열 전달이란 무엇입니까?

열 전달이란 이류, 전도, 대류, 복사라는 네 가지 메커니즘을 사용하여 온도가 다른 물리적 시스템 간에 열 에너지가 열의 형태로 이동하는 것을 말합니다. 열 전달은 음식을 조리하거나 노트북을 냉각하는 것부터 발전소에서 전기를 생산하는 것까지 현대 생활의 거의 모든 측면에 영향을 미칩니다. 폭풍이 지구 대기의 대류 흐름에 의해 발생하는 것처럼 매일 태양으로부터의 태양 복사에 의한 지구 가열은 열 전달의 과정입니다.

열전달은 열역학 제2법칙에 기술된 대로 두 시스템 간에 온도 차이가 있는 모든 상황에서 발생하는 자연스러운 현상입니다. 엔지니어는 또한 열 전달 장치를 사용하여 열을 한 장소에서 다른 장소로 이동시켜 필요한 곳에 열을 전달하고 문제를 일으킬 수 있는 곳에서는 열을 제거합니다. 제품의 안전성, 효율성, 성능은 제품의 각 부분의 온도를 원하는 온도 범위 내에서 유지함으로써 좌우됩니다.

열 전달은 근본적으로 한 시스템에서 다른 시스템으로 열의 형태로 에너지를 이동하는 것입니다. 이 분야는 열의 형태로 저장되거나 전달되는 에너지의 양과 에너지가 시스템을 통해 이동하는 다양한 방식을 살펴봅니다.

다음은 열 전달에 사용되는 몇 가지 중요한 용어와 그 의미입니다.

대류 흐름

대류 흐름이란 가열로 인해 국부적으로 온도가 상승하고 그에 따라 밀도가 떨어지는 유체를 말합니다. 밀도가 떨어지면 부력이 발생하여 따뜻한 유체가 식을 때까지 상승하게 됩니다. 그런 다음 영역이 식으면서 밀도가 감소하고 유체 영역은 음의 부력에 의해 아래로 당겨집니다. 이러한 흐름은 끓는 스파게티 냄비에서 쉽게 볼 수 있는데, 대류 흐름으로 인해 파스타가 물속에서 뒤틀리고 뒤집히는 것을 볼 수 있습니다.

열 용량 또는 열 질량

시스템의 열 용량은 시스템의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 열용량이 높을수록 온도를 높이는 데 더 많은 에너지가 필요합니다. 이 값은 열 전달에 있어서 중요한 값인데, 재료가 열에 어떻게 반응하는지, 그리고 물체가 얼마나 빨리 가열되거나 냉각될 수 있는지를 보여주기 때문입니다.

열유속

열유속은 단위 면적을 통해 전달되는 에너지의 양을 측정합니다. 이 값은 총 열을 측정 대상 표면의 면적으로 나눈 값입니다. 이는 열 전달에 있어서 중요한 값인데, 엔지니어에게 한 물체에서 다른 물체로, 또는 한 물체에서 유체로 이동하는 에너지의 양을 알려주기 때문입니다.

열 생성

열 생성은 화학 반응, 연소, 핵 융합, 핵 분열, 열전기, 전기 저항, 기계적 마찰 또는 유체의 압력 변화 등 다양한 과정을 통해 열 에너지를 생성하는 것을 말합니다.

열전달 계수

표면의 열 전달 계수(h)는 표면과 표면에 접촉하는 유체 사이의 열 유속 및 표면과 유체 간의 온도 차이 사이의 관계를 측정합니다. 이 값은 유체의 속도와 열 특성을 알면 계산할 수 있습니다. 필름 계수라고도 합니다.

질량 전달

열 전달이 한 시스템에서 다른 시스템으로 열의 이동을 다루는 것처럼, 질량 전달도 질량의 이동을 다룹니다. 이것은 열 전달에서 중요한데, 시스템 간에 이동하는 모든 질량은 질량과 함께 이동하는 내부 열 에너지를 가지고 있기 때문입니다. 방열판 위로 이동하는 공기는 질량 전달이자 열 전달입니다.

상 변화

물질이 한 상태에서 다른 상태로 전이할 때 상 변화를 겪습니다. 엄밀히 말해서, 상 변화는 열 전달이 아니지만, 시스템의 온도를 제어하기 위해 열 전달과 함께 사용됩니다. 상이 변하는 재료 내부의 분자 결합의 변화는 고체에서 액체(용융)로, 액체에서 기체(비등 또는 기화)로 변할 때 에너지를 흡수하고, 기체에서 액체(응축)로, 액체에서 고체(동결)로 변할 때 에너지를 방출합니다. 엔지니어는 종종 상 변화를 이용해 시스템에서 열을 제거하거나 추가합니다.

온도

온도는 물체 내에서 진동하고 충돌하는 원자와 분자의 운동 에너지를 측정한 것입니다.

열 전도율

재료의 열 전도율(k)은 해당 재료가 열을 전도하는 능력을 측정한 값입니다. 열 전도율의 역수는 열 저항률입니다.

열 에너지 또는 Heat

Heat은 아원자 입자, 원자, 분자의 미세한 움직임의 형태를 띠는 물질의 내부 에너지입니다. 온도가 높을수록 에너지가 높아집니다. 엄밀히 말해서, heat은 전달되는 열 에너지의 양만 나타냅니다. 하지만 대부분의 사람들은 heat과 열 에너지를 번갈아 사용합니다.

열 평형

열 평형은 접촉하는 두 물체가 같은 온도에 있는 상태를 말합니다. 열 평형에 도달하면 두 물체 사이의 열 전달이 멈춥니다.

열역학:

열역학은 heat, 일, 온도에 초점을 맞춘 물리학의 한 분야이며, 이것들이 시스템의 에너지와 엔트로피, 그리고 물질의 물리적 특성에 어떤 영향을 미치는지 다룹니다. 이는 열역학의 네 가지 법칙으로 설명됩니다. 열 전달 물리는 물체 사이의 열 흐름을 다루는 열역학의 한 분야입니다.

시스템 간의 열 에너지 이동은 네 가지 모드 중 하나로 이루어질 수 있으며, heat이 고온 물체에서 저온 물체로 흐르면서 에너지가 전달됩니다. 대부분의 경우, 두 가지 이상의 열 전달 유형이 동시에 일어나는데, 이는 관련 물체가 서로 닿아 있는지, 유체로 둘러싸여 있는지, 또는 서로 보이는지에 따라 달라집니다. 

각 모드에 대한 간략한 정의는 다음과 같습니다.

이류

열 이류는 유체의 움직임과 운동량을 통해 한 위치에서 다른 위치로 열이 이동되는 열 에너지 전달 메커니즘입니다. 이류의 유체 흐름은 부력에 의해 발생하는 것이 아니라 시스템에 에너지를 추가하여 전달되기 때문에 대류의 엄격한 정의와 구별하기 위해 이류를 강제 대류라고도 합니다.

컴퓨터 마더보드를 냉각하는 팬은 이류 열 전달의 한 예입니다.

열 전도

열 전도란 직접 접촉하는 두 물체 사이의 열 전달 또는 한 물체 내부의 열이 물체 전체에 걸쳐 온도 차이에 따라 전달되는 현상을 말합니다. 열 전도에 대한 푸리에의 법칙에 설명된 대로 열 확산을 통한 에너지 전달을 설명합니다. 에너지 전달 속도는 재료의 열 전도율과 하나 이상 물체의 온도 구배에 의해 결정됩니다. 물리적으로 접촉하는 두 물체의 경우 두 표면 사이의 압력과 밀착도에 따라 열 접촉 저항이 결정됩니다.

열 전도의 예로는 스토브 위의 냄비 손잡이를 들 수 있습니다. 열이 냄비 바닥에서 벽을 타고 손잡이로 이동합니다.

대류

대류 또는 대류 열 전달은 유체의 온도 차이로 인한 부력으로 구동되는 유체의 움직임으로 인해 열 에너지가 전달되는 것을 말합니다. 엔지니어들은 일반적으로 이를 이류 또는 강제 대류와 구별하기 위해 자유 대류 또는 자연 대류라고 부릅니다.

대류의 일반적인 예로는 뜨거운 커피나 차 머그잔을 밖에 두는 것입니다. 따뜻한 음료는 열을 공기 중으로 전달하고 부력은 열을 날려버립니다.

복사

복사 열 전달은 열 에너지를 전자기파/광자로 전달하는 메커니즘입니다. 열 에너지는 모든 형태의 물질에 있는 원자를 움직이게 하고, 그 원자(양성자와 전자)에 있는 하전 입자가 움직이면 전자기 복사가 방출됩니다. 열 복사로 인한 열 전달은 진공 상태에서만 발생하거나 물체의 온도로 인해 방출되는 적외선 파장을 통과하는 매체를 통해서만 발생합니다. 

열 형태의 에너지는 작업을 수행하는 사용될 수도 있습니다. 그렇지 않으면 온도 차이로 인해 모든 시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 열 전달의 기본 원리는 엔지니어가 시스템에 유입되는 열 에너지의 양을 제어하고, 시스템 내에서 원하는 대로 열 에너지를 이동시키고, 하나 이상의 전달 메커니즘을 사용하여 시스템에서 열 에너지를 제거하는 데 응용됩니다.

다음은 열 전달의 몇 가지 일반적인 응용 분야 목록입니다.

조리

음식을 안전하고 먹을 수 있도록 열을 가하여 준비하는 것을 말합니다. 불은 원래 열원으로 사용되며, 대류와 복사 열 전달의 조합으로 연소되는 연료에서 음식으로 열이 이동합니다.

시간이 지나면서 오븐은 가열된 공기의 대류와 벽에서 나오는 복사열이 음식을 조리하는 고온 인클로저를 만들도록 개발되었습니다. 현대의 조리는 전기 저항이나 전기 유도를 열원으로 사용하여 조리 용기에 에너지를 전달합니다. 에어프라이어와 컨벡션 오븐은 팬이 고온의 공기를 음식 위로 불어넣어 음식으로 들어가는 열 유속을 증가시켜 더 빨리 조리하는 예입니다.

전자장치 열 관리

현대 생활에서 열 전달의 또 다른 매우 일반적인 응용 분야는 전자 장치를 냉각하는 것입니다. 전자 부품의 저항은 열을 발생시키며, 열을 부품에서 멀리 이동시키기 위해 다양한 열 전달 방법이 사용됩니다.

가장 기본적인 경우(휴대폰과 같이) 전도는 부품의 열 에너지를 케이스와 화면으로 옮기는 데 사용되고 대류는 열을 주변 공기로 옮깁니다. 컴퓨터와 같은 고온 장치의 경우 방열판은 대류를 위한 넓은 표면적을 생성하도록 설계되고 필요한 경우 장치 내에 팬을 설치하여 공기의 운동량을 증가시키고, 열을 멀리 옮기고 열 전달 계수를 증가시키는 이류를 사용합니다.

난방 및 냉방

인간은 열 전달을 이용해 구조물 내부의 온도를 쾌적하게 유지하는 장치와 재료를 설계해 왔습니다.

• 건물은 단열재를 사용하여 구조물 내부에서 외부 환경으로의 열 전달을 줄입니다.
• 창문 코팅은 창문을 통과하는 적외선 복사의 양을 줄이고, 에어컨 시스템은 상변화를 이용해 공기에서 열을 추출하고 저온 공기를 실내로 되돌립니다.
• 난방의 경우 연소나 전기를 사용하여 공기나 증기를 가열하고, 데워진 유체를 필요한 곳으로 운반합니다.

재료 처리

금속 합금 제조부터 원유에서 석유 제품을 추출하는 것까지 대부분의 재료 처리 사례에서 열 전달은 필수적인 역할을 합니다.

각각의 경우 열 전달은 원하는 상 변화, 화학 반응 또는 야금학적 변형을 생성하기 위해 원료에서 원하는 온도를 얻고 유지하는 데 사용됩니다. 열 전달은 재료 처리의 효율성을 최적화하여 필요한 에너지 양을 최소화하기 위해 연구되고 사용됩니다.

자동차 엔진

내연 기관 엔진(ICE)은 상당한 양의 열을 생성합니다. 일부 엔진은 공기 냉각에 의존하지만, 대부분은 펌핑된 물을 사용하여 엔진 블록에서 열을 끌어냅니다. 엔진 블록은 강철이나 알루미늄으로 만들어졌는데, 둘 다 열의 도체입니다.

그런 다음 유체는 라디에이터(자동차 앞쪽에 있는 대형 열 교환기)를 통과하여 자동차가 움직일 때는 이류를 통해 열 에너지를 공기 중으로 전달하고, 정지하거나 천천히 움직일 때는 팬을 이용합니다.

전기 자동차 드라이브트레인

전기 자동차(EV)의 모터와 배터리는 차량 외부로 옮겨야 하는 상당한 열을 생성할 수 있습니다. 일부 시스템은 전도를 사용하여 열원에서 멀리 떨어진 곳으로 열을 옮긴 다음, 액체 냉각 루프를 사용하여 열을 라디에이터로 전달하도록 설계되었습니다.

우주선

우주에 있는 전자장치, 특히 우주선의 CMOS 카메라와 같은 센서의 냉각 및 가열은 열 에너지를 전달할 주변 공기가 없기 때문에 독특한 열 전달 문제입니다. 설계는 전자장치에서 발생하는 열, 환경으로부터의 적외선 복사, 태양에서 흡수된 열, 우주로 복사된 열의 균형을 맞춰야 합니다. 우주에 있는 부품의 온도를 적절한 작동 범위 내에서 유지하기 위해 엔지니어는 전도, 복사, 이류, 열 발생 또는 상 변화의 조합을 사용합니다.

열 관리 시스템을 설계하는 엔지니어는 개발 중인 시스템을 이해하고 설계를 추진하기 위해 시뮬레이션에 크게 의존합니다. 시뮬레이션은 실제 테스트보다 훨씬 빠르게 수행할 수 있고, 설계 과정의 초기 단계에서 수행할 수 있으며, 훨씬 더 많은 시나리오를 알아볼 수 있습니다.

경우에 따라 시뮬레이션은 몇 가지 방정식의 형태를 취할 수 있습니다. 시스템이 복잡해짐에 따라 엔지니어는 유한 요소 해석(FEA), 유한 차분 해석, 전산 유체 역학(CFD), 레이 트레이싱을 사용하여 열 전달의 전도, 대류/이류 및 복사 모드를 모델링합니다.

다음은 열 전달에 대한 정확하고 효율적인 시뮬레이션을 수행하기 위한 몇 가지 제안 사항입니다.

1. 정상 상태 또는 과도 상태 솔루션이 필요한지 여부 및 시기 결정

열 전달은 열 평형에 도달할 때까지 열 에너지가 물체 사이를 이동하는 데 시간이 걸리기 때문에 시간에 따라 달라지는 현상입니다. 시뮬레이션을 시작하기 전에 시스템의 과도 동작을 포착해야 하는지 아니면 정상 상태 조건이 충족되면 열 유속과 온도에만 관심이 있는지 파악해야 합니다.

2. 재료 특성 파악

정확한 열 전달 계산은 열 전도율, 열 용량 및 방사율과 같은 재료 특성에 크게 의존합니다. Ansys Granta와 같은 도구를 사용하여 열 재료 특성을 파악하고 관리하는 것은 매우 유용할 수 있습니다.

3. 경계 조건 및 제어 볼륨 이해

열 전달 시뮬레이션에서 가장 흔한 오류의 원인 중 하나는 잘못된 경계 조건을 적용하거나 물체 주변에 적절한 제어 볼륨을 정의하지 않는 것입니다. 모델링하는 시스템의 각 영역을 스케치하고 모델을 구축하기 전에 각 영역의 열 유속과 열 발생량을 파악하는 데 주의를 기울여야 합니다.

4. 유체 속도를 정확하게 포착

자연 대류와 강제 대류는 시스템의 열 흐름을 관리하는 데 사용되는 가장 일반적인 두 가지 열 전달 모드이며, 표면에서 유체로의 열 유속은 속도에 크게 의존합니다.

Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어와 같은 FEA 프로그램이나 Ansys Thermal Desktop 열 중심 모델링 소프트웨어와 같은 유한 차분 프로그램은 속도가 잘 알려져 있는 경우 열 전달 계수를 사용하여 유체로의 대류 열 전달을 나타낼 수 있습니다. 필요한 경우 유체를 1차원 열 유체 네트워크로 단순화하여 시스템 내 유체의 열 전달 및 속도를 보다 정확하게 계산할 수 있습니다. 이는 자동차 엔진, 제트 엔진, 원자력 발전소 및 우주선에서 흔히 사용됩니다.

그러나 유체 흐름을 추정하거나 단순화할 수 없는 복잡한 시스템에서는 엔지니어가 난류, 대류 흐름 및 서로 다른 유체의 혼합을 포함한 유체 흐름을 정확하게 예측하기 위해 전체 Ansys Fluent와 같은 CFD 도구 소프트웨어를 사용합니다. 고체에서 정확한 열 전도율과 유체 거동을 결합한 시뮬레이션을 복합 열 전달 시뮬레이션이라고 합니다.

5. 가능한 경우 모델 단순화

경험이 풍부한 열 엔지니어는 열 전달 시뮬레이션을 위해 시스템을 단순화하는 데 전문가입니다. 많은 경우, 1-D 네트워크 모델을 사용하여 시스템의 일부 또는 모든 열 거동을 정확하게 포착할 수 있습니다. 또는 작은 특징이 열 전달 반응에 영향을 미치지 않기 때문에 3-D 형상을 크게 단순화할 수 있습니다.

Thermal Desktop과 같은 도구를 사용하면 CAD 형상을 사용하기 전에 초기 설계 연구를 위한 간단한 모델을 생성하고, Ansys SpaceClaim의 TD Direct를 사용하여 CAD 형상을 사용할 수 있게 되면 단순화된 단순화를 유지할 수 있습니다.

Ansys SpaceClaim의 TD Direct와 같은 도구를 사용하면 복잡한 CAD 형상을 과도 열 해석에 이상적인 단순화된 모델로 변환하는 속도를 크게 높일 수 있습니다.

6. 전자장치용 버티컬 애플리케이션의 강력한 기능 활용

전자장치의 열 전달 모델링은 그 자체로 전문 분야이므로 Ansys Icepak 전자장치 냉각 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 도구가 이 중요한 영역에 집중하도록 개발되었습니다. 버티컬 애플리케이션은 업계 고유의 용어, 형상 및 경계 조건을 이해하며 모델 구축 및 후처리 단계를 자동화하는 방법을 포함합니다. 버티컬 애플리케이션을 사용하면 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 비전문가도 시뮬레이션을 보다 쉽게 사용할 수 있습니다.

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