의 범위에

있어서

4 710 Pr 10LGr≤ ≤g

(5) 0.25 0.250.480 PrL LNu Gr= g

으로 표현된다 (여기에서도 대표 길이는 원통의 직경이다).


표 1 과 표 2 는 공기와 물의 물리적인 성질들을 보인 것으로 위의 식들을

적용할 때에 필요한 물성치들을 찾아 볼 수 있다.

4.3 복사 열전달

일반적으로 복사열전달은 전도나 대류와는 전혀 별개의 것으로

진행된다. 예를 들어 방안에서 라디에이터가 열을 방출하고 있는 과정을

생각하여 보면, 라디에이터 아주 가까이에 있는 유체는 대류에 의하여

가열되고 있으며, 라디에이터에서 멀리 떨어져 있는 벽이나 가구 등은 복사에

의하여 원격 가열되고 있다. 이 때에 라디에이터에서의 전체 열전달량은

대류에 의한 양과 복사에 의한 양을 합하여야 한다. 라디에이터의 표면의

온도가 일정하다면, 복사되는 에너지의 양은 대류되는 에너지의 양이

얼마이든지 간에 이와는 전혀 무관한 독립적인 관계에 따라 주어지며, 또한

대류되는 에너지의 양에 대하여도 똑 같은 논의가 성립된다.

복사 열전달은 대류 열전달과는 달리 물체 표면의 온도뿐만 아니라 물체

표면의 색깔에 따라서도 달라지는 특성이 있으며, 또한 그 주어진

절대온도에서 단위표면적당 최대로 방출할 수 있는 열방출량의 상한선이

존재한다. 예를 들어 가장 이상적인 면이 있어서 그 온도에서 이론적으로

최대한 가능한 양만큼 복사열을 방출하는 면이 있다고 하면 (이러한 면을

흑체라고 부른다) 그 복사에너지의 시간당 방출량 는, q

(6) 4wq ATσ=

으로 된다. 여기에서 A 는 물체의 표면적이고 는 물체의 표면온도로써 절

대온도로 나타낸 값이다. 또한

wTσ 는 스테판-볼쯔만 상수라고 하는데, 진공 중

에서 약 의 값을 갖는다. 실제의 면은 (6) 식으로 주어진

최대치만큼을 방출하지 않고 이보다 다소 작은 값만큼을 방출하게 되는데 흑체

에 대한 실제 방출비를 방사율

8 25.67 10 W/m K−× 4

ε 이라고 부른다. 만일 무한히 큰 두 개의 면

이 마주 보고 있고 그 사이의 매질이 빛 즉 복사에너지를 흡수, 방출하거나 혹


은 직진 경로를 변경시키지 않고 통과시킨다면1) 이 두 물체 사이의 복사 열전

달량은 오로지 그 놓여 있는 형상과 표면의 온도, 성질에만 관계가 있을 것이

다. 두 면이 평행하고 그 중 한 면은 흑체이며 다른 면의 방사율은 ε 인 경우,

혹은 한 면이 다른 한 면보다 훨씬 크고 또한 작은 면을 완전히 감싸고 있으며2) 작은 면의 방사율이 ε 이라고 하면, 두 면 사이의 열전달량 는, q

4 41 2( )q A T Tεσ= − (7)

로 주어진다. 여기에서 A 는 위의 두 경우에서 한 쪽 면, 혹은 작은

면이고, 는 각각 면의 절대온도이다. 1 2,T T

좀 더 일반적인 경우로서 여러 개의 면이 복잡한 형상으로 공간을 감싸고

있을 때에는 빛의 직진성으로 말미암아 각 면 사이의 열전달량이 매우

복잡한 형태로 나타나게 되며, 이보다 더욱 복잡한 경우로서 중간의 매질이

빛을 흡수, 방출하거나, 직진 경로를 변경하는 성질이 있다면 더욱 문제가

어려워진다. 최근 문제가 되고 있는 지구 온난화의 문제는 대기 중의

이산화탄소가 증가함에 따라 지표면에서 방사된 적외선이 대기중의

이산화탄소에 흡수되고 이로써 지구의 온도가 상승하여 극지방의 얼음이

녹고 해수면이 상승하여 육지가 대량 물에 잠길 가능성이 제기된 것으로서

가장 어렵고도 심각한 복사열전달의 문제라고 할 수 있다.

1) 진공, 공기 등은 복사 에너지를 잘 통과시키나, 물, 수증기, 이산화탄소 등은 투과성이 나쁘다.

2) 방안의 라디에이터가 커다란 벽에 의하여 둘러싸여 있는 경우가 그 예가 될 것이다.


표 5-1. 공기의 열물리학적 물성치


표 5-2. 물의 열물리학적 물성치


5. 예비보고서

(1) 우리주변에서 흔히 볼 수 있는 열의 이동 형태를 아는 대로 나열해 보자.

(2) 전도,대류,복사열전달 형태를 정의해보고,1 번에서 나열한 열의 이동형태를

전도,대류, 복사열전달 형태로 분류해보자.

(3) 열의 이동은 복적에 따라 열 전달을 촉진시키기도, 차단시키기도 한다.

1 번에서 나열한 열의 이동형태에서 효과적으로 열을 전달하거나 단열하는

방법을 생각해보자.


실험 14. 대류 및 복사 열전달

5.1 집중 열용량계(Lumped-Capacitance-System)의 이론

우리는 이번 실험에서 자연대류, 강제대류 및 복사에 의하여 뜨거운

구리봉이 냉각되는 과정을 관찰할 계획이다. 그림 1 과 같은 상황에서

구리봉이 냉각될 때, 구리봉의 크기가 그다지 크지 않다면, 구리봉의 내부나

단면이나 거의 일정한 온도를 유지하고 있을 것이다. 이것은 구리봉의

열전도 계수가 200 에서 400 W/mK로서 대단히 높아서 구리 표면으로부터

주위로 열을 빼앗기는 양 3 이 매우 크지 않다면 내부의 온도 구배가 거의

없을 것이기 때문이다. 표면으로부터 외부로 열전달이 일어날 때 구리봉의

온도 T는 다음과 같이 변화한다.

( )vTC V hA T Tt

ρ ∞

∂= − −

∂ (8)

여기에서 ρ, Cv, V 는 구리의 밀도( ), 비열(J/kgK), 체적( )이며,

는 외부의 온도이다. (8)식의 좌변은 구리봉의 에너지 감소율로서 이

값이 우변의 열전달량과 같다고 표현하고 있다.

3kg/cm 3mT∞

(8)식의 열전달계수 h 는 강제대류인 경우에는 일정한 값을 가지나,

자연대류인 경우에는 구리봉과 외부의 온도차의 함수임을 이미 지적하였다.

만일 구리봉이 순전히 복사에 의하여 냉각된다고 하면 (1)식과 (7)식의

우변은 등호로 연결하여,

2 2( )(h T T T Tεσ )∞ ∞= + + (9)


그림 14-1. 냉각되고 있는 구리봉

의 관계식을 얻는다. 이로부터 복사 열전달을 (8)식과 같이 대류열전달처럼

취급할 때에 이에 대응하는 열전달계수 h 가 (9)식처럼 온도의 함수로 비선형적으로

표현됨을 알 수 있다. 특별한 경우로서 h 가 일정할 때에 (8)식은 다음과 같은 해를

갖는다.

( ) exp( / )iT T T T hAt C Vvρ∞ ∞= + − − (10)

여기에서 는 t=0 에서의 구리의 온도이다. iT

만일 구리봉이 대류와 복사가 함께 일어나며 냉각이 진행되고 있다면 (8)식의

열전달계수 h 는 대류에 의한 열전달계수 hc 와 복사에 의한 열전달계수 hr 을 합한

량이 된다. 이 두 가지 열전달계수는 각기 독립적으로 거동한다. 예를 들어 표면의

방사율 ε 이 증가하면 복사에 의한 열전달계수 hr 은 증가하지만, 대류에 의한

열전달계수 hc 는 전혀 변화가 없게 된다.


2. 자연대류와 복사 열전달

그림 14-2. 자연대류와 복사에 의하여 냉각되고 있는 구리봉

첫 번째 실험으로서 그림 2 와 같이 구리봉이 자연대류와 복사에 의하여 냉각되는

상황을 생각해 본다.

미소한 시간 Δt 동안에 (8)식은 다음과 같은 형태로 근사시킬 수 있다.

(Tv tC V hA T Tρ Δ )∞Δ = − −

ΔT 는 Δt 시간이 흐른 후의 구리봉의 이전의 온도를 뺀 값이며 T 는 전후온도의

산술평균치이다. (11)식으로부터 h 에 대하여 유도하여 보면

( )

vTC Vth

A T T

ρ

∞

ΔΔ=

− − (12)

구리봉의 냉각이 자연대류와 복사에 의하여 행하여지므로 h 를 hc 와 hr 의 합으로

써서

( )

v

c r

TC Vth h

A T T

ρ

∞

ΔΔ+ =

− − (13)


전술한 바와 같이 hc 는 T T∞− 의 함수이고 hr 은 (9)식처럼 주어진다. 이로부터

hc, hr 및 ε 등을 실험적으로 구하여 보자. 그림 3 은 그 실험장치를 보이고 있다.

그림 14-3. 자연대류 및 복사의 실험장치

2.1 실험장치의 구성

(1) 직경 1.5cm, 길이 9cm 의 구리봉과 구리봉 지지대

(2) 부탄가스 토오치

(3) 구리봉에 납땜되어 부착된 열전대와 열전대형 디지탈 온도계 (냉점

보상회로 내장)

다음과 같은 두 가지 실험을 수행하여 보자.

(실험 1)

(i) 묽게 희석시킨 염산 수용액을 천에 묻혀서 구리봉이 반짝거릴 만큼 잘 닦는다.


(ii) 구리봉을 지지대에 고정시킨다. 열전대의 두 선을 디지탈 온도계에 연결하고

디지탈 온도계를 켜 둔다.

(iii) 약한 부탄 토오치 불로 구리봉을 고루 가열한다. 구리봉의 온도가 약

100℃가 되면 토오치를 끄고 약 1 분간 기다려서 구리봉 전체의 온도가 거의

일정해지도록 한다.

(iv) 이제 매 30 초마다 구리봉의 온도를 적는다. 구리봉의 온도가 70℃까지

떨어질 때까지 행한다.

(v) 실온을 측정하고, (13)식을 이용하여 hc+hr을 계산한다.(구리의 ρ=8933kg/m3,

Cv=385J/kgK이다. 기록표는 표 3 을 이용한다.)

(실험 2)

실험 2 는 실험 1 과 동일하나, (i)번의 과정에서 희석시킨 염산대신 희석시킨

수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 구리의 표면이 시커멓게 산화되도록

만든다. 이렇게 만든 시편으로 위의 (ii)～(v) 과정을 반복하여 hc+hr 의 값을

계산하여 둔다.

위의 두 실험은 동일한 시편에서 표면의 방사율을 변화시킬 때 hc+hr 이 어떻게

달라지는 지를 보여주고 있다. 실험 1 에서 잘 닦아 놓은 금속표면의 방사율은 거의

0 이라는 것이 알려져 있으므로 여기에서 구한 열전달계수는 순수한 자연대류만의

결과로 볼 수 있다.

실험 1 의 결과로부터,

(i) h 를 의 함수를 그려보자. T T∞−

(ii) h 를 다음 식으로 표현하여 보자.

(14) ( )nh a T T∞= −


여기에서 h 는 의 단위를 쓰고 2 oW/m C T T∞− 는 의 단위를

쓴다. (14)식을 T 가 약 100 일 때와 T 가 약 40 일 때의 두 경우로부터

연립하여 a, n 을 구한 뒤, T 가 약 70 일 때에 얼마만한 오차를 보이는지

논의하여 보자.

o C

o C o Co C

(iii) 위의 세 온도에서 측정된 h 값과 (5)식에 의한 h 값을 비교하고 그 차이의

원인에 대하여 의논하여 보자.


(i) 구하여진 h 에서 (14)식으로 구한 hc 를 빼서 hr 을 구하여라. 이

hr 을T 의 함수로 그려보자. T∞−

(ii) 구하여진 hr 을 (9)식의 좌변에 대입하여 표면 방사율 ε 을 구하여 보자. T 가

약 100 , 70 , 40 일 때의 세 경우에 대하여 비교해 보고 그 차이의

원인에 대하여 상의해 보자.

o C o C o C


표 14-3 실험 데이터 기록표

시간 (sec.) 온도 (℃) hc+hr (W/m2K)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

390

420

450

480

510

540

570


600

표 5-3. 실험 데이터 기록표

3. 흡입식 풍동을 이용한 강제대류의 실험

이번 실험에서는 공기의 유속이 주어진 조건하에서 구리봉이 냉각될 때에 그

열전달계수가 어떻게 결정되는지를 알기 위하여 강제로 바람을 보내보자. 바람을

일으키기 위하여는 선풍기를 쓴다거나 야외로 나가서 실험하는 방법도 있겠으나

실험실내에서는 정확한 속도설정을 위하여 풍동을 사용한다. 본 실험에서 사용할

풍동은 시편이 놓이는 위치(이 부분을 시험단면이라고 한다)보다 하류측에 모터와

팬이 위치하고 있고 이러한 형식의 풍동을 흡입식 풍동이라고 부른다. 흡입식

풍동은 풍속이 낮고 시험단면이 소규모일 때 작은 공간에 설치할 수 있는 잇점이

있다. 그림 4 는 사용할 흡입식 풍동을 보이고 있다.

실험장치는 그림 3 에 이미 보인 자연대류 실험장치와 풍동으로

구성된다. 풍동을 운전하기 위해서 익혀 두어야 할 부분은 다음과 같다.

3.1 모터의 스위치와 변속 놉

모터를 켜고 끄는 데에 쓰이는 on/off 스위치와 풍동내의 풍속을 높이거나 낮출

때에 돌려서 사용하는 놉을 말한다.

그림 14-4. 흡입식 풍동의 구조


3.2 풍속계

풍속계의 종류는 대단히 많으나, 본 실험에서는 피톳튜브를 이용한 경사형

마노메터를 사용하여 유속을 측정한다. 이것은 정체압(stagnation pressure)과

정압(static pressure)의 차이로 형성된 수두(동압, dynamic pressure)를 구하고,

이것에서 다시 풍속을 계산하는 것이다.

다음과 같은 두 가지 실험을 수행하여 보자.

(실험 1)

(i) 묽게 희석시킨 염산 수용액을 천에 묻혀서 구리봉이 반짝거릴 만큼 잘 닦아

둔다.

(ii) 구리봉을 지지대에 고정시킨다. 열전대의 두 선을 디지탈 온도계에

연결하고 디지탈 온도계를 켜 둔다.

(iii) 약한 부탄 토오치 불로 구리봉을 고루 가열한다. 구리봉의 온도가 약

100℃가 되면 토오치를 끄고 풍동의 시험단면으로 지지대에 고정된

상태에서 이동한다. 약 1 분 이내에 이동을 완료하여 풍동내에서 구리봉이

바람의 방향과 수직이 되도록 설치한다. 시험단면의 창을 닫는다.

(iv) 풍속계를 켜고, 풍동의 모터속도가 0 이 되도록 변속놉을 낮춘 뒤 풍동

스위치를 넣는다.

(v) 풍동내의 풍속이 5m/s 정도가 될 때까지 천천히 변속놉을 올린다. 정확한

풍속을 기록하여 둔다.

(vi) 이제 매 10 초마다 구리봉의 온도를 적는다. 구리봉의 온도가 40℃까지

떨어질 때까지 행한다(표 3 참조).

(vii) 실온을 측정하고, (13)식을 이용하여 열전달계수 h 를 계산한다.


(실험 2)

실험 2 는 실험 1 을 똑 같이 반복하되 다만 풍속을 20m/s 이상으로 올려서

수행한다.


(i) h를 T-T∞의 함수로 그려보자. 자연대류시의 열전달계수의 값과 비교하여

보자. 강제 대류시에 과연, h가 T-T∞에 무관하다고 볼 수

있겠는가? 그렇지 않게 만드는 원인이 있다면 무엇이 있겠는가?

(ii) (3)식으로부터 h 를 계산하여 보고 (i)에서 구한 h 와의 차이의 원인을



(i) h 의 값의 평균치를 구하여 보자.

(ii) 실험 1 의 결과를 또한 이용하여,

,(V 는 풍속(m/s)) (15) nh aV=

의 형태로 a 와 n 을 맞추어 보자.

이 결과를

(16) 1/3Re PrmL LNu b=

의 형태로 다시 구성한다면 b 와 m 은 어떤 값이 되어야 할 지 논의하여

보자.

(iii) 끝으로, 이 결과를 이용하여 원통 주위의 공기냉각을 이용한 풍속계를

발명한다고 하면 어떻게, 또 어떠한 점에 유의하여 구체화할 수 있을 지


6. 참고문헌

Incropera, F. P., DeWitt, D. P., "Fundamentals of Heat and Mass

Transfer", 3rd ed., Wiley, New York, 1990.

대류 및 복사열전달

Documents